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Die Erfindung betrifft einen Radialverdichter für einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Ein solcher Radialverdichter für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine ist der
DE 10 2008 051 981 A1 als bekannt zu entnehmen. Der Radialverdichter umfasst ein Verdichterrad, welches in axialer Richtung von mittels des Verdichterrads zu verdichtender Luft anströmbar und radialer Richtung von der verdichteten Luft abströmbar ist. Ferner umfasst der Radialverdichter einen sich in axialer Richtung erstreckenden und von der verdichteten Luft durchströmbaren Axialdiffusor. Darüber hinaus ist wenigstens ein sich in Umfangsrichtung des Verdichterrads erstreckender Sammelkanal vorgesehen, welchem die Luft über den Axialdiffusor zuführbar ist. Der Sammelkanal ist dabei als Spiralkanal, d. h. als Sammelspirale ausgebildet und dient als Sammelraum zum Sammeln sowie zum Führen der verdichteten Luft.
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Des Weiteren offenbart die
DE 10 2008 051 980 A1 eine Luftversorgungseinrichtung mit einem Verdichter mit einem Radialdiffusor, insbesondere für ein mittels eines Elektromotors betriebenes Luftversorgungssystem von Brennstoffzellen. Der Radialdiffusor weist einen effektiven Strömungsquerschnitt auf, welcher veränderbar ist. Darüber hinaus ist ein axialer Ringraum als Axialdiffusor vorgesehen.
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Aus der
EP 0 581 978 A1 ist ein mehrzoniger Diffusor für eine axial durchströmbare Turbomaschine bekannt. Auch die
EP 2 104 231 A1 offenbart einen Ringdiffusor für eine axiale Turbomaschine, welche in axialer Richtung von einem Medium durchströmbar ist.
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Der Vorteil eines Radialverdichters ist sein nur sehr geringer Bauraumbedarf, was insbesondere bei Kraftwagenanwendungen und insbesondere bei Personenkraftwagen vorteilhaft ist, um Package-Probleme zu lösen oder zu vermeiden.
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Durch die Verwendung eines Radialverdichters zum Versorgen der Verbrennungskraftmaschine mit mittels des Radialverdichters verdichteter Luft können auch dann hohe spezifische Leistungen und Drehmomente der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden, wenn diese nach dem sogenannten Downsizing-Prinzip ausgestaltet ist und ein nur sehr geringes Hubvolumen aufweist. Des Weiteren sind gleichzeitig hohe Abgasrückführraten realisierbar, um so insbesondere die Stickoxid-Emissionen (NOx-Emissionen) gering zu halten. Dadurch ist ein effizienter und kraftstoffverbrauchsarmer Betrieb mit nur sehr geringen Emissionen der Verbrennungskraftmaschine realisierbar.
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Bisherige Entwicklungstätigkeiten führten dabei zur Darstellung von zweistufigen oder gar dreistufigen Aufladungen mit zwei bzw. drei Verdichtern. Aufgrund dieser Vielzahl an Verdichtern und dementsprechend an Abgasturboladern wird der Bauraumbedarf solcher Aufladesysteme zunehmend kritisch.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Radialverdichter der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass der Radialverdichter einen besonders geringen Bauraumbedarf sowie eine besonders vorteilhafte Betreibbarkeit aufweist ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Radialverdichter für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um einen Radialverdichter der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, welcher einen besonders geringen Bauraumbedarf sowie eine besonders vorteilhafte Betreibbarkeit aufweist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Sammelkanal in radialer Richtung zumindest bereichsweise außenseitig des Axialdiffusors angeordnet ist. Hierdurch ist eine besonders bauraum- sowie strömungsgünstige Führung der verdichteten Luft möglich. Darüber hinaus können dadurch von der verdichteten Luft durchströmbare Strömungsquerschnitte des Verdichters, insbesondere des Axialdiffusors und/oder des Sammelkanals, bedarfsgerecht ausgestaltet werden, was dem effizienten Betrieb und somit der Betreibbarkeit des Verdichters zugutekommt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht eines Radialverdichters für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine, wobei ein Sammelkanal des Radialverdichters in radialer Richtung zumindest bereichsweise außenseitig eines Axialdiffusors des Radialverdichters angeordnet ist;
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2 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Radialverdichters; und
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3 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Radialverdichters.
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1 zeigt einen Radialverdichter 10 für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine. Der Radialverdichter 10 dient dazu, die beispielsweise als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildete Verbrennungskraftmaschine mit verdichteter Luft zu versorgen. Dazu umfasst der Radialverdichter 10 ein Verdichterrad 12, welches in einem Aufnahmeraum 14 eines Verdichtergehäuses 16 des Radialverdichters 10 um eine Drehachse 18 relativ zu dem Verdichtergehäuse 16 drehbar aufgenommen ist.
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Der Abgasturbolader umfasst auch eine in 1 nicht dargestellte Turbine mit einem Turbinengehäuse, in welchem ein um die Drehachse 18 relativ zu dem Turbinengehäuse drehbares Turbinenrad aufgenommen ist. Das Turbinenrad und das Verdichterrad 12 sind mit einer Welle 20 des Abgasturboladers drehfest verbunden. Die Turbine ist dabei in einem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnet, wobei das Turbinenrad von Abgas der Verbrennungskraftmaschine anströmbar und dadurch antreibbar ist. Infolge der drehfesten Verbindung sowohl des Turbinenrads als auch des Verdichterrads 12 mit der Welle 20 kann das Verdichterrad 12 vom Turbinenrad um die Drehachse 18 angetrieben werden und so die der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft verdichten.
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Der Radialverdichter 10 kann beispielsweise in einem zwei oder mehrstufigen Aufladesystem der Verbrennungskraftmaschine zum Einsatz kommen. Das zweistufige Aufladesystem umfasst zwei Verdichter, welche in einem Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnet und bezogen auf eine Strömungsrichtung der den Ansaugtrakt durchströmenden Luft seriell zueinander geschaltet sind. Einer dieser Verdichter ist der Radialverdichter 10, wobei der Radialverdichter 10 insbesondere als sogenannter Niederdruck-Verdichter verwendet wird. In Strömungsrichtung der Luft durch den Ansaugtrakt ist der Niederdruck-Verdichter dabei stromauf des anderen, als Hochdruck-Verdichter bezeichneten Verdichters angeordnet.
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Während dieses Betriebs des Radialverdichters 10 dreht sich das Verdichterrad 12, wodurch es – wie in 1 durch einen Richtungspfeil 22 angedeutet ist – Luft in axialer Richtung ansaugt. Mit anderen Worten ist das Verdichterrad 12 in axialer Richtung von der zu verdichtenden Luft anströmbar. Die mittels des Verdichterrads 12 verdichtete Luft strömt dabei zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung von dem Verdichterrad 12 ab. Mit anderen Worten ist das Verdichterrad 12 in radialer Richtung des Verdichterrads 12 von der verdichteten Luft abströmbar.
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Der Radialverdichter 10 weist auch einen Axialdiffusor 24 auf. Der Axialdiffusor 24 dient dazu, die verdichtete und dadurch beschleunigte Luft zu verlangsamen. Dazu weist der Axialdiffusor 24 einen sich zumindest in einem Teilbereich des Axialdiffusors 24 in Erstreckungsrichtung des Axialdiffusors 24 und somit in axialer Richtung erweiternden und von der verdichteten Luft durchströmbaren Strömungsquerschnitt auf.
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Wie aus 1 erkennbar ist, ist der Axialdiffusor 24 von jeweiligen Wandungen des Verdichtergehäuses 16 gebildet. Ferner schließt sich der Axialdiffusor 24 vorliegend zumindest im Wesentlichen direkt, d. h. unmittelbar an das Verdichterrad 12 an. Mit anderen Worten folgt der Axialdiffusor 24 in Strömungsrichtung der verdichteten Luft direkt nach einem Radaustritt des Verdichterrads 12. Somit strömt die mittels des Verdichterrads 12 verdichtete Luft ohne Vermittlung eines Radialdiffusors in den Axialdiffusor 24 ein, wobei der Radialverdichter 10 als Diffusor ausschließlich den Axialdiffusor 24 umfasst.
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Der Radialverdichter 10 weist darüber hinaus einen sich in Umfangsrichtung des Verdichterrads erstreckenden Sammelkanal 26 auf, in den der Axialdiffusor 24 mündet. Dadurch kann die den Axialdiffusor 24 durchströmende Luft in den Sammelkanal 26 einströmen.
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Der Sammelkanal 26 erstreckt sich in Umfangsrichtung des Verdichterrads 12 über dessen Umfang zumindest teilweise und ist zumindest im Wesentlichen spiralförmig ausgebildet, so dass der Sammelkanal 26 auch als Spiralkanal bezeichnet wird. Der Sammelkanal 26 dient als Sammelraum zum Sammeln und zum weiteren Verlangsamen der verdichteten Luft.
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Wie anhand von 1 erkennbar ist, ist der Axialdiffusor 24 zumindest im Wesentlichen konusförmig und somit als Konusdiffusor ausgebildet, welcher sich in radialer Richtung nach außen öffnet, d. h. welcher zumindest in einem Teilbereich sich in radialer Richtung nach außen erweiternd ausgebildet ist und über diese Erweiterung in den Sammelkanal 26 übergeht.
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Zur Realisierung eines besonders geringen Bauraumbedarfs des Radialverdichters 10 sowie zur Realisierung vorteilhafter, von der verdichteten Luft durchströmbarer Strömungsquerschnitt des Radialverdichters 10 ist der Sammelkanal 26 in radialer Richtung zumindest bereichsweise außenseitig des Axialdiffusors angeordnet. Vorliegend ist der Sammelkanal 26 zumindest überwiegend in radialer Richtung außenseitig des Axialdiffusors angeordnet, wobei der Axialdiffusor 24 in radialer Richtung nach außen zumindest bereichsweise und vorliegend zumindest überwiegend durch den Sammelkanal 26 überdeckt ist.
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Die Ausgestaltung des Sammelkanals 26 (Sammelraum) erfolgt entsprechend eines Sammelraumbedarfs, wobei vorliegend der Sammelkanal 26 vorwiegend in seiner axialen Erstreckung, d. h. in seiner in axialer Richtung des Verdichterrads 12 verlaufenden Erstreckung gewichtet ist. Dies bedeutet, dass der Sammelkanal 26 zumindest in einem Teilbereich seiner in Umfangsrichtung verlaufenden Erstreckung eine Erstreckung in axialer Richtung aufweist, welche größer ist als eine Erstreckung des Sammelkanals 26 in radialer Richtung in dem Teilbereich. Mit anderen Worten ist der Sammelkanal 26 zumindest in dem Teilbereich in axialer Richtung länger als in radialer Richtung hoch ausgebildet.
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Dadurch können einerseits besonders große, von der Luft durchströmbare Strömungsquerschnitte des Radialverdichters 10 und insbesondere des Axialdiffusors 24 sowie andererseits ein nur sehr geringer Außendurchmesser des Radialverdichters 10 verwirklicht werden, so dass der Bauraumbedarf und insbesondere der Bauraumbedarf in radialer Richtung des Radialverdichters 10 besonders gering gehalten werden kann. So ist es möglich, Außenabmessungen, d. h. Außendimensionen des Radialverdichters 10 an entsprechende Außenabmessungen der Turbine anzugleichen, so dass dadurch ein sehr kompakter Abgasturbolader insgesamt darstellbar ist.
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Durch die Realisierbarkeit besonders großer Strömungsquerschnitte bei möglichst geringen Außendurchmessern bezogen auf die Drehachse 18 können Reibungsverluste, die mit dem Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit der Luft einhergehen, besonders gering gehalten werden. Dies führt zu einem besonders effizienten Betrieb.
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Der vorliegend beschaufelungsfreie, zur Drehachse 18 rotationssymmetrische Konusdiffusor in Form des Axialdiffusors 24 weist eine in radialer Richtung äußere Wandung 28 des Verdichtergehäuses 16 auf, welche um einen Winkel γ gegenüber einer zumindest im Wesentlichen parallel zur Drehachse 18 verlaufenden und somit zumindest im Wesentlichen kreiszylinderförmigen Wandung in radialer Richtung nach außen geneigt ist und somit schräg zur Axialrichtung verläuft, wodurch die Konusform des Axialdiffusors 24 gebildet ist. Somit wird der Winkel γ auch als Diffusoröffnungswinkel bezeichnet. Der Axialdiffusor 24 weist somit einen von der Luft durchströmbaren Strömungsquerschnitt oder Diffusorquerschnitt auf, welcher sich in Strömungsrichtung der Luft durch den Axialdiffusor 24 erweiternd ausgebildet ist. Mit anderen Worten öffnet sich der Strömungsquerschnitt (Diffusorquerschnitt) in axialer Richtung von dem Verdichterrad 12 weg. Diese Ausgestaltung der in radialer Richtung äußeren Wandung 28 und somit einer in radialer Richtung äußeren Begrenzungsfläche zum Bewirken der Konusform des Axialdiffusors 24 ist besonders vorteilhaft für das die Verzögerung der den Axialdiffusor 24 unter hohem Drall durchströmenden Luft bewirkende Fliehkraftfeld im Axialdiffusor 24.
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Eine spezifische Leistungsübertragung des Verdichterrads 12 auf die Luft für eine Druckerzeugung, d. h. zum Verdichten der Luft ist direkt proportional mit dem Eintrittsdrall R2 × Cu2 stromab des Verdichterrads 12 als Basis der spezifischen Leistungserzeugung nach Euler. Die entsprechende Ausgestaltung der Wandung 28 ist für diese spezifische Leistungserzeugung besonders vorteilhaft, da die Gefahr eines Strömungsabrisses im Axialdiffusor 24 auch bei großen Diffusoröffnungswinkeln (Winkel γ) besonders gering gehalten werden kann. Die Erstreckung des Sammelkanals 26 in Umfangsrichtung des Verdichterrads 12 wird charakterisiert durch einen in 1 nicht dargestellten Umschlingungswinkel φ des Sammelkanals 26, welcher an einer in 1 beispielhaft gezeigten Stelle 30 größer als 0° ist. An einer weiteren Stelle 32 liegt der Umschlingungswinkel φ in einem Bereich von 350° bis 355°. Bei dem Umschlingungswinkel φ von 0° weist der Sammelraum (Sammelkanal 26) eine Austrittsfläche As auf. Entlang des Umschlingungswinkels φ wird zumindest in einem weiten Bereich das Verhältnis der Austrittsfläche As zu einem Schwerpunktradius Rs, welcher den radialen Abstand des Flächenschwerpunkts 35 der Austrittsfläche As zur Drehachse bezeichnet, nur durch eine axiale Längenverkürzung reduziert. Mit anderen Worten bleibt in diesem weiten Bereich die radiale Erstreckung des Sammelkanals 26 zumindest im Wesentlichen gleich, während in dem weiten Bereich über den Umschlingungswinkel φ die axiale Erstreckung des Sammelkanals 26 abnimmt. Dies bedeutet, dass der Sammelkanal 26 zumindest in einem Teilbereich seiner in Umfangsrichtung verlaufenden Erstreckung eine entlang der Umfangsrichtung variierende, axiale Erstreckung aufweist. Mit anderen Worten nimmt die axiale Erstreckung des Sammelkanals 26 zumindest in dem Teilbereich seiner in Umfangsrichtung verlaufenden Erstreckung mit zunehmendem Umschlingungswinkel φ ab.
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Ab einer vorgebbaren Stelle, beispielsweise je nach gewünschtem Verhältnis As/Rs wird die Austrittsfläche As des Sammelkanals 26 auch durch Einzug der radialen Erstreckung des Sammelkanals gemindert. Mit anderen Worten kann der Sammelkanal 26 zumindest in einem Teilbereich seiner in Umfangsrichtung verlaufenden Erstreckung ein entlang der Umfangsrichtung, d. h. entlang des Umschlingungswinkels φ variierende, radiale Erstreckung aufweisen.
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Vorzugsweise wird das Verhältnis der Austrittsfläche As zum Schwerpunktradius Rs des Sammelkanals 26 in der Mitte nahe einer linearen Funktion über den Umschlingungswinkel φ ausgelegt.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform des Radialverdichters 10, wobei in 2 eine radiale Bauraumbegrenzung 34 schematisch gezeigt ist. Eine solche, radiale Bauraumbegrenzung 34 kann beispielsweise in einem Motorraum eines Kraftwagens durch anderweitige Komponenten und/oder durch den Motorraum begrenzende Wandungen gegeben sein. Wie aus 2 erkennbar ist, weist der Radialverdichter 10 aufgrund der entsprechenden Ausgestaltung des Axialdiffusors 24 sowie aufgrund der entsprechenden Anordnung des Sammelkanals 26 einen besonders geringen, radialen Bauraumbedarf auf bei gleichzeitiger Realisierung besonders großer Strömungsflächen, d. h. Strömungsquerschnitte des Radialverdichters 10.
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Gemäß 2 ist dem Axialdiffusor 24 eine Strömungsbeschaufelung 36 mit wenigstens einem Leitelement 38 zugeordnet, welches im Axialdiffusor 24 im Bereich eines Krümmers 40, über den die Luft strömt, angeordnet. Das Leitelement 38 dient zum Ab- bzw. Umlenken der Luft. Mittels der Strömungsbeschaufelung 36 können die hohen Radaustrittsgeschwindigkeiten der Luft gegebenenfalls nochmals erhöht werden, so dass die Luft nochmals beschleunigt wird. Ferner kann dadurch eine weitere Drallerhöhung der Luft vorgesehen werden, um die Strömung der Luft durch den Axialdiffusor 24 im Verzögerungsverhalten zu begünstigen. Alternativ dazu kann die Strömungsbeschaufelung 36 als Diffusorbeschaufelung unmittelbar für eine Verzögerungsphase als Vordiffusor für den freien Axialdiffusor 24 sorgen. Des Weiteren ist es vorteilhaft, die Position der Strömungsbeschaufelung 36 über den Abstand zum Radeintritt festzulegen.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform des Radialverdichters 10, wobei stromab des Verdichterrads 12 und stromauf des Axialdiffusors 24 ein Vorsammelraum 42 vorgesehen ist, welchem die verdichtete Luft zuführbar ist und von welchem die verdichtete Luft dem Axialdiffusor 24 zuführbar ist. Der Vorsammelraum 42 stellt eine Volumenvergrößerung bereit, welche zum Sammeln der Luft dient. Vorliegend ist der Vorsammelraum 42 zumindest im Wesentlichen rotationssymmetrisch und als Ringraum ausgebildet, in den die Luft einströmen kann und aus dem die eingeströmte Luft in einen Eintrittsbereich des Axialdiffusors 24 einströmen kann, wodurch die Luft noch einmal eine Beschleunigung erfährt.
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Der Radialverdichter 10 weist auch einen Rezirkulationskanal 44 auf, über welchen die Luft von stromab eines Radeintritts und stromauf eines Radaustritts des Verdichterrads 12 zu stromauf des Radeintritts zurückströmen kann. Dadurch ist ein besonders breites Kennfeld des Radialverdichters 10 realisierbar.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Radialverdichter
- 12
- Turbinenrad
- 14
- Aufnahmeraum
- 16
- Verdichtergehäuse
- 18
- Drehachse
- 20
- Welle
- 22
- Richtungspfeil
- 24
- Axialdiffusor
- 26
- Sammelkanal
- 28
- Wandung
- 30
- Stelle
- 32
- Stelle
- 34
- radiale Bauraumbegrenzung
- 35
- Flächenschwerpunkt
- 36
- Strömungsbeschaufelung
- 38
- Leitelement
- 40
- Krümmer
- 42
- Vorsammelraum
- 44
- Rezirkulationskanal Winkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008051981 A1 [0002]
- DE 102008051980 A1 [0003]
- EP 0581978 A1 [0004]
- EP 2104231 A1 [0004]
