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Einrichtung zum Regeln der Leistung bzw. Drehzahl eines durch die
Druckfeuerungsgase eines Dampferzeugers in Abhängigkeit von dessen Belastung betriebenen
Luftverdichters, an welchen eine Hilfsdampfturbine angeschlossen ist Die Erfindung
bezieht sich auf eine Einrichtung zum Regeln der Leistung bz-,v. Drehzahl eines
durch die Druckfeuerungsgase eines Dampferzeugers in Abhängigkeit von .dessen Belastung
betriebenen Luftverdichters, an welchen eine Hilfsdampfturbine für den Betrieb bei
schwachen Kesselbelastungen angeschlossen ist, während die bei starken Kesselbelastungen
im überschuß vorhandenen Feuerungsgase die Gasturbine umgehen.
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Es ist bekannt, den Antrieb des Luftverdichters durch die den Feuerungsgasen
entzogene Energie durchzuführen und dies für eine bestimmte Betriebsbelastung :des,
Dampferzeugers b'zw. seiner Feuerung; da bei allen geringeren Belastungen die Leistung
der Gasturbine nicht ausreicht, wird eine Hilfsenergiequelle für den Betrieb des
Verdichters vorgesehen, beispielsweise eine Dampfturbine.
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Für die Betriebsbelastungen des Kessels, deren Verdampfung über derjenigen
liegt, bei der der Antrieb des Luftverdichters ohne äußere Zusatzenergie möglich
ist, entwickelt die Gasturbine eine überschußleistung, so daß es, um ein Durchgehen
des Maschinensatzes zu verhüten, notwendig wird, einen Teil der der Gasturbine zuströmenden
Energie durch Ableiten eines Teiles der Gasmenge in,den Auspuff zu beseitigen.
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Für jeden Verdampfungsgrad des Kessels, der durch einen bestimmten
Brennstoffverbrauch bestimmt ist, muß der Luftverdichter eine entsprechende Luftmenge
zur Erzielung einer guten Verbrennung liefern.
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Der Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, selbsttätig der Kesselbelastung
entsprechend, die Leistungen der den Verdichter treibenden Kraftmaschinen zu regeln.,
Der Gegenstand der Erfindung ist gekennzeichnet durch Steuerteile, die die vom Luftverdichter
gelieferte Luftmenge in Abhängigkeit von der Brennstoffmenge dadurch regeln, daß
sie zunächst, bei schwachen Belastungen, den Regelkörper in der Dampfzuführungs-
Leitung
zur Hilfsdampfturbine und dann, bei stärkeren Belastungen, den Regelkörper in der
Gasregelungsleitung der Gasturbine steuern; die beiden Regelkörper werden nacheinander
durch die vereinte Wirkung eines auf die Brennstoffabgabe und eines auf die Luftmenge
bzw. auf die Drehzahl des Luftverdichtersatzes ansprechenden Steuerteiles gesteuert.
Zur Steuerung der Regelkörper dienen zwei an sich bekannte Hilfsmotoren, deren Steuer-Hebel
an ein gemeinsames Steuergelenk argeschlossen sind, das von den Steuerteilen gesteuert
wird. Es wird also die der Hilfsdampfturbine zuströmende Energiemenge und die unmittelbar
in den Auspuff der Gasturbine geleitete Gasmenge selbsttätig geregelt, so:daß für
jede von der Feuerung verbrauchte Brennstoffmenge möglichst wirtschaftlich die zurVerbrennung
erforderlicheLuftmenge zur Verfügung gehalten wird.
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Die Zeichnung stellt zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgedankens
.grundzügig dar.
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A'bb. i zeigt Kurven des Verlaufs der Leistungsänderung des Verdichters,
der den Verdichter treibenden Gasturbine kind Dampfturbine.
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Abb.2 stellt die Regeleinrichtung dar, die in Abhängigkeit der abegebenen
Luft- und Brennstoffmenge wirkt.' Abb. 3 und 4. zeigen zwei Regelstellungen der
Regeleinrichtung.
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Abb. 5 stellt eine Regeleinrichtung dar, die in Abhängigkeit vom Brennstoffverbrauch
und mittels eines Fliehkraftreglers steuert.
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Der den Verdichter 2 treibenden Gasturbine i werden durch eine Leitung
3 die von der Feuerung des Kessels 4 kommenden Verbrennungsgase durch einen oder
mehrere Masutbrenner 5 zugeleitet. Die Verbrennungsgase beheizen zunächst ein Rohrbündel
6,
durchströmen die Gasturbine i und werden hierauf dem Rohrbündel ; zugeleitet.
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Die- Hilfsturbine 8 liefert die Zusatzleistung, die bei schwachen
Verdampfungsgraden zum :Antrieb des Turbogebläsesatzes erforderlich ist. Der Dampf
strömt der Turbine 8 durch das Dampfventil 39 zu.
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Es besteht eine unmittelbare Verbindung 9 zwischen der Gaszuströmleitung
3 zur Gasturbine und deren Auspuffleitung. Der Anteil der Gasmenge, welcher durch
.die Leitung 9 strömt, wird durch das Gasventil 37 geregelt.
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Das Schaubild, dargestellt in Abb. i, läßt die Forderungen erkennen,
die an die erfindungsgemäßeEinrichtunggestelltwerden. DieAbszissen C des Schaubildes
bedeuten die in der Feuerung verbrauchten Brennstoffmengen, die dem Verdampfungsgrade
des Kessels imwesentlichen angenähert verhältnisgleich sind, und die Ordinaten bedeuten
die Leistungen; die Kurve i' stellt den Leistungsverlauf der Gasturbine, die Kurve
2' den des Verdichters mit steigender Brennstoffzuführung dar. Der Ordinatenunterschied
dieser beiden Kurven. Leistungskurve S', gibt die Zusatzleistung an, «-elche durch
die Dampfturbine jeweils zu liefern ist. Es ist ersichtlich, daß die Zusatzleistung
zunächst mit der Dampfabgabe des Kessels ansteigen, dann jedoch, nach Cberschreiten
des Punktes A, abnehmen und bei einer bestimmten, durch den Punkt B angedeuteten
Kesselbelastung auf Null herabsinken soll. Jenseits dieses Betriebszustandes wird
die Leistung der Gasturbine zu reichlich; daher muß das Dampfventil 39 für
diese Kesselbelastungen die Dampfzufuhr zur Zusatzturbine 8 sperren und das Gasventil
37 geöffnet werden, damit ein Teil der zur Dampfschlagung dienenden Gasmenge in
den Auspuff geleitet «-erde.
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Die Steuerung des Dampfventils 39 und des 4n der die Gasturbine umgehenden
Leitung 9 angeordneten Gasventils 37 erfolgt selbsttätig durch die erfindungsgemäße
Vorrichtung, die, damit eine gute Verbrennung bei allen Kesselbelastungen erzielt
werde, die Verhältnisgleichheit zwischen :der Druckluftlieferung und der Brennstoffzufuhr
beizubehalten ermöglicht.
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Durch das Düsenrohr io und durch die Rohrleitung 38 strömt die vom
Verdichter gelieferte Druckluft. Der Brennstoff wird durch das Düsenrohr i i geleitet.
Auf die Kolben- 12 und 13 wirkt jeweils der von entsprechenden Düsenrohren abgenommene
Druckunterschied. Diese Kolben beeinflussen einen Hebel 14, 15, der um das Gelenk
14 schwenken kann und dessen Gleichgewichtslage einer bestimmten Verhältnisgleichheit
zwischen den Druckunterschieden und damit auch zwischen der Luft- und der Brennstofflieferung
entspricht.
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Die Verhältnisgröße kann durch Verschieben des Gelenkes 14 geändert
und damit auch das Verhältnis der Hebelarme 14. 16 und i4, 17 geändert werden. Man
kann auf diese Weise den Luftüberschuß entsprechend der Dichte und Zähigkeit des
Brennstoffes einstellen.
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Brennstoff- und Luftlieferungen bewirken Verlagerungen des Hebels
14, 15 und damit Verstellungen des Steuergelenkes i8 in senkrechter Richtung, wodurch
die Steuerhebel 20 und 19 die Hilf smotorenschieber 42, 43 und mit ihnen
die Ventilsteuerkolben .40, 41 steuern; diese Steuerbewegungen bezwecken die Einstellung
der Ventile 37 und 39 im Sinne von Schließ- und Offenstellungen.
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Die mit ausgezogenen Linien bedeutete Stellung der Steuerhebel 2o
und i9 in Abb. 3 und 4 entspricht der des Betriebsbeginnes; die Ventile 37 und 39
sind hierbei geschlossen.
Von der Stellung 18 an bis zu der Stellung
18" (Abb.4) bleibt das Gasventil 37 geschlossen, während das Dampfventil
39 bis zur vollen Eröffnung in der Hebelstellung i8" öffnet. In den Abb.
3,4 sind die entsprechenden Stellungen der Ventile 37 und 39 und die der zugehörenden
Hilfsmotoren gestrichelt gezeichnet, Im einzelnen spielt sich der Regelvorgang in
den drei verschiedenen Kesselbelastungszuständen zwischen O und A, zwischen A und
B und jenseits des Betriebspunktes B
(Abb. i), beispielsweise bei steigenden
Verdampfungsgraden, folgendermaßen ab (Abb. 2) i. Regelungsverlauf zwischen O und
A. In diesem Betriebsbereich ist nur das Dampfventil 39 in der Dampfzuführungsleitung
zur Hilfsdampfturbine 8 einstellbar, während das Gasventil 37 in der Gaszweigleiteng
9 geschlossen bleibt. Eine steigende -Verdampfung ist stets einem entsprechend steigenden
Brennstoffverbrauch gleichzusetzen. Eine gesteigerte Brennstoffzufuhr wirkt sich
mittels des Düsenrohres i i auf den Kolben 13 derart aus, daß das Gelenk
18 der Steuerung (etwa nach 18", Abb. 4) nach unten bewegt wird. Die Schieber
der beiden Hilfsmotoren 42 und 43 werden nach oben gezogen, wodurch Drucköl auf
der Oberseite der Ventilsteuerkolben 4o und 41 zur Wirkung kommt. Da jedoch das
Gasventil 37 auf seinem Sitz ruht, so ändert sich die Stellung des zugehörenden
Ventilsteuerkolbens 4o nicht. Lediglich der Kolben 41 wird nach unten bewegt, der
das Dampfventil 39 weiter öffnet. Die dadurch herbeigeführte Steigerung der Antriebsenergie
erhöht die Drehzahl des Verdichtersatzes. Der Luftverdichter liefert mehr Verbrennungsluft.
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Hiermit wächst der Druckunterschied im Venturirohr io, also auch der
Druck auf die Unterseite des Kolbens. 12. Diese Drucksteigerung ruft einen Widerstand
gegen die Abwärtsbewegung des Kolbens 13 hervor. Die Bewegung des Hebels 14 bis
15 bzw. des Steuergelenkes 18 kommt schließlich zum Stillstand, wenn sich die Momente
der Drücke auf die Kolben 12 und 13 in bezug auf den Hebeldrehpunkt 14 das Gleichgewicht
halten. Den gewählten Ausführungsbedingungen entsprechend tritt dies dann ein, wenn
sich die Verbrennungsluftmenge im selben Verhältnis zur vergrößerten Brennstoffmenge
gesteigert hat. Die Verhältnisgleichheit zwischen beiden ist also auch bei der erhöhten
Kesselbelastung erhalten geblieben.
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2. Regelungsvorgang zwischen A und B. ,_ Auch in diesem Betriebsbereich
bleibt das Gasventil 3.7 noch geschlossen. Um bei steigender Kesselbelastung nun
auch noch eine der Brennstofferhöhung entsprechende Steigerung der Verbrennungsluft
zu erzielen, also die Verhältnisgleichheit zwischen beiden aufrechtzuerhalten, müßte
entsprechend dem Absinkender Kurve 8' bzw. der Annäherung der Kurven z' und 2' (Abb.
1) das Dampfventil 39 mehr und mehr schließen; denn infolge der Temperatursteigerung
und der erhöhten Menge der Feuerungsgase nähert sich nun die Leistungsabgabe der
Abgasturbine mehr und mehr dem Leistungsbedarf des von ihr getriebenen Verdichters.
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Entgegen dieser Forderung auf Schließen des Dampfventils 39 macht
sich aber zunächst auch in diesem Bereiche die vergrößerte Brennstoffzufuhr, durch
welche der Kolben 13 und das Steuergelenk 18 nach unten gedrückt wird, in einer
gesteigerten Öffnung des Dampfventils 39 geltend. Dem Verdichtersatz wird also zu
viel Energie zugeführt; .der Luftverdichter liefert daher mehr Verbrennungsluft,
als der Verhältnisgleichheit entspricht. Dies führt zu noch stärkerem Anwachsen
des Druckunterschiedes im Venturirohr io. Der Kolben 12 gleicht dadurch nicht nur
wie im erstbeschriebenen Fall den Abwärtsdruck des Kolbens 13 aus, sondern bewegt
den Hebel 14 bis 15, also das Steuergelenk 18 nach oben. Dadurch schließt das Dampfventil
39 um so viel, wie in diesem Be-, triebsbereich erforderlich und das Absinken der
Kurve 8' es verlangt. Der vorerst aufgetretene überschuß an Verbrennungsluft verschwindet,
so daß sich auch in diesem Bereich die Brennstoffmenge und die Verbrennungsluftmenge
verhältnisgleich erhöht haben.
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So bewirkt das Gegenspiel der beiden: Kolben 12 und 13 stets eine
verhältnisgleiche Änderung der Brennstoff- und der Verbrennungsluftmenge. Steigt
die Luftlieferung stärker, was der Fall ist, wenn die Antriebsenergie des Verdichtersatzes
stärker, als @es der verhältnisgleichen Luftlieferung bzw. der Kurve 2' (Abb. 1)
entspricht, wächst, so steigt damit auch der im Düsenrohr io erzeugte Druck stärker,
um die Druckwirkung seitens des Venturirohres ii zu begrenzen,- als es erforderlich.
Der übersteigerte Druck im Düsenrohr io wird. dann in dem Sinne wirksam tätig, daß
er durch Schließen des Dampfventils 39 die zu starke Antriebsenergie des Verdichtersatzes
verringert.
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3. Regelungsverlauf jenseits B.
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Dieser Regelungsverlauf ähnelt etwa dem beschriebenen Vorgang zwischen
A und B,
nur ist in diesem Fall das Dampfventil 39 dauernd geschlossen,
wobei die Stellung des Gasventils 37 geregelt wird. Mit steigender . Verdampfung,
das ist steigende Brennstoffzufuhr, soll sich entsprechend dem Auseinanderlaufen
der Kurven i' und :z' (Abb. i) das
Gasventil 37 mehr und mehr öffnen,
da die Überschußenergie der Feuerungsgase mehr und mehr steigt.
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Zunächst tritt jedoch das entgegengesetzte ein; denn steigt die Brennstoffzufuhr,
so bewegt der stärkere Druck im Düsenrohr i i den Kolben 13, das Steuergelenk 18
und damit auch den Ventilsteuerkolben d.o nach unten, wodurch der Verschlußkörper
des Gasventils 37 sich seinem Sitze zu bewegt, statt, wie gefordert, in der Richtung
einer Offen.stellung sich zu bewegen. Die 'Menge der unmittelbar abgeleiteten Cberschußgase
wird also verringert und dadurch die Drehzahl des Luftverdichtersatzes erhöht. Die
wachsende Verbrennungsluftmenge erhöht den Druck auf die Unterseite des Kolbens
12, so daß er sich der Abwärtsbewegung des Kolbens 13 widersetzt. Infolge ihrer
erhöhten Temperaturen sind nun die der Gasturbine zuströmenden Feuergase leistungsfähiger
als bisher; der Verdichtersatz läuft zu rasch und liefert Verbrennungsluft im Überschuß.
Der sich hierdurch im Düsenrohr io noch verstärkende, auf den Kolben 12 wirkende
Druck bringt nicht nur die Abwärtsbewegung des Kolbens 13 vollkommen zum Stillstand,
sondern zieht die Steuerteile, also auch das Steuergelenk 18, nach oben. Hierdurch
wird die gewünschte Offenstellung des Gasventils 37 erreicht. Diese Bewegung kommt
zum Stillstand, wenn die Drücke auf die Kolben 12 und 13 einander das Gleichgewicht
halten.
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Auch die Regelungsvorgänge beim. L%bergang von dem einen Betriebsbereich
in den benachbarten lassen sich nach vorstehendem ohne erhebliche Schwierigkeiten
verfolgen. In der Höhe des Punktes Ä (Abb. i) muß gemäß Kurve 8' die von der Dampfturbine
zu liefernde Zusatzenergie jeweils annähernd gleich ,groß sein. Steigt in einem
kurz vor A liegenden Betriebspunkte der '#Terdampfungsgrad und damit die Brennstoffzufuhr,
so öffnet sich zunächst, wie unter i beschrieben, das Dampfventil 39, die Drehzahl
des Verdichtersatzes steigt an, und zwar stärker, als es der Verhältnisgleichheit
zwischen Brennstoff- und Luftlieferung entspricht. Durch die zu starke Luftzufuhr,
die sich als verstärkter Druck auf die Unterseite des Kolbens 12 geltend macht,
wird der Verschlußkörper des Dampfventils 39 seinem Sitz genähert, und zwar so weit,
daß er etwa wieder in seiner Ausgangsstellung steht, denn dann halten die einander
entgegenwirkenden Kräfte der Kolben ii und 13 am Hebel 14 bis 15 Gleichgeweicht,
wobei zugleich eine erhöhte Luftlieferung der Kurve a' entsprechend verhältnisgleich
zu der Steigerung der Brennstoffmenge eintrat.
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Schließlich sei angenommen, daß der Ausgangszustand eine wenig unter
dem Punkt B liegende Belastung sei, in welchem das Dampfventil 39 noch etwas
offen, das Gasventil 37 jedoch noch geschlossen ist. Wird nun die Brennstoffzufuhr
etwas gesteigert, so öffnet auch fetzt zunächst wieder der Druck auf die Oberseite-des
Kolbens 13 (las Dampfventil 39. Da dieses aber gemäß Abb. i bei richtiger Einregelung
der den Verdichtersatz treibenden Energiequellen im Punkt B' geschlossen sein soll,
so ist die Antriebsenergie des V erdichtersatzes zu groß: er läuft zu rasch und
liefert zu viel Luft. Dies macht sich über die Teile io und i i in der beschriebenen
Weise in einer Schließbewegung des Verschlußkörpers des Dampfventils 39 geltend,
so weit, daß bei einem Betrieb genau im Punkte B' beide Ventile geschlossen bleiben.
Entspricht dagegen die Kesselbelastung einem jenseits von B' liegenden Punkte. so
läuft der Verdichtersatz selbst nach vollem Schluß des Dampfventils 39 bei geschlossenem
Gasventil 37 noch zu rasch, da, wie die auseinanderstrebenden Kurien jenseits des
Punktes B' zeigen, die Energie der in der Gasturbine ausgenutzten Feuergase größer
ist als die vom Verdichter verbrauchte Energie. Der Verdichter liefert zu viel Luft,
wodurch, wie vorher beschrieben, durch Einwirkung der Steuerungsteile io und 12
der Ventilsteuerkolben 40 und damit das Gasventil 37 etwas angehoben wird.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung, die entsprechende Abänderungen
selbstcerständlich zuläßt, ist die Aufgabe, das Schließen der Ventile, wie dies
die Leistungsverlaufkurven in Abb. i erfordern, selbsttätig erfolgen zu lassen,
gelöst. Die Änderung der Dampfturbinenleistung ist der durch die Kurve 8' in Ab-b.
i dargestellten Leistungsänderung angepaßt.
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Die Regelungsart nach Abb. 5 sieht die Beeinflussung unmittelbar durch
die Verbrennungsluftmenge nicht vor; statt dessen Übernimmt ein Fliehkraftregler
einen Teil der Steuerung. Die Eröffnung des Dampfventils 39 bis zur Höchstleistung
der Turbine wird auch in diesem Falle durch den Druckunterschied .gesteuert, der
in einem Düsenrohr durch den der Feuerung zugeführten Brennstoff entsteht. Das allmähliche
Schließen des Dampfventils mit weiter steigendem Verdampfungsgrad und das Öffnen
der Gasumgehungsleitung 9 nach vollem Dampfabschluß übernimmt der Fliehkraftregler.
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Bei der Ausführung nach Fig. 5 wird der durch die Brennstoffzufuhr
im Düsenrohr i i entstehende Druckunterschied auf einen Kolben 2i übertragen, der
andererseits unter der Wirkung einer regelbaren. Gegenfeder 22 steht. Diese Feder
ist so eingestellt, daß der Kolben 21 bei derjenigen bestimmten Brennstoffmengenzuführung,
die
die Hörhstleistung der Dampfturbine nötig macht (bezeichnet durch den Punkt A im
Schaubild Abb. i), die durch einen Anschlag festgelegte Stellung z1' einnimmt.
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Die Reglermuffe 25 des Fliehkraftreglers 23 verläßtden Anschlag 26
der vorgesehenen Feder 24 erst, wenn die Drehzahl des Verdichtersatzes einen gewissen
Wert überschreitet; die Feder 24 ist so eingestellt, daß diese Drehzahl genau dem
Belastungsgrade entspricht, der die höchste Zusatzleistung der Dampfturbine nötig
macht (Punkt A im Schaubild Abb. i).
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Bei Kesselbelastungen, die zwischen Null und dem Punkte A im Schaubild
(Abb. i) liegen, tritt der Fliehkraftregler nicht in Wirkung; das Gelenk a7 des
einen Hebelarms verharrt in seiner Lage. Das Gelenk 28 der mit .der Reglermuffe
25 verbundenen Stange 5o ist ein Festpunkt. Das Ende der Stange des Kolbens 21 verschiebt
sich dagegen von der Stellung 29 in die Stellung 29' und das Gelenk 3o des Hebels
27, 29 aus der Stellung 30 in die Stellung 30'*. Von diesem Zeitpunkt an
legt sich, und zwar für alle höheren Kesselbelastungen, der Kolben 2 1 in der Stellung
2i' gegen seinen Anschlag, so daß nun der Punkt 29' ein fester Drehpunkt wird.
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In diesem Augenblick tritt der Fliehkraftregler in Tätigkeit. Eine
Steigerung der Brennstoffzufuhr bewirkt eine Erhöhung der Gastemperatur und dadurch
ein Ansteigen der Drehzahl des Verdichtersatzes, so daß sich nun ,das Gelenk 27
in die Stellung 27' und schließlich in die Stellung 27" verschiebt, während das
Gelenk 30 von der Stellung 30' in die Stellung 3o zurückkehrt und schließlich
in .die Stellung 3o" wandert. Die Verlagerung des Gelenkes 30 wird vom Gelenk 18
aus auf die Ventile 37 und 39 durch eine Vorrichtung übertragen, die der des Ausführungsbeispiels
nach Abb. -- entspricht.