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Regeleinrichtung für Kreiselverdichter Die Erfindung bezieht sich
auf eine Regelung von Kreiselverdichtern. Diese neigen bekanntlich zum Pendeln,
wenn bei gegebener Umdrehungszahl die tatsächliche Fördermenge einen gewissen Prozentsatz
der Fördermenge unterschreitet, für welche der Verdichter ausgelegt ist.
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Es sind selbsttätig gesteuerte Abblasv orrichtungen vorgeschlagen
worden, um zu erreichen, daB der Verdichter eine ausreichende Menge fördert, selbst
wenn der Verbrauch des von dem Verdichter belieferten Verbrauchers den zulässigen
Wert unterschreitet.
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Beispielsweise wurde für die Regelung des Kreiselverdichters einer
Gasturbinenkraftanlage, bestehend aus einer die Nutzlast antreibenden Leistungsturbine
und einer davon unabhängig umlaufenden Ladegruppe, die aus einer Gasturbine und
diesemVerdichterbesteht, der dieVerbrennungskammer oder parallel die Verbrennungskammern
der beiden Gasturbinen mit verdichteter Luft speist (im folgenden als Gasturbinenanlage
der erwähnten Art bezeichnet), ein Abblasventil vorgeschlagen, welches durch eine
Einrichtung gesteuert wird, die auf die Druckdifferenz zwischen dem Pitotdruck und
dem statischen Druck in einer in der Förderleitung des Verdichters angeordneten
Venturidüse in der Weise anspricht, daB das Abblasventil geöffnet wird, wenn diese
Druckdifferenz als Folge der verminderten Strömungsmenge absinkt (und umgekehrt),
und die ferner auf den statischen Druck in der Venturidüse in der Weise anspricht,
daß das Abblasventil geöffnet wird, wenn dieser Druck ansteigt (und umgekehrt).
Es hat sich jedoch gezeigt, daB bei manchen Anwendungen diese bekannte Abblasregelung
nicht schnell genug arbeitet, um ein Pendeln zu verhindern.
Gemäß
der Erfindung wird eine Regeleinrichtung für einen Kreiselverdichter, welcher einen
Verbraucher von veränderlichen Mengen beliefert, in der Weise ausgebildet, daß ein
an sich bekannter verhältnismäßig langsam wirkender Abblasregler, welcher auf ein
vorbestimmtes Verhältnis zwischen der Druckdifferenz zwischen Pitotdruck und statischem
Druck in einer Venturidüse, die wenigstens von einem Teil des von dem Verdichter
gelieferten Mediums durchströmt wird, und dem statischen Druck in dieser Düse anspricht,
mit einer schnell wirkenden Regeleinrichtung vereinigt ist, welche die Wirkung des
langsam arbeitenden Reglers vorwegnimmt und gleichzeitig mit dem Öffnen einer Abblaseinrichtung
eine Drossel zumindest teilweise schließt, welche die zu dem Verbraucher gehende
Strömungsmenge des gasförmigen Mediums regelt.
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Beispielsweise wird bei Betrieb mit geringer Belastung der Leistungsturbine,
damit die Fördermenge des Verdichters nicht unter etwa o,95 der unter normalen Betriebsverhältnissen
gelieferten Menge absinkt, das Abbiasventil durch den langsam wirkenden Abblasregler
so betätigt, daß dieser Abblasregler eine Zeit von i bis 5 Sekunden braucht, um
das Abblasventil über seinen ganzen Weg zu verstellen, und wird bei plötzlichem
Schließen der Drossel durch den schnell arbeitenden Abblasregler das Abblasventil
weiter geöffnet, als es erforderlich ist, um die Drosselung auszugleichen; wenn
die Drossel eine Ruhelage erreicht, wird dieses übermäßige Öffnen des Abblasventils
durch die normale Wirkung des langsam wirkenden Abblasreglers aufgehoben, bis die
von der Ladegruppe ausgehende Strömung auf 0,95 ihres normalen Wertes vermindert
ist.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles an Hand der Zeichnung.
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Fig. i ist ein Schaltplan einer Regeleinrichtung gemäß der Erfindung
in Anwendung auf den Verdichter einer Gasturbinenkraftanlage; Fig. 2 ist eine schematische
Darstellung eines langsam wirkenden Abblasreglers einer bekannten Bauart; Fig.3
ist ein Diagramm, welches die Druckdifferenz zwischen dem Pitotrohr und dem statischen
Meßrohr einer an der Förderseite des Verdichters angeordneten Venturidüse in Abhängigkeit
von dem Druck im Hals der Venturidüse zeigt; Fig.4 ist ein Diagramm, welches die
von dem Verdichter gelieferte Strömungsmenge in Abhängigkeit von der Zeit zeigt,
und zwar sowohl bei der bekannten, nur langsam arbeitenden Regelung als auch bei
der erfindungsgemäßen kombinierten langsam und schnell arbeitenden Regelung; Fig.
5 zeigt eine Einzelheit im Schnitt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel ist die erfindungsgemäße Regeleinrichtung
zur Regelung der Ladegruppe einer Gasturbinenanlage vorgesehen, welche aus einem
dynamischen Verdichter i und einer diesen antreibenden Ladeturbine 2 besteht. Eine
unabhängig umlaufende Leistungsturbine 3 dieser Gasturbinenanlage bildet den Verbraucher
und treibt die Nutzbelastung 4 an, die mit in weiten Grenzen veränderlichen Drehzahlen
arbeiten kann.
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Der Verdichter i saugt die Luft bei io an und fördert die verdichtete
Luft durch die Leitung i i zum Teil in den kalten Kanal eines Wärmeaustauschers
12, dessen Ausgangssammelleitung über eine Leitung 13 mit einer Verbrennungskammer
14 verbunden ist, die einen Brenner 15 besitzt. Die Verbrennungsgase gehen aus der
Verbrennungskammer 14 über eine Leitung 16 zu der erwähnten Ladeturbine 2 und dann
durch eine Leitung 17 und den heißen Kanal des Wärmeaustauschers 12, um schließlich
durch das Abzugsrohr 18 auszutreten.
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Der übrige Teil der verdichteten Luft geht durch eine Venturimeßdüse
i9 und eine Drossel 2o in den kalten Kanal eines zweiten Wärmeaustauschers 22, welcher
durch eine Leitung 23 mit einer zweiten Verbrennungskammer 24 verbunden ist, die
einen Brenner 25 besitzt. Die Verbrennungsgase aus der Kammer 24 gehen durch eine
Leitung 26 zu der Leistungsturbine 3 und dann durch eine Leitung 27,
den heißen
Kanal des Wärmeaustauschers 22 und ein Rohr 28 zu dem Abzug.
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Vor der Drossel 2o zweigt eine Leitung 33 zu einem Abblasventil 34
ab, welches als Doppelsitzventil dargestellt ist und, wenn es sich öffnet, Luft
bei 35 aus der Zuströmseite der Drossel 20 abblasen läßt.
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Das Abblasventil 34 wird durch den Kolben 4o eines Servomotors betätigt,
dessen Zylinder 41 auf zwei verschiedenen, später näher erläuterten Wegen mit einem
Druckmittel gespeist werden kann.
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Die Drossel 2o wird durch den federbelasteten Kolben 5o eines Servomotors
betätigt, dessen Druckmittelregelung später im Zusammenhang mit derjenigen des erwähnten
Servomotorkolbens 40 erläutert wird.
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Aus einer (nicht dargestellten) uelle wird Brennstoff über die Leitung
6o und die- Pumpe 61, vorzugsweise bei konstantem Druck, parallel an die Brenner
15, 25 der beiden Verbrennungskammern 14 bzw. 24 zugeführt.
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Das Druckmittel für die verschiedenen Servomotoren der Anlage wird
aus einer (nicht dargestellten) Quelle über die Leitungen 71 und 83 zugeführt.
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Die Leitung 71 führt das Druckmittel zu einem Ventil 75, welches eine
feste und eine veränderliche Öffnung aufweist. Die veränderliche Öffnung wird durch
ein von dem Drehzahlregler 5 betätigtes Nadelventil geregelt. Wenn sie offen ist,
kann das Druckmittel über eine Leitung 76 zu dem Sumpf entweichen, so daß der Druck
in einer Kammer des Ventils 75 zwischen den beiden Öffnungen sich in Abhängigkeit
von der Muffenstellung des Drehzahlreglers 5 verändert.
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Eine von dieser Kammer des Ventils 75 abgezweigte Leitung 77 führt
das Druckmittel über ein Rückschlagventil 52 zu dem Zylinder 51 des Servomotorkolbens
5o für die Drossel 2o. Wenn der Druck in der Leitung 77 unter den in dem
Zylinder
5 i herrschenden Druck vermindert wird, schließt dieses Rückschlagv entil 52 selbsttätig,
und das Druckmittel wirkt in dem Zylinder 51 über die Leitung 53 auf das rechtsseitige
Ende eines leicht federbelasteten Kolbens eines Umschaltventils 54. Wenn dieses
aus der gezeichneten Stellung nach links verschoben worden ist, da der auf sein
linksseitiges Ende wirkende Druck derjenige in der Leitung 77 und geringer als der
in der Leitung 53 ist, so wird das Druckmittel über die Leitung 55 in den Servomotorzylinder
41 an der rechten Seite des Kolbens 4o eintreten, während der Raum an der linken
Seite des Kolbens 40 dann über Leitung 56, das Umschaltventil 54, Leitungen 57,
77 undVentil 75 mit dem Ablaß bei 76 verbunden wird und das Rückschlagventil 52
dabei, wie erwähnt, geschlossen ist.
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Ein Abblasregler So ist durch ein Pitotrohr 81 und ein statisches
Fallrohr 82 an die Venturidüse i9 angeschlossen und läßt, je nach der Strömungsgeschwindigkeit
und dem statischen Druck in der Düse, Druckmittel aus der Zuführungsleitung 83 über
Leitungen 84, 85 an der rechten oder linken Seite des Kolbens 40 in den Servomotorzylinder
41 eintreten, während dessen andere Seite bei 86 mit dem Auslaß verbunden wird.
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Ein Abblasregler einer bekannten Bauart, welche sich zur Verwendung
in Verbindung mit der Erfindung eignet, ist in Fig.2 schematisch veranschaulicht.
Er besteht aus einer Kapsel 9o, die durch eine Membran 9i in zwei Räume unterteilt
ist. Die eine Abteilung ist durch die Leitung 81 mit dem erwähnten Pitotrohr in
dem Hals der Venturidüse i9, die andere Abteilung durch die Leitung 82 mit dem erwähnten
statischen Fallrohr verbunden. Die letztere ist ferner mit einem Balg 92 verbunden,
dessen andere Seite zu der Atmosphäre offen ist.
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Dieser Balg spricht somit auf den statischen Druck P in dem Hals der
Venturidüse an, während die Kapsel 9o auf die Druckdifferenz d P zwischen dem dynamischen
Druck und dem statischen Druck in dem Düsenhals anspricht.
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Die Membran ist mit einem schwenkbaren Öleinspritzrohr 93 verbunden,
welches in der neutralen Stellung seinen Strahl gegen eine Trennwand 94 zwischen
den Öffnungen der Leitungen 84 und 85 richtet, die zu dem Servomotorzylinder 41
(Fig.i) führen.
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Dieses Einspritzrohr ist außerdem mit einem Folgeglied 95 nachgiebig
verbunden, welches einen mit dem Balg 92 verbundenen Nocken 96 berührt.
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Eine Erhöhung des statischen Druckes P wird also das Bestreben haben,
daß der Strahl aus dem Rohr 93 gegen die Öffnung der Leitung 84 gerichtet wird,
die das @Öl an der rechten Seite des Kolbens 40 in dem Servomotorzylinder 41 zuführt,
d. h. im Sinne des Offnens des Abblasventils 34.
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Eine Erhöhung der Druckdifferenz d P wird jedoch das Bestreben haben,
daß der Strahl aus der Leitung 93 gegen die Öffnung der Leitung 85 gerichtet wird,
wodurch das erwähnte Abblasv entil durch den Servomotor geschlossen wird. Die Wirkungen
des Druckes P und der Druckdifferenz d P sind so eingestellt, daß sie sich nach
Fig. 3 die Waage halten. In Fig. 3 ist der Druck P als Abszisse und die Druckdifferenz
d P als Ordinate aufgetragen. In der schraffierten Fläche unterhalb der Diagrammlinie
ist das Abblasventil 34 geöffnet, in der unschraffierten Fläche ist es geschlossen.
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Wenn die Drehzahl der Leistungsturbine ihren Sollwert um mehr als
einen vorbestimmten Betrag von etwa 2% überschreitet, wird die Nadel des Ventils
75 (Fig. i) durch die Bewegung der Reglermuffe 5 so weit zurückgezogen, daß der
Druck in der Leitung 77 auf eine Höhe vermindert wird, bei welcher er nicht mehr
dem Druck die Waage hält, der erforderlich ist, um die auf den Kolben 5o einwirkende
Feder ganz zusammenzudrücken.
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Unter der Wirkung dieser Feder verläßt das Drosselventil 2o dann seinen
Anschlag für volle Öffnung bei 20/a über der eingestellten Drehzahl, und es erreicht
seine ganz geschlossene Stellung bei etwa 7% über der eingestellten Drehzahl.
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Wenn die Drossel 2o sich schließt, wird die Strömungsmenge und folglich
die Druckdifferenz d P absinken, während derDruckP vor der Drossel 2o ansteigt.
Demgemäß wird ein Zustand innerhalb der schraffierten Fläche der Fig..3 erreicht,
und der Abblasregler 8o öffnet dann das Abblasventil 34.
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Wie in Fig.4 veranschaulicht, ist jedoch die Wirkung des Abblasreglers
8o zu langsam.
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Die Strömungsmenge Q durch die Venturidüse i9 würde beispielsweise
nach der gestrichelten Linie in Fig. 4 auf etwa o, i ihres Sollwertes innerhalb
von 0,3 Sekunden abfallen, was ein heftiges Pendeln des dynamischen Verdichters
i bedeuten würde, und es würde sich erst nach etwa 5 Sekunden eine neue Gleichgewichtslage
bei etwa 0,95 der Sollströmungsmenge wieder einstellen.
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Bei dem schnell wirkenden Abblasregler gemäß der Erfindung wird jedoch
das Strömungsmittel, welches aus dem Zylinder 51 durch die Wirkung der Feder auf
den Kolben 5o verdrängt wird, an der rechten Seite des Kolbens des Ventils 54 einwirken,
so daß er nach links verschoben wird und den Strömungsweg aus dem Zylinder 51 über
die Leitungen 53, 55 an die rechte Seite des Servozylinders 41 öffnet, der die Abblasventileinrichtung
35 überwacht. Eine entsprechende Strömungsmittelmenge wird aus der linken Seite
des Zylinders 41 durch die Leitung 56 über die Ringnut des Kolbens 54 und die Leitung
57 verdrängt.
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Durch die Bewegung des Kolbens 4o in dem Zylinder 41 öffnet sich das
Abblasventil 35 in einem Ausmaß, welches mehr als ausreichend ist, um die Verminderung
der Druckluftströmung zu der Leistungsturbine auszugleichen, was durch passende
Bemessung der relativen Flächen des das Drosselventil 2o betätigenden Servokolbens
50 und des das Abblasventil 34 betätigenden Servokolbens 4o erreicht wird.
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Wenn das Drosselventil 2o seine Bewegung beendet, ist demnach das
Abblasventil zu weit geöffnet,
und seine Stellung wird dann durch
die verhältnismäßig langsame Wirkung des Abblasreglers So verändert, bis die Strömung
durch die Venturidüse 1g auf z. B. o,95 des Wertes absinkt, welcher den normalen
Verhältnissen bei demselben Förderdruck des Verdichters entspricht.
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Dies ist in Fig. 4 durch die voll ausgezogene Kurve veranschaulicht,
welche zeigt, daß die Strömungsmenge durch die Venturidüse i9 während der ersten
0,3 Sekunden auf etwa 1,3 des normalen Maßes ansteigt und sich dann innerhalb
von 3 Sekunden von oben der Linie des Wertes o,95 nähert, was bedeutet, daß die
tatsächliche Strömungsmenge niemals unter o,95 des Sollwertes abfällt.
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Andererseits wird, wenn der Regler 5 in einen Zustand mit Unterdrehzahl
gebracht wird, der Druck in der Leitung77 in Richtung auf den Druck der Servoölspeisung
aus der Leitung 71 ansteigen, und das Druckmittel geht über die Leitung 77 und das
Rückschlagventil 52 direkt in den Zylinder 5i, welcher das Drosselventil 2o betätigt,
ohne den Servokolben d.o des Abblasv entils 34 in Tätigkeit zu setzen. Dieses Ventil
wird verhältnismäßig langsam durch den Abblasregler So geschlossen, welcher das
Antriebsmittel über die Leitung 85 zuführt, bis die Geschwindigkeit der Strömung,
welche aus der Ladeturbine abgezweigt und durch das Pitotrohr 81 in Verbindung mit
der Messung des statischen Druckes in dem Rohr 82 gemessen wird, auf z. B. o,95
des Wertes absinkt, der bei dem gleichen Förderdruck des Kompressors unter normalen
Verhältnissen bei voller Drossel besteht.
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Bei gedrosseltem Betrieb wird die aus der Ladeturbine a abgezweigte
Luftströmung auf mindestens o,95 ihres normalen, ungedrosselten Wertes mittels des
Abblasreglers 8o gehalten.
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Durch die Kupplung des Abblasventils 34 mit der Luftdrossel 2o wird
die Gefahr vermieden, daß der Verdichter bei plötzlichem Schließen des Drosselventils
20 abgewürgt wird, ehe das Abblasventil 34 durch den Regler So geöffnet würde.
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In äußersten Fällen tritt eine sofortige Regelung durch die Schließwirkung
der Drossel 20 in etwa i/,3 einer Sekunde ein, nachdem die Leistungsturbine eine
Überdrehzahl erreicht hat, gefolgt von einer Einstellung der Drehzahl der Ladeturbine
während etwa 20 Minuten oder einer anderen Zeit, die zur Vermeidung von thermischen
Beanspruchungen erforderlich ist, und während dieser Zeit wird die Drossel allmählich
wieder geöffnet.
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Die Steuerventile für die Abblaseinrichtung können, wie in Fig.5 gezeigt,
in einem gemeinsamen Ventilkasten ioo vereinigt werden, welcher auch hydraulische
Relais enthalten kann.
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Der COldruck aus der Zwischenkammer des Ventils 75 (Fig. i) wird über
die Leitung 77 einem durch eine Feder io2 belasteten Relaiskolben ioi zugeführt,
der in einer Kappe 103 verschiebbar eingesetzt ist. Die Kolbenstange 104 dieses
Kolbens ist mit dem einen Ende eines freien Hebels io5 gelenkig verbunden, dessen
anderes Ende mit der Stange eines Abschaltventils io6 drehbar verbunden ist. Der
mittlere Teil des Hebels ioD- ist mit der Stange eines Steuerventils io7 gelenkig
verbunden. Die Ventile io6 und 107 sind beide Kolbenventile, die sich in
dem Kasten ioo parallel zu dem Relaiskolben ioi verschieben.
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Die Stange des Abschaltventils io6 ist ferner durch das Gestänge io8,
iog mit der Drossel 2o (Fig. i) gelenkig verbunden und wirkt, wie später erläutert
wird, als eine Rückführung von deren Schließbewegung.
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Ferner ist ein durch eine Feder vorgespanntes Auslöseventil iio, welches
das Steuerventil 107
überbrückt, und ein zugehöriges, durch eine Feder vorgespanntes
Rückschlagventil i i i sowie das durch eine Feder vorgespannte Umschaltventil 54
(Fig.i) vorgesehen.
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Die Bohrung des Auslöseventils i io ist seitlich an den Zylinder 51
angeschlossen, welcher den die Drossel 20 (Fig. i) betätigenden federbelasteten
Kolben So enthält.
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Die Bohrung des Umschaltventils 5.4 ist seitlich durch Leitungen 55,
56 mit den beiden Enden des Serv omotorzylinders 41 verbunden, dessen Kolben .4o
das Abblasventil 34 betätigt, das in etwas anderer Weise schematisch in Fig. i veranschaulicht
ist. Die Verbindungsleitungen 8.4, 85 zu dem langsam arbeitenden Abblasregler So
sind ebenfalls in Fig.4 angegeben. Ein durch eine Feder vorgespanntes Entlastungsventil
112 kann an den Zylinder So mit einer Seite angeschlossen werden, um das Schließen
der Drossel zu gewährleisten, wenn irgendein Teil hängenbleibt, und an die andere
Seite kann ein elektrisches Auslöseventil 113 angeschlossen werden, welches die
Zuführung der Druckflüssigkeit zu den Relais in dem Kasten ioo steuert. Dieses Auslöserelais
wird durch einen Elektromagnet 114 betätigt. Es ist durch eine Feder in Richtung
auf die Auslöselage vorgespannt und kann durch einen Rückstellhebel 115 zurückgestellt
werden.
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Die Arbeitsweise der in dem Kasten ioo vereinigten Ventile und Relais
ist die folgende: Das Drucköl mit einem Druck, der durch die Stellung der Drehzahlreglermuffe
5 bestimmt ist, wird aus dem Ventil 75 (Fig. i) über die Leitung 77 zu dem Kolben
ioi übertragen. Dadurch wird die Stellung des rechtsseitigen Endes des Hebels io5
bestimmt, dessen linksseitiges Ende um einen Drehpunkt geschwenkt wird, welcher
so lange als feststehend angenommen werden kann, wie die Drossel 20 sich in der
voll geöffneten Stellung befindet. Die Bewegungen des Kolbens ioi werden somit von
dem Steuerventil 107 mitgemacht, welches die Strömung des Drucköls steuert, das
über die Ventile 113, i io und das Rückschlagventil i i i zu dem Servomotorzylinder
51 geht. Der Kolben So wird daher durch Relaiswirkung in Abhängigkeit von Druckänderungen
des bei 77 zugeführten COls bewegt, wenn auch nicht direkt durch Drucköl, wie es
schematisch in Fig. i gezeigt ist.
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Die Austrittsseite des Steuerventils 107 ist direkt mit dem Auslaß
verbunden, wenn dieDrossel 2o in oder nahezu in der voll geöffneten Stellung
steht.
Dieser Weg ist jedoch, wenn die Drossel 20 um mehr als etwa io° geschlossen wird,
durch den Kolben des Abschaltventils io6 versperrt, welcher an dem linksseitigen
Ende des freien Hebels io5, der den Bewegungen der Drossel 2o über das Gestänge
io8, iog folgt, angelenkt ist. Der Abfluß des Steuerventils 107 wirkt dann auf das
untere Ende des leicht federbelasteten Umschaltventils 54 und hebt dieses an, so
daß die Öffnung freigegeben wird, durch welche er über die Leitung 55 an die Unterseite
des Zylinders 41 gelangt, so daß der Kolben 4o das Abblasventil 34 öffnet. Der obere
'feil des Umschaltventils 54 öffnet gleichzeitig die obere Seite des Zylinders 41
zum Auslaß über die Leitung 56. Die Hilfsauslaßöffnungen an der öffnungsseite des
Zylinders 41 werden von seinem Kolben 4o am Hubende freigegeben. Die Bewegung der
Drossel 20 führt durch das Gestänge io9, io8 auch das Steuerventil 107 in
seine neutrale Lage zurück, wobei der Hebel io5 sich dann um sein rechtsseitiges
Ende dreht (Nachfolgewirkung).
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Das Auslöseventil i io wird normalerweise gegen seine Feder durch
den Öldruck niedergedrückt, welcher über das Auslöseventil 113 zugeführt wird. Wenn
dieser Druck jedoch durch die Betätigung des Ventils 113 oder auf andere Weise fortfällt,
hebt sich das Ventil i io durch seine Federspannung und überbrückt das Steuerventil
107.
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Als Schutz gegen die Möglichkeit, daß irgendein Kolben des Relaisventilkastens
ioo oder der Kolben 5o des Servomotors 51 hängenbleibt und dadurch das Schließen
der Drossel 2o verhindert, wenn einer der Auslöser arbeitet, wird ein anderer Auslaßweg
durch das Entlastungsventil i 12 geöffnet, durch welchen der Kolben 5o das Öl unter
der Wirkung seiner Feder, die auch bei dieser Ausführungsform die Schließung der
Drossel 2o bewirkt, direkt in den Auslaß entleeren kann. Dieses Entlastungsventil
112 ist durch eine Feder vorgespannt und wird normalerweise durch Drucköl belastet,
welches über das Ventil 113 in der Richtung kommt, daß seine Auslaßöffnung geschlossen
gehalten wird.