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In Abhängigkeit von der Drehzahl ansprechendes Gerät Die Erfindung
betrifft ein in Abhängigkeit von der Drehzahl ansprechendes Gerät, das bei einer
bestimmten Drehzahl einen äußeren Vorgang auslösen soll.
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Bei umlaufenden Maschinen wird bekanntlich eine Uberwachung der Drehzahl
verlangt, damit ein unzulässige Steigerung der Drehzahl sofort entdeckt und eine
wirksame Gegenmaßnahme ausgelöst werden kann.
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Wenn die normale Drehzahl sehr hoch, z. B. in der Größenordnung von
20 ooo bis IOO 000 U/m, liegt, insbesondere bei kleinen Maschineneinheiten, war
es bisher sehr schwierig, eine als drehzahlabhängiger Auslöser (Drehzahlwächter)
wirkende Vorrichtung zu finden, die sowohl einfach als auch zuverlässig ist. Außerdem
ist es erwünscht, daß eine Auslösevorrichtung, die bei einer bestimmten Drehzahl
ansprechen soll, bei ihrem Ansprechen bereits nennenswerte Auslösekräfte ausübt.
Es ist schwierig, das Auftreten von Unwuchtkräften zu vermeiden. Selbst wenn diese
Kräfte nur momentan vorhanden sind, können sie doch in schnell laufenden Maschinen
sehr gefährlich werden.
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Bei den üblichen, unter Ausnutzung der Fliehkraftwirkung ein Steuerorgan
bewegenden Reglern erfolgt die Bewegung des Steuerorgans »schleichend «; um nennenswerte
Auslösekräfte auszuüben, muß man verhältnismäßig große Fliehgewichte und eine entsprechend
stabile Konstruktion wählen.
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Es ist auch schon vorgeschlagen worden, bei Geräten, die als Drehzahlwächter
benutzt werden, eine Vorrichtung zu verwenden, bei der durch die Wir-
kung
der Fliehkraft Teile der Vorrichtung aus einer stabilen Gleichgewichtslage über
ein instabiles Gebiet hinweg in eine zweite stabile Gleichgewichtslage gebracht
werden, wodurch einerseits ein plötzliches Auslösen erreicht wird und anderseits
verhältnismäßig große Ausiösekräfte ausgeübt werden können.
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Bei derartigen Vorrichtungen hat man auch schon mit Fliehgewichten
verbundene federnde Streifen verwendet, die symmetrisch zur Drehachse eines die
Streifen tragenden rotierenden Tragstückes angeordnet sind und dabei in einer im
wesentlichen senkrecht zu dieser Achse liegenden Ebene gehalten werden. Diese Federn
arbeiten aber mit weiteren bewegbaren Führungsteilen zusammen. Zwischen den Federn
und diesen Führungsteilen treten von den Drehzahlen abhängige veränderliche Drücke
auf, so daß die Federn ständig durch die anderen Bauteile des Mechanismus beeinflußt
werden. Bei diesen bekannten Vorrichtungen bilden überdies die Reibungskräfte zwischen
den Federn und den weiteren bewegten Teilen der Vorrichtung eine zusätzliche Störungsquelle.
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Die bekannten Geräte dieser Art haben außerdem noch den Nachteil,
daß die den äußeren Vorgang auslösendenl Mittel, z. B. elektrische Kontakte, ständig
mit dem auszulenkenden Glied verbunden sind.
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Die Erfindung hat den Zweck, ein besonders für hohe Drehzahl geeignetes,
in Abhängigkeit von der Drehzahl ansprechendes und zuverlässig arbeitendes Gerät
von einfachem Aufbau zu schaffen, bei dem praktisch keine störenden Unwuchtkräfte
auftreten und bei dem das Arbeiten des aus einer stabilen Gleichgewichtslage in
eine andere solche stabile Gleichgewichtslage umschl agenden Auslösegliedes lin
seiner Bewegung nicht durch zusätzliche mit ihm verbundene Konstruktionsteile behindert
ist.
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Die Erfindung besteht darin, daß ein in Abhängigkeit von der Drehzahl
ansprechendes Gerät mit einem biegsamen, in einem stabilen Auslenkungszustand befindlichen
Streifenglied, das von einemrotierenden Tragstück symmetrisch zur Drehachse in einer
im wesentlichen senkrecht zw dieser Achse liegenden Ebene gehalten wird und infolge
der Zentrifugalkraftwirkung zweier beiderseits der Drehachse mit ihm verbundener
Gewichte bei einer bestimmten Drehzahl in einen anderen stabilen Auslenkungszustand
übergeht, während auf eine solche Änderung des Auslenkungszustandes ansprechende
Mittel einen äußeren Vorgang aus lösen, ein Streifenglied enthält, das eine einzelne,
nur an ihren beiden Enden gehaltene Strebe ist; die mit den auf die Änderung ihres
Auslenkungszustandes ansprechenden Mitteln erst nach Eintritt der Änderung ihres
Auslenkungszustandes zusammenwirkt.
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Die Enden der Strebe können schwenkbar in Noten festgehalten oder
fest eingespannt sein; in beiden Fällen läßt sich eine feine und genaue Einstellung
der ursprünglichen' Auslenkung durchführen, Es ern13fielElt sich, in das Gerät eine
Vorrichtung einzubauen, die nach dem Wechsel des Auslenkungszu,standes ein Rückfülhren
der Strebe in ihren ursprünglichen Au,slenkungszastand gestattet und es auf außerhalb
liegende Teile dadurch einwirken zu essen, daß es bei seinem Ansprechen den Zustand
eines elektrischen Stromkreises ändert.
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Das Gerät gemäß der Erfindung kann - wie bei Drehzahlwächtern üblich
- bei rotierenden Maschinen verwendet werden, deren Drehzahlregelung von dem Auslenkungszustand
der Strebe des Gerätes abhängig gemacht werden soll, und zwar mittels eines elektrischen
Stromkreises.
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Die Einwirkung auf einen elektrischen Stromkreis erfolgt zweckmäßig
dadurch, daß die auf die Änderung des Auslenkungszustandes ansprechenden Mittel
des Gerätes gefederte, mittels eines Stößels geschaltete elektrische Kontakte sind
und der Stößel so angeordnet ist, daß er von der Strebe bei ihrem tlbergang in den
anderen Auslenkungszustand betätigt wird.
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In der einfachsten Ausführung des Gerätes könnte die Strebe eine
in einem gleichmäßigen Bogen seitlich ausgebogene Strebe sein; bei höheren Drehzahlen
empfiehlt es .sich jedoch, der Strebe in ihrem ersten stabilen Auslenkungszustand
die Form eines S zu geben, dessen Mittelpunkt mit der Drehachse zusammenfällt, wobei
die Fliehgewichte derart an der Strebe angreifen, daß bei der Änderung des Auslenkungszustandes
die Strebe in eine etwa spiegelbildliche Lage kommt.
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Wenn die durch das Gerät gemäß der Erfindung zu überwachende Maschine
eine Gasturbine ist, empfiehlt es sich, die Drehzahlregelung durch Veränderung der
Menge des Arbeitsmiftels zu bewirken, das durch die Turbine fließt.
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In der Zeichnung ist der Grundgedanl.e-der Erfindung an einigen Skizzen
erläuti:it, weiterhin sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
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Es zeigen Fig. 1 a bis 1 d in schematischer Form das Verhalten einer
dünnen Strebe, die an ihren Enden gelenkig eingespannt ist, wenn zunehmende Kräfte
seitlich auf die Strebe wirken; in der Fig. Ia werden keine Kräfte auf die Strebe
ausgeübt, während die gemäß den Fig. 1 b bis 1 d an der Strebe angreifender Kräfte
stabile, unstabile und wiederum stabile Auslenkungen der Strebe bewirken, Fig. 2
eine praktische Ausführungsform der Erfindung, nämlich einen Drehzahlwächter, dessen
Wirkungsweise auf dem in den Fig. 1 a bis Id erläuterten Prinzip beruht, Fig. 3
eine Teildarstellung der Befestigung der biegsamen Strebe eines Drehzahlwächters
als eine abweichende Aus führungs einzelheit des Gerätes gemäß Fig. 2, Fig. 4 den
Einbau eines Drehzahlwächters gemäß Fig. 2- oder 3 in einer Gasturbine, deren Steuereinrichtung
von dem vorher gezeigten Drehzahlwächter beeinflußt wird, Fig. 5 a bis 5 c eine
andere Anordnungsart einer in ihren Endpunkten gelenkig gelagerten, ausgelenkten
Strebe die von Kräften beeinflußt wird, die bei Drehbewegung auftreten.
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Die Arbeitsweise der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Vorrichtungen
beruht auf dem Prinzip des unstabilen Verhaltens einer dünnen Strebe, das durch
die Fig. I a und 1 b erläutert werden soll. In der Fig. 1 a stützt sich eine dünne
Strebe A C B mit ihren Enden in Zapfengelenken ab; sie ist seitlich so gebogen,
daß ihr mittlerer Punkt C auf. einer Seite derjenigen Linie liegt, die die Punkte
A und B verbindet. In der Fig. 1 b wird gezeigt, wie zwei Kräfte F1 senkrecht zu
der Linie A-B und verhältnismäßig nahe an den. Zapfengelenken auf die Strebe einwirken.
Die Auslenkung des mittleren Punktes C ist ein wenig größer geworden, diese Auslenkung
kann jedoch noch als eine stabile Anslenkung angesehen werden, denn wenn die Kräfte
P1 entfernt werden, nimmt die Strebe ihre ursprüngliche, in Fig. 1 a gezeigte Form
an. In der Fig. 1 c ist derjenige Zustand dargestellt, der bei einer Verstärkung
der Kräfte F1 auf die Kräfte F2 eintritt. Aus dieser Darstellung geht klar hervor,
daß, wenn die Kräfte F2 einen bestimmten Wert überschreiten, dessen Größe von den
kennzeichnenden Werten der Strebe abhängig ist, ein unstabiler Auslenkungszustand
erreicht wird, bei dem zuinächst der Mittelpunkt der Strebe in die durch D bezeichnete
Lage kommt, worauf die Strebe plötzlich nach der entgegengesetzten Seite ausschlägt,
wobei ihr Mittelpunkt in die durch E bezeichnete Stellung gelangt, wie sie in der
Fig. 1 d dargestellt ist. Ein kritischer Wert der Kräfte F bewirkt diese plötzliche
Verschiebung der Mitte der Strebe von dem Punkt D in der Fig. I c zu dem Punkt E
in der Fig. 1 d, und dieser Wechsel des Auslenkungszustandes bildet die Grundlage
der Auslösungswirkung des Drehzahlwächters, der weiterhin an Hand der Fig. 2 und
3 beschrieben wird.
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In dem Gerät gemäß Fig. 2 dreht sich das gabelartige Tragstück I
in dem Gehäuse 2, wobei es über einen Mitnehmer 3 von einem rotierenden Körper angetrieben
wird; in Abhängigkeit von der Drehzahl dieses (nicht dargestellten) rotierenden
Körpers soll der Drehzahlwächter ansprechen. In dem gabelartigen Tragstück I sitzt
eine leichte, biegsame, als federnder Metallstreifen ausgebildete Strebe 4, die
in zwei als Gelenke wirkenden Schlitzen a und b gelagert ist. Die Strebe 4 trägt
in der Nähe ihrer Enden zwei kleine leichte Gewichte 5; die Strebe ist zunächst
in der Richtung auf den Basisteil des gabelartigen Tragstückes I durchgebogen. An
den dem Antriebszapfen gegenüberliezenden Enden des Drehzahlwächters ist in dem
Gehäuse 2 ein Hohlstoßel 6 mit Gleitsitz geführt. Der Stößel steht unter der Wirkung
einer Schraiuibenfeder 7, die ihn mit seinem unteren Flansch 8 gegen die Außenseite
des Gehäuses 2 drückt. In dieser Stellung des Stößels 6 kann ein elektrischer Strom
über die beiden Zuleitungen 9, die Kontakte IO und eine leitende, in die zylindrische
Oberfläche des Stößels 6 eingelassene Hülse II fließen.
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Ein Vergleich dieses Gerätes mit dem in den Fig. I a bis I d dargestellten
Verhalten einer dünnen Strebe zeigt ohne weiteres, in welcher Weise die Vorrichtung
arbeitet. Bei wachsender Drehzahl der Welle erhöhen sich die von den Gewichten 5
auf die Strebe 4 ausgeübten Momente, da diese Gewichte 5 von der Drehzahl abhängige
Zentrifugalkräfte ergeben. Bei einer bestimmten Drehzahl schwenkt die Strebe 4 plötzlich
in die stabile Auslenkungsstellung um, die durch die strichpunktierte Linie dargestellt
ist, die der Ausfenkung der Strebe in der Fig. 1 d entspricht. Wenn die Strebe in
diese Auslenkungslage übergeht, trifft der Mittelpunkt der Strebe auf den Kopf des
Stößels 6 und überwindet den Widerstand der Feder 7. Der Stößel 6 gleitet in seiner
Führung im Gehäuse 2 nach außen, und die Verschiebung der leitenden Hülse 1 1 unterbricht
die elektrische Verbindung zwischen den beiden Kontakten IO. Die neue Lage der Strebe
ist eine stabile Lage, und der Stößel wird in seiner neuen Stellung festgehalten.
Infolgedessen besteht nach dem Übergang der Strebe aus dem Auslenkungszustand gemäß
Fig. 1 a in den Auslenkungszustand gemäß Fig. 1 d keine elektrische Verbindung mehr
zwischen den Klemmen IO und damit zwischen den beiden Zuleitungeng. Wenn die Welle
zum Stillstand kommt oder die Geschwindigkeit wenigstens unter den kritischen Wert
der Strebe 4 heruntergesetzt worden ist, kann die Strebe 4 in ihren ursprünglichen
Auslenkungszustand zurückgedrängt werden, indem man auf den mit einem Druckknopf
versehenen zweiten Stößel 12 drückt, der in der Bohrung des Stößels 6 axial verschiebbar
ist. Nach Wiedereinstellen der Strebe 4 in ihren ursprünglichen Auslenkungszustand
bringt die Feder 7 auch den Stößel 6 in seine Ausgangslage. Es wäre auch möglich,
falls erwünscht, eine selbsttätige Rückstellvorrichtung vorzusehen.
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Eine Einstellung der kritischen Drehzahl, bei der der Drehzablwächter
auslöst, kann durch Enden rung der ursprünglichen Auslenkung der Strebe 4 bei Stillstand
der Vorrichtung durchgeführt werden. Diese Änderung der ursprünglichen Auslenkung
erfolgt mittels der Madenschrauben I3 an den Gelenkpunkten; die Madenschrauben sind
durch (nicht dargestellte) Offnungen in dem Gehäuse 2 erreichbar. Die Änderung der
Einstellung wird an beiden Enden der Strebe 4 gleichmäßig dufchgeführt, damit die
durch das Entstehen einer Unwucht in der Vorrichtung bedingte Gefahr möglichst klein
gehalten wird. Durch eine solche Änderung der Einstellung wird das Verhältnis zwischen
den seitlichen Kräften und de-n unstabilen Betriebspunkt der Strebe 4 geändert;
es hat sich herausgestellt, daß dieses Verhältnis einwandfrei in vorauszubestimmender
Weise beeinflußt werden kann.
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Ein verhältnismäßig großer Bereich der kritischen Drehzahl kann auf
diese Weise allein durch Einstellen der Madenschrauben I3 erreicht werden.
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Voneinander abweichende Bereiche von Betriebsdrehzahlen lassen sich
dadurch einstellen, daß man nicht nur die ursprüngliche Auslenkung einer einzigen
Strebe ändert, sondern auch dadurch, daß man die Strebe gegen andere Streben auswechselt,
die abweichende Stabilitätscharakteristiken haben.
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Der Baustoff, die Dicke, die Länge der Strebe und
die
Lage der Gewichte 5 beeinflussen sämtlich diese Charakteristiken. Es hat sich herausgestellt,
daß für den Zusammenhang zwischen den den Wechsel des Auslenkungszustandes der Strebe
bewirkenden Momenten und dem ursprünglichen Auslenkungs-. zustand der Strebe stetige
Kurven für unterschiedliche Stärke und Materialeigenschaften der Strebe aufgestellt
werden können. Im allgemeinen ist es am zweckmäfligsten, die Gewichte 5 in einem
Abstand von den Enden der Streben anzubringen, der zwischen einem Sechstel und einem
Drittel der Strebenlänge liegt. Die Lagerung der Strebe an ihren Enden beeinflußt
ebenfalls ihre Stabilitätscharakteristik; es wurde gefunden, daß bei sonst gleichen
Bedingungen, abgesehen von fest eingespannten Strebenenden, wie sie die Fig. 3 zeigt,
besser schon bei gelenkig gelagerten Enden gemäß Fig. 2, das für den Wechsel der
Aus lenkung erforderliche Moment herabgesetzt werden kann. Weiterhin läßt sich das
erforderliche Moment und damit die kritische Drehzahl vorher bestimmen, und unter
gewissen Bedingungen ist die Ausführung gemäß Fig. 3 vorzuziehen, weil bei ihr die
Strebe 4 fest eingebaut ist.
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Gemäß Fig. 3 wird die Strebe 4 zwischen zwei Druckstücken 14 festgeklemmt,
die in das gabelförmige Tragstück I eingesetzt sind. Die Druck- oder IR:lemmstücke
r4 haben an ihren äußeren Enden haXbkreisförmige Querschnitte, während an ihren
inneren Enden mit rechtwinkligen Flanschen versehene Endteile I5 sitzen, Die beiden
Klemmstücke I4 werden durch einen mit Außengewinde versehenen Ring I6 zusammengehalten,
der auch eine Einstellung der Klemmstücke gestattet. Mittels eines Gabelschraubenziehers,
der in das äußere Ende des Ringes I6 eingreift, läßt sich eine feine Einstellung
des ursprünglichen Auslenkungszustandes der Strebe 4 erzielen.
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In der Fig. 4 ist gezeigt, wie ein Drehzahlwächter, ähnlich dem in
den Fig. 2 und 3 dargestellten, in eine Gasturbine eingebaut werden kann. Die Gasturbine
I7 ist eine Zentripetalturbine, der das Arbeitsgas über die Zuleitung 18 und die
Außenschnecke 19 zugeführt wird. Die Abgase der Turbine fließen durch die Leitung
20 ab. Innerhalb des inneren Führungsstückes 2I, das unmittelbar hinter dem Rotor.der
Turbine sitzt, ist ein Höchstdrehzahlauslöser oder Drehzahlwächter 22 der oben beschriebenen
Bauart eingesetzt. Eine Betätigungsstange 23 ist vorgesehen, um das Zurückstellen
des Auslösemechanismus des Drehzahlwächters nach seinem Ansprechen zu gestatten.
Diese Betätigungsstange 23. kann von einem Punkt außerhalb der Turbine bewegt werden.
Die elektrischen Zuleitungen 9 erden über hohl ausgeführte Tragrippen des Führungsstückes
21 nach außen geführt und an einen elektrischen Stromkreis angeschlossen, der einen
Handschalter, Stromanschlüsse und einen Elektromagneten 24 enthält.
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Im-normalen Betrieb ist der Drehzahlwächter 22 in seiner Ausgangsstellung
und der elektrische Stromkreis geschlossen, so daß der Elektromagnet 24 erregt ist.
Der Elektromagnet 24 ist so angeordnet, daß er einen Arm 25, der auf der Spindel
der Ventilklappe 26 in der Zuleitung I8 sitzt, gegen die Kraft einer Feder 27, die
die Klappe 26 zu schließen sucht, festhalten kann. Sobald die Turbine ihre zulässige
Drehzahl überschreitet, spricht der Drehzahlwächter 22 an, die in ihm befindliche
Strebe wechselt ihren Auslenkungszustand, und der elektrische Stromkreis, der den
Elektromagnet 24 speist, wird unterbrochen. Der Elektromagnet 24 gibt den Arm 25
frei, und die Feder 27 dreht die Ventilklappe 26 um einen Winkel von go0 in eine
Stellung, in der sie die ZuleitungI8 schließt. In dieser Schließstellung der Klappe
26 wird der Arm 25 durch den Anschlag 28 festgehalten. Nachdem die Zufuhr des Arbeitsgases
zur Turbine abgesperrt worden ist, geht die Drehzahl des Turbinenrotors 17 herunter;
die Turbine kann, falls erwünscht, auch stillgesetzt werden. Sobald die Ursache
für das unzulässige Ansteigen der Turbinendrehzahl gefunden ist, kann man das Klappenventil
26 durch Schwenken des Armes 25 wieder öffnen, nachdem vorher über die Betätigungsstange
23 der Drehzahlwächter 22 in seine Ruhestellung gebracht worden ist. Der in der
Ruhestellung des Drehzahlwächters 22 wieder geschlossene elektrische Stromkreis
bewirkt die Erregung des Magneten 24, der- den Arm 25, damit die Ventilklappe 26
in ihrer geöffneten Stellung wieder festhält. Unter gewissen Bedingungen mag es
unerwünscht sein, die Turbine vollständig stillzusetzen; in diesen Fällen läßt man
durch entsprechende Anordnung des Anschlages 28 das Klappenventil 26 nicht vollständig
schließen. Eine gefährliche Überdrehzahl der Turbine kann so mit Sicherheit vermieden
werden, ohne daß jedoch die Turbine vollkommen stillgesetzt werden muß.
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Das gleiche Wirkungsprinzip der unstabilen Strebe, die seitlichen
Kräften unterworfen wird, kann auf verschiedene Art angewendet werden.
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Eine abweichende Verkörperung der Erfindung ist schematisch in. den
Fig. 5 a bis 5 c dargestellt. Bei dieser Ausführungsart ist die Strebe 4 ursprünglich
in Form eines S gebogen, und die Gewichte 5, an denen die FiehkräfteF angreifen,
sind nahe dem Mittelpunkt der Strebe befestigt. In der Fig. usa befindet sich die
Strebe AB in ihrer stabilen Ausgangslage; die Fig. 5 b und 5 c zeigen die Strebe
nacheinander in ihrer unstabilen und. ihrer zweiten stabilen Auslenlcungslage. Beim
Vergleich der Fig. 5 a und 5 c zeigt sich, daß das mittlere Stück der Strebe 4 um
den Winkel a in eine gegenüber der Ausgangslage etwa spiegelbildlich zur Drehachse
befindlichen Lage geschwenkt worden ist. Diese Winkelbewegung kann dazu benutzt
werden, einen elektrischen Stromkreis zu öffnen oder zu schließen.
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Ein Drehzahlwächter, bei dem eine solche S-förmige Strebe als wirksames
Glied benutzt wird, ist mit einem Paar Schleifringe auf der Welle zu versehen, damit
die Auslösung mittels eines elektrischen Stromkreises auf andere Geräte übertragen
werden kann.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die nicht zeichnerisch
dargestellt worden ist, können zwei Gewichte schwenkbar an den Enden
der
Arme eines gabelartigen Traggliedes befestigt sein; die auisgelenkte Strebe ist
zwischen den Gewichten angeordnet und mit ihnen fest verbunden.
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Im Betrieb bewegen sich die Gewichte nach außen, d. h. von der Drehachse
weg, und der Auslenkungszustand der Strebe kann bei einer vorbestimmten Drehzahl
infolge der Wirkung der Zentrifugalkräfte der Gewichte in einen anderen stabilen
Auslenkungszustand übergeführt werden.
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Es ist bekannt, daß federnde Streifen bereits früher in Drehzahlregler
eingebaut worden sind, wobei die Durchbiegung dieser Streifen, die unter dem Einfluß
der Zentrifugalkräfte der Gewichte -aber stets in dem gleichen Auslenkungszustand
-erfolgt, zur Steuerung eines Regelgerätes über elektrische Kontakte ausgenu.tzt
wird. Diese Drehzahlregler ergeben aber kein plötzliches Auslösen des Mechanismus.
Die Drehzahlvorrichtungen mit plötzlichem Auslösen, wie sie bisher verwendet worden
sind, haben viele unterschiedliche Nachteile, die ganz oder wenigstens zum größten
Teil durch die vorliegende Erfindung beseitigt werden.