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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität und den gesamten Nutzen der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/676.467, eingereicht am 27. Juli 2012, mit dem Titel „Zurückziehbarer beschaufelter Diffusor für Verdichter”, die hiermit bezugnehmend aufgenommen ist.
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HINTERGRUND
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1. Gebiet der Offenbarung
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Diese Offenbarung betrifft ein Bauteil für Turbolader für Verbrennungsmotoren. Insbesondere betrifft diese Offenbarung ein zurückziehbares beschaufeltes Diffusorsystem für eine Radial- oder Mischströmungs-Verdichterstufe eines Turboladers.
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2. Beschreibung des verwandten Standes der Technik
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Zu den Vorteilen der Turboladung zählen erhöhte Leistungskraft, geringerer Kraftstoffverbrauch und verringerte Emissionen von Schadstoffen. Die Turboladung von Motoren wird nicht mehr nur überwiegend von dem Gesichtspunkt des höheren Leistungsverhaltens aus betrachtet, sondern wird als Mittel zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Umweltbelastung aufgrund verringerter Kohlendioxidemissionen (CO2) angesehen. Der derzeitige Hauptgrund für die Turboladung ist die Nutzung der Abgasenergie zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen. In Motoren mit Turboladern wird die Verbrennungsluft vorverdichtet, bevor sie dem Motor zugeführt wird. Der Motor saugt dasselbe Volumen eines Luft-Kraftstoff-Gemisches ein wie ein Saugmotor, aber aufgrund des höheren Drucks und somit der höheren Dichte wird mehr Luft- und Kraftstoffmasse in die Verbrennungskammer geleitet. Folglich kann mehr Kraftstoff verbrannt werden, so dass die Leistungskraft des Motors im Verhältnis zur Geschwindigkeit und zum Hubraum zunimmt.
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Bei der Abgas-Turboladung wird ein Teil der Abgasenergie, die normalerweise verschwendet werden würde, zum Antreiben eines auf einer Welle befestigten Turbinenrads verwendet. Der Turbolader führt einen Teil dieser normalerweise verschwendeten Abgasenergie in den Motor zurück und trägt so zur Effizienz des Motors und zur Einsparung von Kraftstoff bei. Ein Verdichterlaufrad, das auf derselben Welle wie das Turbinenrad befestigt ist, zieht gefilterte Umgebungsluft ein, verdichtet sie und führt sie dann dem Motor zu.
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Ein Turbolader ist eine Art von Zwangsansaugsystem, das mit Verbrennungsmotoren verwendet wird. Turbolader liefern Druckluft an den Ansaugtrakt eines Motors, wodurch mehr Kraftstoff verbrannt werden kann und die Pferdestärken eines Motors somit ohne wesentliche Erhöhung des Motorgewichts erhöht werden. Folglich gestatten Turbolader die Verwendung kleinerer Motoren, die dieselbe Pferdestärke liefern wie größere Saugmotoren. Die Verwendung eines kleineren Motors in einem Fahrzeug hat die gewünschte Wirkung, dass die Fahrzeugmasse verringert und die Wirtschaftlichkeit des Kraftstoffverbrauchs erhöht wird. Darüber hinaus gestattet die Verwendung von Turboladern eine vollständigere Verbrennung des dem Motor zugeführten Kraftstoffs, was zu dem äußerst wünschenswerten Ziel einer saubereren Umwelt beiträgt.
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Turbolader weisen eine Turbinenstufe und eine Verdichterstufe auf. Insbesondere weisen Turbolader üblicherweise ein Turbinengehäuse, das mit dem Abgaskrümmer des Motors verbunden ist, ein mit dem Ansaugkrümmer des Motors verbundenes Verdichtergehäuse und ein Mittellagergehäuse auf, das die Turbinen- und Verdichtergehäuse miteinander verbindet. Ein Turbinenrad in dem Turbinengehäuse wird von einströmendem Abgas, das von dem Abgaskrümmer zugeführt wird, drehend angetrieben. Eine in dem Mittellagergehäuse drehend gestützte Welle verbindet das Turbinenrad mit einem Verdichterrad (einem Laufrad) in dem Verdichtergehäuse, so dass eine Drehung des Turbinenrads zu einer Drehung des Verdichterlaufrads führt. Die Welle, die das Turbinenrad mit dem Verdichterlaufrad verbindet, definiert eine Drehachse.
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Diese Offenbarung konzentriert sich auf die Verdichterstufe des Turboladers. Die Verdichterstufe soll zur Erhöhung des Ansaugkrümmer-Luftdrucks und der Dichte beitragen, damit die Motorzylinder bei jedem Ansaugtakt eine größere Luftmasse ansaugen können. Die Verdichterstufe, insbesondere das Verdichtergehäuse, weist vorzugsweise einen Diffusor auf. Der Diffusor wandelt den mit hoher Geschwindigkeit fließenden Luftstrom, der das Verdichterlaufrad verlasst, in einen Luftstrom mit geringerer Geschwindigkeit und höherem Druck um. Der Diffusor wird von zwei Wänden definiert. Eine wird als Nabenwand bezeichnet und liegt dem Mittellagergehäuse des Turboladers am nächsten. Die andere wird als Umhüllungswand bezeichnet. Diese beiden Wände bilden einen Strömungsweg für Luft, wenn diese das Verdichterlaufrad verlässt und den Luftstrom in ein Spiralgehäuse leitet.
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Schaufeln in Diffusoren sind bekannt. Die Bereitstellung von Schaufeln in dem Diffusor kann die Effizienz verbessern. Vollschaufeln, die sich vollständig zwischen der Umhüllungswand und der Nabenwand erstrecken, wurden bereits verwendet. Diffusoren mit Schlitzwänden, bei denen Vollschaufeln von Schlitzen in einer der Wände aufgenommen werden, sind ebenfalls bekannt. Gerippte Schaufeln, die sich nicht vollständig zwischen den Wänden des Diffusors erstrecken, sind ebenfalls bekannt.
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Schaufeln tragen zur Kontrolle des Luftstroms bei geringerer Massenluftströmung bei und können das Einsetzen von Strömungsabriss und Verdichterpumpen des Diffusors durch Strömungsumkehr verzögern. Herkömmliche bewegliche Schaufeln sind als schwenkbare Schaufeln bekannt. Die Wände des Diffusors können sich zur Einstellung des Luftstroms über den Schaufeln bewegen.
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Es sind auch Diffusoren ohne Schaufeln bekannt. Bei höheren Massenluftströmungen können Schaufeln den Luftstrom durch den Diffusor blockieren. Dies tritt auf, weil eine Vorderkante der Schaufeln einen Schallstoß verursacht. Unter bestimmten Betriebsbedingungen sind Schaufeln, die den Luftstrom blockieren, nicht bevorzugt. Bei höheren Massenluftströmungen ist ein unbeschaufelter Diffusor effektiver als bei niedrigeren Massenluftströmungen, während eine gerippte Wand unter Bedingungen mit niedriger Massenluftströmung wirksamer sein kann.
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Höhere Massenluftströmungen würden darauf hinweisen, dass die Verdichterstufe sich im Hinblick auf die Luftströmungskapazität ihrer Betriebsgrenze nähert. Niedrigere Massenluftströmungen würden darauf hinweisen, dass sich die Verdichterstufe im Hinblick auf die stabile Verdichtung von Luft ihrer Betriebsgrenze nähert. Kurz vor der Pumpgrenze blockiert eine Verdichterschaufel wie ein Flügel eines Flugzeugs und kann Luft nicht mehr so wirksam verdichten. Wirbel werden von einem Teil der Verdichterschaufel, des Diffusors oder Spiralzunge abgegeben, wodurch der Druck und der Massendurchsatz schwanken. Wenn diese Wirbel ausreichend groß werden, verursachen sie so starke Schwankungen durch die Verdichterstufe, dass die Strömung tatsächlich umgekehrt wird und aus einem Einlass des Verdichtergehäuses austritt. Dies wird als hartes Verdichterpumpen („Hard Surge”) oder Verdichterpumpen („Surge”) bezeichnet.
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Es ist daher wünschenswert, eine Verdichterstufe eines Turboladers bereitzustellen, die sowohl das überlegende Druckverhältnis, die Effizienz und die Betriebseigenschaften mit geringerer Massenluftströmung eines Diffusors mit Schaufeln als auch die höhere Massenluftströmungskapazität eines unbeschaufelten Diffusors aufweist.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein Turbolader weist ein Verdichterlaufrad und ein Turbinenrad auf, die über eine Drehwelle miteinander verbunden sind. Das Verdichterlaufrad steht mit einem zurückziehbaren beschaufelten Diffusorsystem in Wirkverbindung und ist daneben angeordnet, wobei sich die Schaufeln auf Basis der Aktivierung des zurückziehbaren beschaufelten Diffusorsystems in eine Wand eines Diffusors zurückziehen und selektiv aus der Wand des Diffusors in einen Strömungsweg des Diffusors ausgezogen werden. Die Schaufeln können mit einem Schaufelring vollständig in einen Hohlraum in der Wand des Diffusors zurückgezogen werden, wenn zur Maximierung der Strömungskapazität ein Betrieb als unbeschaufelter Diffusor erwünscht ist. Die Schaufeln können aus der Wand des Diffusors ausgezogen werden, wenn die Effizienz von Schaufeln von Vorteil ist, beispielsweise unter Bedingungen mit geringerer Massenluftströmung zur Erhöhung der Effizienz und des Druckverhältnisses und zum Verzögern des Einsetzens von Strömungsabriss oder Verdichterpumpen des Diffusors.
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Das zurückziehbare beschaufelte Diffusorsystem verbessert die Betriebseigenschaften der Verdichterstufe des Turboladers und kontrolliert die Luftströmung von dem Verdichterlaufrad wirksam und effizient mit diesen zurückziehbaren Schaufeln.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Vorteile der vorliegenden Offenbarung sind leicht ersichtlich und werden mit Bezug auf die folgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine seitliche Querschnittsteilansicht einer Verdichterstufe eines Turboladers;
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2 eine Querschnittsseitenansicht der Verdichterstufe des Turboladers, die Schaufeln in jeder Wand eines Diffusors zeigt;
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3 eine Endansicht eines Teils eines Schaufelrings im Verhältnis zu einem Verdichterlaufrad; und
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4 eine Endansicht eines Teils eines Schaufelrings mit separaten Schaufeln neben einem Verdichterlaufrad nach einer anderen Ausführungsform.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGFORMEN
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Bezugnehmend auf 1–4 weist ein Turbolader für einen Verbrennungsmotor allgemein eine Verdichterstufe 12 auf. Die Verdichterstufe 12 des Turboladers kann ein Verdichterlaufrad 14 und ein Verdichtergehäuse 16 aufweisen. Eine Drehwelle wird von einem Turbinenrad angetrieben, so dass eine Drehung des Turbinenrads eine Drehung des Verdichterlaufrads 14 verursacht.
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Das Verdichtergehäuse 16 weist einen Diffusor 18 auf, der zu einem Spiralgehäuse 20 führt. Das Verdichterlaufrad 14 ist an einem Ende der Welle befestigt und in dem Verdichtergehäuse 16 untergebracht. Wie im Stand der Technik bekannt ist, wird das Turbinenrad durch einströmendes Abgas, das von einem Abgaskrümmer zugeführt wird, drehend angetrieben, wodurch die Welle gedreht wird und sich das Verdichterlaufrad 14 dreht. Wenn sich das Verdichterlaufrad 14 dreht, wird Luft in das Verdichtergehäuse 16 eingezogen, von dem Verdichterlaufrad 14 verdichtet, in den Diffusor 18 gedrückt und dann in das Spiralgehäuse 20 eingeführt, um mit einem erhöhten Druck an einen Ansaugkrümmer des Motors abgegeben zu werden. Nach dem Antreiben des Turbinenrads kann das Abgas abgeführt oder in einigen Fällen rezirkuliert werden.
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Der Diffusor 18 und das Spiralgehäuse 20 stellen eine Fluidverbindung zwischen einer Laufradkammer 22 (die einen Teil des Verdichterlaufrads 14 enthält) und dem Motor her. Das Spiralgehäuse 20 kann entlang einer Außenregion des Verdichtergehäuses 16 geformt sein und ist radial von dem Verdichterlaufrad 14 entfernt. Das Spiralgehäuse 20 kann ein Standardspiralgehäuse mit einem Luftdurchlass 24 sein, der für mehr statischen Druck größer wird, wenn er sich der Abführung nähert. Der Diffusor 18 steht mit einem Eingang des Spiralgehäuses 20 in Verbindung.
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Der Diffusor 18 weist einen Einlass 26 in unmittelbarer Nähe des Verdichterlaufrads 14 auf, vorzugsweise an einer Spitze des Verdichterlaufrads 14. Der Diffusor 18 weist einen Auslass 28 an einem entgegengesetzten Ende des Einlasses 26 auf. Der Diffusor 18 wird von zwei Wänden begrenzt, die als Nabenwand 30 und Umhüllungswand 32 bezeichnet werden und einen Strömungsweg 34 für Luft bilden, wenn diese das Verdichterlaufrad 14 verlässt. Die Umhüllungswand 32 ist Teil des Verdichtergehäuses 16 und die Nabenwand 30 ist üblicherweise Teil eines Lagergehäuses, kann aber auch eine Rückplatte des Verdichtergehäuses 16 sein.
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Der Diffusor 18 weist ein zurückziehbares beschaufeltes Diffusorsystem 36 auf, das für eine Radial- oder Mischströmungsverdichterstufe 12 geeignet ist. Das zurückziehbare beschaufelte Diffusorsystem 36 weist eine zurückziehbare Schaufel 38 oder vorzugsweise einen Satz von Schaufeln 40 auf, die in den Strömungsweg 34 des Diffusors 18 eingeführt werden können, um die Betriebseigenschaften der Verdichterstufe 12 zu verändern, beispielsweise um die Pumpgrenze oder die Maximalstufeneffizienz zu verbessern. 1 zeigt, wie sich die Schaufeln 38 von der Umhüllungswand 32 in den Strömungsweg 34 aus einer zurückgezogenen Stellung (in gestrichelten Linien gezeigt) erstrecken. Die Schaufeln 38 können in einen Hohlraum 42 auf der Nabenwand 30 und/oder der Umhüllungswand 32 des Diffusors 18 zurückgezogen werden, wenn ein Betrieb als unbeschaufelter Diffusor erwünscht ist. Die Schaufeln 38 können vollständig zurückgezogen werden, damit sie vollständig aus dem Strömungsweg 34 entfernt sind und eine Blockade der Luftströmung vermieden wird. Andererseits können die Schaufeln 38 einzeln oder als Gruppe in den Strömungsweg 34 ausgezogen werden, um die Leistung der Verdichterstufe 12 weiter zu optimieren. Es versteht sich, dass bei dem zurückziehbaren beschaufelten Diffusorsystem 36 eine Länge des Diffusors 18 kürzer als typisch sein kann, wodurch ein kompakterer Turbolader möglich wird.
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Das zurückziehbare beschaufelte Diffusorsystem 36 gestattet den Betrieb der Schaufeln 38, wenn es effizient ist, beispielsweise bei geringeren Massenluftströmungen, aber es kann Fließbehinderungen bei höheren Massenluftströmungen vermeiden. Wenn die Schaufeln 38 in den Strömungsweg 34 ausgezogen werden, können die Schaufeln 38 zum Aufbau von Druck nach dem Verlassen von Luft aus dem Verdichterlaufrad 14 beitragen, um die Effizienz der Verdichterstufe 12 zu erhöhen. Die Schaufeln 38 tragen zur Kontrolle der Strömung bei geringerer Massenluftströmung bei und die in den Strömungsweg 34 ausgezogenen Schaufeln 38 können das Einsetzen von Strömungsabriss und Verdichterpumpen des Diffusors mit Strömungsumkehr verzögern. Bei höheren Massenluftströmungen können die Schaufeln 38 den gesamten Luftstrom blockieren, der zu früherer Kompressionsdrosselung (Choke) führen könnte. Zur Vermeidung einer Blockade des Luftstroms können die Schaufeln 38 somit vollständig aus dem Strömungsweg 34 entfernt werden, wenn sie vollständig zurückgezogen sind. Die zurückgezogenen Schaufeln 38 erhöhen den Sperrvolumenstrom bei geringerer Behinderung der Luftströmung, wie es bei höheren Betriebsgeschwindigkeiten bevorzugt wird.
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Die Schaufeln 38 sind vorzugsweise auf einem beweglichen Schaufelring 44 befestigt. Vorzugsweise werden mehrere Schaufelringe 44 zur Kontrolle der Bewegung der Schaufeln 38 verwendet.
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Der Diffusor 18 kann zwei Sätze von Schaufeln 40 aufweisen, die für verschiedene Betriebspunkte optimiert sind. Die Sätze von Schaufeln 40 können versetzt sein, damit sie sich in der Umhüllungswand 32 nicht überlappen. Somit können ein Ring von Schaufeln in der Nabenwand 30 und ein Ring von Schaufeln in der Umhüllungswand 32 in den Strömungsweg 34 ausgezogen werden.
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Auch können sich zwei Sätze von Schaufeln 40 auf jeder Seite des Diffusors 18 befinden. Somit können ein Umhüllungssatz von Schaufeln 40 und ein Nabensatz von Schaufeln 140 zurückgezogen und aus jeder Wand ausgezogen werden, nämlich aus der Umhüllungswand 32 und der Nabenwand 30. Wie in 2 zu sehen ist, werden die Schaufeln 38 in die Nabenwand 30 und die Umhüllungswand 32 zurückgezogen, und die Schaufeln 38 können aus der Nabenwand 30 und der Umhüllungswand 32 in den Strömungsweg 34 ausgezogen werden. In einer anderen Ausführungsform können die Schaufeln 38 auf der Nabenwand 30 oder auf der Umhüllungswand 32 oder auf beiden Wänden abgestuft oder versetzt sein.
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Wie in 4 zu sehen ist, kann jede Schaufel 38 separat sein, so dass die Festigkeit des Diffusors 18 verändert werden könnte. Abwechselnde Schaufeln 38 können zurückgezogen oder ausgezogen werden. Ein Satz von Schaufeln 40 kann an dem Schaufelring 44 in der Umhüllungswand 32 befestigt werden, d. h. an einem oberen Ring in dem Verdichtergehäuse 16. Ein anderer Satz von Schaufeln 140 kann an einem Schaufelring 144 in der Nabenwand 30 befestigt werden, d. h. an einem unteren Ring in dem Lagergehäuse. Jede Schaufel des Satzes von Schaufeln 140 kann abwechselnd und zwischen Schaufeln des anderen Satzes von Schaufeln 40 angeordnet sein, wie in 4 zu sehen ist.
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Die Aktivierung des zurückziehbaren beschaufelten Diffusorsystems 36 kann je nach Diffusor 18 und gewünschten Eigenschaften schwanken. Das zurückziehbare beschaufelte Diffusorsystem 36 könnte durch Massenluftströmung aktiviert werden. Somit würde eine geringere Massenluftströmung zum Ausziehen der Schaufeln 38 in den Strömungsweg 34 führen. Eine höhere Massenluftströmung würde zum Zurückziehen der Schaufeln 38 führen.
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Das zurückziehbare beschaufelte Diffusorsystem 36 könnte auch durch Beschleunigung oder Abbremsen des Turboladers aktiviert werden. Somit würde eine schnelle Beschleunigung oder Abbremsung zum Ausziehen der Schaufeln 38 in den Strömungsweg 34 führen. Bei gleichbleibend hoher Geschwindigkeit würden die Schaufeln 38 folglich zurückgezogen werden.
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Das zurückziehbare beschaufelte Diffusorsystem 36 könnte mit einem einzelnen Betätigungsglied gesteuert werden, das auch einen Satz von Schaufeln mit variabler Turbinengeometrie (VTG) steuert. Wenn der Satz von VTG-Schaufeln geschlossen ist, könnten die Schaufeln 38 der Verdichterstufe 12 beispielsweise in den Strömungsweg 34 ausgezogen werden. Es versteht sich, dass das einzelne Betätigungsglied mit einem VTG-Betätigungsmechanismus und dem zurückziehbaren beschaufelten Diffusorsystem 36 in Wirkverbindung gebracht werden kann.
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Das zurückziehbare beschaufelte Diffusorsystem 36 in der Verdichterstufe 12 des Turboladers verwendet selektiv zurückziehbare Schaufeln 38 oder Sätze von Schaufeln 40, die in den Strömungsweg 34 des Diffusors 18 ausgezogen werden können, um zur Kontrolle des Luftstroms beizutragen und die Betriebseigenschaften der Verdichterstufe 12 zu verändern, beispielsweise damit die Verdichterstufe 12 stabil bei geringeren Massenluftströmungsraten arbeitet oder die Maximalstufeneffizienz verbessert wird. Die Schaufeln 38 können in den Hohlraum 42 in einer Wand (30 und/oder 32) des Diffusors 18 zurückgezogen werden, um die Strömungskapazität als unbeschaufeltes System zu maximieren.
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Die Erfindung wurde hier auf veranschaulichende Weise beschrieben und es versteht sich, dass die verwendete Terminologie der Beschreibung dient und nicht einschränkend sein soll. Angesichts der obigen Lehren sind viele Modifikationen und Abwandlungen der vorliegenden Erfindung möglich. Deshalb versteht es sich, dass die Erfindung innerhalb des Umfangs der anhängenden Ansprüche auf andere Weise praktisch umgesetzt werden kann, als es spezifisch in der Beschreibung aufgeführt wurde.
