DE2849005A1 - Absperrventil-einrichtung - Google Patents

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COHAUSZ & FLORACK 9849005

PATENTANWALTSBÜRO

SCHTJMANNSTR. 97 · D-4000 DÜSSELDORF Telefon: (0211) 683346 "2 . Telex: 08586513 cop d

PATENTANWÄLTE:
Dipl.-lng.W. COHAUSZ · Dipl.-Ing. R. KNAUF · Dr.-Ing., Dipl.-Wirtsch.-Ing. A. GtRBER · Dipl.-Ing. H. B. COHAUSZ

LUCAS INDUSTRIES LIMITED
Birmingham (Großbritannien)

Absperrventil-Einrichtung

Die Erfindung betrifft eine Absperrventil-Einrichtung für ein Durchfluß-Regelsystem.

Die Einrichtung ist besonders, aber nicht ausschließlich für die Regelung des BrennstoffZuflusses zu einer Gasturbine vorgesehen.

Es ist bereits ein Brennstoffdurchfluß-Regelsystem bekannt (GB-PS T 465 480), bei dem ein den Durchfluß begrenzendes Ventil mit einer verstellbaren Zumeßvorrichtung in Reihe geschaltet ist, wobei das den Durchfluß begrenzende Ventil von einem Steuerdruck gesteuert wird, der auftritt, wenn ein Betriebszustand, beispielsweise Drehzahl oder Temperatur der Gasturbine, einen zulässigen Grenzwert überschreitet, und über das Begrenzungsventil den Brennstoffdurchfluß vermindert.

Es ist ebenfalls bekannt, dem Begrenzungsventil eine Absperrfunktion zuzuordnen, indem ein Steuerventil zu einem Vorsteuerventil wird, wodurch der Steuerdruck so geändert werden kann, daß das Begrenzungsventil in Absperrstellung

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gebracht wird. Das parallel angeordnete Steuerventil wurde bisher von Hand betätigt.

Zwar ist es bei modernen Steuerungs- und Regelungssystemen wünschenswert, daß das parallel angeordnete Steuerventil elektrisch betätigt wird, doch steht dem die Schwierigkeit entgegen, daß bei einem Versagen des zugehörigen Stellgliedes oder einem Ausfall des elektrischen Stellsignals das Begrenzungsventil aus der gewählten Stellung abwandern kann.

Es stellte sich somit die Aufgabe, eine elektrisch gesteuerte Absperrventil-Einrichtung zur Verfügung zu stellen, bei der ein Abwandern eines Ventils aus der gewählten Stellung vermieden wird. Die Einrichtung soll dabei nicht auf die Brennstoff-Durchflußregelung bei Gasturbinen beschränkt sein; auch soll die Einrichtung nicht auf Ventileinrichtungen mit durchflußbegrenzender Funktion beschränkt sein.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Absperrventil-Einrichtung der eingangs genannten Art gelöst durch ein Absperrventil mit einem Stellglied, auf das ein Vorspannungsteil eine Kraft ausübt, die das Stellglied in Absperrstellung zu bringen sucht, der ein auf das Stellglied gerichteter Steuerdruck entgegenwirkt, ein erstes Vorsteuerventil mit einem durch Fluiddruck betätigbaren Steuerglied, das zwischen einer ersten Stellung, in der der Steuerdruck aufgehoben wird, und einer zweiten Stellung bewegbar ist, eine elektrisch steuerbare, in Mittelstellung stabile Ventileinrichtung zum Beaufschlagen des Steuergliedes des VorSteuerventils mit Betriebsdruck, so daß durch Bewegen der Ventileinrichtung aus der stabilen Mittelstellung in eine erste Richtung das Steuerglied des Vorsteuerventils in seine erste Stellung gebracht wird, durch Bewegen der Ventileinrichtung aus der Mittelstellung in eine zweite Richtung das Steuerglied des Vorsteuer-

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ventils in seine zweite Stellung gebracht und in stromlosem Zustand der Ventileinrichtung das Steuerglied des Vorsteuerventils in der Stellung gehalten wird, in die es zuletzt gebracht worden ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

An Hand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Regelsystems für e ine Ga s turb ine;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Zumeßvorrichtung, die ein Teil des in Fig. 1 veranschaulichten Systems ist;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer kombinierten Absperr- und Begrenzungsventil-Einrichtung, die einen Teil des System nach Fig. 1 bildet; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Stellgliedes für die Luftleitschaufeln einer Gasturbine.

Wie in Figur 1 dargestellt, wird eine Gasturbine 10 von einem Tank 11 durch eine Pumpe 12 mit Brennstoff beliefert. Der Brennstoff wird von der Pumpe 12 zu der Gasturbine durch eine verstellbare Zumeßvorrichtung 13 und eine kombinierte Absperr- und Begrenzungsventil-Einrichtung 14 gefördert, die in Reihe in einem Förderkanal 15 zwischen der Pumpe 12 und Zuführungskanälen 16, 17 für die Haupt- und Anlaßbrenner der Gasturbine 10 angeordnet sind.

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Wie in Figur 2 dargestellt, gehört zu der Zumeßvorrichtung 13 ein Zumeßventil 18, dem durch den Kanal 15 Brennstoff zugeführt wird. Das Ventil 18 reagiert auf einen Steuerdruck in einer Kammer 19, die über ein Drosselteil 20, einen Kanal 21 und ein Filter 38 mit dem Kanal 15 in Verbindung steht. Ferner ist die Kammer 19 über ein Vorsteuerventil 22 und einen Kanal 23 mit der Einströmseite der Pumpe 12 verbunden.

Ein Überströmventil 24 ermöglicht, Brennstoff aus dem Kanal 15 durch eine Rückleitung 25 der Einströmöffnung der Pumpe 12 zurückzuführen. Das Überströmventil 24 wird durch den Druck in dem Kanal 16 geöffnet und durch einen Steuerdruck in einer Kammer 26 geschlossen. Ein Ventil 27 (fig. 3), das später näher beschrieben wird, liefert diesen Steuerdruck durch eine Leitung 28.

Ein Hebel 30 wirkt mit einem Arm 31 zusammen, an dessen freiem Ende eine Rolle 32 angebracht ist. Die Rolle 32 ist zwischen einem Hebel 33 und einem weiteren Hebel 34 angeordnet, der ein Stellelement des VorSteuerventils 22 bildet. Zwischen dem Hebel 34 und dem Zumeßventil 18 ist eine Feder 35 angeordnet, um ein Rückführungssignal von der Stellung des Ventils 18 zu erhalten. Der Hebel 33 erstreckt sich abgedichtet in eine Kammer 36 und wirkt auf einen evakuierten Balg 37, der auf den Förderdruck P3 des Gasturbinenkompressors reagiert.

Zwei Schnecken 40, 41 sind antriebsmäßig mit zwei Schrittmotoren 42, 43 verbunden, und beide Schnecken 40, 41 kämmen ein Zahnrad 44. An dem Zahnrad 44 ist ein Arm 45 so angebracht, daß das Zahnrad 44 sich relativ zu dem Arm 45 drehen kann. Der Arm 45 ist drehbar mit dem Ende des Hebels 30 verbunden, der dem Ende gegenüberliegt, an dem der Hebel 31 angreift.

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Die Schrittmotoren 42, 43 werden von einer Steuerschaltung 46 (Fig. 1) gesteuert, die auf die Drehzahlen NL, NH der Wellen des Nieder- und Hochdruckteils der Gasturbine 10, der Stellung θ einer DrehzahlVorgabevorrichtung 47 und die Turbinentemperatur T anspricht. Die Steuerschaltung reagiert ferner auf die Stellung des Hebels 30 angebende Rückführungssignale, die durch die Leitungen 48, 49 eingehen. Die Steuerschaltung 46 ist so aufgebaut, daß bei Normalbetrieb nur der Schrittmotor 42 angetrieben wird, während der Schrittmotor 43 in Ruhe bleibt und die Schnekke 41 als Reaktionsteil für das Zahnrad 44 wirkt. Falls bei dem Motor 42 eine Störung oder eine Unterbrechung der ihm zugeführten Steuersignale eintritt, wird er stillgesetzt und der Motor 43 angetrieben, der dann die Einstellung des Hebels 30 vornimmt.

Der als Stellelement für das Vorsteuerventil 22 dienende Hebel 33 befindet sich daher in einer Stellung, die dem Druck P 3 des Gasturbinenkompressors entspricht, und das von der Feder 35 erzeugte, die Stellung des Ventils 18 angebende Rückführungssignal wird von der Rolle 32 entsprechend den Turbinendrehzahlen NH, NL, der Turbinentemperatur T und der Drehzahlvorgabe θ mondifiziert.

Die kombinierte Absperr- und Begrenzungsventil-Einrichtung 14 enthält ein Ventil 50, dessen Einströmseite durch einen Kanal 51 mit einer Ausströmöffnung des Zumeßventils in Verbindung steht. Zu dem Ventil 50 gehört ein Steuerglied 52, das auf einen Steuerdruck in einer Kammer 53 anspricht. Die Kammer 53 steht über eine Drossel 54 mit einer Zone unmittelbar hinter der Ausströmöffnung des Ventils 50 in Verbindung. Der Druck in der Kammer 53 hängt von der Tätigkeit eines ersten Vorsteuerventils 61 und eines zweiten Vorsteuerventils 61 ab, die parallel zueinander angeordnet sind.

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Das erste Vorsteuerventil 61 enthält eine Steuerspule 62. In der in Figur 3 dargestellten linken Stellung sperrt die Steuerspule 62 eine Parallelverbindung zwischen der Kammer 53 und dem Kanal 57 ab, so daß unter diesen Umständen das Steuerglied 52 von dem Vorsteuerventil· 55 eingestellt wird. Eine Feder 63 sucht die Steuerspule 62 nach rechts zu verschieben, und durch den Druck in der Kammer 64 kann die Steuerspule 62 gegen die Wirkung der Feder bewegt werden.

Der Druck in der Kammer 64 wird aus dem Druck in dem Kanal 51 durch eine Leitung 65 und entweder ein erstes Regelventil 66 oder ein zweites Regelventil 67 abgeleitet. Die Leitung 65 kann durch das Regelventil 67 mit dem Zuführungskanal· 17 der Gasturbine verbunden werden. Der Zuführungskanal 17 steht über eine Drossel 68 mit der Kammer 64 in Verbindung.

Das Ventil 66 wird von einer Feder 69 offen gehalten und kann gegen die Wirkung der Feder 69 von einem Ende eines Hebel· 70 bewegt werden. Das Ventil 67 ist am anderen Ende des Hebels 70 eingefaßt und wird von einer Feder 71 in Schließstellung gehalten. Der Hebel 70 kann durch einen Steilmotor 72 verschwenkt werden. Der Stellmotor 72 wird in einer in Figur 3 dargesteUten stabiien Mitte^age gehalten und kann aus dieser Mitte^age durch el·ektrische Signaie von entsprechendem Richtungssinn, die über eine Leitung 73 von der Steuerschaitung 46 zugeführt werden/ in eine Umdrehung entweder im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn versetzt werden.

Bei der veranschauiichten Ste^ung des Ste^motors 72 und des Arms 70 in einer zum Uhrzeigersinn gegenläufigen Betriebsweise ist das Ventil· 66 geöffnet und das Ventil· 67 geschlossen. Infolgedessen wird Brennstoffdruck aus dem Kanal 51 durch die Leitung 65 und das Ventil 66 der Kammer 64 zugeführt, wodurch — wie dargestellt — die Steuer—

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spule 62 in Schließstellung gebracht wird. Wenn der Stellmotor 72 als Reaktion auf das Erfordernis, die Brennstoffzufuhr zur Gasturbine abzusperren, gegenläufig zum Uhrzeigersinn in Umdrehung versetzt wird, wird das Ventil 66 geschlossen, das Ventil 67 bleibt geschlossen, und der Druck ausübende Brennstoff in der Kammer 64 fließt durch die Drossel 68 und den Zuführungskanal 17 ab. Die Steuerspule 62 wandert nach rechts (in der Zeichnung), und die Kammer 53 wird durch die Kanäle 57 und 23 mit der Einströmseite der Pumpe 12 verbunden. Der Steuerdruck in der Kammer 53 fällt daher ab, und das Steuerglied 52 bewegt sich abwärts in Schließstellung.

In der rechtsseitigen Stellung der Steuerspule 62 ist die Verbindungsleitung zwischen der Kammer 64 und dem Ventil 66 abgesperrt. Wird der Stellmotor 72 danach abgeschaltet, so kehrt er in seine Mittelstellung zurück, in der das Ventil 66 geöffnet ist, aber noch kein Brennstoffdruck der Kammer 64 zugeführt wird.

Wenn dann der Stellmotor 72 im Uhrzeigersinn in Umdrehung versetzt wird, öffnet sich das Ventil 67, während das Ventil 66 geöffnet bleibt. Unter Druck stehender Brennstoff fließt nun aus dem Kanal 51 durch das Ventil 67 durch den Zuführungskanal 17 zum Zünden der Brenner und gleichzeitig durch die Drossel 68 zum Vorsteuerventil 61, in dem die Steuerspule 62 gegen den Widerstand der Feder 68 verschoben wird. Das Vorsteuerventil 61 schließt daher, wodurch der Druck in der Kammer 53 ansteigt, das Stellglied 52 aus der Schließstellung wegbewegt und unter den Einfluß des Vorsteuerventils 55 gebracht wird. Bei anschließendem Abschalten des Stellmotors 72 kehrt der Hebel 70 in die dargestellte Lage, in der das Vorsteuerventil 61 in Schließstellung bleibt, zurück.

Die Ventile 61, 66 und 67 bilden daher eine bistabile Einrichtung, die durch einen verhältnismäßig kurzen Umlauf

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des Stellmotors 72 in einer geeigneten Richtung aus ihrer stabilen Mittelstellung gebracht wird. Ein Ausfall des Stellmotors 72 oder der für ihn bestimmten Signale bringt daher die Steuerspule 62 des Vorsteuerventils 61 nicht aus der Stellung, in die sie zuletzt bewegt worden ist.

Das zweite Vorsteurventil 55 ist zwischen der Kammer 53 und einer Kammer 56 angeordnet, die durch Kanäle 23, 57 mit der Einströmseite der Pumpe 12 in Verbindung steht. Das Vorsteuerventil 55 wird durch eine Feder 58 geschlossen gehalten und kann gegen den Widerstand der Feder 58 durch einen elektrischen Stellmotor 59 bewegt werden, der von der Steuerschaltung 46 gesteuert wird und damit auf Werte der Drehzahl und Brennkammertemperatur reagiert. Ein unzulässiger Anstieg dieser Werte führt zum Öffnen des Ventils 55, so daß das Stellglied 52 abwärts (in Fig. 3) bewegt wird und den Brennstoffdurchfluß durch den Zuführungskanal 16 drosselt. Eine Rückführungsfeder 60 wirkt mit dem Stellglied 52 und dem Vorsteuerventil 55 so zusammen, daß eine Bewegung des Stellgliedes 52 eine Änderung des Steuerdruckes in der Kammer 53 verursacht, die der Bewegung entgegenwirkt.

Ein Fühler 79 erzeugt ein elektrisches Signal, das über eine Leitung 74 der Steuerschaltung 46 zugeführt wird und angibt, daß das Stellglied 52 sich in Schließstellung befindet.

Das vorstehend erwähnte Ventil 27 wird von einer Membran-Stellvorrichtung 74 gesteuert. Auf die Seiten der Membran der Stellvorrichtung 74 wirkt einerseits der Druck des Förderkanals 15 und andererseits der Druck eines Kanals Der Kanal 75 steht über eine Drossel 76 mit den Kanal unmittelbar hinter der Ausströmöffnung des Zumeßventils und durch eine Öffnung 77, die durch ein Teil 78 des Stellgliedes 51 verschlossen werden kann, wenn sich das Stellglied 52 in voll geöffneter Stellung befindet, auch

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mit einer Zone unmittelbar hinter der Ausströmöffnung des Ventils 50 in Verbindung. Wenn daher das Stellglied 52
sich in voll geöffneter Stellung befindet und die Öffnung 77 verschlossen ist, so ist der Druck in dem Kanal gleich dem Druck in dem Kanal 51 am Ausgang des Zumeßventils 18. Unter diesen Umständen hängt der Druck in dem zu dem Überströmventil 24 führenden Kanal 28 von dem Dvuckverlust in dem Zumeßventil 18 ab. In allen anderen Stellungen des Stellgliedes 52 ist die öffnung 77 mindestens
teilweise offen, wodurch der Druck in dem Kanal 75 von
dem Druck auf der Ausströmseite des Ventils 50 abhängt.
Unter diesen Umständen reagiert das Überströmventil auf
den Druckverlust der Reihenanordnung von Zumeßventil 18
und Ventil 50.

Wenn die Steuerspule 62 des VorSteuerventils 61 sich in
der rechtsseitigen Stellung befindet, die dem Erfordernis einer Absperrung des BrennstoffZuflusses zur Gasturbine
entspricht, entweicht das Druckmittel in dem Kanal 75 in
den Kanal 57, das Ventil 27 öffnet, der Druck in der Kammer 26 wird vermindert, und das Überströmventil 24 öffnet voll und läßt den Brennstoff in die Rückführungsleitung fließen.

Bei verhältnismäßig geringem Rückfluß wird der Brennstoff in der Leitung 25 zur Einströmöffnung der Pumpe 12 zurückgeführt. Wie in Figur 1 dargestellt, ist jedoch ein von
der Temperatur gesteuertes Ventil 80 vorgesehen, das mindestens einen Teil des Brennstoffs in den Tank 11 zurückleitet, wenn die Temperatur des Brennstoffs einen vorgegebenen Wert überschreitet. Auf diese Weise wird eine überhitzung des Brennstoffs durch fortgesetztes Umpumpen vermieden .

Wie ebenfalls in Figur 1 dargestellt, gehört zu dem Steuersystem noch eine Stellvorrichtung 81 für die Leitschaufeln des Turbinenkompressors. Die in Figur 4 im einzelnen

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veranschaulichte Stellvorrichtung 81 besteht aus zwei Schrittmotoren 82, 83, die antriebsmäßig mit zwei Schnekken 84, 85 verbunden sind. Beide Schnecken 84, 85 kämmen ein Zahnrad 86. An dem Zahnrad 86 ist ein Arm 87 befestigt, dem gegenüber das Zahnrad 86 sich drehen kann. An einem Ende des Arms 87 ist ein Steuerventil 88 angeordnet, das mit einer öffnung 89 in einem Kolben 90 zusammenwirkt. Gegenüberliegende Seiten des Kolbens 90 sind durch einen engen Kanal 91 miteinander verbunden. Eine Seite des Kolbens 90 wird von dem Druck in einem Kanal 92 beaufschlagt, der mit dem Kanal 21 in Verbindung steht, während auf die andere Seite des Kolbens 90 der Druck zwischen dem engen Kanal 91 und der Öffnung 89 wirkt. Das Ventil 88 steuert den Durchfluß durch den Kanal 89 zu einem Kanal 93, der mit dem Kanal 23 in Verbindung steht.

Bei Normalbetrieb wird nur der Schrittmotor 82 von der Steuerschaltung 46 in Betrieb gesetzt, und die Schnecke wirkt als Reaktionsteil für das Zahnrad 86. Die Kombination des Steuerventils 88 und des Kolbens 90 bildet eine Folgesteuerung, bei der der Kolben 90 so bewegt wird, daß seine Stellung derjenigen des Steuerventils 88 entspricht. Der Kolben 90 ist durch ein geeignetes Gestänge mit den Leitschaufeln des Kompressors der Gasturbine verbunden.

In Figur 3 ist noch eine Hülse 95 dargestellt, die das Stellglied 52 des Ventils 50 umgibt und auf den Brennstoff druck unmittelbar hinter der Öffnung reagiert, die von dem Ventil 50 kontrolliert wird. Die Hülse ist durch eine Feder 96 gegen den Druck hinter der Öffnung vorgespannt und bildet ein druckausübendes Ventil, wenn das Ventil 50 geöffnet ist.

Außer auf die Werte für NL, NH, T und θ sowie auf die über die Leitungen 48, 49 eintreffenden Rückführungssignale und das Signal des Fühlers 79 reagiert die Steuerschaltung 46 auch auf die über eine Leitung 95 zugeführten Sig-

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nale eines Brennstoffdichtefühlers 96 in dem Förderkanal 15. Ferner empfängt die Steuerschaltung 46 noch über Leitungen 98, 99 Ruckführungssignale, die die Stellung des Kolbens 90 der Stellvorrichtung 81 angeben.

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Claims (5)

1. COHAUSZ fr. FLORACK 9849005

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   Dipl.-lng.W. COHAUSZ Dipl.-Ing. R. KNAUF ■ Dr.-Ing., Dipl.-Wirlsch.-Ing. A. GERBER ■ Dipl.-Ing. H B. COHAUSZ

   Ansprüche

   .) Absperrventil-Einrichtung für ein Durchfluß-Regelsystem, gekennzeichnet durch ein Absperrventil mit einem Stellglied, auf das ein Vorspannungsteil eine Kraft ausübt, die das Stellglied in Absperrstellung zu bringen sucht, der ein auf das Stellglied gerichteter Steuerdruck entgegenwirkt, ein erstes Vorsteuerventil mit einem durch Fluiddruck betätigbaren Steuerglied, das zwischen einer ersten Stellung, in der der Steuerdruck aufgehoben wird, und einer zweiten Stellung bewegbar ist, eine elektrisch steuerbare, in Mittelstellung stabile Ventileinrichtung zum Beaufschlagen des Steuergliedes des Vorsteuerventils mit Betriebsdruck, so daß durch Bewegen der Ventileinrichtung aus der stabilen Mittelstellung in eine erste Richtung das Steuerglied des VorSteuerventils in seine erste Stellung gebracht wird, durch Bewegen der Ventileinrichtung aus der Mittelstellung in eine zweite Richtung das Steuerglied des Vorsteuerventils in seine zweite Stellung gebracht und in stromlosem Zustand der Ventileinrichtung das Steuerglied des VorSteuerventils in der Stellung gehalten wird, in die es zuletzt gebracht worden ist.
2. 2. Absperrventil-Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Mittelstellung stabile Ventileinrichtung aus zwei Vorsteüerventilen, einem in Mittelstellung stabilen elek-

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   • a·

   trischen Stellglied und einem Verbindungsglied zwischen dem Stellglied und den Vorsteuerventilen besteht, so daß bei einer Stellung des in seiner stabilen Mittelstellung eines der Vorsteuerventile geschlossen und das andere geöffnet ist, beim Bewegen des elektrischen Stellgliedes in eine Richtung beide Ventile geschlossen und beim Bewegen des elektrischen Stellgliedes in die andere Richtung beide Ventile geöffnet werden.
3. 3. Absperrventil-Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Vorsteuerventil ein Vorspannungselement enthält, das das Steuerglied des Ventils in eine seiner Stellungen zu bringen sucht, und der Betriebsdruck das Steuerglied gegen die Kraft des Vorspannungselements zu bewegen vermag, wobei das Steuerglied Teile aufweist, die die Beaufschlagung eines der Vorsteuerventile mit Betriebsdruck verhindern, wenn das Steuerglied sich in der genannten Stellung befindet.
4. 4. Absperrventil-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem ersten Vorsteuerventil ein zweites Vorsteuerventil zum Regulieren des Steuerdruckes parallel geschaltet ist und daß das Stellglied des Absperrventils ein Teil zum Regulieren des Durchflusses in Abhängigkeit von der Größe des Steuerdruckes aufweist.
5. 5. Absperrventil-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusammen mit einer einstellbaren Zumeßvorrichtung bei einer Gasturbine zum Regulieren des Brennstoff Zuflusses eingesetzt ist.

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