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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zentrifugalverdichter der Art, die ein Fluid wie z. B. Luft unter Verwendung einer Zentrifugalkraft verdichtet.
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STAND DER TECHNIK
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In zurückliegenden Jahren wurden verschiedene Arten von Forschung und Entwicklung hinsichtlich von Zentrifugalverdichtern vorgenommen, die in Turboladern, Gasturbinen, industriellen pneumatischen Vorrichtungen und ähnlichem verwendet werden (siehe Patentliteratur 1 und Patentliteratur 2).
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Ein allgemeiner Zentrifugalverdichter hat ein Verdichtergehäuse. Das Verdichtergehäuse weist innerhalb ein Abdeckblech auf. Ein Verdichterrad ist drehbar um die Mittelachse davon in dem Verdichtergehäuse bereitgestellt. Das Verdichterrad hat eine Nabe (Verdichterscheibe). Die Nabe weist eine Nabenoberfläche auf, die sich in der radialen Richtung (in der radialen Richtung des Verdichterrads) von einer axialen Seite (einer axialen Seite des Verdichterrads) nach außen erstreckt. Darüber hinaus weist die Nabenoberfläche mehrere Verdichterblätter auf, die einstückig darauf bereitgestellt sind, in Abständen in der Umfangsrichtung. Jedes der Verdichterblätter weist eine distale Endkante auf, die sich entlang des Abdeckblechs des Verdichtergehäuses erstreckt.
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Ein Fluideinlassanschluss (Fluideinlassströmungsdurchtritt) zum Hereinnehmen eines Fluids wie z. B. Luft in das Verdichtergehäuse ist an der Einlassseite (stromaufwärts liegenden Seite) des Verdichterrads in dem Verdichtergehäuse ausgebildet. Darüber hinaus ist ein ringförmiger Diffuser (Diffuserströmungsdurchtritt), der ein verdichtetes Fluid verzögert (ein verdichtetes Fluid wie z. B. verdichtete Luft), um dessen Drücke zu erhöhen, an der Auslassseite (stromabwärts liegende Seite) des Verdichterrads in dem Verdichtergehäuse ausgebildet. Zusätzlich weist der Diffuser, der eine hohe statische Druckwiederherstellungseigenschaft aufweist, gewöhnlich ein ringförmiges paralleles Teil auf, und ein ringförmiges Drosselteil, das kontinuierlich an dem Inneren des parallelen Teils in der radialen Richtung ausgebildet ist. In dem parallelen Teil sind eine Wandoberfläche, die an der Abdeckblechseite, und eine Wandoberfläche, die an der Nabenseite angeordnet sind, so bereitgestellt, dass sie parallel zu der radialen Richtung liegen. Andererseits nähert sich in dem Drosselteil eine Wandoberfläche, die an der Abdeckblechseite angeordnet ist, allmählich einer Wandoberfläche, die an der Nabenseite angeordnet ist, nach außen in der radialen Richtung an.
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Eine Verdichterschnecke (Verdichterschneckenströmungsdurchtritt), die eine Form einer Spirale aufweist, ist an der Auslassseite des Diffusers innerhalb des Verdichtergehäuses ausgebildet, um mit dem Diffuser in Verbindung zu sein. Darüber hinaus ist ein Fluidabgabeanschluss (Fluidabgabeströmungsdurchtritt) zum Abgeben des verdichteten Fluids nach außen von dem Verdichtergehäuse an einer geeigneten Position innerhalb des Verdichtergehäuses ausgebildet, um mit der Verdichterschnecke in Verbindung zu sein.
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Zusätzlich ist Stand der Technik mit Bezug auf die vorliegende Erfindung in der Patentliteratur 1, der Patentliteratur 2 und der Patentliteratur 3 beschrieben.
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ZITIERUNGSLISTE
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PATENTLITERATUR
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- Patentliteratur 1: Japanische Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer 2013-199941
- Patentliteratur 2: Japanische Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer 2007-309169
- Patentliteratur 3: Japanisches Patent mit der Nummer 5050511
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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TECHNISCHES PROBLEM
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Indes entstanden in den zurückliegenden Jahren erhöhte Anforderungen für Zentrifugalverdichter, die einen Betriebsbereich aufweisen, der sich weiter zu der niedrigen Strömungsratenseite erstreckt, durch Unterdrücken eines plötzlichen Pumpens des Strömungsverdichters ohne Verschlechterung der Verdichterleistungsfähigkeiten an der hohen Strömungsratenseite in dem Betriebsbereich des Zentrifugalverdichters.
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Unter Betrachtung der voranstehend beschriebenen Umstände ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Zentrifugalverdichter und ähnliches bereitzustellen, die auf die voranstehend beschriebenen Anforderungen reagieren können.
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LÖSUNG DES PROBLEMS
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Ein erster Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Zentrifugalverdichter, mit: einem Gehäuse mit einem Abdeckblech innerhalb davon; einem Rad, das drehbar in dem Gehäuse bereitgestellt ist; einem Einlassanschluss für ein Fluid, der mit einer Einlassseite des Rads in Verbindung ist; einem Diffuser, der mit einer Auslassseite des Rads in Verbindung ist; einem Abgabeanschluss für das Fluid; und einer Schnecke, die eine Form einer Spirale aufweist, die es dem Fluid gestattet, das aus dem Rad durch den Diffuser ausströmt, zu dem Abgabeanschluss zu zirkulieren, wobei der Diffuser hat: eine erste Wand, die sich zu einem Äußeren in einer radialen Richtung erstreckt; und eine zweite Wand, die eine abgeschrägte Oberfläche aufweist, die sich von dem Abdeckblech zu dem Äußeren in der radialen Richtung erstreckt, um sich allmählich der ersten Wand anzunähern, und eine parallele Oberfläche, die sich von der abgeschrägten Oberfläche zu einem Äußeren in der radialen Richtung erstreckt und parallel zu der ersten Wand erstreckt, und wobei die abgeschrägte Oberfläche der zweiten Wand hat: einen Strömungsdurchtrittsflächenminimumabschnitt, der eine Strömungsdurchtrittsfläche des Diffusers zusammen mit der ersten Wand minimal macht; und einen vorspringenden Abschnitt, der einstückig mit der abgeschrägten Oberfläche ausgebildet ist, der näher an der Auslassseite des Rads als der Strömungsdurchtrittsflächenminimumabschnitt angeordnet ist, und eine gekrümmte Oberfläche hat, die zu einem Strömungsdurchtritt des Diffusers vorragt.
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Es sollte angemerkt werden, dass in dieser BESCHREIBUNG und in den ANSPRÜCHEN der vorliegenden Erfindung der Begriff „Fluid“ ein Gas wie z. B. Luft bedeuten kann. Der Begriff „bereitgestellt“ bedeutet nicht nur „direkt bereitgestellt“ sondern bedeutet ebenfalls „indirekt mittels anderer Elemente bereitgestellt“. Der Begriff „einstückig bereitgestellt“ bedeutet „einstückig ausgebildet“. Die „axiale Richtung“ stellt die axiale Richtung des Verdichterrads dar, und die „radiale Richtung“ stellt die radiale Richtung des Verdichterrads dar. Der Begriff „abdeckblechseitige Wandoberfläche“ stellt eine Wandoberfläche dar, die an der Seite einer Oberfläche angeordnet ist, die durch das Erstrecken des Abdeckblechs des Verdichtergehäuses in der radialen Richtung nach außen ausgebildet ist, und der Begriff „Nabenseitige Wandoberfläche“ stellt eine Wandoberfläche dar, die an der Seite einer Oberfläche angeordnet ist, die durch Erstrecken der Nabenoberfläche der Verdichterschreibe nach außen in der radialen Richtung ausgebildet ist. Die „Meridianebene“ stellt eine Ebene mit der Mittelachse des Verdichterrads dar. „Stromaufwärts liegend“ stellt in der Strömungsrichtung einer Hauptströmung des Fluids betrachtet ein Stromaufwärtsliegen dar, und „stromabwärts liegend“ stellt in der Strömungsrichtung der Hauptströmung des Fluids betrachtet ein Stromabwärtsliegen dar.
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Ein zweiter Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Turbolader, der eine Druckenergie eines Abgases von einer Maschine verwendet, um eine Luft aufzuladen, die zu der Seite der Maschine zugeführt wird, und einen Zentrifugalverdichter gemäß dem ersten Gesichtspunkt hat.
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WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Ausdehnung eines Rückströmungsbereichs zu unterdrücken, die an der stromaufwärts liegenden Seite des Verdichterrads an einer niedrigen Strömungsratenseite in einem Betriebsbereich des Zentrifugalverdichters erzeugt wird, während ein ausreichendes Drosseln der Strömungsrate des Zentrifugalverdichters sichergestellt ist. Somit ist es möglich, den Betriebsbereich des Zentrifugalverdichters zu der niedrigen Strömungsratenseite durch Unterdrücken des Pumpens des Zentrifugalverdichters weiter zu verbessern, ohne die Verdichterleistungsfähigkeit an der hohen Strömungsratenseite in dem Betriebsbereich des Zentrifugalverdichters zu Verschlechtern.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine vergrößerte Ansicht des mit Pfeil bezeichneten Abschnitts I in 3, der einen Diffuser in einem Zentrifugalverdichter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
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2(a) und 2(b) sind Ansichten, die Modifikationsbeispiele des Diffusers in dem Zentrifugalverdichter gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen.
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3 ist eine Schnittansicht (Meridianansicht), die den Zentrifugalverdichter gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
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4 ist eine Draufsicht, die einen Turbolader für Fahrzeuge gemäß einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
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5(a) ist eine Meridianansicht, die Strukturen von Diffusern in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in einem bekannten Beispiel und in einem Vergleichsbeispiel darstellt, und 5(b) ist ein Diagramm, das Verhältnisse zwischen Radialpositionen in dem Diffuser und der Strömungsdurchtrittsfläche in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in einem bekannten Beispiel und in einem Vergleichsbeispiel darstellt.
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6 ist ein Diagramm, das einen Rückströmungsbereich darstellt, der an der stromaufwärts liegenden Seite des Verdichterrads an einer niedrigen Strömungsratenseite in einem Betriebsbereich erzeugt wird.
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7 ist eine Ansicht, die Verhältnisse zwischen der Strömungsrate und dem Druckverhältnis in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in einem bekannten Beispiel und in einem Vergleichsbeispiel darstellt.
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die vorliegende Erfindung basiert auf den folgenden neu herausgefundenen Erkenntnissen.
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5(a) ist eine Meridianansicht, die einen Diffuser 43 und dessen Umgebung in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in einem bekannten Beispiel und in einem Vergleichsbeispiel darstellt, und Strömungsdurchtritte anzeigt, die in einer durch Rechner unterstützten Fluiddynamik-(CFD-)Analyse angenommen sind. 5(b) ist ein Diagramm, das Verhältnisse zwischen Radialpositionen eines Diffusers und der Strömungsdurchtrittsfläche in dem Beispiel der vorliegenden Erfindung, in dem bekannten Beispiel und in dem Vergleichsbeispiel darstellt. In der Zeichnung bezeichnet „D1“ die axiale Richtung, und „D2“ bezeichnet die radiale Richtung. Es ist anzumerken, dass in der Zeichnung „F“ die Strömungsrichtung einer Hauptströmung des Fluids bezeichnet.
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Wie durch die durchgehende Linie in 5(a) ersichtlich ist, hat in dem Beispiel der vorliegenden Erfindung der Diffuser 43 ein Drosselteil 51, das eine abdeckblechseitige Wandoberfläche 51s (43s) aufweist, auf der ein vorspringender Abschnitt 53 vorspringend ausgebildet ist. Die Oberfläche des vorspringenden Abschnitts 53 weist eine gekrümmte Form auf. Darüber hinaus bildet die Endkante des vorspringenden Abschnitts 53 an dem Äußeren in der radialen Richtung der Meridianebene einen unstetigen Punkt, an dem sich die Tangentenrichtungen unstetig ändern.
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Wie andererseits durch die Strich-Zweipunkt-Linie in 5(a) ersichtlich ist, hat in dem bekannten Beispiel das Drosselteil 51 des Diffusers 43 eine abdeckblechseitige Wandoberfläche 51c, auf der der vorspringende Abschnitt 53 nicht ausgebildet ist. Wie darüber hinaus durch die gestrichelte Linie in 5(a) angezeigt ist, weist in dem Vergleichsbeispiel das Drosselteil 51 des Diffusers 43 den vorspringenden Abschnitt 53 nicht auf, und hat eine abdeckblechseitige Wandoberfläche 51b, die in einer Weise ausgebildet ist, dass die Strömungsdurchtrittsbreite des Drosselteils 51 um das Ausmaß des Vorspringens des vorspringenden Abschnitts 53 gemäß dem Beispiel der vorliegenden Erfindung enger als die des bekannten Beispiels ist. Es ist anzumerken, dass hinsichtlich anderer Formen als der der abdeckblechseitigen Wandoberfläche das Beispiel der vorliegenden Erfindung, das bekannte Beispiel und das Vergleichsbeispiel die gleiche Form aufweisen. Wie zusätzlich in 5(b) dargestellt ist, ist in allen voranstehend beschriebenen Beispielen die Strömungsdurchtrittsfläche des Diffusers 43 an dem Ausgang des Drosselteils 51 oder vor dem Ausgang des Drosselteils minimal.
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6 stellt Ergebnisse der rechnerunterstützten Fluidanalyse dar, die hinsichtlich Zentrifugalverdichtern vorgenommen wurde, von denen angenommen ist, dass sie Strömungsdurchtritte des Beispiels der vorliegenden Erfindung, des bekannten Beispiels und des Vergleichsbeispiels aufweisen, wie in 5(a) dargestellt ist. Noch genauer stellt 6 Rückströmungsbereiche dar, die an einer stromaufwärts liegenden Seite eines Verdichterrads (Verdichterlaufrad) erzeugt werden, wenn das Verdichterrad an der niedrigen Strömungsratenseite in einem Betriebsbereich arbeitet. Es ist anzumerken, dass in 6 „P1“ das Ende des Rückströmungsbereichs in dem Beispiel der vorliegenden Erfindung anzeigt, „P2“ das Ende des Rückströmungsbereichs in dem bekannten Beispiel anzeigt, und „P3“ das Ende des Rückströmungsbereichs in dem Vergleichsbeispiel anzeigt.
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Wie in 6 dargestellt ist, wird durch die Analyseergebnisse herausgefunden, dass es mit dem Zentrifugalverdichter des Beispiels der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit dem bekannten Beispiel und dem Vergleichsbeispiel möglich ist, eine Ausdehnung des Rückströmungsbereichs zu unterdrücken, die an der stromaufwärts liegenden Seite des Verdichterrads (Verdichterrad) 35 an der niedrigen Strömungsratenseite des Betriebsbereichs erzeugt wird. Es wird berücksichtigt, dass dies der Fall ist, da ein Abschnitt des vorspringenden Abschnitts 53, der an der stromaufwärts liegenden Seite (Abschnitt des vorspringenden Abschnitts, der sich von dem obersten Abschnitt davon zu der Endkante an der Außenseite in der radialen Richtung erstreckt) angeordnet ist, einen Teil der Rückströmung an der Seite der Abdeckblechwandoberfläche 51s (43s) des Diffusers 43 blockiert (anhält).
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Eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf 1 bis 4 beschrieben. Es ist anzumerken, dass wie in den Zeichnungen angezeigt ist, „L“ die linke Richtung bezeichnet, „R“ die rechte Richtung bezeichnet, „D1“ die axiale Richtung bezeichnet, und „D2“ die radiale Richtung bezeichnet.
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Wie in 4 dargestellt ist, verwendet ein Turbolader 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Druckenergie des Abgases (ein Beispiel eines Gases) von einer Maschine (nicht dargestellt), um zu der Maschine zugeführte Luft aufzuladen (zu verdichten). Der Turbolader 1 ist z. B. an einem Fahrzeug montiert.
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Der Turbolader 1 hat ein Lagergehäuse 3. Das Lagergehäuse 3 weist ein Paar Radiallager 5 und ein Paar Axiallager 7 auf, die jeweils in dem Lagergehäuse 3 bereitgestellt sind. Eine Rotorwelle (drehende Welle) 9, die sich in der Richtung von links nach rechts erstreckt, ist drehbar zu den mehreren Lagern 5 und 7 bereitgestellt. Mit anderen Worten, eine Rotorwelle 9 ist drehbar mittels der mehreren Lager 5 und 7 an dem Lagergehäuse 3 bereitgestellt.
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Eine Radialturbine 11, die unter Verwendung von Druckenergie des Abgases eine Drehkraft (Drehmoment) erzeugt, ist an der rechten Seite des Lagergehäuses 3 vorgesehen.
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Ein Turbinengehäuse 13 ist an der rechten Seite des Lagergehäuses 3 vorgesehen. Das Turbinengehäuse 13 weist innerhalb ein Abdeckblech 13s auf. Darüber hinaus ist ein Turbinenrad (Turbinenlaufrad) 15 drehbar um die Mittelachse (Mittelachse des Turbinenrads 15, mit anderen Worten die Mittelachse der Rotorwelle 9) C davon in dem Turbinengehäuse 13 bereitgestellt. Das Turbinenrad 15 ist einstückig mit dem rechten Endabschnitt der Rotorwelle 9 in einer konzentrischen Weise verbunden. Das Turbinenrad 15 hat eine Turbinenscheibe 17. Die Turbinenscheibe 17 weist eine Nabenoberfläche 17h auf, die sich in der radialen Richtung nach außen (nach außen in der radialen Richtung des Turbinenrads 15) von der rechten Seite erstreckt. Darüber hinaus sind eine Mehrzahl Turbinenschaufeln 19 einstückig an der Nabenoberfläche 17h der Turbinenscheibe 17 in Abständen in der Umfangsrichtung ausgebildet. Die distale Endkante (äußerer Rand) 19t von jeder der Turbinenschaufeln 19 erstreckt sich entlang des Abdeckblechs 13s des Turbinengehäuses 13.
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Ein Abgaseinlassanschluss (Abgaseinlassströmungsdurchtritt) 21 zum Einbringen des Abgases in das Turbinengehäuse 13 ist an der geeigneten Position in dem Turbinengehäuse 13 ausgebildet. Der Abgaseinlassanschluss 21 ist mit einem Abgaskrümmer (nicht dargestellt) einer Maschine verbunden. Darüber hinaus ist eine Turbinenschnecke (Turbinenschneckenströmungsdurchtritt) 23, die eine Form einer Spirale aufweist, an der Einlassseite (in der Strömungsrichtung einer Hauptströmung des Abgases betrachtet die stromaufwärts liegende Seite) des Turbinenrads 15 innerhalb des Turbinengehäuses 13 ausgebildet. Die Turbinenschnecke 23 ist mit dem Abgaseinlassanschluss 21 in Verbindung. Ein Abgasabgabeanschluss (Abgasabgabeströmungsdurchtritt) 25, der das Abgas abgibt, ist an der Auslassseite (in der Strömungsrichtung der Hauptströmung des Abgases betrachtet die stromabwärts liegende Seite) des Turbinenrads 15 innerhalb des Turbinengehäuses 13 ausgebildet. Der Abgasabgabeanschluss 25 ist mit einer Abgasreinigungsvorrichtung (nicht dargestellt) durch ein Verbindungsrohr (nicht dargestellt) verbunden.
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Wie in 3 und 4 dargestellt ist, ist ein Zentrifugalverdichter 27, der Luft unter Verwendung einer Zentrifugalkraft verdichtet, an der linken Seite des Lagergehäuses 3 vorgesehen.
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Ein Verdichtergehäuse 29 ist an der linken Seite des Lagergehäuses 3 bereitgestellt. Das Verdichtergehäuse 29 hat einen Gehäusekörper 31, der innerhalb ein Abdeckblech 31s aufweist, und eine ringförmige Dichtscheibe 33, die an der rechten Seite des Gehäusekörpers 31 vorgesehen ist und einstückig mit dem linken Seitenabschnitt des Lagergehäuses 3 verbunden ist. Das Verdichterrad 35 ist drehbar um die Mittelachse (Mittelachse des Verdichterrads 35, mit anderen Worten, der Mittelachse der Rotorwelle 9) C davon in dem Verdichtergehäuse 29 bereitgestellt. Das Verdichterrad 35 ist einstückig mit dem linken Endabschnitt der Rotorwelle 9 in einer konzentrischen Weise verbunden. Das Verdichterrad 35 hat eine Nabe (Verdichterscheibe) 37, die einstückig mit dem linken Endabschnitt der Rotorwelle 9 verbunden ist. Die Nabe 37 weist eine Nabenoberfläche 37h auf, die sich in der radialen Richtung (radiale Richtung des Verdichterrads 35) von der linken Seite (eine axiale Seite der Rotorwelle 9 (in anderen Worten, des Verdichterrads 35)) erstreckt. Darüber hinaus weist die Nabenoberfläche 37h mehrer Verdichterschaufeln 39 auf, die einstückig darauf in Abständen in der Umfangsrichtung ausgebildet sind. Jede der Verdichterschaufeln 39 weist eine distale Endkante (äußerer Rand) 39d auf, die sich entlang des Abdeckblechs 31s des Gehäusekörpers 31 erstreckt. Es ist anzumerken, dass zusätzlich zu den mehreren Verdichterschaufeln 39 mehrere Verdichterschaufeln (nicht dargestellt), die eine axiale Länge aufweisen, die kürzer als die Verdichterschaufeln 39 ist, an der Nabenoberfläche 37h bereitgestellt sein können. In diesem Fall sind die Verdichterschaufeln, die die kürzere axiale Länge aufweisen, abwechselnd mit den Verdichterschaufeln 39 in der Umfangsrichtung angeordnet, und sie sind einstückig mit der Nabenoberfläche 37h ausgebildet.
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Ein Lufteinlassanschluss (Lufteinlassströmungsdurchtritt) 41, der als Fluideinlassanschluss dient, der Luft in das Verdichtergehäuse 29 einbringt, ist an der Einlassseite (in der Strömungsrichtung der Hauptströmung des Abgases betrachtet die stromaufwärts liegende Seite) des Verdichterrads 35 innerhalb des Verdichtergehäuses 29 ausgebildet. Der Lufteinlassanschluss 41 ist mit einem Luftreiniger (nicht dargestellt) verbunden, der die Luft reinigt. Ein ringförmiger Diffuser (Diffuserströmungsdurchtritt) 43, der Drücke der verdichteten Luft erhöht, ist an der Auslassseite (in der Strömungsrichtung der Hauptströmung des Abgases betrachtet die stromabwärts liegende Seite) des Verdichterrads 35 innerhalb des Verdichtergehäuses 29 ausgebildet. Darüber hinaus ist eine spiralförmige Verdichterschnecke (Verdichterschneckenströmungsdurchtritt) 45 innerhalb des Verdichtergehäuses 29 ausgebildet. Die Verdichterschnecke 45 ist mit dem Diffuser 43 in Verbindung. Darüber hinaus ist ein Luftabgabeanschluss (Luftabgabeströmungsdurchtritt) 47, der als Fluidabgabeanschluss zum Abgeben der verdichteten Luft zu dem Äußeren des Verdichtergehäuses 29 dient, an einer geeigneten Position innerhalb des Verdichtergehäuses 29 ausgebildet. Der Luftabgabeanschluss 47 ist mit der Verdichterschnecke 45 in Verbindung, und ist mit einem Einlasskrümmer (nicht dargestellt) der Maschine in Verbindung.
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Als nächstes wird die Konfiguration des Diffusers 43 gemäß dieser Ausführungsform beschrieben.
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Wie in 1 dargestellt ist, hat der Diffuser 43 ein ringförmiges paralleles Teil 49, und das ringförmige Drosselteil 51, das kontinuierlich an dem Inneren des parallelen Teils 49 in der radialen Richtung ausgebildet ist und die verdichtete Luft geraderichtet.
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Das parallele Teil 49 weist eine Wandoberfläche (Nabenseitige Wandoberfläche) 49h auf, die an der Seite der Nabe 37 angeordnet ist, und eine Wandoberfläche (abdeckblechseitige Wandoberfläche) 49s, die an der Seite des Abdeckblechs 31s angeordnet ist. Die Wandoberfläche 49h und die Wandoberfläche 49s sind parallel zu der radialen Richtung (radiale Richtung des Verdichterrads 35) angeordnet. Mit anderen Worten, das parallele Teil 49 ist so bereitgestellt, dass die Strömungsdurchtrittsbreite w entlang der radialen Richtung konstant ist.
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Das Drosselteil 51 hat eine Wandoberfläche (Nabenseitige Wandoberfläche) 51h, die an der Seite der Nabe 37 angeordnet ist, und eine Wandoberfläche (abdeckblechseitige Wandoberfläche) 51s, die an der Seite des Abdeckblechs 31s angeordnet ist. Die Wandoberfläche 51h ist so vorgesehen, dass sie parallel zu der radialen Richtung liegt. Andererseits erstreckt sich die Wandoberfläche 51s so, dass sie sich allmählich der Wandoberfläche 51h von dem Abdeckblech 31s zu dem Äußeren in der radialen Richtung annähert. Mit anderen Worten, das Drosselteil 51 ist so ausgebildet, dass die Strömungsdurchtrittsbreite w sich allmählich zu dem Äußeren in der radialen Richtung verringert. Darüber hinaus weist die Wandoberfläche 51s eine sanft gekrümmte Oberfläche in der Meridianebene auf.
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Die Wandoberfläche 49h des parallelen Teils 49 ist mit der Wandoberfläche 51h des Drosselteils 51 an dem Ausgang 51e des Drosselteils 51 verbunden. Darüber hinaus sind die Wandoberfläche 49h und die Wandoberfläche 51h in der gleichen Ebene angeordnet. Noch genauer bilden die Wandoberfläche 49h und die Wandoberfläche 51h die Wandoberfläche 43h des Diffusers 43 aus, die als erste an der Seite der Nabe 37 angeordnete Wand dient, und sich zu dem Äußeren in der radialen Richtung erstreckt, oder bildet einen Teil der Wandoberfläche 43h aus.
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Die Wandoberfläche 49s des parallelen Teils 49 ist ebenfalls mit der Wandoberfläche 51s des Drosselteils 51 (Endkante 51so des Drosselteils 51 an dem Äußeren in der radialen Richtung) an dem Ausgang 51e des Drosselteils 51 verbunden. Darüber hinaus ist die Wandoberfläche 51s ebenfalls mit dem Abdeckblech 31s verbunden. Somit bilden die Wandoberfläche 49s und die Wandoberfläche 51s eine Wandoberfläche 43s des Diffusers 43 aus, der als eine zweite Wand dient, der an der Seite des Abdeckblechs 31s angeordnet ist, und zusammen mit der ersten Wand einen Strömungsdurchtritt ausbildet, oder einen Teil der Wandoberfläche 43s aus. Noch genauer bildet die Wandoberfläche 49s eine parallele Oberfläche aus, die sich zu dem Äußeren in der radialen Richtung erstreckt und parallel zu der Wandoberfläche (erste Wand) 43h des Diffusers 43 von der Wandoberfläche 51s erstreckt. Andererseits bildet die Wandoberfläche 51s eine abgeschrägte Oberfläche aus, die sich von dem Abdeckblech 31s zu dem Äußeren in der radialen Richtung erstreckt, um sich allmählich der Wandoberfläche (erste Wand) 43h des Diffusers 43 anzunähern.
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Der Diffuser 43 ist derart konfiguriert, dass die Strömungsdurchtrittsfläche an dem Ausgang 51e des Drosselteils 51, mit anderen Worten, an dem Eingang 49g des parallelen Teils 49 minimal wird. Es ist anzumerken, dass es möglich sein kann, anstelle der Konfiguration, in der die Strömungsdurchtrittsfläche an dem Ausgang 51e des Drosselteils 51 minimal ist, eine Konfiguration einzusetzen, in der die Strömungsdurchtrittsfläche an einer Position minimal ist, die vor dem Ausgang 51e des Drosselteils 51 angeordnet ist (in der Strömungsrichtung der Hauptströmung der Luft betrachtet die an der direkt stromaufwärts liegenden Seite des Ausgangs 51e angeordnet ist). Nämlich hat die Wandoberfläche 51s (abgeschrägte Oberfläche der zweiten Wand) des Drosselteils 51 einen Strömungsdurchtrittsflächenminimumabschnitt, der die Strömungsdurchtrittsfläche des Diffusers 43 zusammen mit der Wandoberfläche (erste Wand) des Diffusers 43 in einem anderen Bereich als dem Bereich, wo ein vorspringender Abschnitt 53, der später beschrieben werden wird, vorgesehen ist, minimal macht. Es ist anzumerken, dass der vorspringende Abschnitt 53 näher an der Auslassseite des Verdichterrads 35b als der Strömungsdurchtrittsflächenminimumabschnitt angeordnet ist. Zum Beispiel entspricht der Ausgang 51e (Eingang 49g des parallelen Teils 49) des Drosselteils 51 diesem Strömungsdurchtrittsflächenmimimumabschnitt.
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Der vorspringende Abschnitt 53 ist an der Seite der Endkante 51si der Wandoberfläche 51s des Drosselteils 51 an dem Inneren in der radialen Richtung ausgebildet. Der vorspringende Abschnitt 53 springt zu dem Strömungsdurchtritt des Diffusers 43 vor. Darüber hinaus ist der vorspringende Abschnitt 53 z. B. in eine Ringform um die Mittelachse des Verdichterrads 35 ausgebildet. Die Oberfläche 53f des vorspringenden Abschnitts 53 weist eine sanft gekrümmte Oberfläche in der Meridianebene auf. In dieser Ausführungsform bilden in der Meridianebene die Endkante 53o des vorspringenden Abschnitts 53 an dem Äußeren in der radialen Richtung und die Endkante 53i des vorspringenden Abschnitts 53 an dem Inneren in der radialen Richtung jeweils einen unstetigen Punkt, an dem sich Tangentenrichtungen davon unstetig ändern. Die Endkante 53o des vorspringenden Abschnitts 53 an dem Äußeren in der radialen Richtung ist weiter an dem Inneren in der radialen Richtung als die Mittelposition (Mittelposition) 51sm der Wandoberfläche 51s des Drosselteils 51 in der radialen Richtung angeordnet.
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Die Endkante 53i des vorspringenden Abschnitts 53 an dem Inneren in der radialen Richtung passt zu der Endkante 51si der Wandoberfläche 51s des Drosselteils 51 an dem Inneren in der radialen Richtung. Darüber hinaus ist der durchschnittliche Krümmungsradius der Oberfläche 53f des vorspringenden Abschnitts 53 in der Meridianebene eingestellt, kleiner als der durchschnittliche Krümmungsradius der Wandoberfläche 51s des Drosselteils 51 in der Meridianebene zu sein. Hier in dem Fall, in dem eine gekrümmte Oberfläche (die Oberfläche 53f des vorspringenden Abschnitts 53 in der Meridianebene, die Wandoberfläche 51s des Drosselteils 51s in der Meridianebene) einen Krümmungsradius aufweist, der „durchschnittliche Krümmungsradius“ diesen Krümmungsradius dar, und in dem Fall, in dem eine gekrümmte Oberfläche mehrere Krümmungsradien aufweist, stellt der „durchschnittliche Krümmungsradius“ die Durchschnittswerte der mehreren Krümmungsradien dar.
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Es sollte angemerkt werden, dass die Wandoberfläche (abgeschrägte Oberfläche) 51s des Drosselteils 51 in der Meridianebene nicht in einer gekrümmten Form ausgebildet sein muss. Zum Bespiel kann die Wandoberfläche 51s in einer geraden Form ausgebildet sein, wie in 2(a) dargestellt ist. Darüber hinaus muss die Endkante 53i des vorspringenden Abschnitts 53 an dem Inneren in der radialen Richtung nicht zu der Endkante 51si der Wandoberfläche 51s an dem Inneren in der radialen Richtung passen. Zum Beispiel kann die Endkante 53i in der radialen Richtung weiter außen als die Endkante 51si angeordnet sein, die an dem Inneren in der radialen Richtung der Wandoberfläche 51s des Drosselteils 51 angeordnet ist, wie in 2(b) dargestellt ist.
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Es sollte angemerkt werden, dass die Endkante 53o des vorspringenden Abschnitts 53 zu der Wandoberfläche 51s hin gekrümmt sein kann und mit der Wandoberfläche 51s verbunden sein kann, ohne den diskontinuierlichen Punkt auszubilden. Das gleiche gilt für die Endkante 53i. Darüber hinaus kann die Endkante 51si der Wandoberfläche 51s mit dem Abdeckblech 31s verbunden sein, um einen diskontinuierlichen Punkt auszubilden (siehe 1) oder kann zu dem Abdeckblech 31s gekrümmt sein, ohne einen diskontinuierlichen Punkt auszubilden, um gleichmäßig mit dem Abdeckblech 31s verbunden zu sein.
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Betrieb und Wirkung dieser Ausführungsform werden beschrieben.
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Das Abgas wird von dem Abgaseinlassanschluss 21 in das Turbinengehäuse 13 eingebracht, tritt durch die Turbinenschnecke 23, und strömt von der Einlassseite des Turbinenrads 15 zu der Auslassseite. Mit diesem Betrieb wird eine Drehkraft (Drehmoment) unter Verwendung der Druckenergie des Abgases erzeugt, und dann drehen das Turbinenrad 15, die Rotorwelle 9 und das Verdichterrad 35 zusammen. Dies macht es möglich, dass Luft in die Seite des Verdichterrads 35 von dem Lufteinlassanschluss 41 hereingenommen wird, und zu der Zeit des Durchtretens durch den Diffuser 43 verdichtet wird. Die verdichtete Luft tritt durch die Verdichterschnecke 45, wird von dem Luftabgabeanschluss 47 abgegeben, und zu der Maschine zugeführt. Durch diese Serie von Vorgängen kann die Luft in die Maschine aufgeladen werden. Es ist anzumerken, dass das in die Auslassseite des Turbinenrads 15 strömende Abgas von dem Abgasabgabeanschluss 25 zu dem Äußeren des Turbinengehäuses 13 abgegeben wird.
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Der vorspringende Abschnitt 53 ist vorspringend an der Seite der Endkante 51si der Wandoberfläche 51s des Drosselteils 51 an dem Inneren in der radialen Richtung ausgebildet. Somit ist es möglich, wie aus den voranstehend beschriebenen neu herausgefundenen Erkenntnissen verstanden werden kann, die Rückströmung der Luft an der niedrigen Strömungsratenseite in dem Betriebsbereich des Zentrifugalverdichters 27 zu unterdrücken, wodurch es möglich ist, eine Ausdehnung des Rückströmungsbereichs zu unterdrücken, die an der stromaufwärts liegenden Seite des Verdichterrads 35 erzeugt ist.
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Die Endkante 53o des vorspringenden Abschnitts 53 an dem Äußeren in der radialen Richtung ist weiter an dem Inneren in der radialen Richtung als die Mittelposition 51sm der Wandoberfläche 51s des Drosselteils 51 in der radialen Richtung angeordnet, und der durchschnittliche Krümmungsradius der Oberfläche 53f des vorspringenden Abschnitts 53 in der Meridianebene ist eingestellt, kleiner als der durchschnittliche Krümmungsradius der Wandoberfläche 51s des Drosselteils 51 in der Meridianebene zu sein. Somit ist es möglich, einen Teil der Rückströmung an der Seite der Abdeckblechoberfläche 43s des Diffusers 43 mit dem Abschnitt (sich von dem obersten Abschnitt zu der Endkante 53o an dem Äußeren in der radialen Richtung erstreckender Abschnitt) des vorspringenden Abschnitts 53 an der stromaufwärts liegenden Seite wirkungsvoll zu blockieren. Dies macht es möglich, die Ausdehnung des Rückströmungsbereichs ausreichend zu unterdrücken, die an der stromaufwärts liegenden Seite des Verdichterrads 35 an der niedrigen Strömungsratenseite in dem Betriebsbereich des Zentrifugalverdichters 27 erzeugt ist.
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Der Diffuser 43 ist derart konfiguriert, dass die Strömungsdurchtrittsfläche an dem Ausgang 51e des Drosselteils 51 oder vor dem Ausgang 51e des Drosselteils 51 minimal ist. Mit anderen Worten, die Wandoberfläche 51s des Drosselteils 51 hat in einem anderen Bereich als dem Bereich, wo der vorspringende Abschnitt 53 vorgesehen ist, einen Strömungsdurchtrittsflächenminimumabschnitt, der die Strömungsdurchtrittsfläche des Diffusers 43 zusammen mit der Wandoberfläche 51h des Drosselteils 51 minimal macht, und der vorspringenden Abschnitt 53 ist näher an der Auslassseite des Verdichterrads 35 als dieser Strömungsdurchtrittsflächenminimumabschnitt angeordnet. Sogar falls der vorspringende Abschnitt 53 vorspringend an der Wandoberfläche 51s des Drosselteils 51 ausgebildet ist, reduziert der vorspringende Abschnitt 53 mit dieser Konfiguration die Minimumsströmungsdurchtrittsfläche des Diffusers 43 nicht, wodurch es möglich ist, eine ausreichende Drosselströmungsrate des Zentrifugalverdichters 27 sicherzustellen.
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Wie voranstehend beschrieben wurde, ist es gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, eine Ausdehnung des Rückströmungsbereichs ausreichend zu unterdrücken, der an der stromaufwärts liegenden Seite des Verdichterrads 35 an der niedrigen Strömungsratenseite in den Betriebsbereich des Zentrifugalverdichters 27 erzeugt ist, während eine ausreichende Drosselströmungsrate des Zentrifugalverdichters 27 sichergestellt ist. Somit ist es möglich, den Betriebsbereich des Zentrifugalverdichters 27 weiter zu der niedrigen Strömungsratenseite durch Unterdrücken des Strömens des Zentrifugalverdichters 27 auszudehnen, ohne die Verdichterleistungsfähigkeiten an der hohen Strömungsratenseite in dem Betriebsbereich des Zentrifugalverdichters 27 zu verschlechtern. Mit anderen Worten ist es möglich, den Betriebsbereich des Turboladers 1 für Fahrzeuge weiter zu der niedrigen Strömungsratenseite auszudehnen, indem das Strömen des Turboladers 1 für Fahrzeuge unterdrückt wird, ohne die Verdichterleistungsfähigkeiten an der hohen Strömungsratenseite in dem Betriebsbereich des Turboladers 1 für Fahrzeuge zu verschlechtern.
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Es sollte angemerkt werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die in der Ausführungsform beschriebenen Details begrenzt ist. Zum Beispiel kann die technische Idee, die auf den Zentrifugalverdichter 27 in einem Turbolader 1 für Fahrzeuge angewendet ist, z. B. auf Zentrifugalverdichter (nicht dargestellt) in Gasturbinen und industriellen und pneumatischen Vorrichtungen angewendet werden. Alternativ kann der Diffuser 43 mit verschiedenen Diffuserflügeln nicht dargestellt, bereitgestellt sein, die in Abständen in der Umfangsrichtung vorgesehen sind, oder die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen anderen Arten ausgeführt sein. Darüber hinaus ist der Bereich des in der vorliegenden Erfindung vorhandenen Rechts nicht auf die voranstehende Ausführungsform begrenzt.
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Beispiel
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Ein Beispiel gemäß der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf 7 beschrieben.
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Eine rechnerunterstützte Fluidanalyse wurde ausgeführt, um die Verhältnisse zwischen der Strömungsrate und dem Druckverhältnis in dem Beispiel der vorliegenden Erfindung, in dem bekannten Beispiel und in dem Vergleichsbeispiel zu erhalten, die jeweils voranstehend beschrieben wurden. Wie in 7 dargestellt ist, wurde als Ergebnis herausgefunden, dass es in dem Beispiel der vorliegenden Erfindung möglich ist, den Betriebsbereich OR des Zentrifugalverdichters im Vergleich mit dem bekannten Beispiel und dem Vergleichsbeispiel weiter zu einer niedrigen Strömungsratenseite hin auszudehnen.
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Bezugszeichenliste
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- D1
- axiale Richtung
- D2
- radiale Richtung
- 1
- Turbolader (Turbolader für Fahrzeuge)
- 3
- Lagergehäuse
- 9
- Rotorwelle
- 11
- Radialturbine
- 13
- Turbinengehäuse
- 15
- Turbinenrad (Turbinenflügelrad)
- 17
- Turbinenscheibe
- 19
- Turbinenschaufel
- 27
- Zentrifugalverdichter
- 29
- Verdichtergehäuse
- 31
- Gehäusekörper
- 31s
- Abdeckblech des Gehäusekörpers
- 33
- Dichtscheibe
- 35
- Verdichterrad (Verdichterflügelrad)
- 37
- Nabe (Verdichterscheibe)
- 37h
- Nabenoberfläche
- 39
- Verdichterflügel
- 41
- Lufteinlassanschluss (Fluideinlassanschluss)
- 43
- Diffuser
- 43h
- Nabenseitige Wandoberfläche (erste Wand) des Diffusers
- 43s
- Abdeckblechseitige Wandoberfläche (zweite Wand) des Diffusers
- 45
- Verdichterschnecke
- 47
- Luftabgabeanschluss (Fluidabgabeanschluss)
- 49
- Paralleles Teil
- 49g
- Eingang des parallelen Teils
- 49h
- Nabenseitige Wandoberfläche (erste Wand) des parallelen Teils
- 49s
- Abdeckblechseitige Wandoberfläche (zweite Wand, parallele Oberfläche) des parallelen Teils
- 51
- Drosselteil
- 51e
- Ausgang (ein Beispiel des Strömungsdurchtrittsflächenminimumabschnitts) des Drosselteils
- 51h
- Nabenseitige Wandoberfläche (erste Wand) des Drosselteils
- 51s
- Abdeckblechseitige Wandoberfläche (zweite Wand, abgeschrägte Oberfläche) des Drosselteils
- 51si
- Endkante der abdeckblechseitigen Wandoberfläche des Drosselteils an dem Inneren in der radialen Richtung
- 53
- Vorspringender Abschnitt
- 53f
- Oberfläche des vorspringenden Abschnitts
- 53i
- Endkante des vorspringenden Abschnitts an dem Inneren in der radialen Richtung
- 53o
- Endkante des vorspringenden Abschnitts an dem Äußeren in der radialen Richtung
