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Verfahren und Einrichtung zur Regelung von Verpuffungskammern, insbesondere
für Brennkraftturbinen Bei dem Arbeitsspiel einer Verpuffungskammer, wie sie insbesondere
für Brennkraftturbinen Verwendung finden, unterscheidet man üblicherweise die Aufladung,
die Verpuffung, die Dehnung und Spülung. Eine genauere Betrachtung zeigt jedoch,
daß mit dieser Aufzählung die bei jedem Arbeitsspiel auftretenden Vorgänge nicht
insgesamt erfaßt werden. Zwischen Aufladung und Verpuffung liegt nämlich eine Zeitspanne,
deren Anfang mit dem Aufladeventilschluß, deren Ende mit der Zündung zusammenfällt.
In dieser Arbeitspause führen die Gemischbestandteile infolge der mit der Aufladung
verbundenen Vorgänge eine stark wirbelnde Bewegung aus, welche die Bildung eines
gleichmäßigen und an allen Stellen hochzündfähigen Gemisches fördert. Eine Arbeitspause
herrscht weiter zwischen-dem Zeitpunkt, in welchem die durch Zündung und Verbrennung
des Gemisches erzeugten Verbrennungsgase die höchste Spannung erreicht haben und
dem Zeitpunkt, in welchem das Auslaßventil eröffnet wird, das bei Äusnutzung der
Verbrennungsgase in einer Turbine unmittelbar vor den Düsen angeordnet ist und daher
durchweg als Düsenventil bezeichnet wird. Auch diese Arbeitspause ist bestimmend
für den Ablauf des Arbeitsverfahrens, da sie bei gegebener Kühlung die Arbeitstemperaturen
der Kammer wesentlich beeinflußt; die Arbeitstemperaturen ihrerseits haben ausschlaggebende
Rückwirkungen auf die Zündungsart (Selbstzündungen des Gemisches) und damit auf
den Ablauf des Verbrennungsvorganges. Eine Arbeitspause ist weiter denkbar zwischen
dem Zeitpunkt, in dem die Spannung der Verbrennungsgase in der Verpuffungskammer
ihren Kleinstwert erreicht hat und dem Zeitpunkt, in welchem das die Verpuffungskammer
mit gespannter Luft versorgende Lufteinlaßventil eröffnet wird. Nur der Vollständigkeit
halber soll schließlich eine Arbeitspause erwähnt werden, deren Anfang mit der Erreichung
des Düsenventiles durch die Luft zusammenfällt, während ihr Ende durch den Schluß
des Düsenventiles bestimmt ist. In dieser Arbeitspause, auf deren Bedeutung noch
zurückzukommen sein wird, könnte gespannte Luft aus der Verpuffungskammer austreten
und beispielsweise zur -Kühlung der Turbinenbeschaufelung nutzbar gemacht werden.
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In der Eigenart des Arbeitsverfahrens von Verpuffungskammern liegt
es nun, daß die Steuerung nicht jede einzelne Arbeitsspanne und Arbeitspause hinsichtlich
ihres- Anfanges und Endes bestimmt; bei einer Reihe von Arbeitsspannen und -pausen
ist vielmehr der Anfang oder das Ende gegeben durch physikalisch
-chemische
Gesetzmäßigkeiten, denen die vorhergehende oder folgende Arbeitsspanne bzw. -pause
unterworfen ist. Somit sind zu unterscheiden ungesteuerte Spannen oder sogenannte
Prozeßspannen und gesteuerte Spannen, kurz Steuerspannen. Eine Übersicht über die
Prozeß- und Steuerspannen gewährt folgendes Schema:
| Arbeitsspannen |
| Prozeßspanne Steuerspanne |
| und -pausen |
| z. Aufladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . von Düsenventilschluß
Düsenventilschluß |
| bis Aufladeventilschluß Aufladeventilschluß |
| 2. Pause (= Durcnwirbelung) .... von Aufladeventilschluß
Aufladeventilschluß |
| bis Zündung Zündung |
| 3. Verpuffung .................. von Zündung Zündung |
| bis Druckmaximum |
| q.. Pause (=Sattel) . . . . . . . . . . . . . von Druckmaximum |
| bis Düsenventileröffnüng Düsenventileröffnung |
| Expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . von Düsenventileröffnung
Düsenventileröffnung |
| bis Druckminimum |
| 6. Pause ....................... von Druckminimum |
| bis Luftventileröffnung Luftventileröffnung |
| 7. Spülung . . . . . . . . . . . . . . . . , .... von
Luftventileröffnung Luftventileröffnung |
| ' bis Erreichung des Düsen- |
| ventiles durch die Luft |
| B. Pause (= Kühlung) . . . . . . . . . . . von Erreichung des
Düsen- |
| ventiles durch die Luft |
| bis Düsenventilschluß Düsenventilschluß |
Änderungen derArbeitsspannen und-pausensind nun unvermeidlich, wenn in Durchführung
der Regelung der V erpuffungskammern die Zahl der Arbeitsspiele je Zeiteinheit und
Kammer geändert wird. Ursprünglich hat man die Regelung einfach dadurch bewirkt,
daß man der Steuerwelle eine größere oder kleinere Umdrehungszahl gab. Hierdurch
verkürzten oder verlängerten sich sämtliche Steuerspannen eines Arbeitsspieles gleichmäßig,
M=ährend sich die Prozeßspannen infolge ihrer nur teilweisen Abhängigkeit von Steuerzeitpunkten
nicht entsprechend gleichmäßig verändern konnten. Es entstanden, also Unregelmäßigkeiten
und unmittelbare Nachteile dadurch, daß beispielsweise die höchst wesentliche Spanne
der Durchwirbelung der Gemischbestandteile bei einer Leistungserhöhung verkürzt
wird, trotzdem man natürlich bestrebt ist, gerade bei den höheren Delastunden derTurbine
einenmöglichstvollkommenen Ablauf der Zündungen und damit der Verpuffungen zu sichern.
Ganz besonders nachteilig wirkte sich jedoch die Verkürzung der Kühlpause bei größeren
Leistungen aus. Diese" Kühlpause war deshalb erforderlich, weil die Werkstofftechnik
noch nicht so weit entwickelt war, daß man die unmittelbare Verarbeitung von in
einer Verpuffungskammer erzeugten Verbrennungsgasen in einer Turbinenbeschaufelung
wagen konnte. Es mußten also die Beschaufelungen während in jedes Arbeitsspiel eingefügter
IZ'-fihlpausen gekühlt werden, was beispielsweise dadurch geschah, daß man die verdichtete
Luft durch die Verpuffungskammer hindurch in geeigneter Weise auf die Beschaufelung
unter Kühlung derselben zur Wirkung brachte; gleichzeitig wurde hierdurch eine kräftige
Kühlung der Verpuffungskammer erreicht, so daß sich damit die Gaserzeugungstemperaturen
im nächsten Arbeitsspiel wesentlich erniedrigten. Außerdem wurde eine Beseitigung
der Gefahr von Vorzündungen erreicht. Verkürzten sich nun die Kühlpausen bei erhöhter
Leistung der Verpuffungskammer, so konnte weder eine ausreichende Kühlung der Beschaufelungen
und der Verpuffungskammern selbst erreicht, noch die Gefahr von Vorzündungen und
unerwünschten Selbstzündungen wirksam gebannt werden.
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Diese Nachteile wurden zwar bei der Aussetzerregelung vermieden, indem
man eine Anzahl von Arbeitsspielen unverändert abwickelte und hierauf vor Beginn
der nächsten Arbeitsspielfolge mehr oder weniger große Zeitspannen einschaltete.
Hierdurch entstand jedoch eine ausschlaggebende Verschlechterung des Ungleichförmigkeitsgrades,
so daß sich auch diese mit einer Änderung der Arbeitsspielzahl je Zeiteinheit und
Kammer verbundene Regelungsart praktisch nicht durchzusetzen vermochte.
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In Erkenntnis dieser Umstände ist bereits ein Regelungsverfahren entwickelt
und bekanntgeworden, bei dem die Zahl der Spiele
je Zeiteinheit
und Kammer durch Einlegung veränderlicher Zeitspannen zwischen Arbeitsspannen jedes
Spieles bei Unveränderlichkeit mindestens einer Arbeitspause geändert wird. Das
wird dadurch erreicht, daß eine die Steuernocken tragende Steuerhülse während jedes
Arbeitsspieles mit der Antriebswelle gekuppelt und nach Steuerung der Steuerspannen
während jedes Spieles von der Antriebswelle entkuppelt wird. Abgesehen davon, daß
derartige Kupplungen bauliche und betriebliche Schwierigkeiten. bereiten, die bei
größeren Einheiten nicht mehr beherrschbar werden, hat man als veränderliche Zeitspanne
bewußt die Kühlspanne gewählt, indem man die Entkupplung nach der Spülung und die
Kupplung unmittelbar vor der Aufladung durchführte. Man erreichte dadurch, daß die
Kühlspanne einen gewissen Mindestwert nicht unterschritt und sich insbesondere bei
allen Teilbelastungen noch vergrößerte. Man erreichto weiter die mit dem bekannten
Verfahren allein erstrebte Gleichhaltung der Rufladung, Verpuffung, Dehnung und
Spülung, trotzdem nach den Erkenntnissen vorliegender Erfindung diese Spannen als
Prozeßspannen von der Steuerung unabhängig sind, so daß es zur Gleichhaltung dieser
Spannen der bekanntgewordenen Maßnahmen nicht bedurft hätte.
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Demgegenüber kennzeichnet sich das erfindungsgemäß vorgeschlagene
Regelungsverfahren von Verpuffungskammern, insbesondere für Brennkraftturbinen,
bei dem die Zahl der Spiele je Zeiteinheit und Kammer ebenfalls durch Einlegung
veränderlicher Zeitspannen zwischen Arbeitsspannen jedes Spieles bei Unveränderlichkeit
mindestens einer Arbeitspause geändert wird, dadurch, daß die veränderliche Zeitspanne
zwischen die Zeitpunkte des Endes der Dehnung und des Beginnes der Zulassung der
die Verbrennungsgase verdrängenden Luft geschaltet wird. Die Erfindung geht dabei
von der völlig eigen- und neuartigen Erkenntnis aus, daß nur bei Einschaltung der
veränderlichen Zeitspanne zwischen diese beiden Zeitpunkte mindestens eine der übrigen
Arbeitspausen völlig unverändert bleibt. Praktisch bleiben sämtliche der übrigen
Arbeitspausen unverändert, so daß erfindungsgemäß-planmäßig eine Gleichhaltung insbesondere
der Wirbel-und Sattelpausen (Pausen 2 und q. des Schemas) eintritt, die bei dem
bekannten Verfahren nur als unbeachtet gebliebene Nebenwirkung aufgetreten ist.
Die Erfindung verwertet dabei die weitere Erkenntnis, daß mit fortschreitender Beherrschung
der in der Verpuffungskammer während eines Arbeitsspieles auftretenden Vorgänge
in Verbindung mit der neuesten Entwicklung der Werkstofftechnik die Verwirklichung
einer besonderen Kühlung der Kammer und Beschaufelungen mittels verdichteter Luft
entbehrlich erscheint. Erst dadurch ergibt sich die Möglichkeit, die- veränderliche
Zeitspanne zu einem Zeitpunkt gänzlicher Einflußlosigkeit in das Arbeitsspiel einflechten
und gleichzeitig die ursprünglich den Charakter einer Arbeitsspanne aufweisende,
im Rahmen des bekanntgewordenen Regelverfahrens noch als Arbeitspause anzusehende
Kühlung völlig beseitigen,zu können.
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In weiterer Durchführung des Erfindungsgedankens kennzeichnet sich
die Bemessung der veränderlichen Zeitspanne, die zwischen die Zeitpunkte des Endes
der Dehnung und des Beginnes der Zulassung der die Verbrennungsgäseverdrängenden
Luft einzuschalten ist, dadurch, daß sie bei voller Spielzahl, vorzugsweise bei
Vollast, gleich Null ist und entsprechend der Abnahme der Spielzahl, vorzugsweise
also mit sinkender Belastung, zunimmt.. Der Erfindungsgedanke kann dabei in einfachster
Weise dadurch verwirklicht werden, daß mit wachsender Spielzahl die Düsenventileröffnung
nach-, die Eröffnung des Ventiles für die die Restverbrennungsgase verdrängende
Luft sowie die Einleitung der Schlußbewegungen des Düsenventiles und des Ventiles
für die die Restverbrennungsgase verdrängende Luft, alles bezogen auf den Zündzeitpunkt,
vorverlegt werden. Die Nach-und Vorverlegung der Ventile kann dabei, je nach der
Art der Steuerung, in der verschiedensten Weise bewirkt werden. Erfolgt diese, wie
heute üblich, mittels eines gespannten Mittels, so genügt eine Verlagerung der das
gespannte Mittel steuernden Kanten in oder gegen die Bewegungsrichtung derselben.
Die Verlagerung wird dabei zweckmäßig durch Verstellung das gespannte Mittel steuernder,
geneigter Kanten in einer Richtung quer zur Bewegungsrichtung derselben verwirklicht,
so daß entsprechend der Neigung der Kanten und entsprechend dem Verstellweg die
gesteuerten Ventile früher oder später eröffnet oder geschlossen werden.
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Entsprechend der jeweiligen Steuerung der Verpuffungskammern können
auch die Einrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens
in der mannigfaltigsten Art und, Weise ausgebildet werden. Sie kennzeichnen sich
vorzugsweise durch Vorrichtungen zur Veränderung der Vor-oder Nacheilung der wirksamen
Steuerpunkte eines Steuerkörpers in bezug auf die Bewegung, welche die periodische
Betätigung der gesteuerten Organe erzeugt. So würde ein umlaufender Verteiler für
das die Steuerungsorgane betätigende, gespannte Mittel zweckmäßig schraubengangförmig
ausgestaltete
Steuerkanten aufweisen und gleichzeitig axialverschiebbar
sein. Die Gangsteigung der Steuerkanten kann dabei für verschiedene Steuervorgänge
verschieden sein, während sie je Steuerkante innerhalb eines von Expansionsende
bis Expansionsende betrachteten Spieles gleich ist, so daß' die Zeitdauer der Steuerspannen
bis auf die veränderliche Zeitspanne zwischen Expansionsende und zum nächsten Spiel
gehöriger Eröffnung des Ventiles für die die Verbrennungsgase verdrängende Luft
bei allen Spielzahlen auf dem gleichen Wert erhalten bleibt. Dabei ist die Gangsteigung
der Steuerkanten des Verteilers für das gespannte Arbeitsmittel gegeben durch den
Verstellhub des Verteilers und durch den auf den Verteilerumfang reduzierten Abstand
der zugehörigen Steuerpunkte in denjenigen Druckzeitdiagrammen, welche jeweils zu
der größten und kleinsten in den Regelbereich einbezogenen Gesamtveränderung der
Zahl der Arbeitsspiele je Zeiteinheit gehören.
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Sind die die Steuerkanten bildenden Steuerwülste auf dem Verteiler
entsprechend der Gattung der durch das gespannte Mittel zu betätigenden Organe abschnittsweise
axial hintereinander angeordnet, so können sämtliche Steuerungsorgane einer Verpuffungskammer
von einer, höchstens zwei Verteilersäulen aus gesteuert werden, wobei der besondere
Vorteil einer vollkommenen Gleichzeitigkeit der von einem Verteiler aus in demselben
Zeitpunkt ausgelösten Steuervorgänge entsteht.
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Im Wesen der Erfindung liegt es, daß auch die kinematische Umkehrung
der gekennzeichneten Einrichtungen mit dem gleichen, grundsätzlichen Erfolg angewendet
werdent kann.
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Dadurch, daß erfindungsgemäß eine Änderung des Zeitpunktes eintritt,
in welchem die die Verbrennungsgase verdrängende Luft in die Verpuffungskammer eingelassen
wird, kann sich auch der Zeitpunkt verschieben, in welchem der Brennstoff in die
Verpuffungskammer einzuführen ist. Es liegt daher nahe, die zur Einführung des Brennstoffes
dienenden Einrichtungen, insbesondere diel Plunger der Brennstoffpumpe, durch das
gespannte Mittel zu bewegen und zur Steuerung des gespannten Mittels auf dein Verteiler
eine Steuerwulstanordnung vorzusehen, wie sie für das Düsen- und Luftventil bereits
gekennzeichnet worden ist.
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Da im Betriebe von Verpuffungskammern öfters die Notwendigkeit auftritt,
die Steuerung der Turbinen auf einen bestimmten Brennstoff abzustimmen und beispielsweise
die Zeitspanne (Sattelpause), innerhalb derer die Verbrennungsgase in der Verpuffungskaminer
unter höchstem Druck und höchster Temperatur stehen, zu vergrößern, damit der Kammerbetrieb
mit schwerer zündenden Brennstoffen durchgeführt werden kann, werden vorteilhaft
zwischen dem Gehäuse zum Anschluß der Leitungen für das gespannte Mittel und dem
Verteiler in einzelnen Ab.schnitten gegenüber anderen Abschnitten verstellbare Steuerbüchsen
vorgesehen, über welche die Zeitpunkte des Zu- und Abflusses des gespannten Mittels
für je eine Gattung zu betätigender Steuerorgane gemeinsam und in gleicher Weise
zu den Steuerzeiten der übrigen Steuerorgane verstellbar sind. In dem erwähnten
Fall würde beispielsweise die den Verteilerabschnitt für das Düsenventil umgebende
Büchse in Richturig der Umlaufbewegung des Verteilers etwas verschoben, so daß sich
die Düsenventile sämtlicher Kammern etwas später öffnen als in der Grundstellung
der Büchse. Es vergrößert sich also die Zeitdauer, innerhalb deren die Verbrennungsgase
in der Verpuffungskammer unter, höchstem Druck stehen, also die Sattelzeit im Druckzeitdiagramm,
so daß sich ein Temperaturzustand der Verpuffungskammer einstellt, bei der ein Betrieb
mit schwerer zündenden Brennstoffen, wie beispielsweise mit Kohlenstaub, durchgeführt
werden kann. Im Wesen der Erfindung liegt es dabei, daß durch die Versteilbarkeit
der Büchse auch andere Wirkungen erzielt werden können. Ebenso besteht die Möglichkeit,
die Bewegung der Büchse in selbsttätiger Abhängigkeit von bestimmten anderen Veränderlichen
des Verpuffungskammerbetriebes vorzunehinen.
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Die Zeichnung zeigt in Abb. r zwei Regulierdiagramme, die in der Ordinatenrichtung
zur besseren Veranschaulichung versetzt zueinander aufgezeichnet sind; in die gleiche
Abbildung sind die zugehörigen Ventilerhebungskurven eingetragen.
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Abb. a stellt in schematischer Darstellung die Steuerpunkte dar, welche
eine Einrichtung zur periodischen Betätigung der Steuerorgane aufweisen rnuß, um
mit ihr das erfindungsgemäße Regelverfahren durchführen zu können.
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Abb. 3 zeigt eine Abwicklung eines Steuerkörpers, dessen Steuerpunkte
nach Abb. a angeordnet sind.
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Abb. q. gibt einen senkrechten Längsschnitt nach Linie 4-4 der Abb.
5 durch eine Vorrichtung wieder, finit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt
werden kann.
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Abb.5 und 6 zeigen waagerechte Querschnitte durch die Vorrichtung
nach den Linien 5-5 und 6-6 der Abb. q..
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Abb.7 stellt schließlich die Vorrichtung nach Abb. q. bei einem anderen
Regulierungszustand dar.
Abb. i zeigt in dem mit ausgezogenen Linien
wiedergegebenen Diagramm das typische Arbeitsverfahren einer kolbenlosen Verpuffungskammer
gleichen Inhaltes. Die Ordinaten des Diagramms bedeuten Drücke, während die Abszissen
der Steuerwellenverdrehung entsprechen; eine Steuerwellenumdrehung ist gleich 36o°
gesetzt. Zwischen je zwei Ordinatenachsen Z-Z liegt ein volles Arbeitsspiel. Bei
der Steuerwellenstellung o° findet die Zündung im Punkte a statt. Während der Steuerwellendrehung
b erfolgt die Verpuffung. Es schließt sich die Gleichdruckperiode c an, bis sich
im Punkte d das Düsenventil eröffnet. Während der Steuerwellendrehung e expandieren
die Verbrennungsgase. Sobald die Spannung der Verbrennungsgase in der Verpuffungskaminer
den Druck der Luft erreicht hat, öffnet sich im Punkte f das Luftventil, und es
findet bei weiter geöffnetem Düsenventil die Verdrängung der Verbrennungsgase während
der Steuerwellendrehungg statt. Im Punkte 1a schließt sich das Düsenventil, während
bei noch geöffnetem Luftventil die Einführung des Brennstoffes beginnt. Im Punkte
k schließt sich das Luftventil, so daß es insgesamt während der Steuerwellendrehung
g -r- i geöffnet war. Im Punkte a beginnt bereits durch Zündung des in der Kammer,
vorgebildeten Gemisches das nächste Arbeitsspiel. Das mit ausgezogenen Linien wiedergegebene
Diagramm entspricht hierbei einer Arbeitsspielzahl von ioo je Minute, die nach dem
Ausführungsbeispiel der Normalleistung der Verpuffungskammer bzw. der Verpuffungsbrennkraftturbine
entspricht. Es soll nun eine nach diesem Arbeitsverfahren arbeitende Verpuffungskarnmer
so geregelt werden, daß sich in Durchführung der Regelung die Anzahl der Arbeitsspiele
je Zeiteinheit und Kammer verändert, ohne daß einerseits die Arbeitspausen und -spannen
eines Arbeitsspieles bis auf eine in Durchführung des Regelverfahrens, in das Arbeitsspiel
einzuschaltende veränderliche Zeitspanne geändert werden und ohne daß andererseits
durch Einschaltung der veränderlichen Zeitspannen in das Arbeitsspiel eine Beeinflussung
desselben erfolgt. Die Unveränderlichkeit. der Arbeitsspannen und -pausen (bis auf
die veränderliche Zeitspanne) hat den Vorteil, daß sich der Wirkungsgrad, der bei
Normalbelastung (Vollast) durch entsprechende Gestaltung der Spannen optimal ist,
sich unabhängig vom Regulierzustand der Kammer bzw. der Turbine unverändert auf
der optimalen Höhe erhält. Das erfindungsgemäße Regelungsverfahren, bei der die
geschilderten Vorteile vollkommen eintreten, kennzeichnet sich durch Einlegung der
veränderlichen Zeitspanne zwischen die Zeitpunkte des Endes der Dehnung `der Verbrennungsgase
in der Kammer und des Beginnes der Luftventileröffnung. Stellt man den für ioo Arbeitsspiele
in der Minute wiedergegebenen Druckverlauf in Abhängigkeit von der Steuerwellenverdrehung
beispielsweise für einen Regulierzustand auf, bei dein gegenüber der Normalbelastung
nur noch 50 Spiele je Minute ausgeführt werden, so erhält man den in gestrichelten
Linien wiedergegebenen Kurvenzug, der nur zur besseren Veranschaulichung in der
Ordinatenrichtung gegenüber dem ausgezogenen Kurvenzag versetzt gezeichnet ist.
Es zeigt sich, daß, da die Steuerwelle nur noch 5o statt ioo Umdrehungen je Minute
ausführt, die Arbeitsspannen und -pausen im Diagramm um die Hälfte verkürzt erscheinen,
weil die Steuerwelle in dem für die Spannen zur Verfügung stehenden, über die Regulierungszustände
unveränderlichen Zeiten nur die Hälfte der Verdrehung ausführt, welche sie bei ioo
Arbeitsspielen je Minute bzw. ioo Umdrehungen j e Minute in denselben Zeiten erfährt.
Findet die Zündung wieder bei o° Steuerwellenverdrehung im Punkte a' statt, so ist
die Verbrennung im Punkte d', die Dehnung im Punkte f beendet. Erfindungsgemäß soll
nun zwischen dem Zeitpunkt des Endes der Dehnung der Verbrennungsgase in der Verpuffungskammer
f und dem Zeitpunkt der Eröffnung des L uftventiles f" die Zeitspanne veränderlicher
Größe eingeschaltet werden, die bei der Normalbelastung gleich Null ist und entsprechend
der abnehmenden Belastung bzw. entsprechend dem Sinken der Zahl der Arbeitsspiele
je Zeiteinheit zunimmt. Diese Zeitspanne ist also in dem gestrichelt gezeichneten
Diagramm für 5o Spiele je Minute gegeben durch die Steuerwellenverdrehung l'. Da
man erfahrungsgemäß mit einem Regulierungsbereich von ioo-5o Spielen je Minute auskommt,
stellt die Steuerwellenverdrehung l' bzw. das ihr entsprechende Zeitmaß das Größtmaß
der Zeitspanne dar, deren Einschaltung zwischen die Spannen e und g bzw. e' und
g' und deren Veränderlichkeit das Wesen der Erfindung hldet. Für alle Regulierzustände,
die zwischen ioo und- -5o Arbeitsspielen liegen, ist diese Zeitspanne gegeben durch
den jeweiligen Abstand der Steuerwellenstellungen f' und f".
Unterteilt
man die Ordinate, um welche die Diagramme für ioo und 5o Arbeitsspiele je Minute
versetzt sind, in 5o Teile, so entspricht die durch jeden Teilstrich gezogene Horizontale,
begrenzt durch die Linien F, F, einerseits, F, F3 andererseits, der zwischen die
Spannen eingeschalteten Zeitspanne bei dieser Spielzahl, bzw. die Steuerungsorgane
der Verpuffungskammer bzw. der Verpuffungsbrennkraftturbine
müssen
durch Reguliereinrichtungen in Abhängigkeit von der Belastung selbsttätig oder von
Hand so eingestellt werden, daß sich durch Einschaltung der richtig bemessenen Zeitspanne
zwischen dem Zeitpunkt des Endes der Dehnung der Verbrennungsgase in der Verpuffungskammer
und dem Zeitpunkt der Eröffnung des Luftventiles eine Spielzahl je Zeiteinheit einstellt,
bei der die Verpuffungskammer bzw. die Turbine eine dieser Belastung entsprechende
Leistung entwickelt.
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Die Abb. x zeigt weiter die Erhebungsdiagramme des Düsen- und Luftventiles
für die beiden Regulierzustände von ioo und 5o Arbeitsspielen je Minute. Beim Regulierzustand
von ioo Arbeitsspielen je Minute beginnt die Düsenventileröffnung in dem dem Punkte
d entsprechenden Punkte D. Im Punkte M ist das Düsenventil völlig eröffnet.
Das Schließen beginnt im Punkte N, um im Punkte H völlig beendet zu sein. Die Eröffnung
des Luftventiles beginnt im Punkte F. Im Punkte 0 ist das Luftventil völlig eröffnet.
Der Beginn des Schließens liegt im Punkte P, während das Ventil im Punkte K wieder
völlig geschlossen ist. Diese Ventilerhebungsdiagramme sind für den Regulierzustand
von ioo Spielen mit ausgezogenen Linien wiedergegeben, während die gestrichelt gezeichneten
Linien die entsprechenden Ventilerhebungsdiagramme D', NI', N', H'
für das Düsenventil, ', O', P', K' fair das Luftventil beim Regulierzustand von
5o Arbeitsspielen je Minute darstellen. Es zeigt sich also, daß die Einrichtungen
zur Durchführung des Regelungsverfahrens so' ausgebildet sein müssen, daß beispielsweise
bei der Notwendigkeit, die Steuerungsorgane der Verpuffungskammer bzw. der Brennkraftturbine
aus einem Regulierzustand von ioo Arbeitsspielen je Minute in einen Regulierzustand
von 5o Arbeitsspielen je Minute zu überführen, ein Eingriff in die Steuereinrichtungen
des Düsen-und Luftventiles, selbsttätig oder von Hand, so auszuüben ist, daß sich
die Eröffnung des Düsenventiles vom Punkte D zum Punkte D'
verlegt,
der Schluß des Düsenventiles vorn Punkte H nach dem Punkte H' nachverlegt,
die Eröffnung des Luftventiles vom Punkte F nach dem Punkte F nachverlegt und der
Schluß des Luftventiles sich vom Punkte K auf den Punkt X' vorverlegt, alles bezogen
auf Grad Steuerwellenverdrehung. Da die Steuerpunkte D (D'), H (H'), F (F'),
K (K') infolge des rythmischen Arbeitsverfahrens einer Verpuffungskammer periodisch
anzusteuern sind, müssen also die Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Regelungsverfahrens Einrichtungen zur Veränderung der Vor- oder Nachteilung der
wirksamen Steuerpunkte eines Steuerkörpers in bezug auf die Bewegung aufweisen,
welche die periodische Betätigung des Düsen- und Ladeluftventiles bzw. der anderen
zum Betriebe einer Verpuffungskammer bzw. einer Brennkraftturbine erforderlichen
Steuerorgane erzeugt.
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Abb. z zeigt, in welcher Weise die wirksamen Steuerpunkte der Regulierungsvorrichtung
angeordnet sein müssen, d. h., wie in Durchführung des Regelungsverfahrens die Steuereinrichtungen
des Düsen- und Luftventiles zu beeinflussen sind, -wenn ein Regulierungsbyereich
von ioo-5o Arbeitsspielen je Minute ausreicht, um die Belastungsschwankungen ausgleichen
zu können. Beträgt der vom Regler oder von Hand auszuübende Verstellhub, der nach
praktischen Gesichtspunkten ausgewählt ist, das Maß _0 und unterteilt man dieses
Maß in die zwischen ioo und 5o vorkommenden Spielzahlen je Minute, so ergibt sich
ohne weiteres die Charakteristik der wirksamen Steuerpunkte, wenn: man in die Horizontalen
für 5o und ioo Spiele je Minute die zugehörigen Eröffnungs- und Schlußpunkte bzw.
Steuerwellenstellungen für das Düsen- und Luftventil überträgt und die zugeordneten
Steuerpunkte durch Gerade verbindet. Demgemäß stellt die Linie (D) (D') über
den Regulierungsbereich von 100-5o Spielen je Minute dar, bei welchen Sfieuerwellenstellungen
bzw. in welchen Zeitpunkten das Düsenventil zu eröffnen ist, -nenn man einen bestimmten
Belaetungsfall durch einen bestimmten Regulierungszustand, d. h. durch eine bestimmte
Spielzahl je Minute, aufnehmen, will. Die Linie (M) (M') bedeutet daher die Steuerwellenstellungen
bzw. Zeitpunkte, in denen das Düsenventil völlig eröffnet sein muß. Entsprechend
der Linie (N) (N') muß der Schluß des Düsenventiles beginnen, damit es längs
der Linie (H) (H') geschlossen ist. Die Wiedereröffnung des Düsenventiles
erfolgt längs der Linie (D) (D'), um längs der Linie (M) (M') vollendet zu
sein. Entsprechendes gilt für das Luftventil. Es hat sich längs der Linie (F) (F)
zu eröffnen, längs der Linie (0) (O') völlig offen zu sein, längs der Linie (P)
(P') mit dem Schluß zu beginnen und den Schluß längs der Linie (K) (K') zu beenden.
Innerhalb der Zeitfläche (M) (M') (N') (N) hat daher das Düsenventil völlig
offen, innerhalb der Zeitfläche (H) (H') (D')
(D) völlig ,geschlossen zu sein;
für die Öffnung darf die Zeitfläche (D) (D') (11i1') (M),
für den Schluß
die Zeitfläche (N) (7V') (H')
(H) in Anspruch genommen -werden. Das Luftventil
hat innerhalb der Zeitfläche (K) (K') (F) (F) völlig geschlossen, innerhalb
der Zeitfläche (0) (0') (P') (P) völlig offen
zu sein; für
die Eröffnung steht die Zeitfläche (F) (F) (0') (0), für den Schluß
die Zeitfläche (P) (P') (K') (K) zur Verfügung. Die Zeitflächen haben die Bedeutung,
daß ihre Horizontalen für jede Spielzahl die Steuerwellenstellung bzw. Zeitpunkte
des Beginnes der Eröffnung, der vollendeten Eröffnung, des beginnenden Schlusses
und des vollendeten Schlusses angeben.
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Eine besonders einfache Ausbildung der Regulierungsvorrichtung ergibt
sich, wenn man die übliche Steuerung der periodisch zu bewegenden Steuerorgane mit
einem gespannten Mittel durchführt. Die Steuerpunkte des Steuerkörpers brauchen
lediglich die durch die Strecken (D) (D'), (117) (1W'), (N) (N'),
(H)
(H') und (K) (K'), (F) (F'), (0) (O'),
(P) (P') der Abb. 2 gegebene
Charakteristik aufzuweisen. Da der Steuerkörper durchweg als zylinderförmiger, umlaufender
Verteiler ausgebildet ist, liegen demgemäß seine Steuerpunkte in Kanten schraubengangförmiger
Steuerwulste, durch dessen zweckmäßig axiale Verschiebung die Vor- oder Nacheilung
der Steuerkanten: in bezug auf die Umlaufbewegung des Verteilers veränderlich ist.
Die Steigung der Steuerkanten ist dabei durch den gewählten Verstellhub Q und durch
die auf den Verteilerumlauf reduzierten Abstände gleicher Spannen je zweier aufeinanderfolgender
Arbeitsspiele e bzw. e', g + i
bzw. g' -f-- i'" um die der Dehnung
und Ladung herauszugreifen, unter Berücksichtigung der in den Regulierbereich einbezogenen
Gesamtveränderung in der Zahl der Arbeitsspiele je, Zeiteinheit, d. h. von .ioo-5o
je Minute, gegeben. Denn die auf den Verteilerumlauf d. h. auf die Steuerwellenverdrehung
reduzierten Abstände der Einzelphasen e und e' bzw. g -j- i und g' + i' sind ihrerseits.
maßgebend dafür, daß sich die Eröffnung des Düsenventiles unter Berücksichtigung
des gesamten Regulierungsbereiches von der Steuerwellenstellung D nach der
Steuerwellenstellung D', der Schluß von der Steuerwellenstellung H nach der
Steuerwellenstellung H', die Eröffnung des Luftventiles von der Steuerwellenstellung
I#' nach der Steuerwellenstellung F' und der Schluß des Luftventiles von der Steuerwellenstellung
K zur Steuerwellenstellung K' verschiebt. Unter Berücksichtigung des Verstellhubes
ist also die Steigung der Steuerkanten durch die auf den Verteilerumlauf reduzierten
Abstände der Spannen unter Berücksichtigung des Regulierbereiches gegeben. Die axiale
Verschiebung des Verteilers, die notwendig ist, um die Steuerpunkte der Steuerwülste
wirksam werden zu lassen, ist beispielsweise erwähnt worden, ohne daß das Wesen
der Erfindung auf sie beschränkt ist. In kinematischer Umkehrung können auch die
mit den Kanten der Steuerwülste zusammenarbeitenden Steuerkanten verschoben werden.
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Abb.3 zeigt die Abwicklung eines Verteilers, bei dem die Steuerwülste
entsprechend der Gattung der durch das gespannte Mittel zu betätigenden Organe axial
hintereinander angeordnet sind.; In strichpunktierten Linien sind zunächst die Mündungen
der Druckmittelzu- bzw. -abflußleitungen angedeutet, welche zu den Düsen- und Luftventilen
der Verpuffungskammern führen bzw. von ihnen kommen; hierbei ist angenommen, daß
es sich um die Regelung einer Verpuffungsbrennkraftturbine mit zehn Verpuffungskammern
handelt. Die Anschlüsse für die Düsenventile sind mit I bis X, die Anschlüsse für
die Luftventile mit I' bis X' bezeichnet. In an sich bekannter Weise ist die Ausbildung
des Verteilers so getroffen,, daß die Verteilerkammer, welche mit den gerade zu
betätigenden Steuerorganen in Verbindung steht, ständig mit dem Zufluß für das gespannte
Mittel verbunden ist, während die andere Verteilerkammer, welche mit den nicht betätigten
Steuerorganen in Verbindung steht, vom Druckmittelzufluß abgesperrt ist. In Abb.3
bezeichnet in dem für die Steuerung der Düsenventile vorgesehenen Verteilerabschnitt
r die Druckkammer, z die vom Druckmittel abgesperrte Saugkammer. In dem Abschnitt
für die Steuerung der Luftventile ist 3 die Druckkammer, während q. die vom Druckmittel
abgesperrte Saugkammer bezeichnet. Nimmt man an, daß der Verteiler eine Verstellbewegung
von der Größe Q über den Regulierbereich durchführen soll, so muß die Kante 6, welche
die Zulassung des gespannten Mittels zu den Düsenventilen steuert, entsprechend
der Linie (D) (D') der Abb. z verlaufen. Durch geeignete Ausbildung der Düsenventilsteuerung,
sowie durch geeignete Bemessung der Leitungen und des Druckes, unter dem das gespannte
Mittel steht, wird erreicht, daß nach Zulassung des gespannten Mittels zu den Düsenventilen
nach der Kante 5 6, immer gemessen über den gesamten Regulierbereich, die völlige
Eröffnung des Düsenventiles tatsächlich längs der Linie (M) (M') der Abb.2 erfolgt.
Entsprechendes gilt für die Kante 7 f;, welche der Linie (N) (N') der Abb.2 entspricht.
Denn sobald die Steuerkante 7 f; die zu den Düsenventilen führenden Anschlüsse überschleift,
wird das Druckmittel zur Kammer z zu entlastet, so daß sich das Düsenventil zu schließen
beginnt. Wiederum sind die schom benannten Zustandsbedingungen so bestimmt, daß
der Düsenventilschluß tatsächlich nach der Linie (H) (H') der Abb. z erfolgt. Sobald
die Kante 5 6 mit der Charakteristik der Linie (D) (D')
der
Abb. ? einen Düsenventilanschluß überschleift, stellt sich diejenige Eröffnung des
Düsenventiles ein, die in Verbindung mit der Steuerung des Düsenventilschlusses,
durch die Steuerkante 7 8 mit der Charakteristik der Linie (N) (N')@ der
Abb.2 und in Verbindung mit der noch zu erörternden, entsprechenden Steuerung des
Luftventiles durch Einschaltung der richtig bemessenen Wirkungs- und einflußlosen
Zeitspanne l' eine Zahl von Arbeitsspielen je Minute einstellt, bei der die Turbinenleistung
gerade der Turbinenbelastung entspricht. Sinngemäßes gilt für den für die Luftventilsteuerung
vorgesehenen Verteilerabschnitt. Die Steuerkante 9 io weist die Charakteristik der
Linie (F) (F) der Abb. 2, die Steuerkante i 1 12 die Charakteristik der Linie
(P) (P') der Abb. 2 auf. Die Druckkammer 3 steuert also die Luftventile bei den
verschiedenen Spielzahlen je Minute in der durch Abb. 2 vorgeschriebenen Weise und
ergänzt die durch den oberen Verteilerabschnitt vorgenommene Steuerung der Düsenventile.
Der Verteiler führt also zur Steuerung der durch das gespannte Mittel zu betätigenden
Organe eine Umlaufbewegung, dagegen zur Regelung der Steuerbewegung eine auf- und
abwärts gerichtete Bewegung aus. Die Steuerkanten 5 6, 7 8, 9 io und ii 12 werden
durch Steuerwülste 13 14, 15 i6 gebildet, die in Verbindung mit Abschlußleisten
17, 18, ig die Kammern 1, 2, 3 und 4 zwischen der Verteilerwand und der Gehäusewandung
bilden, in welcher der Verteiler umläuft. Abb.3 zeigt dabei eine Stellung des Verteilers,
welche gerade einer Spielzahl von ioo je Minute entspricht. Die Düsenventile der
Kammern IIIo, IV, Vo, VIo, VIIo sind geöffnet, die der Kammern IXo, Xo, I, und IIo
geschlossen. Das Düsenventil der Kammer VIIIo befindet sich bereits in der Schlußbewegung,während
im nächsten Augenblick das Düsenventil der Kammer IIo sich zu eröffnen beginnt.
Weiter, ist das Luftventil der Kammern Vo, VIo, VIIo und VIIIo geöffnet, während
das der Kammern Xo, 1o, 11o, IIlo und IV, geschlossen' ist; das der Kammer IX(,
beginnt sich gerade zu schließen, während im nächsten Augenblick das Luftventil
der Kammer IV, eröffnet wird. Würde von Hand oder vom Regler aus eine Verstellung
des Verteilers im dargestellten Zeitpunkt vorgenommen werden, so ergibt sich. deutlich
sichtbar eine Veränderung in den Zeitpunkten, zu welchen die einzelnen Ventile angesteuert
werden, so daß sich gemäß der Darstellung der Abb. i und .2 die Spielzahl in Anpassung
an sinkende Belastungen vermindert, ohne daß das Arbeitsverfahren selbst und sein
Wirkungsgrad abgeändert würde.
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Die Abb.4 bis 7 zeigen die tatsächliche Ausführungsform der Steuer-
und Regelungseinrichtung. Während die Abb.4 bis 6 die Einrichtung bei einem Regulierzustand
von 5o Arbeitsspielen, also bei völlig abgesenktem Verteiler darstellen, zeigt Abb.7
die Stellung des Verteilers bei einem Regulierzustand von ioo Arbeitsspielen je
Minute.. Der die Steuerwülste tragende Verteiler 2o ist in einem Gehäuse 21, das
die Anschlüsse 22 bis 31 der zu den Düsenventilen führenden Leitungen sowie die
Anschlüsse 32 bis 41 der zu den Luftventilen führenden Leitungen enthält, drehbar
gelagert. Seinen Antrieb erhält er von der Schneckenwelle 42 aus über das Schneckenrad
43 und die Büchse qq., auf der er längsverschieblich gelagert ist und von der er
über Keil 45 mitgenommen wird. Den Druckkammern i bzw. 3 wird das Druckmittel über
Bohrungen 46 bzw. 47; vom Hohlraum 48 des Verteilers aus zugeführt. Der Hohlraum
48 steht mittels eines Hohlzapfens 49 mit der Druckflüssigkeit 50 in Verbindung,
die im Windkessel 51 gespeichert ist. Eine nicht gezeichnete Pumpe fördert das entspannte,
über Rohrleitung 52 aus der Steuer-und Regelvorrichtung entlassene Mittel unter
Druck über Rohrleitung 53 in den Windkessel 51 zurück.
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Um das in Durchführung des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens notwendige
Vor- bzw. Nacheilen in der Eröffnung bzw. dem Schluß der Düsen- und Luftventile
gegenüber der die periodische Eröffnung bzw. den periodischen Schluß der gesteuerten
Vorrichtungen erzeugenden Umlaufbewegung in Abhängigkeit von den verßchiedenen Regulierungszuständen
bewirken zu können, sind in Durchführung der Erfindung folgende Einrichtungen getroffen.
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Der Verteiler 2o läuft auf einem Spurlager 54 um, das auf der Stirnfläche
einer Hohlspindel 55 angeordnet ist. Die Hohlspindel ist mit einer Gewindebohrung
versehen, in der sich die Gewindespindel 56 führt. Über Kegelzahnräder 57 und eine
Vorgelegewelle 58 kann die Gewindespindel von Hand, vom Regler oder von anderen
Organen aus verdreht werden. Da die Hohlspindel 55 durch Nut 59 und Keil 6o an der
Führungsbüchse61 gehindert ist die Drehbewegung der Gewindespindel 56 mitzumachen,
schraubt sie sich an ihr auf und nieder und verlegt hiermit gleichzeitig den Verteiler
in die verschiedensten Höhenlagen innerhalb des vorgesehenen Verstellhubes 0. In
der Darstellung der Abb. 4 befindet sich der Verteiler ganz unten, so daß Steuerpunkte
wirksam werden, welche den Punkten D' und N' einerseits, den Punkten
F' und P' andererseits der Abb. 3 entsprechen, d. h. Abb. 4 zeigt den Regulierungszustand
für 5o Arbeitsspiele je Minute. Demgegenüber
zeigt Abb. 7 die
höchste Stellung des Verteilers, also eine Stellung, bei der die Steuerpunkte wirksam
werden, welche den Punkten D, N einerseits, den Punkten F, P
andererseits
der Abb. 3 entsprechen, d. h. Abb.7 zeigt den -Regulierungszustand für ioo Arbeitsspiele
je Minute. Da der Regulierungszustand von ioo Spielen je Minute der normale ist,
bei dem die Turbine die Volleistung abgibt bzw. die Vollast übernehmen kann, stellt
Abb.7 die Normalstellung dieses Verteilers dar. Zwischen beiden Stellungen liegen
alle Regulierzustände, mit denen die auftretenden Belastungsfälle ausgeglichen-werden
können.
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Zwischen dem Verteiler 2o und dem Gehäuse 2i sind mittels der Zahnbogen
62, 63 Zahnräder 64, 65, Verstellwellen 66, 67 und Feststellvorrichtungen 68, 6g
für verdrehbare Büchsen 7o und 71 angeordnet, über welche die Zeitpunkte des Druckmi.ttelzu-
und -abflusses für je eine Gattung zu betätigender Steuerorgane gemeinsam und in
gleicher Weise verstellbar sind, weil die Ränder der Bohrungen 72 bis 81 bzw, 82
bis 9i unmittelbar mit den wirksamen Steuerkanten der Verteilersteuerwulste zusammenarbeiten.
Die Anschlüsse 22 bis 3 1 bzw. 32 bis 41 sind entsprechend hinterschnitten,
um die über die Büchsen 70 und 71 für je eine Gattung zu betätigenden Organe
gemeinsam und in gleicher Weise wirksame Voreinstellung der Zeitpunkte der Eröffnung
und des Schlusses nicht zu stören. Eine derartige Voreinstellung ist beispielsweise
für die Düsenventile notwendig, wenn in den Verpuffungskammern ein schwerer zündender
Brennstoff zur Verbrennung gelangen soll. In diesem Falle wird die Gleichdruckperiode
(c) bzw. (c') in Abb, i etwas vergrößert, damit der Brennstoff durch stärkere Wärmestrahlung
aus den Kammerwandungen zur Zündung und Verbrennung aufbereitet wird. Die Voreinstellung
kann jedoch auch selbsttätig in Abhängigkeit von bestimmten Einflußgrößen vorgenommen
werden. Im Verteilerkörper 2o sind zur Achse parallel verlaufende Bohrungen 92 vorgesehen,
um die Räume 93 und 94 in, Verbindung zu setzen, damit die in Durchführung des Regelverfahrens
auftretenden Lagenveränderungen des Verteilerkörpers 20 im Raume93 keine Pumpwirkungen
erzeugen.
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Bei der Kennzeichnung der Verteilung ist vornehmlich die Geschwindigkeitsregelung
betrachtet worden. Am Wesen der- Erfindung ändert sich jedoch nichts, wenn eine
Leistungsregulierung durchgeführt wird, wie sie beispielsweise bei Verwendung der
Brennkraftturbine im Schiffsbetrieb erforderlich wird. Ebenso liegt es im Wesen
der Erfindung, daß das gekennzeichnete Regelungsverfahren ohne weiteres mit anderen
Regelungsverfahren verbunden werden kann, wenn die Notwendigkeit hierzu auftritt.