EP1719879A1 - Berstschutzvorrichtung für Radialverdichter - Google Patents

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EP1719879A1
EP1719879A1 EP05405332A EP05405332A EP1719879A1 EP 1719879 A1 EP1719879 A1 EP 1719879A1 EP 05405332 A EP05405332 A EP 05405332A EP 05405332 A EP05405332 A EP 05405332A EP 1719879 A1 EP1719879 A1 EP 1719879A1
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retaining
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compressor
insert wall
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Klaus Heinrich
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Accelleron Industries AG
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ABB Turbo Systems AG
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    • F01D21/045—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for responsive to undesired position of rotor relative to stator or to breaking-off of a part of the rotor, e.g. indicating such position special arrangements in stators or in rotors dealing with breaking-off of part of rotor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02B39/00—Component parts, details, or accessories relating to, driven charging or scavenging pumps, not provided for in groups F02B33/00 - F02B37/00
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    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/02—Surge control
    • F04D27/0292—Stop safety or alarm devices, e.g. stop-and-go control; Disposition of check-valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers

Definitions

  • the invention relates to a burst protection device for the centrifugal compressor of an exhaust gas turbocharger, as described by the features of the preamble of claim 1 and a centrifugal compressor and an exhaust gas turbocharger with such a burst protection device.
  • WO 02/090722 A1 describes a burst protection device for a radial compressor of a turbocharger, in which the compressor wheel is surrounded by housing parts which are able to absorb the energy stored in the compressor wheel. Preventing debris exiting the compressor housing is referred to as containment.
  • the housing parts surrounding the compressor wheel in particular the insert wall of the compressor bounding the flow duct, are divided into at least two parts. A radial part in the region of the flow deflection from the axial to the radial and an axial ring, which encloses the inlet region upstream of the compressor wheel. A large part of the energy is dissipated via forces acting radially on the insert wall.
  • the object of the invention is therefore to provide a burst protection device for a centrifugal compressor of an exhaust gas turbocharger, with which the axial displacement of the compressor housing parts can be limited even without precise knowledge of the forces acting in a given space.
  • the goal is achieved by two or more retention measures successively, ie temporally and spatially separated from each other to effect.
  • the energy is gradually reduced and at the same time prevents the forces acting on an uncontrollably high level.
  • the sliding insert wall remains sufficient space for the axial displacement after the engagement of the first retaining element and before a second retaining element is engaged. This is inside the compressor housing enough space is available to reduce the kinetic energy of the cracked compressor wheel.
  • third or further retaining elements can be brought into engagement.
  • Fig. 1 shows a section through the compressor of an exhaust gas turbocharger.
  • the flow path of the air to be compressed is indicated in the figures by arrows.
  • the terms upstream and downstream refer to this flow.
  • Dashed lines indicated on the axis of rotation A arranged the compressor 60, which is surrounded by different housing parts.
  • the terms radial, axial and coaxial refer to the axis of rotation A.
  • the insert wall 10 Immediately radially outside of the leading and through the compressor wheel flow channel 40, the insert wall 10 is arranged.
  • the insert wall 10 delimits the flow channel radially outwards and, depending on the type of attachment of the insert wall to the outer housing parts, from upstream of the compressor wheel 0bis beyond the compressor in the region of the diffuser, which is arranged downstream of the compressor wheel.
  • an outer compressor housing wall 20 Radially outside the insert wall, an outer compressor housing wall 20 is arranged, via which, for example, a Filter muffler 50 or an intake for the supply of air to be compressed is attached to the compressor housing.
  • the outer wall 20 is connected to the insert wall 10 in the region of the diffuser, directly or via further housing parts.
  • the burst protection device In the case of bursting of the compressor wheel 60, the burst protection device according to the invention is intended to brake the insert wall separated in the region of the compressor wheel in the axial direction and thus prevent it from leaving the compressor housing at the axial exit.
  • a radially outwardly projecting, coaxially arranged retaining projection 11 is provided on the insert wall, which is to cooperate in the case of bursting of the compressor wheel with brake elements.
  • These brake elements are formed as formed with a central opening, annular retaining elements 31 and 21.
  • a first retaining element 31 is fastened to an intermediate wall 30 arranged between the insert wall 10 and the outer wall 20.
  • the first retaining element 31 is in direct contact with the retaining projection of the insert wall, so that in the case of the bursting of the compressor wheel, the insert wall is braked directly for the first time in its axial movement.
  • Retaining projection and retaining element can be connected to each other with a collar or successive wedge surfaces or even via a screw.
  • the first braking stage of the burst protection device only after the insert wall has already moved in the axial direction.
  • This embodiment has the advantage that a first impact on the insert wall, which usually leads to the above-described breakage of the insert wall, does not directly affect the braking device and approximately directly damages the first retaining element 31.
  • a second retaining element 21 is offset relative to the first retaining element 31 in the axial direction. It comprises a coaxially arranged circumferential ring with a central opening.
  • the circumferential ring is the radially inner boundary of a support wall 22 which is fixed to the outer wall 20.
  • the support wall may be formed corrugated for additional reinforcement, as indicated in Fig. 1.
  • the relative dimensions of retaining projection 11 and retaining element 21 and 31 can be explained with reference to the schematic representation in FIG. 2.
  • the retaining projection has a maximum outer radius R 11 .
  • the maximum Outer radius R 11 denotes the largest radius of the coaxially arranged retaining projection. If the retaining projection is provided with a wedge surface as indicated in the figure, the maximum outer radius R 11 is the radius of the outermost wedge tip.
  • the retaining elements 21 and 31 have a minimum inner radius R 21 and R 31 .
  • the minimum inner radius denotes the smallest radius of the openings in the retaining elements. If the openings of the retaining elements are provided with a wedge surface as indicated in the figure, the minimum inner radius is the radius of the innermost wedge tip or the narrowest point of the coaxially arranged opening.
  • the maximum outer radius R 11 must be greater than the minimum inner radii R 21 and R 31 Only this ensures that the retaining projection can brake the insert wall on the way in the axial direction by engaging in the retaining elements.
  • the opening radius of the second retaining element 21, that is to say the minimum inner radius R 21 is smaller than the opening radius of the first retaining element 31, that is to say the minimum inner radius R 31 .
  • the retaining projection 11 is basically formed as a cylindrical, circumferential ring.
  • the retaining projection may also be divided along the circumference into two or more sections, so that in the case of bursting of the compressor wheel, the forces acting on the retaining projection and the stresses caused thereby can not spread over the entire circumference.
  • third or further retaining elements may be provided, which are arranged either in the region between the first and second retaining element or farther upstream of the second retaining element.

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Abstract

Die Berstschutzvorrichtung des Verdichters eines Abgasturboladers weist zwei Rückhalteelemente (21, 31) auf, welche im Fall des Berstens des Verdichterrades nacheinander, also zeitlich und räumlich getrennt voneinander zur Wirkung gelangen. Die Einsatzwand (10) verschiebt sich in axialer Richtung und ein Rückhaltevorsprung (11) greift nacheinander in den beiden Rückhalteelementen ein.
Dadurch wird die Energie stufenweise abgebaut und gleichzeitig verhindert, dass die wirkenden Kräfte auf ein unkontrollierbar hohes Niveau ansteigen.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft eine Berstschutzvorrichtung für den Radialverdichter eines Abgasturboladers, wie sie durch die Merkmale des Oberbegriffes des Anspruchs 1 beschrieben ist sowie einen Radialverdichter und einen Abgasturbolader mit einer solchen Berstschutzvorrichtung.
    • Stand der Technik
  • In Abgasturboladern werden Radialverdichter eingesetzt, die mit hoher Umfangsgeschwindigkeit rotieren. Im Bauteil ist dadurch eine hohe kinetische Energie gespeichert. Mit den zunehmenden Anforderungen an Abgasturbolader hinsichtlich der Druckverhältnisse, ist auch die Gefahr des Berstens des Verdichterrades infolge immensen Fliehkräften gestiegen. Damit weder Personen noch Sachwerte gefährdet werden, wird gefordert, dass im Fall des Berstens des Verdichterrades keine Trümmer mit ihrer grossen kinetischen Energie durch die das Rad umschliessenden Gehäuse nach aussen gelangen.
  • WO 02/090722 A1 beschreibt eine Berstschutzvorrichtung für einen Radialverdichter eines Turboladers, bei der das Verdichterrad von Gehäuseteilen umgeben ist, die in der Lage sind, die im Verdichterrad gespeicherte Energie aufzunehmen. Das Verhindern von aus dem Verdichtergehäuse austretenden Bruchstücken wird als ,Containment' bezeichnet. Beim Bersten des Verdichterrades werden die das Verdichterrad umschliessenden Gehäuseteile, insbesondere die den Strömungskanal begrenzende Einsatzwand des Verdichters, in mindestens zwei Teile zertrennt. Einen radialen Teil im Bereich der Strömungsumlenkung aus der axialen in die radiale sowie einen axialen Ring, welcher den Eintrittsbereich stromauf des Verdichterrades umschliesst. Ein grosser Teil der Energie wird über radial auf die Einsatzwand einwirkenden Kräfte abgebaut. Beim Bersten des Verdichterrades entstehen aber auch Axialkräfte. Diese können dazu führen, dass Teile des Verdichtergehäuses axial in Richtung Verdichtereintritt verschoben werden. Um eine unzulässige Verschiebung zu verhindern werden im allgemeinen axial wirkende Verschraubungen oder formschlüssige Elemente verwendet. Die aus WO 02/090722 bekannte Berstschutzvorrichtung weist Bremsen auf, die auf sich axial verschiebende Gehäuseteile wirken und abbremsen sollen. Dabei wird die Einsatzwand an einer Rippe einer Verdichtergehäuse-Zwischenwand oder gleichzeitig an mehreren Rippen gebremst.
  • Da die im Schadensfall wirkenden Kräfte nicht genau bekannt sind, ist die richtige Dimensionierung der Bremselemente, die auf die Bauteile wirken und sie axial zurückhalten sollen, keine leichte Aufgabe. Sind die Elemente überdimensioniert, können zu hohe Kräfte entstehen, die nicht beherrscht werden können. Sind sie hingegen unterdimensioniert, dürfte die Rückhaltewirkung nicht ausreichen um das Austreten einzelner Verdichterradteile in axialer Richtung aus dem Gehäuse zu verhindern.
    • Kurze Darstellung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Berstschutzvorrichtung für einen Radialverdichter eines Abgasturboladers zu schaffen, mit der die axiale Verschiebung von Verdichtergehäuseteilen auch ohne exakte Kenntnis der wirkenden Kräfte in einem vorgegebenen Bauraum begrenzt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Berstschutzvorrichtung eines Radialverdichters eines Turboladers gemäss den Merkmalen des Anspruches 1.
  • Erfindungsgemäss wird das Ziel dadurch erreicht, dass zwei oder mehrere Rückhaltemassnahmen nacheinander, also zeitlich und räumlich getrennt voneinander zur Wirkung gelangen. Dadurch wird die Energie stufenweise abgebaut und gleichzeitig verhindert, dass die wirkenden Kräfte auf ein unkontrollierbar hohes Niveau ansteigen.
  • Sollte ein erstes Rückhalteelement überwunden werden, so verschiebt sich der von der restlichen Einsatzwand getrennte, axiale Ring in axialer Richtung weg von der Turbinenwelle, bis ein zweites Rückhalteelement in Eingriff kommt.
  • Der sich verschiebenden Einsatzwand bleibt nach dem Eingreifen des ersten Rückhalteelements und bevor ein zweites Rückhalteelement zum Eingriff kommt für die axiale Verschiebung ausreichend Platz. Damit ist innerhalb des Verdichtergehäuses genügend Platz vorhanden, um die kinetische Energie des geborstenen Verdichterrades abzubauen.
  • Bei Bedarf können dritte oder weitere Rückhalteelemente in Eingriff gebracht werden.
  • Ein erfindungsgemässer Turbolader mit einem Radialverdichter, der eine oben beschriebene erfindungsgemässe Berstschutzvorrichtung aufweist, stellt im Falle eines Verdichterradberstens eine geringere Gefahr für sich beim Turbolader aufhaltende Menschen und benachbarte Anlagen dar.
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Nachfolgend wird die erfindungsgemässe Berstschutzvorrichtung anhand von Figuren genauer erläutert. Hierbei zeigt
    • Fig. 1
    einen Schnitt durch das Verdichtergehäuse eines Abgasturboladers mit einer erfindungsgemässen Berstschutzvorrichtung, und
    Fig. 2
    eine schematische, vergrösserte Darstellung der Rückhaltevorrichtung der erfindungsgemässen Berstschutzvorrichtung nach Fig. 1.
    Weg zur Ausführung der Erfindung
  • Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch den Verdichter eines Abgasturboladers. Der Strömungsverlauf der zu verdichtenden Luft ist in den Figuren mit Pfeilen angedeutet. Die Bezeichnungen stromaufwärts und stromabwärts beziehen sich auf diesen Strömungsverlauf. Gestrichelt angedeutet ist auf der Drehachse A angeordnet das Verdichterrad 60, welches von verschiedenen Gehäuseteilen umgeben ist. Die Bezeichnungen radial, axial und koaxial beziehen sich auf die Drehachse A.
  • Unmittelbar radial ausserhalb des auf und durch das Verdichterrad führenden Strömungskanals 40 ist die Einsatzwand 10 angeordnet. Die Einsatzwand 10 begrenzt den Strömungskanal radial aussen und führt, je nach Art der Befestigung der Einsatzwand an den äusseren Gehäuseteilen, von stromauf des Verdichterrades 0bis über das Verdichterrad hinaus in den Bereich des Diffusors, welcher stromabwärts des Verdichterrades angeordnet ist. Radial ausserhalb der Einsatzwand ist eine äussere Verdichtergehäusewand 20 angeordnet, über welche beispielsweise ein Filterschalldämpfer 50 oder ein Ansaugstutzen für die Zuführung der zu verdichtenden Luft am Verdichtergehäuse befestigt ist. Die Aussenwand 20 ist im Bereich des Diffusors, direkt oder über weitere Gehäuseteile, mit der Einsatzwand 10 verbunden.
  • Die erfindungsgemässe Berstschutzvorrichtung soll im Fall des Berstens des Verdichterrades 60 die im Bereich des Verdichterrades abgetrennte Einsatzwand in axialer Richtung abbremsen und so am axialen Austritt aus dem Verdichtergehäuse hindern. Hierfür ist an der Einsatzwand ein radial nach aussen abstehender, koaxial angeordneter Rückhaltevorsprung 11 vorgesehen, welcher Im Fall des Berstens des Verdichterrades mit Bremselementen zusammenwirken soll. Diese Bremselemente sind als mit einer zentralen Öffnung ausgebildete, ringförmige Rückhalteelemente 31 und 21 ausgebildet. Ein erstes Rückhalteelement 31 ist an einem zwischen der Einsatzwand 10 und der Aussenwand 20 angeordneten Zwischenwand 30 befestigt. Das erste Rückhalteelement 31 ist in der Ausführungsform gemäss Fig. 1 in direktem Kontakt mit dem Rückhaltevorsprung der Einsatzwand, so dass im Fall des Berstens des Verdichterrades die Einsatzwand unmittelbar ein erstes mal in ihrer axialen Bewegung gebremst wird. Rückhaltevorsprung und Rückhalteelement können mit einem Bund oder aufeinander auflaufenden Keilflächen oder gar über eine Verschraubung miteinander verbunden sein. Alternativ kann zwischen dem Rückhaltevorsprung und dem ersten Rückhalteelement 31 auch ein geringfügiger axialer Abstand bestehen. In diesem Fall greift die erste Bremsstufe der Berstschutzvorrichtung erst nachdem sich die Einsatzwand bereits in die axiale Richtung verschoben hat. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass ein erster Schlag auf die Einsatzwand, welcher in der Regel zum oben beschriebenen Bruch der Einsatzwand führt, sich nicht direkt auf die Bremsvorrichtung auswirkt und etwa direkt das erste Rückhalteelement 31 beschädigt.
  • Ein zweites Rückhalteelement 21 ist gegenüber dem ersten Rückhalteelement 31 in axialer Richtung versetzt angeordnet. Es umfasst einen koaxial angeordneten umlaufenden Ring mit einer zentralen Öffnung. Der umlaufende Ring ist die radial innere Begrenzung einer Stützwand 22, welche an der Aussenwand 20 befestigt ist. Die Stützwand kann zur zusätzlichen Versteifung gewellt ausgebildet sein, wie dies in Fig. 1 angedeutet ist.
  • Die relativen Abmessungen von Rückhaltevorsprung 11 und Rückhalteelement 21 und 31 lassen sich anhand der schematischen Darstellung in Fig. 2 erläutern. Der Rückhaltevorsprung hat einen maximalen Aussenradius R11. Der maximale Aussenradius R11 bezeichnet den grössten Radius des koaxial angeordneten Rückhaltevorsprungs. Ist der Rückhaltevorsprung wie in der Figur angedeutet mit einer Keilfläche versehen, ist der maximale Aussenradius R11 der Radius der äussersten Keilspitze. Die Rückhalteelemente 21 bzw. 31 haben einen minimalen Innenradius R21 bzw. R31. Der minimale Innenradius bezeichnet jeweils den kleinsten Radius der Öffnungen in den Rückhalteelementen. Sind die Öffnungen der Rückhalteelemente wie in der Figur angedeutet mit einer Keilfläche versehen, ist der minimale Innenradius der Radius der innersten Keilspitze bzw. die engste Stelle der koaxial angeordneten Öffnung.
  • Damit der Rückhaltevorsprung mit den Rückhalteelementen zusammenwirken kann, muss der maximale Aussenradius R11 grösser sein als die minimalen Innenradien R21 und R31 Nur so ist gewährleistet, dass der Rückhaltevorsprung die Einsatzwand auf dem Weg in axialer Richtung durch eingreifen in die Rückhalteelemente bremsen kann. Vorteilhafterweise ist der Öffnungsradius des zweiten Rückhalteelements 21, also der minimale Innenradius R21, kleiner als der Öffnungsradius des ersten Rückhalteelements 31, also der minimale Innenradius R31. Sollte der Rückhaltevorsprung 11 an der stärksten Stelle beim Durchschlagen des ersten Rückhalteelements 31 auf die Abmessungen der Öffnung des ersten Rückhaltelements 31, den minimalen Innenradius R31, reduzierte worden sein, so würde das zweite Rückhalteelement dank dem kleineren Öffnungsradius dem Rückhaltevorsprung 11 dennoch entgegenstehen und somit seine Bremswirkung entfalten können.
  • Der Rückhaltevorsprung 11 ist grundsätzlich als zylinderförmiger, umlaufender Ring ausgebildet. Alternativ kann der Rückhaltevorsprung auch entlang des Umfangs in zwei oder mehrere Abschnitte unterteilt sein, so dass sich im Fall des Berstens des Verdichterrades die auf den Rückhaltvorsprung wirkenden Kräfte und die dadurch verursachten Spannungen nicht über den gesamten Umfang ausbreiten können.
  • Bei Bedarf können dritte oder weitere Rückhalteelemente vorgesehen sein, welche entweder in dem Bereich zwischen dem ersten und zweiten Rückhalteelement oder weiter stromaufwärts des zweiten Rückhalteelements angeordnet sind.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Einsatzwand
    11
    Rückhaltevorsprung
    20
    Verdichtergehäuse-Aussenwand
    21
    Rückhalteelement
    22
    Stützwand
    30
    Verdichtergehäuse-Zwischenwand
    31
    Rückhalteelement
    40
    Strömungskanal
    50
    Ansauggehäuse
    60
    Verdichterrad
    A
    Drehachse des Verdichterrades
    R11
    maximaler Aussenradius des Rückhaltevorsprungs
    R21, R31
    minimaler Innenradius der Rückhalteelementes

Claims (10)

  1. Berstschutzvorrichtung eines Radialverdichters eines Turboladers mit einer Verdichtergehäuse-Einsatzwand (10), welche einen Strömungskanal (40) über den Laufschaufeln des Verdichterrades radial aussen begrenzt, und mit einer Verdichtergehäuse-Aussenwand (20), welche die Einsatzwand (10) radial aussen umgibt,
    wobei an der Einsatzwand (10) ein radial nach aussen ragender Rückhaltevorsprung (11) angeordnet ist und zwischen der Einsatzwand und der Aussenwand mindestens zwei, in axialer Richtung versetzte, ringförmige Öffnungen formende Rückhalteelemente (21, 31) zum Zurückhalten des Rückhaltevorsprungs (11) der Einsatzwand bei axialer Verschiebung der Einsatzwand (10) angeordnet sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die beiden Rückhalteelemente (21, 31) derart voneinander getrennt angeordnet sind, dass sie bei axialer Verschiebung der Einsatzwand (10) nacheinander mit dem Rückhaltevorsprung (11) der Einsatzwand zusammenwirken.
  2. Berstschutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Rückhalteelemente (21, 31) von einander getrennt am Verdichtergehäuse befestigt sind.
  3. Berstschutzvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Rückhalteelemente (21, 31) in axialer Richtung von einander getrennt am Verdichtergehäuse befestigt sind.
  4. Berstschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Rückhalteelement (31) Teil einer zwischen der Einsatzwand (10) und der Aussenwand (30) des Verdichtergehäuses angeordneten Zwischenwand (22) ist.
  5. Berstschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Rückhalteelement (21) an der Aussenwand (20) des Verdichtergehäuses befestigt und Teil einer radial nach innen geführten Stützwand (22) ist.
  6. Berstschutzvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützwand (22) in Umfangsrichtung gewellt ausgebildet ist.
  7. Berstschutzvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückhalteelemente (21, 31) ringförmige Öffnungen begrenzen, und dass der Rückhaltevorsprung (11) einen maximalen Aussenradius (R11) aufweist, welcher grösser ist, als die beiden minimalen Innenradien (R21, R32) der durch die Rückhalteelemente begrenzten, ringförmigen Öffnungen.
  8. Berstschutzvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der minimale Innenradius der Öffnung des weiter stromaufwärts angeordneten Rückhalteelementes (R21) kleiner ist als der minimale Innenradius des anderen Rückhalteelementes (R31).
  9. Radialverdichter, gekennzeichnet durch eine Berstschutzvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche.
  10. Abgasturbolader, gekennzeichnet durch einen Radialverdichter nach Anspruch 9.
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