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Anlaßvorrichtung mit Gasturbine Die Erfindung bezieht sich auf eine
Anlaßvorrichtung mit Gasturbine zum Betrieb mit monergolen Brennstoffen, insbesondere
für Strahltriebwerke.
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Es ist bereits eine Anlaßvorrichtung der erwähnten Art bekannt, bei
welcher eine eine elektrisch betätigbare Zündeinrichtung enthaltende Brennkammer
für die Gasturbine vorgesehen ist, ferner eine Brennstoffpumpe samt Antriebs-Elektromotor
und Anlaßstromkreis sowie ein während der Beschleunigung des Elektromotors geschlossenes
elektrisch betätigbares Ventil in der Brennstoffpumpen-Druckleitung, außerdem ein
erster Stromkreis zum Ausschalten des Elektromotors nach Erreichen seiner Betriebsdrehzahl
und ein auf den Druck in der Brennstoffpumpen-Druckleitung ansprechender zweiter
Stromkreis zum Einschalten der Zündeinrichtung.
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Bei den bisher bekannten Anlaßvorrichtungen der erwähnten Art sind
elektrisch betriebene Brennstoffpumpen vorgesehen, welche während des ganzen Anlaßvorganges
angetrieben werden müssen. Erfindungsgemäß wird die Brennstoffpumpe anfänglich durch
einen Elektromotor angetrieben, bis die Anlasserverbrennung in Gang gesetzt worden
ist, was schon ziemlich zu Beginn des Anlaßvorganges erfolgt, worauf der Elektromotor
abgeschaltet und ein Teil der Brenngase des Anlassers zum Antrieb der Brennstoffpumpe
verwendet wird. Die Aniaßvorrichtung arbeitet daher für einen wesentlichen Teil
des Anlaßvorganges selbständig, wodurch die Notwendigkeit einer hohen Energieentnahme
aus der elektrischen Anlage eines Flugzeuges vermieden wird.
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Erfindungsgemäß ist demnach die Anordnung so getroffen, daß mit dem
Elektromotor ein mit einem Rückschlagventil versehenes Spülluftgebläse für die Brennkammer
und ein Schwungrad fest verbunden und eine aus der Brennkammer gespeiste Gasturbine
sowie die Brennstoffpumpe durch eine überholkupplung verbunden ist, daß der erste
Stromkreis beim Ausschalten des Elektromotors das Ventil in der Brennstoffpumpen-Druckleitung
öffnet und daß der zweite Stromkreis einen Zeitschalter enthält, der nach seinem
Ablauf die Zündeinrichtung ausschaltet.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anlaßvorrichtung besteht
darin, daß sie sich selbst überwacht. Dies bedeutet, daß der Pilot lediglich den
Elektromotor für den Beginn des Anlaßvorganges einzuschalten braucht. Wenn das eigentliche
Triebwerk nicht in Gang kommt, kommt der Anlaßvorgang zum Stillstand. Wenn der Verbrennungsdruck
in der Anlaßvorrichtung eine Sicherheitsgrenze überschreitet, kommt der Anlaßvorgang
ebenfalls zum Stillstand. Die erfindungsgemäße Anlaßvorrichtung hat daher einen
Sicherheitsgrad, der bisher nicht erzielbar war.
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Nachfolgend ist die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen näher
beschrieben, und zwar zeigt Fig.1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen
Anlaßvorrichtung, Fig.2 ein Schaltschema der elektrischen Anlage zur Steuerung des
Anlaßvorgangs, Fig. 3 ein Schaltschema für eine geänderte Anlage zur Steuerung des
Anlaßvorgangs.
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Die Anlaßvorrichtung 10, die man zum Anlassen eines Strahltriebwerkes
od. dgl. verwenden kann, enthält in einem Gehäuse 12 eine Turbinenkammer
16
und eine Getriebekammer 18. Auch eine Brennkammer 14 kann man -
wie in Fig.1 dargestellt - innerhalb des Gehäuses 12 anordnen, jedoch verwendet
man für die Brennkammer vorzugsweise ein besonderes abnehmbares Gehäuse. In dem
Gehäuse 12 sitzt ferner eine Zündvorrichtung 20 zur Entzündung eines Brennstoffes
inerhalb der Brennkammer 14, wobei dieser Brennstoff von einer Brennstoffleitung
24 durch eine Öffnung 22 zufließt. Die Brenngase geben das Treibmittel für
eine innerhalb der Kammer 16 angeordnete Turbine 26 ab; die Abgase verlassen
die Turbinenkammer 16 durch einen Auslaß 28. Die Turbine 26 treibt eine Anlasserabtriebswelle
30, welche mit dem anzulassenden Triebwerk verbunden werden
kann,
wobei die Turbine mit der Welle 30 über ein hier nicht dargestelltes, in der Getriebekammer
18 untergebrachtes Untersetzungsgetriebe verbunden ist.
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Es wurde als wünschenswert befunden, in der Brennkammer einen monergolen
Brennstoff zu verwenden; darunter versteht man einen Brennstoff, der sich zersetzt
und dabei verbrennt, um die. Brenngase zu erzeugen. Man kann den Brennstoff zur
Zündung bringen, worauf man ihn sich selbst überläßt, damit er sich zersetzt und
verbrennt. Demzufolge wird die Zündvorrichtung 20 nur zu Beginn des Anlaßbetriebes
mit elektrischem Strom versorgt. Natürlich kann auch eine anders als elektrisch
erzeugte Wärme sowie Druckausübung und Initialzündung ebenfalls die Zersetzung einleiten.
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Bevor der monergole Brennstoff, wie z. B. Propylnitrat, in die Brennkammer
14 eingeführt und darin entzündet wird, muß man diese mit Luft spülen. Diese Luft
gelangt in die Brennkammer 14 durch einen Einlaß, der mit einer von einem Gebläse
34 kommenden Rohrleitung 32 in Verbindung steht. In der Rohrleitung 32 ist ein Rückschlagventil
36 angeordnet, welches die Luft unter Druck in die Brennkammer 14 eintreten läßt,
aber verhindert, daß Luft oder Brenngase aus der Brennkammer in die Rohrleitung
32 entweichen.
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Das Gebläse 34 wird über eine Antriebswelle 40 durch einen Elektromotor
38 angetrieben, die sich bis zu einem Schwungrad 42 und einer Kupplung 44 erstreckt;
letztere ist mit einer Welle 46 verbunden, auf der eine Gasturbine 48 und eine Brennstoffpumpe
50 sitzt. Der Motor 38 hat ganz geringe Leistung, z. B. den Bruchteil einer Pferdekraft.
Während der Beschleunigung von Gebläse, Turbine und Pumpe auf die gewünschte Betriebsdrehzahl,
was beispielsweise etwa 3 bis 5 Sekunden in Anspruch nimmt, drückt das Gebläse 34
Luft in die Anlasserbrennkammer 14, um aus ihr die unerwünschten Restgase herauszuspülen.
Die mitangetriebene Pumpe 50 saugt den Propylnitrat-Brennstoff aus einem Tank durch
eine Rohrleitung 52 an und drückt ihn in eine Rohrleitung 54. In dieser ist ein
von einer Magnetspule betätigtes Ventil 56 angeordnet, das während der Beschleunigungsperiode
geschlossen bleibt. Sobald das Ventil 56 geöffnet wird, strömt Brennstoff aus der
Pumpendruckleitung 54 in die Brennkammer-Einlaßleitung 24. Ist jedoch das
Ventil 56 geschlossen, wie es in der Fig. 1 dargestellt ist, dann wird der
Brennstoff in der Pumpendruckleitung 54 gezwungen, durch eine Rücklaufleitung 58
wieder in die Pumpeneinlaßleitung 52 zu fließen. In der Rücklaufleitung 58 ist ein
Ventil 60 angeordnet, welches normalerweise durch Federdruck geschlossen gehalten
wird, dabei unterstützt durch Flüssigkeitsdruck aus der Brennkammereinlaßleitung
24 über eine Rohrleitung 62. Während der Beschleunigungsperiode wird die Turbopumpe
50 vom Motor 38 angetrieben, und der Kraftstoff befindet sich in dauerndem Umlauf,
wird also nicht in die Brennkammer eingeführt. Während der Beschleunigungsperiode
gelangt nur Luft in die Brennkammer 14; dabei wird ein bestimmter Druck,
der durch ein Sicherheitsventil 64, das mit der Luftleitung 32 in Verbindung steht,
eingestellt wird, nicht überschritten.
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Bei Beendigung der Beschleunigungsperiode wird der Motor 38 abgeschaltet,
wie noch beschrieben wird, aber die in dem Schwungrad 42 und den anderen rotierenden
Bauteilen gespeicherte Energie unterhält die weitere Drehung der Wellen 40 und 46,
so daß auch die Turbopumpe 50 weiterhin in Betrieb bleibt. Ferner wird bei Beendigung
der Beschleunigungsperiode das Ventil 56 durch eine Magnetspule automatisch
geöffnet, so daß der Brennstoff durch die Einlaßleitung 24 hindurch in die Brennkammer
14 eingeführt wird. Infolge des Druckes in der Leitung 24 wird die Zündvorrichtung
20 erregt - wie noch beschrieben werden wird -, wodurch der Brennstoff innerhalb
der Brennkammer zur Entzündung kommt und Brenngase entstehen, welche dann die Anlaßturbine
26 beaufschlagen. Ein verhältnismäßig geringer Anteil der Brenngase wird aus der
Brennkammer 14 durch eine Rohrleitung 66 zur Turbine 48 geleitet. Die von dieser
Turbine angetriebene Pumpe 50 fördert also, nachdem das Schwungrad 42 die aufgespeicherte
Energie abgegeben hat, weiterhin Brennstoff zu der Brennkammer. Eine obere Grenze
des Druckes in der Brennkammer-Einlaßleitung 24 wird durch ein mit ihr in Verbindung
stehendes Sicherheitsventil 68, welches bei einem eingestellten Druck Brennstoff
durch eine Rücklaufleitung 70 in die Pumpen-Einlaßleitung 52 zurückleitet, eingehalten.
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Durch die Zunahme des Druckes in der Brennkammer wird das Rückschlagventil36
in der vom Gebläse kommenden Leitung geschlossen, bevor das Schwungrad 42 seine
gesamte aufgespeicherte Energie abgegeben hat und bevor das Gebläse 34 zu arbeiten
aufhört. Wenn das Rückschlagventi136 geschlossen ist, wird die gesamte von dem Gebläse
34 geförderte Luft durch das Sicherheitsventil 64 ausgestoßen. Eine Schaltvorrichtung
72 spricht auf den Druck in der Brennstoffleitung 24 an. Bei einem verhältnismäßig
niedrigen Druck, wie er auftritt, nachdem das Ventil 56 geöffnet wurde und Brennstoff
in die Brennkammer 14 eingeführt wird, erregt ein Niederdruckteil in der Schaltvorrichtung
72 die Zündvorrichtung 20. Nachdem die Verbrennung in Gang gesetzt ist und in der
Brennkammer-Einlaßleitung 24 ein verhältnismäßig hoher Druck entstanden ist, hält
ein Hochdruckteil der Schaltvorrichtung 72 die Magnetspule des Ventils 76 unter
Spannung, wodurch die Brennstofförderung zur Brennkammer 14 anhält.
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Die in Fig.2 dargestellte elektrische Anlage zur Steuerung des oben
beschriebenen Anlaßvorgangs enthält zwei Leitungen L 1 und L 2, die an die Energiequelle
eines Flugzeuges od. dgl. angeschlossen sind. Die Anlage kommt unter Spannung, und
die Anlaßvorrichtung beginnt einen Arbeitszyklus, sobald ein Anlaßknopf 74 geschlossen
wird. Wenn der letztere von Hand gedrückt wird, wird ein Stromkreis zwischen den
Leitungen L1 und L2, geschlossen, wodurch ein Zeitschaltermotor 76 eingeschaltet
wird. Dieser treibt zwei Steuernocken 78 und 80, welche mit Schaltern im Steuerstromkreis
verbunden sind. Durch das Schließen des Anlaßschalters 74 wird auch ein Relais 82
erregt, welches über einen normalerweise geschlossenen Schalter 84 angeschlossen
ist, der zu dem Niederdruckteil der druckempfindlichen Schaltvorrichtung 72 gehört.
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Bei der Erregung des Relais 82 wird ein normalerweise offener Schalter
86 geschlossen, wodurch ein Stromkreis gebildet wird, in welchem sich eine Relaiswicklung
88 befindet. In dem letztgenannten Stromkreis befindet sich ferner ein Schalter
90, der durch den Steuernocken 78 betätigt wird. Der Motor 76 und der Nocken 78
sind so angeordnet, daß der Schalter 90 nach Ablauf eines gewählten Zeitraums (z.
B. '/z Sekunde) nach dem Schließen des Anlaßschalters
74 geschlossen
wird. Durch das Schließen des Schalters 90 wird der Stromkreis zur Relaiswicklung
88
geschlossen, wodurch die normalerweise geöffneten Schalter 92 und 94 geschlossen
werden. Wenn der Schalter 94 geschlossen wird, wird ein Stromkreis zu einer Relaisspule
96 über normalerweise geschlossene Schalter 98 und 100 und über einen
normalerweise geschlossenen Schalter 106 hergestellt, welch letzterer durch den
Nocken 80 betätigt werden kann. Durch das Schließen des Schalters 94 wird ferner
ein Stromkreis über die geschlossenen Schalter 98 und 100 zu einer Haltespule 97
hergestellt, welche den Anlaßschalter 74 in der geschlossenen Stellung hält. Die
Relaiswicklung 96 schließt beim Anziehen einen Schalter 104 in einem Stromkreis,
in welchem sich der Gebläsemotor 38 befindet. Daher wird nach Ablauf der gewählten
Zeitspanne (bei dem gegebenen Beispiel 1/E Sekunde) nach dem Schließen des Anlaßschalters
74 von Hand der Gebläsemotor 38 eingeschaltet.
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Wie erwähnt, treibt der Motor 38 das Gebläse 34 zum Spülen der Brennkammer
14 während einer Beschleunigungsperiode bekannter Dauer an. Kurz vor dem
Ende der Beschleunigungsperiode öffnet der vom Zeitschaltermotor 76 angetriebene
Nocken 80 den im Stromkreis der Gebläsemotorwicklung 96 befindlichen Schalter
106 und schaltet diesen in Reihe mit der Magnetspule 108 im Ventil
56. Daher wird der Gebläsemotor 38 abgeschaltet, wenn das Brennstoffventil
56 geöffnet wird. In dem Stromkreis der Magnetspule 108 befinden sich ferner die
geschlossenen Schalter 94, 98 und 100. Sobald die Spule 108 erregt wird, wird das
Ventil 56 geöffnet, so daß Brennstoff von der Pumpe 50 in die Brennkammer 14 eintritt.
Wenn der Druck des Brennstoffes in der Brennkammer 14 und in der Brennstoffleitung
24 eine eingestellte Höhe erreicht, wird die Niederdruckseite der druckempfindlichen
Schaltvorrichtung 72 betätigt, wodurch der Schalter 84 geöffnet wird, so
daß die Relaiswicklung 82 stromlos wird und über einen Kontakt 110 ein Stromkreis
geschlossen wird, in dem sich der geschlossene Schalter 92 sowie die Zündvorrichtung
bzw. Zündkerze 20 befinden.
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Der Schalter 86 ist mit einem elektrischen Schaltverzug ausgerüstet,
so daß nach dem Entregen der Relaiswicklung 82 eine Verzögerungsperiode bekannter
Dauer eintritt, beispielsweise von etwa 2/1o Sekunden, bevor sich der Schalter 86
öffnet, um die Relaiswicklung 88 stromlos zu machen. Ist die letztere stromlos,
öffnet sich der Schalter 92, wodurch die Zündvorrichtung bzw. Zündkerze
20 abgeschaltet und der Schalter 94 geöffnet wird.
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Während des erwähnten Schaltverzuges findet eine Verbrennung statt
und hat der Druck innerhalb der Brennkammer 14 und in der Brennstoffleitung 24 einen
verhältnismäßig hohen Wert erreicht. Bei diesem verhältnismäßig hohen Druck wird
die Hochdruckseite der druckempfindlichen Schaltvorrichtung 72 betätigt, so daß
ein normalerweise geöffneter Schalter 112 geschlossen wird, wodurch ein zweiter
Stromkreis zu der Ventilspule 1.08 geschlossen wird, um die letztere erregt
und das Ventil für die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer 14 geöffnet zu halten. Wenn
der Hochdruckteil der Schaltvorrichtung 72 ausfällt (wenn keine Verbrennung ,stattfindet),
hat das Öffnen desSchalters 94 nach Ablauf des Schaltverzuges zur Folge, daß das
Brennstoffventil 56 schließt und die Anlaßschalter-Haltespule 97 stromlos
wird, wodurch wiederum sämtliche Steuerstromkreise unterbrochen oder stromlos werden.
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Zu diesem Zeitpunkt des Betriebes der Anlaßvorrichtung sind, wenn
die Verbrennung begonnen hat und der Hochdruckschalter wie beschrieben betätigt
worden ist, außer dem Stromkreis der Anlaßschalter-Haltewicklung nur die Stromkreise
über den Zeitschaltermotor 76 und die Ventilspule 108 geschlossen, während der Motor
38 für den Gebläse-und den Brennstoffpumpenantrieb abgeschaltet ist. Die Brennstoffpumpe
50 arbeitet jedoch infolge der Schwungradenergie weiter. Der Brennstoff verbrennt
daher weiterhin in der Brennkammer 14, um die Anlaßvorrichtung 10 zu betätigen
und dadurch das Triebwerk in Betrieb zu setzen. Ein Teil der Brenngase strömt durch
die Rohrleitung 66 zur Turbine 48, welche die Brennstoffpumpe 50 weiterhin antreibt,
nachdem die im Schwungrad gespeicherte Energie verbraucht ist.
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Die normalerweise geschlossenen Schalter 98 und 100 im Stromkreis
zur Ventilspule 108 werden in Abhängigkeit von der Drehzahl der Abtriebswelle
30
bzw. der Turbine 26 geöffnet, d. h., es wird, sobald die Abtriebswelle
30 eine bestimmte Drehzahl erreicht, bei welcher das Triebwerk sich selbst
in Betrieb hält, der Schalter 98 selbsttätig geöffnet, um die Ventilspule 108 abzuschalten,
wodurch das Ventil 56 geschlossen wird, um eine weitere Zufuhr von Brennstoff zur
Brennkammer zu verhindern. Die Anlaßschalter-Haltewicklung 97 wird ebenfalls
entregt, so daß sich der Anlaßschalter 74 öffnen kann, wodurch die gesamte
elektrische Steuerungsanlage abgeschaltet wird. Der von der Drehzahl der Turbine
26 abhängige Schalter 100 ist zu dem gleichen Zweck mit dem Schalter 98 in
Reihe geschaltet und bildet damit einen Sicherheitsschalter, welcher in Tätigkeit
tritt, falls der Schalter 98 versagen sollte. Es werden also die gesamte elektrische
Steuerungsanlage und die Anlaßvorrichtung entregt, wenn die Abtriebswelle der Anlaßvorrichtung
eine Drehzahl erreicht, bei welcher sich das Triebwerk selbst in Gang hält.
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Falls der Brennstoff bei erregter Zündvorrichtung bzw. Zündkerze 20
nicht zündet, erfolgt keine Zunahme des Brennstoff- und Brennkammerdruckes, welcher
ausreicht, um den Schalter 112 auf der Hochdruckseite der druckempfindlichen
Schaltvorrichtung 72 zu schließen. Immerhin reicht der Druck aus, um den auf Niederdruck
ansprechenden Schalter 84 zu öffnen, wodurch die Relaiswicklung 82 entregt und der
Schalter 86 geöffnet wird, so daß die Relaiswicklung 88 entregt wird, welche
dann die Schalter 92 und 94 öffnet. Wenn sich der Schalter 94 öffnet, während sich
der Schalter 112 noch in der Offenstellung befindet, dann wird die Ventilspule
108 entregt, so daß sich das Ventil 56 schließt, und auch die Haltewicklung
97 wird stromlos, worauf sich der Anlaßschalter 74 öffnet, um die gesamte
elektrische Steuerungsanlage abzuschalten. Demzufolge kann kein unerwünschter Brennstoffdurchfluß
oder eine sonstige Störung in der Steuerungsanlage der Anlaßvorrichtung eintreten,
falls keine Verbrennung erfolgt.
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Die Fig. 3 der Zeichnungen zeigt eine andere Ausführungsform der Steuerung
für den Betrieb der in der Fig. 1 dargestellten Anlaßvorrichtung mit Gasturbine.
Die Schaltung nach Fig. 3 ist ähnlich der nach Fig. 2, so daß die Schaltelemente,
welche die gleiche Funktion haben, die gleichen Bezugsziffern tragen. Der einzige
wesentliche Unterschied ist der,
daß verschiedene Mittel zur Abschaltung
des Gebläsemotors 38 vorgesehen sind.
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Bei der in Fig. 3 gezeigten Steuerung ist eine von der Drehzahl des
Gebläsemotors 38 abhängige Schalterbetätigungsvorrichtung A vorgesehen, um einen
normalerweise geschlossenen Schalter 120, der mit der Gebläsemotorwicklung
96 in einen Stromkreis geschaltet ist, zu öffnen. Bei einer eingestellten Drehzahl
des Motorbetriebes, am oder kurz vor dem Ende der Beschleunigungsperiode, öffnet
die Betätigungsvorrichtung den Schalter 120, um den Gebläsemotor abzuschalten, so
daß der weitere Gebläsehetrieb von der in dem Schwungrad gespeicherten Energie aufrechterhalten
wird. Hieraus ergibt sich, daß der Schalter 120 auch dazu dient, eine überdrehzahl
des Gebläsemotors zu verhindern.
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Bei letztbeschriebener Steuerung wird die Gebläsemotorwicklung 96
in der gleichen Weise erregt, ist jedoch mit der Anlaßschalter-Haltewicklung 97
parallelgeschaltet.
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Wie bereits erwähnt, kann die Gasturbine, die bei den beschriebenen
Anordnungen für die Anlaßvorrichtung eines Triebwerks verwendet wird, auch in Verbindung
mit einer großen Vielfalt anderer Bauelemente in Triebwerken verwendet werden. Für
manche andere Zwecke und Anwendungsformen der Gasturbine kann es zweckmäßig sein,
zum Zünden des Brennstoffes andere Mittel als Zündkerzen zu verwenden und verschiedene
andere Abänderungen vorzusehen. Wird beispielsweise die Gasturbine als ein Teil
eines Triebwerks für kurzlebige Vorrichtungen, wie z. B. ferngelenkte Flugkörper,
verwendet, ist es nicht notwendig, die Verbrennung zu beenden, bis der Brennstoffvorrat
verbraucht ist. Bei einer solchen Anwendungsform ist es lediglich erforderlich,
die Schalter 98 und 100 aus der Steuerungsanlage herauszunehmen.