DE2044912A1

DE2044912A1 - Fluidisches Regelsystem

Info

Publication number: DE2044912A1
Application number: DE19702044912
Authority: DE
Inventors: Guy Edward Fareham Hampshire Davies (Grossbritannien)
Original assignee: Plessey Co Ltd
Current assignee: Plessey Co Ltd
Priority date: 1969-09-10
Filing date: 1970-09-10
Publication date: 1971-03-11
Also published as: DE2044912B2; SE364128B; SU440002A3; GB1304010A; DE2044912C3; FR2061636A1; US3680578A; JPS5023116B1; FR2061636B1

Description

THE PLESSEY COMPANY LIMITED

Ilford, Essex, Grossbritannien 2/60 Vicarage Lane

Fluidisches Regelsystem

Die Erfindung bezieht sich auf ein fluidisches Regelsystem. Ihre Aufgabe besteht darin, für ein Regelsystem mit einer von einer Druckdifferenz gebildeten Eingangsgrösse eine dem absoluten Wert des zeitlichen Differentials dieser Druckdifferenz entsprechende Vorschalteingangsgrösse zu schaffen, deren Richtung unabhängig davon ist, ob das zeitliche Differential positiv oder negativ ist. Die Einführung einer solchen V_orachaltgrösse ist beispielsweise erwünscht, wenn die verstellbaren Leitflügel am Eingang eines Oasturbinenlcompressors mit fluidischen Mitteln geregelt werden« wobei es, während die erforderliche Einstellung der Leitflügel in erster Linie von dem am Kompressor erzeugten Druokverhältnia geregelt wird, erwünscht ist, die LeItflügel zur Vermeidung von Stossvorgängen und zur Verbesserung der Turbinenregelung in Richtung niedriger Drehzahlen bezüglich der auf diese Weise festgelegten Stellung sowohl während einer schnellen Beschleunigung als auch während einer schnellen Verzögerung der Turbine voreinzustellen.

Es let zwar Böglieh, eine dem zeitlichen Differential des Elogangsaignalewerts entsprechende Vorechaltgrösie daduroh zu erzeugen, dass das Eingangssignal des Syeteme über eine Droeseletelle angelegt wird, und daes ein Vorratsbehälter an die tod β·χ Drosselstelle pue Regeieyite« führende Leitung anfeeohlossen wird, dooh tonn oan ohne

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weiteres erkennen, dass das Vorzeichen dieser Vorschaltgrösse vom Vorzeichen des zeitlichen Differentiale des Eingangs signals abhängt.

Nach der Erfindung wird eine bei jeder Änderung des Drucks am Regeleingang wirksam werdende Vorschaltgrösse, die unabhängig vom Vorzeichen der Änderung stete, die gleiche Richtung aufweist, dadurch erzeugt, dass der Regeldruck vom eingeschnürten Abschnitt einer Venturidüse abgeleitet wird, die zwischen dem Signaldruckeingang und einem Vorratsbehälter eingefügt ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigen:

Fig.1 ein Schaltbild eines Regelsystems sowie Einrichtungen zum anführen einer zeitlichen Verzögerung bei der Anlegung eines Eingangssignals an einen fluidischen Verstärker,

Fig.2 ein ähnliches Schaltbild, das so abgeändert ist, dass anstelle der zeitlichen Verzögerung eine zeitliche Voreilung bei der Anlegung des Eingangssignals erzeugt wird,

Fig.3 ein Schaltbild einer an einen der Steuereingänge eines herkömmlichen proportional wirkenden fluidischen Verstärkers mit Wechselwirkung angelegten Ausführungsform der Erfindung,

Fig.4 ein abgeändertes Schaltbild und

Fig.5 in eohetnatisoher Form die Kombination des in Fig.4 dargestellten Systems mit dem Verbrentungaluftkompressor einer Gasturbine.

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Nach Fig.1 sind ein Speiseeingang P, zwei einander entgegengesetzte Steuereingänge C. und Cg und zwei Ausgänge O- und O₂ bei einem fluidisohen, proportional wirkenden Verstärker Ä derart angeordnet, dass der Wert der Strömungs- und/oder Druckdifferenz zwischen den Ausgängen O₁ und Og von der Differenz der an den Steuereingängen C₁ und Cg anliegenden Drücke bestimmt wird. Ein am Signaleingang I auftretendes Steuersignal gelangt über eine Drosselstelle B an den Steuereingang C₁. An die Verbindungsleitung zwischen der Drosselstelle B und dem Steuereingang C₁ ist als Ab-. zweigung eine Vorratskammer D angeschlossen. Man kann erkennen, dass der Druo-k am Steuereingang C₁ in diesem Fall stets hinter Schwankungen des Signaldrucks am Signaleingang I nacheilt, so dass der Steuerdruck am Steuereingang C₁ bei einem Ansteigen des Signaldrucks am Signaleingang I zeitweise niedriger und bei einem Absinken des Signaldruoks am Signaleingang I zeitweise höher als der Signaldruok am Signaleingang I ist. Der Druok am Ausgang Og wird somit entsprechend verändert, wenn der Druck am zweiten Steuereingang Cg konstant gehalten wird.

Die Umkehrung der Vorsohaltgrösse entsprechend dem Vorzeichen des Druckgradienten gilt auch bei der Schaltung nach Fig. 2 Felder der Ausgangsftruck am Ausgang Og eines fluidischen, proportional wirkenden Verstärkers A anstelle der mit der Schaltung von Pig.1 erzielten zeitlichen Kachellung zeitlich voreilend bezüglich des Steuersignale an Steuereingang X gemacht wird. Dies geschieht deshalb , weil Aas am Steuereingang I erscheinende Steuersignal zusätzlich eur Zuführung an den Steuereingang O₁ wie in Fig.Tauch an einen zweiten, entgegengesetzt wirkenden Steuereingang Og über eine Drosselstelle Bg angelegt wird, deren Einlass ebenfalls mit dem Signaleingang I verbunden ist, während ihr Auegang direkt ohne Anbringung einer Vorratskammer an den Steuereingang Cg angeschlossen ist.

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Man kann erkennen, dass die Schaltung nach Fig.2 solange kein Verstärkerausgangssignal erzeugt, wie der Eingangssignaldruck am Signaleingang I konstant bleibt, dass ein Ansteigen des Eingangssignaldrucks am Signaleingang I ein Ansteigen des Ausgangsärucks am Ausgang CL bewirkt, da der Druck am anderen Steuereingang Cp den Druck am Eingang C₁ infolge der zeitlichen Nacheilung des Druckanstiegs am Eingang C.ubersteigt, und dass andrerseits der Ausgangsdruck am Ausgang Op abgesenkt wird, wenn und solange der Eingangssignaldruck am Signaleingang I absinkt, da der Steuerdrucks Eingang C₁ während eines solchen Absinkens des Eingangssignaldrucks aca Signaleingang I infolge der zusätzlichen Speisung aus der Vorratskammer D geringfügig hoher als der Druck am anderen Steuereingang C₂- ist, der nicht auf eine solche zusätzliche Speisung zurückgreifen kann. In der Schaltung von Fig.1 kehrt die V_orschaltgrösse jedoch ihre Richtung um, wenn sich das Vorzeichen des zeitlichen Differentials des Signaldrucks am Signaleingang I ändert.

Der in Pig.3 dargestellte Verstärker besitzt einen zu einer Speisedüse 2 führenden Speiseeingang 1 und zwei Steuereingänge 7 und 8. Die Speisedüse 2 erzeugt einen Strahl, der in Abwesenheit eines Steuereingangssignals an den Steuereingängen 7 und 8 symmetrisch zu einem Aufspalter 15 verläuft, durch den der Strahl auf zwei Ausgänge 3 und 4 aufgeteilt wird. Es sind zwei Auslassöffnungen 5 und 6 vorgesehen, durch die der Anteil des durch, den Strahl aus der Düse 2 zugeführten Strömungsmittels entweichen kann, der den in die Ausgänge und 4 eintretenden Anteil übersteigt, was insbesondere dann zutrifft, wenn die Ausgänge zur Erzielung eines Druckausgangasignals verschlossen sind. Der Steuereingang 7 des Verstärkers ist mit der Einschnürungsstelle einer Venturidüse 21 va:bunden, die zwischen einen Signaleingang I und eine Vorratskammer D eingefügt ist. Der andere Steuereingang 8 kannaaflen Signaleingang I angeschlossen sein, wenn die Steuerung nur

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vorübergehend erfolgen soll; er lean η aber auch an eine Ablassöffnung oder an eine andere Bezugs-oder Steuerdruclcquelle angeschlossen sein, wenn die Steuerung auch von dem stetigen Wert am Signaleingang I beeinflusst werden soll. _v

Man kann erkennen, dass bei einem Anstieg des Drucks am Signaleingang I eine Strömung von Signaleingang I zur Vorratskammer D stattfindet, während die Strömung bei einem Absinken des Signaldrucks am Signaleingang I von der Vorratskammer zum Signaleingang I durch die Venturidüse 21 stattfindet. In jedem Fall sinkt der Druck an der Ein- \ schnürungssteile der Venturidüse unter den Druck am Signaleingang I ab, so dass eine Steuerung erzielt wird, die eine Vorschaltgrösse erzeugt, die in einer vorbestimmten Richtung wirksam ist, wenn der Druck am Signaleingang I ansteigt und in der gleichen Richtung wirksam wird, wenn der Druck am Signaleingang I abfällt·

Wie in Pig.3 dargestellt ist, kann der auf diese Weise mit einem Vorschaltsignal beaufschlagte Ausgangsdruok an den Zylinder eines federbelasteten Servomotors 22 angelegt werden, dessen Kolben 23 über ein Verbindungsglied 24, auf einen am Kompreasorgehäuse 26 eines Turbokompressors j angebrachten Hebel 25 wirkt, damit wlnkelverstellbare LeitflUgel Im Kompreesorteil dee Turbokompressors T betätigt werden. ,

In manchen Fällen let es erwünscht, eine von der Änderungegeschwindigkeit des Eingangedrucks abhängige Vorschaltgrösse einer In Abhängigkeit von anderen Funktionen des Eingangsdrucks wirkendenRegelung zu überlagern. In Flg.4 let eine Anordnung dargestellt, Io der dlee Io Zusammenhang alt einem proportional wirkenden Verstärker 18 durchgeführt iet, der *ur Erleichterung dieβer Wirkungsweise einen angepaeeteo Eingang beiltit, der In der

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britischen Patentanmeldung Nr. 44 707/69 im einzelnen näher beschrieben ist. Das Ausgangssignal dieses Verstärkers wird dabei als normales Steuereingangssignal einer weiteren Verstärkeratufe 18A verwendet. Lie in Pig.3 dargestellte Speisedüse 2 ist im Fall des zuerst genannten proportional wirkenden Verstärkers 18 durch zwei Zweigdüsen 2A und 2B ersetzt worden, die in entgegengesetzten Richtungen schräg zur Symmetrieebene des Aufspalters 15 ItQ wesentlichen in Richtung der Ausgänge 4 und 5 dieses Verstärkers 18 angeordnet sind. Der Eingang einer Zweigdüse 2A ist direkt an denSignaleingang I angeschlossen, der als Speisequelle verwendet wird. Der Eingang der anderen Zweigdüse 2B ist mit der Einschnürungsstelle eiier Venturidüse 21 verbunden, die vom Signaleingang I zu einer Vorratskammer D führt. Die Massenströmung des Speisestrahls wird auf diese Weise eine Funktion des Signaldrucks, und die Vorschaltwirkung der Venturidüse bewirkt dadurch eine Änderung des Ausgangssignals des Verstärkers 18, dass die Verteilung zwischen den zwei ZAeigdüsen 2A und 2B in Abhängigkeit von Änderungen des Signaldrucks am Signaleingang I verändert, wird, während die zwei Hauptsteuerdüsen 7 und 8 des Verstärkers 18 für andere Steuerzwecke freibleiben.

Im dargeetellten Ausführungsbeispiel kann von einem Punkt 17 aus über einen ebenen Strahlsaramler 16 ein Eingangsdrucksignal an eine Hauptsteuerdüse 7 angelegt werden, das aus der gleichen Druckquelle wie das am Signaleingang I angelegte Signal stammen kann. Das Gehäuse des Strahlsammlers kann beispielsweise zur Unjgebungsatmosphäre hin geöffnet oder mit einem anderen Bezugsdruck verbunden sein, so dass der am Steuereingang 7 wirksame Druck sowohl eine Punktion dieses Drucks als auch des am Punkt 17 anliegenden Drucks ist.Die andere Hauptsteuerdüse 8 kann mit einem Bezugssignal-Druckanschluss 10 verbunden sein.

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Man kann erkennen, dass die In Flg.4 dargestellte Anordnung in gleicher Weise wie die in Fig.3 dargestellte Anordnung zum Steuern eines Betätigungszylinders verwendet werden kann, der beispielsweise dadurch zur Betätigung der winkelverstellbaren Leitflügel im Kompressorabschnitt eines Turbokompressors verwendet werden kann, dass die zwei Ausgänge des in der zweiten Stufe liegenden Verstärkers 18A In der Weise an den Servomotor-Zylinder angeschlossen sind, in der die Ausgänge 3 und 4 des Ver stärkers 18 in Fig.3 an ihn angeschlossen sind.

Eine derartige Anordnung ist in Fig.5 dargestellt, in der für gleiche Teile die in den vorangegangenen Figuren verwendeten Bezugszeichen benützt werden.

Nach Fig.5 ist der dem Signaleingang I zugeführte Druck der Ausgangsdrack P^ des Kompressorteils 26 einer Gasturbine, die mit Umgebungsluft mit einem Brück P₁ gespeist wird. Diese unter dem Druck P, stehende Luft wird nicht nur dem Eingang der Anordnung nach Fig.4 und dem Speiseeingang ihres Verstärkers 18A der zweiten Stufe, sondern auch zwei weiteren Zweigleitungen zugeführt. Eine dieser Zweigleitungen führt zum Eingang des ebenen Strahlsammlers 16, dessen Körper eine zur Umgebungsluft mit dem Druck P. offene Ablassöffnung besitzt, und dessen Ausgang an die Hauptsteuerdüse 7 des Verstärkers 18 der ersten Stufe angeschlossen ist. Die andere Zweigleitung führt über zwei in Serie geschaltete Drosselstellen, X₁ und X₂* ^von denen die erste eine feste Querschnittefläche und die zweite eine mit Hilfe eines Hebele 31 einstellbare Querschnittsfläche besitzt, zu einer mit dem Umgebungsdruck P₁ in Verbindung stehenden Öffnung; sie besitzt ausserdem zwisohen den beiden Drosselstellen X₁+ X₂ eine Abzweigung 27, die bei 10 mit der anderen Hauptsteuerdüse des Verstärkers 18 der ersten Stufe verbunden ist.

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Die jeweils auf die Eingänge der Hauptsteuerdüsen 7 und 8 einwirkenden Drücke liegen beide zwischen den Werten der Drücke P. und P₁. Sie entsprechen jedoch bei einer gegebenen Einstellung der einstellbaren Drosselstelle X2 unterschiedlichen Punktionen von P. und P₁ (oder bei einem gegebenen Druokwert P₁ untersohiedliohen Funktionen dös Drucks P^). Sie können auch, zumindest wenn die Anordnung geeignet dimensioniert ist, bei allen gegebenen Werten von P. und P₁ durch eine geeignete Einstellung der Drosselstelle X. gleichgemacht werden, was eine Folge der Wirkung der von der Venturidüse gesteuerten Doppelstrahlanordnung 2A, 2B ist, mit deren Hilfe das zeitliche Differential des Kompressorabgabedrucks eingeführt und, wie später noch zu erkennen ist, dazu verwendet wird, einen Übergrossen Anstieg und der damit verbundenen Gefahr eines Kompressorstillstands entgegen zu wirken.

Wie in der Anordnung nach Fig.4 sind die Ausgänge 3 und 4 des Verstärkers 18 der ersten Stufe mit den Steuerdüsen 8A bzw. 7A des Verstärkers 18A der zweiten Stufe verbunden, während die Ausgänge 3A und 4A des Verstärkers der zweiten Stufe jeweils mit den zwei Enden eines Betätigungszylinders verbunden sind, dessen Kolben 23 über seine Kolbenstange und eine Hebelanordnung 28, 29 sowie einen Hebel 25 eine solche Änderung der Einstellung der Einlassflügel (die gemäss der Darstellung an der oberen Seite von Fig.5 einen Teil des Kompressors 26 bilden )'bewirkt, wie sie von den sich ändernden Druckbedingungen gefordert wird. Dabei wirkt eine Rückkopplungsvorrichtung 30 auf den Hebel 31 der verstellbaren Drosselstelle Xp ein, damit nach einer entsprechenden Bewegung der L_eitflügel wieder ein Druckausgleich zwischen den Hauptsteuerdüsen 7 und 8 des Verstärkers 18 der ersten Stufe erzielt wird.

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Ea ist zwar bisher angenommen worden, dass die Venturidüse 21 symmetrisch ist, was eine gleiche Vorschaltgrösse für gleiche und entgegengesetzte Eingangsdruck-Änderungsgeschwindigkeiten bewirkt, doch kann auch eine asymmetrische Venturidüse verwendet werden, durch die der Wert der Vorschal tgröese vom Vorzeichen der Druckänderung abhängig wird, so dass beispielsweise für einen ansteigenden Druck eine grössere Empfindlichkeit erzielt wird, als für einen fallenden Druck. In diesem Pail wird das Druckmittelausdehnungsverhältnie zwischen der Einschnürungsstelle;.und der Vorratskammer vergrössert. Wenn die am Signaleingang I auftretenden Signaldruckänderungen zur Erzeugung einer mit Schallgeschwindigkeit erfolgenden Strömung in der Engstelle der Venturidüse ausreichen, sinkt der Druck in der Engstelle nicht unter einen vorbestimmten Prozentsatz des absoluten Zuströmungsdrucke ab, da die Asymmetrie der Vorschaltgrösse dennoch sogar bei Abdroseelungebedingungen erzielt wird, wenn der Druckabgriff ein wenig seitlich, d.h. auf der Zuström-oder der Abströmseite der Engstelle angebracht wird. Man kann leicht . erkennen, dass bei einer Anbringung des Druokabgriffs auf der Zuströmseite, der Engstelle eine geringere Saugwirkung ale an der Einachnürungestelle selbst erzielt wird, da die Geschwindigkeit des StrÖBungemittelsam Abgriffpunkt unter der Geschwindigkeit an der EinsohnUrungsstelle liegt. Wenn die Strömungsrichtung umgekehrt wird, liegt die Abgriffestelle bezüglich der umgekehrten Strömungerichtung auf der Abströmseite der Einochnürungsstelle, so dass bei einer mit Schallgeschwindigkeit erfolgenden Strömung in der Einsohnürungsstelle die Saugwirkung über den Sog an der Sinschnürungsstelle selbst vergröseert wird, da die Strömungsgeschwindigkeit am Ort des Druckabgriffe la AbetrötDteil der Venturidüse über dar Schallgeschwindigkeit I legt A eel J ed och bemerkt, dass dar aeymmetriaobe Effekt dar ' Vtreetzung dar Druokabgriffsatelle vereohwindet, wenn daa Druokverhttltni· as dar Dflaa und damit dia Ströoungflfeaobwiodigkait nladrlgtr ala da· dar 8 trusting Io dar ÄinaohnUrttOga-

stelle i3t. Wenn eine asymmetrische Wirkung der Einrichtung zur Erzeugung der Vorschaltgrösse in diesem Tall erforderlich ist,müssen andere Mittel zur Erzeugung der Asymmetrie verwendet werden.

Wie man leicht erkennen kann, ist die in Fig.5 dargestellte Ausführungsform zusammen mit der in der britischen Patentanmeldung Nr. 44 707/69 beschriebenen Ausführungsform in einer Anordnung zum Regeln von Zusatz- und Teilsystemen von Gasturbinen eingesetzt. Insbesondere wird sie in einer fe abgewandelten Form im fluidischen Regelsystem nach der britischen Patentanmeldung Nr. 15 475/69 zum Regeln von veränderlichen Leitflügeln am Einlass des Kompressors einer Flugzeugstrahlturbine verwendet, bei der der Bezugsdruck zwischen zwei in Serie liegenden Öffnungen erzeugt wird, die die Bingangsdruckquelle mit dem Druck der Umgebungsatmosphäre verbinden. Eine derartige Kombination der hier beschriebenen Einrichtung zur Erzeugung einer Vorschalt-'grösse und der in der britischen Patentanmeldung Nr. 44 707/69 beschriebenen Einrichtung mit dem Lageregelsystem nach der britischen Patentanmeldung Nr. 15 475/69 bildet ebenfalls ein Merkmal der hier beschriebenen Erfindung.

W Die oben beschriebene Anordnung ist zwar für einen Betrieb mit kompressiblen Gasen beschrieben worden, doch kann sie ' leicht so abgeändert werden,daao sie auch mit gewissen Unterschieden mit einer Flüssigkeit zufriedenstellend arbeiten kann, dia dam Fa oh ma η η bekannt sind. Diese Unterschiede betreffen auch die Tatsache, dass in der Praxis ein Abdrosaeln, das bei einem gasförmigen Strömungsmittel zur Konstanthaltung der Crasamtströmung durch die Drosselstelle X₁ mit fester Querschnittsfläche verwendet werden kann, in einer mit Hydraulikflüssigkeit arbeitenden Anordnung bei irgendwelchen in der Praxis auftretenden Druokverhältnlssen nicht »iatritt. Zur Erzielung dieser Abänderung kanc dit vollständig cd it Strömungsmittel gefüllte Vorratskammer äurote eine» hydraulischen Akkumulator ersetzt werden» der

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einen freien Kolben enthalten kann, der mit dem Druck der Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt ist und gegen eine Feder wirkt, oder der auch ein unter Druck stehendes Gas enthaltende Druckkammer besitzen kann, die, wie in Fig.3 mit gestrichelten Linien dargestellt ist, mit Hilfe einer Membran 27 von der Arbeitsflüssigkeit abgetrennt sein kann, gegen dare η Druck er wirkt.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1./Fluidisches Regelsystem, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangsdrucksignal am Steuereingang eines fluidischen Steuerelements in einer Venturidüse anliegt, das einen Teil einer vom Signaldruckeingang zu einer Vorratskammer führenden Leitung bildet.

2. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Punkt der Venturidüse an eine von zwei einander entgegenwirkenden Steuerdüsen eines fluidischen Verstärkers mit Strahlwechselwirkung angeschlossen ist.

3. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Punkt der Venturidüse mit dem Eingang einer von zwei Speisestrahldüsen verbunden ist, deren Achsen sich in einem 3pitzen Winkel derart überschneiden, dass zwei symmetrisch zur Längsachse eines fluidischen Verstärkers mit Strahlwechselwirkung verlaufende Strahlen entstehen, wobei der fluidische Verstärker zwei einander entgegenwirkende Steuerstrahldücen besitzt, deren Strahlen sich zu einem einzigen Speisestrahl mit veränderlicher V/irkung in der Wechselwirkungszone der Steuerstrahlen vereinigen, und dass der Eingang der anderen Speisedüse im wesentlichen uneingeschränkt mit einem unter Signaleingangsdruck stehenden Punkt in Verbindung steht.

4. Regelsystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das fluidische Steuerelement ein fluidi3cher Verstärker ist, dessen Ausgang mit einem Betätigungsorgan verbunden ist, das zur Änderung der Winkel der Einlassleitflügel eines Kompressors für die Verbrennungsluft einer Gasturbine angeschlossen ist, und dass der Druckausgang des Kompressors mit dem Eingang der die Venturidüse enthaltenden Leitung verbunden ist.

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5.Regelayetem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang ein druckmittelbetätigtes Organ enthält, das an den Verstärlcerausgang zur Betätigung durch den Druck an diesem Ausgang angeschlossen ist, dass das Betätigungsorgan mechanisch mit den Einlassleitflügein eines Kompressors für die Verbrennungeluft einer Gasturbine verbunden ist, und dass der Druckausgang dieses Kompressors mit dem Eingang der die Venturidüse enthaltenden Leitung verbunden 1st.

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