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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
Erfindung betrifft einen Diffusor für eine Gasturbinenmaschine,
der einfach aus zwei konzentrisch zusammengepassten Schalen aufgebaut
ist, die miteinander beispielsweise durch Löten verbunden sind, wobei jede
Schale gegenüberliegende, passende
Nuten hat, die, wenn die Schalen zusammengepasst sind, eine Anordnung
von Diffusorkanälen
definieren, die von einem inneren peripheren Verdichter-Laufradgehäuse zu einem
ringförmig
axial gerichteten äußeren Rand
verlaufen.
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STAND DER TECHNIK
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Der
Verdichterabschnitt einer Gasturbinenmaschine weist einen Diffusor
strömungsabwärts von den
zentrifugalen Verdichterturbinen und ein Laufrad strömungsaufwärts von
der Brennereinrichtung auf. Die Funktion eines Diffusors ist, die
Geschwindigkeit der verdichteten Luft zu verlangsamen und gleichzeitig
den statischen Druck zu erhöhen
und so die Luft für
den Eintritt in die Brennereinrichtung bei einer niedrigen Geschwindigkeit
vorzubereiten. Luft mit hohem Druck und geringer Geschwindigkeit,
welche dem Verbrennungsabschnitt dargeboten wird, ist essentiell
für ein
korrektes Vermischen des Brennstoffs und eine effiziente Verbrennung.
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Die
vorliegenden Erfindung ist es besonders anwendbar auf Gasturbinenmaschinen,
welche ein Zentrifugallaufrad als die Hochdruckstufe des Verdichters
aufweisen. Laufräder
werden generell in kleineren Gasturbinenmaschinen verwendet. Ein Verdichterabschnitt
kann Axialströmungsverdichterstufen
oder Verdichterstufen mit gemischter Strömung mit dem Zentrifugallaufrad
als dem Hochdruckabschnitt aufweisen, oder alternativ können ein Niederdruck-Laufrad
und ein Hochdruck-Laufrad in Serie verbunden sein.
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Ein
Zentrifugalverdichterlaufrad saugt Luft axial von einem niedrigen
Durchmesser an. Das Rotieren des Laufrads erhöht die Geschwindigkeit der Luftströmung, wenn
die einströmende
Luft über
Laufradschaufeln gelenkt wird, um unter Zentrifugalkraft in einer
Richtung radial auswärts
zu strömen.
Um die Radialströmung
der das Laufrad verlassenden Luft in eine ringförmige Axialströmung zur
Darbietung an die Brennereinrichtung umzulenken, ist eine Diffusoranordnung
vorzusehen, um die Luft aus einer radialen Strömung in eine axiale Strömung umzulenken
und die Geschwindigkeit zu verringern und den statischen Druck zu
erhöhen.
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Eine
konventionelle Diffusoranordnung weist generell einen bearbeiteten
Ring auf, der den Umfang des Laufrads umgibt, um die radiale Luftströmung einzufangen
und sie durch generell tangentiale Öffnungen in eine Anordnung
von Diffusorrohren umzulenken. Die Diffusorrohre sind generell mit
dem Ring verlötet
oder mechanisch verbunden und haben in Richtung nach hinten einen
zunehmenden Querschnitt. In der Folge expandiert der schmale Luftstrom
bei hohem Druck, der in die Öffnungen
in dem Ring aufgenommen wurde, in seinem Volumen, wenn sich die
Luft axial durch die Diffusorrohre bewegt. Nach dem bekannten Bernoulli-Theorem
(welches angibt, dass die Gesamtenergie einer Fluidströmung konstant
bleibt und die Summe der Druckenergie, der potentiellen Energie
und der kinetischen Energie ist) führt der Volumenanstieg zu einer
verringerten Geschwindigkeit und einem korrespondierenden Anstieg
des statischen Drucks.
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Die
Herstellung der Diffusorrohre ist extrem komplex, da sie einen aufgeweiteten
inneren Durchgangsweg haben, der sich von einer generell radialen Tangentialrichtung
in eine Richtung axial nach hinten biegt. Jedes Rohr muss individuell
auf enge Toleranzen hergestellt werden und danach an den bearbeiteten
Zentralring angebaut werden. Komplexe Werkzeuge und arbeitsintensive
Bearbeitungsverfahren führen
zu relativ hohen Kosten für
die Herstellung der Diffuser.
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Auch
beim Betrieb verursachen Diffusoren häufig Probleme, die sich aus
der Schwingung der einzelnen Diffusorrohre ergeben. Um die Schwingungsschwierigkeiten
zu heilen, können
die Diffusorrohre miteinander verbunden sein oder sie können während Wartungsprozeduren
ausgeglichen werden.
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Von
einem aerodynamischen Standpunkt führt das Verbinden der einzelnen
Diffusorrohre mit dem bearbeiteten Ring zu Oberflächenübergängen, die
nachteilig die Effizienz der Maschine beeinflussen. An dem Inneren
der Rohre dort, wo sie an die Öffnung
an dem Ring anschließen,
gibt es häufig eine
Stufe oder einen Übergang,
der durch Herstellungstoleranzen beim Zusammenbau und bei den Lötverfahren
verursacht ist. Da die Luft in diesem Abschnitt mit einer extrem
hohen Geschwindigkeit strömt,
können
die Störungen
der Luftströmung
und die Widerstandszunahme beim Strömen der Luft über unpräzise passende Übergänge zu sehr
hohen Effizienzverlusten führen.
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Generell
ist die Konstruktion von Diffusoren nicht optimal, da deren komplexe
Struktur einen Kompromiss zwischen den gewünschten aerodynamischen Eigenschaften
und den praktikablen Grenzen der Herstellungsprozeduren erfordert.
Beispielsweise sind die Öffnungen
in dem das Laufrad umgebenden Ring infolge der Grenzen von ökonomischen Bohrverfahren
in ihrer Form auf zylinderförmige
Bohrungen oder konische Bohrungen beschränkt. Das Vorsehen elliptischer Öffnungen
bringt beispielsweise prohibitiv hohe Kosten bei der Herstellung
und bei der Qualitätskontrolle
mit sich. Die Gestalt der Diffusorrohre selbst ist auch durch die
praktischen Überlegungen
zum Herstellen von deren komplexer Geometrie eingeschänkt. Generell
werden die Diffusorrohre in einer konischen Gestalt hergestellt
und vor dem Löten
in ihre schraubenförmige
Endgestalt gebogen. Die Frage ob diese konische Konfiguration für die aerodynamische
Effizienz optimal ist oder nicht, wird sekundär gegenüber den Überlegungen einer ökonomischen
Herstellung.
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Das
deutsche Patent DE-C-96 862, auf dem der erste Teil des Anspruchs
1 basiert, beschreibt einen Diffusor vom Leitschaufeltyp strömungsabwärts eines
Zentrifugalverdichterlaufrads, der eine innere Schale und eine äußere Schale
aufweist, die koaxial mit radial verlaufenden Platten-Schaufeln
zusammenge passt sind, um die Strömung
in Diffusorkanäle mit
einer im wesentlichen rechteckigen Querschnittsgestalt zu separieren.
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Das
französische
Patent FR-A-2,581,135 (welches zur
US
4 854 126 korrespondiert, welches Chevis et al. erteilt
wurde) beschreibt eine Diffusorstruktur mit einer inneren und einer äußeren Schalenstruktur
mit einem radial verlaufenden Bereich mit Diffusorschaufeln und
einem axial verlaufenden Bereich mit sekundären Schaufeln, die zwischen
den zwei Schalen angeordnet sind.
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Es
ist deshalb ein Ziel der Erfindung, eine Diffusoranordnung bereitzustellen,
die signifikant den Werkzeugaufwand und die Herstellungskosten verringert,
die mit den Diffusoranordnungen des Stands der Technik einhergehen.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Diffusoranordnung bereitzustellen, die
den Konstrukteuren von Gasturbinenmaschinen eine größere Flexibilität bietet
und es ihnen ermöglicht,
die Diffusorstruktur für
verbesserte aerodynamische Effizienz und verbessertes Schwingungsverhalten
zu optimieren ohne Bedenken . hinsichtlich der Art, wie der Diffusor
tatsächlich
hergestellt werden wird.
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Es
ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Diffusoranordnung bereitzustellen,
die den Konstrukteuren von Gasturbinenmaschinen eine größere Flexibilität verschafft
und es ihnen ermöglicht,
ohne Augenmerk darauf, wie der Diffusor tatsächlich hergestellt wird, die
Diffusorstruktur für
eine verbesserte aerodynamische Effizienz und ein verbessertes Schwingungsverhalten
zu optimieren.
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Es
ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Diffusoranordnung bereitzustellen,
die eine kürzere Entwicklungszeit
für neue
Maschinen und eine beträchtlich
kürzere
Vorlaufszeit bei der normalen Produktion hat durch Minimieren der
für die
Produktion erforderlichen Arbeitsschritte.
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Es
ist ein weiteres Ziel der Erfindung, innere Querstufen zwischen
den Diffusorrohren und dem separat intern bearbeiteten Ring des
Stands der Technik zu eliminieren.
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Es
ist ein weiteres Ziel der Erfindung, das Gewicht der Maschinen zu
verringern, indem man die Anzahl von Teilen in einer Diffusoranordnung
verringert und gekrümmte
oder variable Diffusorkanäle
verwendet, um den Durchmesser des Gasgeneratorgehäuses zu
verringern.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung liefert eine Diffusoranordnung, die aus einer inneren
und einer äußeren konzentrisch zusammengesetzten
schüsselförmigen Schale
gebildet ist zum Lenken einer radial nach außen gerichteten Strömung verdichteter
Luft von einem Zentrifugalverdichter zu einer axial nach hinten
diffundierten Ringströmung.
Die Schalen können
einfach aus Metallformen hergestellt werden, beispielsweise Gussstücken, um
so viele an den Kosten und der Zeit zu eliminieren, die mit der
Herstellung von Diffusoren des Stands der Technik verbunden waren,
die aus mehrfach gebogenen Rohren hergestellt waren, die an einer
separat bearbeiteten Nabe angelötet
waren.
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Die
neue Diffusoranordnung hat zwei konzentrisch zusammengesetzte schüsselförmige Schalen,
wobei jede Schale ein inneres peripheres Verdichterlaufradgehäuse um eine
zentrale Öffnung
und einen äußeren Rand
hat. Gegenüberliegende
zusammengepasste Oberflächen
der Schalen haben eine Anordnung von Passnuten, die durch angrenzende
Nahtränder
getrennt sind und so individuelle Diffusorkanäle definieren, welche sich
von den Verdichterlaufradgehäusen
an die äußeren Schalenränder erstrecken,
wenn die Schalen aneinander befestigt sind.
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Vorzugsweise
sind die Nahtränder
an Flächenbereichen
positioniert, die sich lateral zwischen benachbarten Nuten erstrecken,
und die Flächenbereiche
erstrecken sich kontinuierlich über
die Länge der
Nuten. Diese Konstruktion verstärkt
die Struktur, um einer Schwingung durch die Zwischenwandwirkung
der Flächenbereich
zu widerstehen, die vorzugsweise durchgängig miteinander verlötet sind.
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Einige
signifikante Vorteile ergeben sich aus dieser neuen Diffusorkonstruktion.
Die Produktionskosten sind verringert, da die Werkzeugkosten und die
Herstellungskomplexität
dramatisch verringert sind, wenn lediglich zwei Schalenteile erforderlich sind.
Konventionelle Diffusoren im Gegensatz erfordern die separate Herstellung
von mehreren individuellen Diffusorrohren, die Herstellung einer
Diffusornabe und ein präzises
Anpassen und Löten
der Rohre an die Nabe. Bessere Leistung ergibt sich aus dem Eliminieren
der internen Querstufen, die bei den Diffusoren des Stands der Technik
an der Verbindungsstelle zwischen der Nabe und jedem der Rohre vorhanden
sind.
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Der
Konstrukteur ist frei von vielen der Einschränkungen, die ihm durch konventionelle
Diffusorherstellungsverfahren auferlegt waren. In einem großen Maße sind
konventionelle Diffusorkonfigurationen durch die Einschränkungen
der Herstellung diktiert. Viele Abwägungen zwischen Diffusorleistung und
Herstellungskosten beeinträchtigen
die Effizienz der Diffusoren des Stands der Technik.
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Die
Erfindung setzt jedoch den Konstrukteur frei von vielen der Überlegungen,
die durch die Herstellungsverfahren des Stands der Technik diktiert waren.
Durch die Verwendung der zusammengesetzten Schalen der Erfindung
werden die Gestalt und der Querschnitt der Diffusorkanäle vollständig unabhängig von
dem verwendeten Herstellungsverfahren, und das Optimieren der Diffusorkanalform
für eine aerodynamische
strukturelle Effizienz ist ermöglicht.
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Durch
das Aufnehmen von gekrümmten
oder variablen Diffusions-Diffusorkanälen kann die Erfindung zu einem
niedrigen Maschinengesamtgewicht führen, durch ein Verringern
des Durchmessers des Gasgeneratorgehäuses. Bei konventionellen Maschinen
bestimmt der Durchmesser des Verdichterlaufrads kombiniert mit der
außerhalb
angeordneten Diffusoranordnung in großem Maße den Durchmesser des Gasgeneratorgehäuses. Jegliche
Verringerung an dem Außendurchmesser
der Diffusoranordnung wird den Durchmesser des Gasgeneratorgehäuses verringern
und zu einer schmaleren Maschine mit weniger Gewicht und einem verringerten äußeren Widerstand
führen.
Die Erfindung verschafft dem Konstrukteur die Freiheit, den Durchmesser
des externen Diffusors zu verringern, indem er die Diffusorkanäle nach
innen biegt oder indem er Profile mit variablem Querschnitt für die Diffusorkanäle verwendet.
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Die
Dicke der Diffusorkanalwände
kann für eine
verbesserte Leistung und für
minimales Gewicht optimiert sein. Falls das erforderlich ist, kann
eine Verstärkung
in ausgewählten
Zonen erhöhter
Dicke angeordnet sein, oder sie kann externe Verstärkungsrippen
beinhalten, um Schwingungen zu kontrollieren, lokale Belastungen
aufzunehmen oder Verschleiß zu
widerstehen.
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Konstruktionsänderungen
können
mit einer beträchtlich
kürzeren
Vorlaufzeit inkorporiert werden, und die Entwicklung von neuen Maschinen
kann viel schneller voranschreiten. Kein Werkzeugaufwand ist erforderlich,
um Prototypen-Gussstücke
herzustellen. Massivmodelldaten (solid model data) können mit
Laserphotolithografie-Metallpulver-Gießverfahren verwendet werden,
um schnell beispielsweise Metallprototypen herzustellen.
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Weitere
Details der Erfindung und ihre Vorteile werden aus der detaillierten
Beschreibung und den Zeichnungen, die nachfolgend angefügt sind,
ersichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Zum
besseren Verständnis
der Erfindung wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beispielhaft
mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
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1 ist
eine perspektivische Ansicht einer Diffusoranordnung gemäß der Erfindung
und zeigt zwei schüsselförmige Schalen,
die zusammengepasst sind, um eine Anordnung von Diffusorkanälen zu bilden,
welche von einem zentralen Verdichterlaufradgehäuse zu axial gerichteten Austrittsdüsen an dem äußeren Rand
der Diffusoranordnung führen; und
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2 ist
eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht und zeigt die
innere und die äußere konzentrische
Schale der Diffusoranordnung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFOR-MEN
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1 zeigt
eine Diffusoranordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung, welche eine nach außen gerichtete
Strömung
von verdichteter Luft von einem in der inneren Öffnung angeordneten Zentrifugalverdichter
zu einer axial nach hinten gerichteten diffundierten Ringströmung lenkt.
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2 zeigt
eine innere und eine äußere konzentrisch
zusammengepasste schüsselförmige Schale,
die mit dem Bezugszeichen 1 bzw. 2 angegeben sind.
Jede Schale 1 und 2 hat ein inneres umfangsmäßiges Verdichterlaufradgehäuse 3 und 4 und eine
relativ große
Zentrifugalöffnung.
Wenn die Schalen 1 und 2 zusammengepasst sind,
wie in der 1 gezeigt, schließen die
Gehäuse 3 und 4 die nach
außen
gerichtete Strömung
von Luft, welche den Umfang des Laufrads verlässt, wenn dieser bei hoher
Drehzahl rotiert, ein. Jede Schale 1 und 2 hat einen äußeren Rand 5 und 6.
Wie am besten in der 1 gezeigt, tritt die in den
Laufradgehäusen 3 und 4 enthaltene
nach außen
gerichtete Luftströmung durch
längliche
Düsen aus,
die entlang der äußeren Ränder 5 und 6 der
zusammengepassten Schalen 1 und 2 gebildet sind.
Um die Luftströmung
von einer nach außen
gerichteten Strömung
hohen Drucks von den Laufradgehäusen 3 und 4 zu
einer axial nach rückwärts gerichteten
Strömung
umzulenken, die die äußeren Ränder 5 und 6 passiert,
weist jede der konzentrisch zusammengepassten Schalen 1 und 2 eine Anordnung
von zusammenpassenden Nuten 7 und 8 auf, die individuelle
Diffusorkanäle
definieren, wenn die Schalen 1 und 2 mit Befestigungsmitteln
(nicht sichtbar) aneinander befestigt sind.
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In
der gezeigten Ausführungsform
sind die Nuten 7 und 8 durch aneinander angrenzende
Nahtränder 9 getrennt,
die an Flächenbereichen 10 angeordnet
sind, die sich lateral zwischen benachbarten Nuten 7 und 8 erstrecken.
Die Flächenbereiche 10 erstrecken
sich in der gezeigten Ausführungsform kontinuierlich über die
Länge der
Nuten 7 und 8. Die durchgehenden Flächenbereiche 10 verbinden
benachbarte Diffusorkanäle
miteinander mit einer kontinuierlichen Zwischenwand, die aneinander
mit Befestigungsmitteln, beispielsweise durch Löten, Nieten, Verschrauben,
Punktschweißen,
Diffusionsschweißen
oder Fusionsschweißen
befestigt werden können.
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Es
ist durch die Erfinder vorgesehen, dass die ökonomischste Weise zum Herstellen
dieser Schalen 1 oder 2 durch Metallgießen und
Fertigbearbeiten der Schalen 1 und 2 erfolgt.
Die Dicke der Schalen 1 und 2 kann im wesentlichen
durchgängig gleichförmig sein,
oder die Schalen 1 und 2 können, wenn das für die Schwingungskontrolle,
strukturelle Festigkeit oder Verschleißbeständigkeit gewünscht ist,
einfach mit vorgewählten
Zonen erhöhter
relativer Dicke konstruiert sein.
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Wie
in der 2 am deutlichsten gezeigt, haben die Nuten 8 und 7 einer
jeden Schale 1 und 2 eine Querschnittsfläche zunehmender
Größe von dem
Verdichtergehäuse 3 und 4 zu
den äußeren Schalenrändern 5 und 6.
Bei der gezeigten Ausführungsform
sind die Nahtränder 9 annähernd in
der Mitte eines jeden Diffusorkanals angeordnet und deshalb sind
die Querschnittsflächen
einer ausgewählten
Zone in den Nuten 7 der inneren Schale 1 im wesentlichen
gleich den Querschnittsflächen
der benachbarten Zone in den Nuten 8 der zusammengepassten äußeren Schale 2.
Auch haben in der gezeigten Ausführungsform
die Nuten 7 und 8 einer jeden Schale 1 und 2 eine
im wesentlichen konstante Tiefe, wobei die Breite eine von den Verdichtergehäusen 3 und 4 zu
den äußeren Schalenrändern 5 und 6 zunehmende
Größe hat.
Die Nuten 7 und 8 einer jeden Schale 1 und 2 haben
konkave Seitenwände
mit einem ausgewählten
Radius und, wie in der 1 gezeigt, haben die so definierten
Diffusorkanäle
ein halbkreisförmiges
Seitenprofil, wenn die Schalen zusammengepasst sind.
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Man
wird verstehen, dass die Form und die Ausrichtung der in der gezeigten
Ausführungsform gezeigten
Diffusorkanäle
nur als Beispiel gedacht sind. Ein beträchtlicher Vorteil der Erfindung
ist es, es den Konstrukteuren zu erlauben, irgendwelche Querschnittsformen
oder Wegorientierungen für
die Diffusorkanäle
zu wählen,
die die Effizienz der Diffusoranordnung optimieren. Eine häufig verwendete
Diffusorgestalt ist die in den Zeichnungen gezeigte mit einer relativ konstanten
Breite und halbkreisförmig
abgerundeten äußeren Rändern. Jedoch
können
die Diffusorkanalnuten 7 und 8 leicht in irgendeiner
elliptischen Gestalt und irgendeiner anderen gewünschten Gestalt hergestellt
werden. Von besonderem Vorteil ist, dass der Übergang zwischen den Laufradgehäusen 3 und 4 und
den Nuten 7 und 8 vollständig glatt gemacht werden kann,
ohne die nachteiligen Übergangsstufen,
die man beim Stand der Technik findet. Die Form der Nuten 7 und 8,
unmittelbar den Gehäusen 3 und 4 benachbart,
kann elliptisch sein oder irgendeine optimale Form haben, die durch
die Konstrukteure festgelegt ist.
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Deshalb
verringert in der Folge die durch die Erfindung bereitgestellte
neue Doppelschalendiffusoranordnung signifikant die Anzahl von Teilen
und den benötigten
Werkzeugaufwand. Eine bessere Schwingungs-Kontrolle und -Vorhersage
ergibt sich aus der strukturellen Integrität der Doppelschalenstruktur.
Ein geringeres Maschinengewicht ist möglich, indem man gekrümmte oder
variable Diffusions-Diffusorkanäle
verwendet, um den Gasgeneratorgehäusedurchmesser zu verringern.
Die Konstrukteure sind frei, schnell neue Triebwerktypen mit nicht
kreisförmigen
Diffusorkanälen
zu entwickeln, falls dies gewünscht
ist. Da weniger Arbeitsschritte bei der Herstellung erforderlich
sind, ist eine beträchtlich
kürzere Vorlaufzeit
bei der Herstellung von Diffusoranordnungen erforderlich. Eine bessere
aerodynamische Leistung wird sich aus dem Eliminieren der inneren
Querstufen ergeben, die bei dem Stand der Technik zwischen separaten
Bauteilen der Diffusoranordnung vorhanden waren.
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Obwohl
die vorangehende Beschreibung und die begleitenden Zeichnungen eine
spezielle bevorzugte Ausführungsform
betreffen, wie sie momentan durch die Erfinder angedacht ist, wird
man verstehen, dass die Erfindung in ihrem breiten Aspekt mechanische
und funktionelle Äquivalente
der beschriebenen und gezeichneten Elemente einschließt.