DE2240994A1

DE2240994A1 - Diffusor

Info

Publication number: DE2240994A1
Application number: DE2240994A
Authority: DE
Inventors: Lawrence William Blair; Alexander Connor Bryans
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1971-08-24
Filing date: 1972-08-21
Publication date: 1973-03-01
Also published as: GB1395930A; NL7211453A; JPS4831504A; JPS5526317B2; AU4506472A; FR2151390A5; AU456332B2; BE787830A; IT964073B; US3719430A; CH544225A; DE2240994C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Diffusor und insbesondere auf einen Kreiselverdichterdiffusor, der für einen maximalen Wirkungsgrad unabhängig von der Anzahl und Länge der hindurchführenden Kanäle optimiert werden kann.

In den meisten Kreiselverdichtern ist ein rotierendes Flügelrad so angeordnet, daß es durch Beschleunigung der hindurchtretenden Gasströmung Energie zuführt. Der Kreiselverdiehterdiffusor ist üblicherweise durch einen das Flügelrad umgebenden Ringraum charakterisiert, in welchem die Geschwindigkeit des das Flügelrad verlassenden Strömungsmittels verkleinert und sein statischer Druck entsprechend erhöht wird. In den meisten konventionellen Diffuseren sind im allgemeinen auf dem Umfang im Abstand

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angeordnete Leitschaufeln vorgesehen gewesen, um Kanäle bzw. Durchlässe zu erzeugen, deren Fläche sich zwecks Verteilung bzw. Zerstreuung der Strömung erweitert.

Diffusoren mit auf dem Umfang im Abstand angeordneten Kanälen bzw, Durchlässen, die einen gekrümmten Querschnitt besitzen, sind in der Technik an sich bekannt. Diffusoren dieser Art sind besonders vorteilhaft für eine Verwendung in modernen Gasturbinentriebwerken, die zur Aufnahme extrem hoher Strömungsgeschwindigkeiten konstruiert sind. Der Vorteil derartiger Diffusoren liegt in der Herabsetzung der Strömungsabkennung und Grenzschichten, die in den Ecken von rechtwinkligen Kanälen herbeigeführt werden. Eine Strömung jedoch, die über eine Reihe abgestumpfter Ränder austritt, wie sie zwischen gekrümmten Kanälen gefunden werden, wird turbulent und verursacht wesentliche StrömungsVerluste. Für eine glatte und gleichförmige Ausgangsströmung sind dünnkantige Schaufeln, wie sie zwischen geradlinigen Kanälen gefunden werden, höchst erstrebenswert. Deshalb ist es als Kompromiß für vorteilhaft gehalten worden, daß die Kanäle zunächst einen kreisförmigen oder gekrümmten Einlaßquerschnitt annehmen und graduell in einen rechtwinkligen Auslaßquerschnitt übergehen, wodurch die Strömungsabtrennung auf ein Minimum herabgesetzt wird und dennoch glatte und gleichförmige Ausgangsströmungen aus dem Diffusor gebildet werden.

Um den Wirkungsgrad der Umwandlung kinetischer Energie in stati-v sehe Druckenergie für einen Diffusor zu maxlmieren, wird es häufig notwendig, das Verhältnis der Kanalauslaßfläche zur Einlaßfläche zu variieren, während die Kanallänge konstant gehalten wird. Häufig ist der Konstrukteur durch die folgenden Zwangsbedingungen eingeschränkt. Die Länge der Kanäle bestimmt den Radius des Ringraumes und somit den Außenumfang des Ringraumes. Die Gesamtzahl der Kanäle kann ebenfalls durch andere Konstruktionskriterien vorbestimmt sein, so daß, wenn der Außenumfang des Ringraumes durch die Gesamtzahl der Kanäle dividiert wird,

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die Umfangsausdehnung des rechtwinkligen Auslaßquerschnittes festgelegt wird und nicht verändert werden kann. Bisher konnte die andere, axial verlaufende Ausdehnung des rechtwinkligen Kanalausganges nicht kleiner gemacht werden als der Durchmesser des kreisförmigen Einlaßquerschnittes, ohne daß ein komplizierter und teurer Bearbeitungsvorgang oder der Zusatz massiger und sperriger Extravorrichtungen notwendig wurden. Deshalb war der Konstrukteur nicht immer in der Lage, das Verhältnis von Auslaßfläche zur Einlaßfläche des Kanales so einzustellen* um den maximalen Wirkungsgrad der Umwandlung von kinetischer Energie in statische Druckenergie zu erreichen.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Diffusor zu schaffen, bei dem der Wirkungsgrad unabhängig von dem Diffusorradius und der Anzahl der Kanäle optimiert werden

Weiterhin soll ein Diffusor geschaffen werden, bei dem die Fläche des rechtwinkligen Auslaßquerschnittes von jedem Kanal unabhängig von dem Durchmesser des kreisförmigen Einlaßquerschnittes des Kanales durch konventionelle Herstellungsverfahren verändert werden kann, ohne daß auf komplexe Bearbeitungsvorgänge oder den Zusatz sperriger Extravorrichtungen zurückgegriffen werden muß.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch einen Diffusor gelöst, der zahlreiche auf dem Umfang im Abstand angeordnete Kanäle aufweist, die durch einen Ringraum hindurchführen. Jeder Kanal nimmt an der inneren Umfangsflache des Fingraumes zunächst einen gekrümmten Einlaßquerschnitt an und geht graduell auf einen geradlinigen Auslaßquerschnitt an der äußeren Umfangsfläche des Ringraumes über. Wenigstens ein äußerer Umfangsrand des Diffus or ringraumes ist geneigt, um eine gezackte kegelstumpfförmige Oberfläche zu bilden. Ein kegelstumpfförmiger Ringraum ist mit der gezackten kegelstumpfförmigen Oberfläche zusammenhängend

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angeordnet und bildet einen nominell linearen Rand des geradlinigen Auslaßquerschnittes.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Figur 1 zeigt einen Teilquerschnitt von einem konventionellen Diffusor zusammen mit einem Kreiselverdichter.

Figur la zeigt eine Querschnittsansicht nach einem Schnitt entlang der Linie Ia-Ia in Figur 1.

Figur 2 zeigt eine in verschiedene Bereiche des Dlffusorwirkungsgrades unterteilte graphische Darstellung und enthält eine Kurve für einen-Diffusor mit einer vorbestimmten Anzahl von Kanälen.

Figur 3 zeigt eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht von dem erfindungsgemäßen Diffusor zusammen mit einem Kreiselverdichter.

Figur 3a zeigt eine Querschnittsansicht nach einem Schnitt entlang der Linie 3a-3a In Figur 3.

Figur 4 zeigt eine teilweise im Schnitt dargestellte perspektivische Ansicht von dem Diffusor gemäß Figur 3·

Figur 5 zeigt einen Teilquerschnitt nach einem Schnitt entlang der Mittelachse des Diffusors gemäß den Figuren 3 und zusammen mit einem Verdichter und einem Gasturbinentriebwerk .

In den Figuren 1 und la ist ein Teil eines Zentrifugalkompressors oder Kreisel Verdichters gezeigt, bei dem ein Flügelrad 10 für ei-

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_ 5 s

ne Axlalrotation um eine Mittelwelle 12 angebracht ist. Das Flügelrad' 10 enthält zahlreiche Blätter 14, die durch ein Band l6 auf dem Umfang im Abstand gehalten sind.

Ferner ist ein konventioneller Ringdiffusor 11 gezeigt, der extern angebracht ist, um die äußeren Spitzen der Blätter 14 zu umgeben. Der konventionelle Diffusor enthält innere und äußere Umfangsflächen 20 und 22, wobei die Innenfläche eng neben dem Außenumfang des gezeigten Flügelrades angeordnet ist. Der konventionelle Diffusor weist zahlreiche auf dem Umfang im Abstand angeordnete Kanäle 24 auf, die durch den Ringraum hindurchführen und deren Querschnittsflächen sich radial nach außen graduell erweitern. Die Kanäle wandein die hohe kinetische Energie, mit der das'strömende Medium das Flügelrad verläßt, in statische Druckenergie um, die aus dem Außenumfang der Oberfläche 22 austritt.

Es ist bekannt, daß die Kanäle zunächst kreisförmige Einlaßquerschnitte 25 annehmen und graduell in rechtwinklige Auslaßquerschnitte26übergehen, um somit die Strömungsabtrennung auf ein Minimum herabzusetzen und trotzdem für eine glatte und gleichförmige Ausgangsströmung aus dem Diffusor zu sorgen, wie es einleitend bereits erläutert wurde. Die Einlaßquerschnittsflächen (Al) der Kanäle 24 können dur^ch die folgende Gleichung bestimmt werden: . -

Al = TI T₁ ²

Darin ist r. der radius des kreisförmigen Querschnittes 25. Die Auslaßquerschnittsfläche (Ao) kann durch die Formel bestimmt werden: · ·

2 TT r cos

Darin ist r der Radius des Rlngdlffusors 11, cC 1st der Winkel,

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unter dem die Mittellinie 27 und der Radius r auseinanderlaufen,

ο '

N ist die Gesamtzahl der Kanäle und V/ ist die axial verlaufende Breite von Jedem Kanal. Somit wird deutlich, daß das Verhältnis der Auslaßquerschnittsfläche zur Einlaßquerschnittsfläche wie folgt ausgedrückt werden kann:

Ao s 2 Π r_o cos «£ W

Ai TT r² H

1 ρ

In Figur 2 ist eine graphische Darstellung mit zahlreichen Kurven gezeigt, in der die Flächen zwischen jeder Kurve die Höhe des Wirkungsgrades der Umwandlung kinetischer Energie in statischen Druck darstellt. Die Ordinate des Kurvenbildes besitzt einen\Logarithmischen Maßstab, um verschiedene Verhältnisse der Auslaßquerschnittsflächen (Ao) zu den Einlaßquerschnittsflächen (Al) zu zeigen, und die Abszisse ist ebenfalls im logarithmischen Maßstab unterteilt, um verschiedene Verhältnisse der Kanallängen (L) zu den Einlaßquerschnittsradien (r.) aufzuzeigen· Die gestrichelte Linie A stellt einelcharakterische Kurve für einen Diffusor dar, bei dem die Anzahl der Kanäle (N ) vorher festgelegt worden sind und konstant bleibt und bei dem die axial verlaufende Weite (W) auf ein Minimum herabgesetzt worden ist, so daß sie gleich 2r. ist. Aus dem Kurvenbild 1st zu entnehmen, daß die Kurve A den Bereich des maximalen Wirkungsgrades (80 Prozent) nicht schneidet und deshalb können Diffusoren mit dieser bestimmten Anzahl von Kanälen nicht für einen Spltzenwlrkungsgrad optimiert werden. .

Die Anzahl der Dlffusorkanäle kann verändert werden, um die Kurve A so zu verschieben, daß sie mit der umschlossenen Fläche des maximalen Wirkungsgrades zum Schnitt kommt; eine Veränderung der Anzahl der Dlffusorkanäle, um den optimalen Wirkungsgrad zu erhalten, kann jedoch aufgrund anderer Konstruktionskriterien nicht immer möglich sein.

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Ein anderer Parameter, -der zur Verschiebung der Laße der Kurve A verändert werden kann, 1st die axial verlaufende Weite Vi von jedem Kanal. Wenn noch einmal auf die Gleichung für das Verhältnis der Auslaßquerschnittsfläche zur Einlaßquerschnittsfläche -r?· zurückgegriffen wird, so ist ersichtlich, daß die 'Weite (W) verkleinert werden kann, um das Verhältnis ^r- -für ein bestimmtes der Kanallänge (L) zum Einlaßquerschnittsradius (r.) herabzusetzen. Die Kurve A könnte dann in Richtung auf die Abszisse und von der Ordinate weg verschoben werden, um so die Fläche des maximalen Wirkungsgrades zuschneiden. Wie jedoch eingangs bereits erläutert wurde, ist die Weite (W) bereits auf das Minimum des doppelten Radius (r.) der kreisförmigen Einlaßquerschnittsfläche in dem bekannten Diffusor herabgesetzt worden. Der erfindungsgemäße Diffusor dagegen gestattet eine Verkleinerung der Weite (Vi) auf \rreniger als den zweifachen Radius (r..), 'wodurch eine Wirkungsgradoptimierung für jeden Diffusor unabhängig von der. Anzahl der Diffusorkanäle .gestattet wird.

In den Figuren 3 und 3a, in denen sich die Bezugszahlen auf die bisher beschriebenen Elemente beziehen*, ist ein Teil eines konventionellen Kreiselverdichters zusammen mit dem erfindungsgemäßen ringförmigen Diffusor 30 gezeigt. Der Ringdiffusor 30_s von dem ein Teil auch in Figur *J gezeigt ist, ist außen angebracht, um so die äußeren Spitzen der Blätter 14 zu umgeben. Der Ringdiffu-, sor enthält innere und äußere Umfangsflächen 31 und 32, von denen die Innenfläche neben dem Außenumfang des Flügelrades angeordnet ist, wie es in Figur 3 gezeigt ist.

Der Diffusor 30 umfaßt zahlreiche auf dem Umfang im Abstand angeordnete Kanäle 3¹J, die durch den Ringraum hindurchführen, um so eine Strömungsverbjndung von der inneren Umfangsflache 31 zur äußeren Umfang: .fläche 32 zu bilden« Die¹ Ouerschnittsflachen der Kanäle erweitern sich nach außen in radialer Richtung, um die hohe kinetische Energie, mit der das strömende Medium das Flügelrad verläßt, in statische Druckenergie umzuwandeln. Die Kanäle

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BAD ORIGINAL

3*4 sind in der Weise gezeigt, daß sie zunächst kreisförmige Einlaßquerschnitte 36 auf der inneren Umfangsfläche 31 annehmen und dann graduell in rechtwinklige Auslaßquerschnitte 38 auf der äußeren Umfangsfläche 32 übergehen.

Wenn die Kanäle 3¹* zunächst einen kreisförmigen Einiaßquerschnitt annehmen, wie es vorstehend dargestellt wurde, reduziert sich das Charakteristikum der Grenzschichtabtrennung von rechtwinkligen, rechteckförmigen Formen, die eine Ablösung der Strömung zusammen mit einem Verlust an Wirkungsgrad verursachen. Die Kanäle 3*1 müssen Jedoch auch in rechtwinklige Querschnitte übergehen, so daß das Strömungsmittel über enge, axial verlaufende Hinterkanten ¹IO austritt und in eine glatte und gleichförmige Strömung ohne Strömungsabtrennung und Verluste übergeht, die mit dem Ausströmen eines Strömungsmittels über eine Reihe abgestumpfter Kanten verbunden sind.

Um.die Strömungsverluste, die mit rechtwinkligen Formen verbunden sind, auf ein Minimum herabzusetzen, können die Kanäle zunächst einen kreisförmigen Einlaßquerschnitt annehmen, wobei der kreisförmige Querschnitt auch für die größere Länge des Kanales beibehalten und der übergangsteil des Kanales auf das äußerste radiale Ende beschränkt sein kann. Der Einschränkungsfaktor im Hinblick auf die Frage, wie klein die Länge des übergangsteiles des Kanales in Relation zur gesamten Kanallänge sein kann, ist der Winkel der Divergenz der Kanalwände von der Mittellinie des Kanales. Wenn die Länge des übergangsteiles des Kanales verkleinert wird, wächst der Winkel der Divergenz der KanalwSnde von der Mittellinie, bis ein Punkt erreicht 1st, wo die Strömungsabtrennung von den Wänden signifikant wird.

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Aus den vorgenannten Gründen können die Kanäle 34 des Diffusors 30 unterteilt sein in im allgemeinen konische Kanäle 44 zwischen dem kreisförmigen Einlaßquerschnitt 36 und kreisförmigen Zwischenquerschnitten, die durch gestrichelte Linien 42 angedeutet sind, und im allgemeinen einen übergang bildende Kanäle 46 zwischen dem Zwischenquerschnitt 42 und den rechtwinkligen Auslaßquerschnitten 38 auf dem Außenumfang 32. Die Übergangskanäle 46 sind im Querschnitt zunächst kreisförmig und wandeln die Strömung dann graduell in einen rechtwinkligen Querschnitt 38 um. Um die Länge des übergangskanales 46 auf ein Minimum herabzusetzen, kann über der effektiven Länge des übergangskanales eine gleichförmige Querschnittsfläche beibehalten werden, um so die gesamte wesentliche Umwandlung der Strömung von kinetischer Energie auf statischen Druck auf den konischen Kanal 44 zu beschränken.

Auch wenn hier konische Kanäle 44 gezeigt worden sind, so können die Kanäle im Rahmen der vorliegenden Erfindung alternativ auch irgend eine andere Form haben, die im Querschnitt gekrümmt ist. Auch wenn weiterhin die Mittelinien 47 der Kanäle 34 als im wesentlichen geradlinig gezeigt sind, so können auch sie gekrümmt sein. Ferner, brauchen auch die Mittellinien der Kanäle nicht quer zur radialen Ebene verlaufen, sondern sie können im Rahmen der Erfindung in einem mittelmäßigen Winkel zu dieser Ebene geneigt sein.

Die außenseitigen UmfangsrSnder des Diffusors 30 sind abgeschrägt bzw. geneigt, um so zwei konvergierende, gezackte, kegelstumpfförmige Oberflächen 4B, 48^f zu, bilden, die am besten in Figur 4 gezeigt sind. Die gezackten kegelstumpfförmigen Oberflächen 48, 48' stoßen an ringförmigen, kegelstumpfförmigen Scheiben 50 bzw. fiO^f an, die im allgemeinen in radialer Richtung nach außen konvergieren. Wie aus den Figuren 3 und 4 hervorgeht, arbeiten die äußeren radialen Ränder 52, 52' der ringförmigen kegelstumpfffinnigen Scheiben 50, 5O¹ mit den axial verlaufenden Hinterkanten

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40 zusammen, um die rechtwinkligen Auslaßquerschnitte 38 auf dem äußeren Umfang 32 des Ringraumes zu bilden. Ferner erstreckt sich in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die innere radiale Durchdringung für die gezackten, kegelstumpfförmigen Oberflächen 48, 48' nicht über die Länge der Übergangskanäle 46 hinaus. Die Scheiben 50, 50' können auf übliche Weise, beispielsweise durch Löten, an den gezackten, kegelstumpfförmigen Oberflächen 48, 48' befestigt sein. Ein besonderer Vorteil ist auch die Tatsache, daß die Kanäle durch konventionelle Verfahren bearbeitet werden können, wie z. B. durch Walzen oder elektromechanische Bearbeitung.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daßjder erfindungsgemäße Diffusor die den bekannten Diffusoren von Natur aus anhaftenden Konstruktionsbeschränkungen nicht aufweist. Die axial verlaufende Weite (W) von Jedem rechtwinkligen Auslaßquerschnitt kann kleiner sein als der Durchmesser 2T₁ des kreisförmigen Querschnittes. Aus der Gleichung für das Verhältnis der Ausiaßquerschnittsfläche zur Einlaßquerschnittsfläche w ist ersichtlich, daß eine Verkleinerung der Weite W eine entsprechende Ver-

Ao

kleinerung des Verhältnisses w bewirkt, ohne daß eine entsprechende Änderung in der Abszisseri-Koordinate der Kurve A gemäß Figur 2 herbeigeführt wird. Dies führt dazu, daß die Kurve A von der Ordinate weg und in Richtung auf die Abszisse verschoben wird, um auf diese Welse den umschlossenen Bereich des maximalen Wirkungsgrades (80 Prozent) in der Kurvendarstellung zu schneiden.

Eine Gasströmung tritt aus ,federn Übergangskanal 46 heraus und vermischt sich In einem ringförmigen Verteiler 60 mit der am; benachbarten Kanälen austretenden Strömung, wie es In Figur* ^r» gezeigt ist. Die Vermischung der aus den übergangskanfllen austretenden .Strömung v/ird in einer glatten und gleichförmigen

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- ii -

Weise mit einem Minimum an Turbulenz und Verlusten herbeigeführt. Die Strömung in dem ringförmigen Verteiler 60 kann jedoch eine unerwünschte Wirbelkomponente aufweise^ die durch auf dem Umfang im Abstand angeordnete Entwirb lerschauf ein ,62 beseitigt werden kann, die die Wirkung haben, die 'restliche Umfangsgeschwindigkeit skomponente der aus dem Diffusorring 30 austretenden Strömung zu unterdrücken. Eine Leitung 6H kann die aus den Drallschaufeln austretende Strömung zu einer nicht gezeigten Verbrennungskammer leiten, wie sie in einem Gasturbinentriebwerk verwendet wird.

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Claims

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Ansprüche

./Diffusor für einen Kreiselverdichter, gekennzeich-

e t durch ein ringförmiges Gehäuse (30) mit zahlreichen auf dem Umfang im Abstand angeordneten Kanälen,(3^)> die durch den Ringraum (30) hindurchführen und die zunächst gekrümmte Einlaßquerschnitte (36) auf der inneren Umfangefläche (31) des Ringraumes (30) annehmen und graduell in geradlinige Auslaßquerschnitte (38) auf der äußeren .Umfangsfläche (32) des Ringraumes (30) Obergehen» wobei wenigstens ein äußerer Umfangsrand (52) des Ringraumes (30) geneigt 1st» so daß eine gezackte kegelstumpfförmige Oberfläche (Ί8) gebildet ist, und einen kegelstumpfförmlgen Ringraum (50), der an der gezackten kegelstumpfförmigen Oberfläche (48) angrenzend angeordnet ist» so daß ein nominell linearer Rand des geradlinigen Auslaßquerschnittes gebildet 1st.
2. Diffusor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zahlreichen auf dem Umfang im Abstand angeordneten Kanäle (3*0 in einer nach außen gerichteten, im allgemeinen radialen Richtung durch den Ringraum (30) hindurchführen, wobei die äußeren Umfangsränder des Hingraumes (30) abgeschrägt sind, so daß zwei konvergierende» gezackte kegelstumpfförmige Oberflächen (ft8, Ί8¹) gebildet sind» und daß wenigstens zwei kegelstumpfförmige Ringräume (50, 50') vorgesehen sind, von denen Jeder Ringraum an einer kegelst umpfförmi gen Oberfläche angrenzend angeordnet ist und einen nominell linearen Rand des geradlinigen Auslaßquerschnittes bildet.
3. Diffusor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die geradlinigen Auslaßquerschnitte der Kanüle (3^) durch axial verlaufende, schmale Ränder (UO)

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zwischen den Kanälen und den äußeren Umfangsrändern (52, 52'} der kegelstumpfförmigen Ringräume (50, 50') gebildet sind.
4. Diffusor nach Anspruch 3, d a d u r c.h gekennzeichnet, daß die Kanäle zunächst einen kreisförmigen Einlaßquerschnitt annehmen und graduell in einen rechtwinkligen Auslaßquerschnitt übergehen und die Weite von jedem rechtwinkligen Auslaßquerschnitt mit der Länge von jedem axial verlaufenden Rand koinzidiert und eine kürzere. Länge besitzt als der Durchmesser von jedem Einlaßquerschnitt.

5· Diffusor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der übergangsteil (46) von jedem Kanal (3²O an dem äußeren radialen Ende zunächst einen gekrümmten Querschnitt (36) besitzt und graduell in einen geradlinigen eUersehnitt (38) übergeht, wobei die Querschnittsfläche des übergangsteiles über seiner Länge im wesentlichen konstant bleibt, und daß der übrige Anfangsteil von jedem Kanal einen gekrümmten Querschnitt besitzt, der sich radial nach außen graduell erweitert, so daß die hohe kinetische Energie, mit der das strömende Medium den Kompressor verläßt, in statische Druckenergie umwandelbar ist.

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