DE2550059A1 - Sicherheitssystem fuer eine dampfturbinenanlage - Google Patents
Sicherheitssystem fuer eine dampfturbinenanlageInfo
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Description
Ke/dh 14.10.75
BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)
Sicherheitssystem für eine Dampfturbinenanlage
Die Erfindung betrifft ein Sicherheitssystem für eine Dampfturbinenanlage,
in welcher stromaufwärts der Turbine mindestens ein Absperrorgan und stromabwärts der Turbine mindestens
ein Vakuumbrechventil vorgesehen sind, welche beide über eine Regel- und Sicherheitseinrichtung gesteuert werden,
ersteres beispielsweise aufgrund eines Drehzahlregler-Signals, letzteres beispielsweise aufgrund eines Ueberdrehzahlwächter-Signals.
Derartige Sicherheitssysteme sind bekannt. Die Vakuumbrechventile,
welche in der Regel am Kondensator von Kondensationsdampfturbinen angebracht sind, werden normalerweise beim Abstellen
einer Turbogruppe geöffnet, um das Vakuum teilweise
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zu verschlechtern oder auch ganz zu brechen. Durch die dabei auftretende verstärkte Ventilation in der Niederdruckbeschaufelung
wird die auslaufende Welle stark verzögert und kritische Drehzahlen werden schneller durchfahren. Die Vakuumbrechventile
sind mit dem Sicherheitssystem der Turbine so verbunden, dass sie erst öffnen, wenn beispielsweise wegen Ueberdrehzahl
der Drehzahlwächter das Sicherheitssystem auslöst. Dieses schliesst ausserdem die Hauptabschlussventile der
Turbine und gibt häufig gleichzeitig Schliessbefehl auf eventuell vorhandene gesteuerte Anzapf- Rückschlagklappen.
Nachteilig ist die Tatsache, dass dieses Vakuumbrechen bei jeder Auslösung des Sicherheitssystems wirksam wird, also
während der Lebensdauer einer Turbine recht häufig auftritt.
Um Risiken hinsichtlich eines Schaufelschadens zu vermeiden, werden die Vakuumbrechventile nach nur massiger Verschlechterung
des Vakuums normalerweise wieder verschlossen. Da dieses Teilvakuumbrechen zu wenig wirksam ist, ist es kaum als zusätzliche
Sicherheit anzusprechen. Ausserdem wird durch die Verknüpfung mit dem üblichen Sicherheitssystem das Vakuumbrechen
erst dann wirksam, wenn die Turbine schon hohe Drehzahl erreicht hat.
Bei Grossanlagen ist es weiter bekannt, den üblichen zwei in Strömungsrichtung in Serie angeordneten Stellgliedern - Haupt-
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abschluss- und Regelventil - ein drittes zusätzliches Ventil vorzuschalten. Dieses zusätzliche Ventil wird durch ein unabhängiges
Logik-System bei zu hohen Drehzahlen geschlossen. Diese Massnahme weist jedoch den Nachteil auf, dass sie zum
einen hohe Kosten und zum andern einen dauernden zusätzlichen Druckverlust verursacht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die in einer Dampfturbinenanlage
in der Regel vorhandene Sicherheitseinrichtung mit einer zusätzlichen Sicherheit zu erweitern, welche erst ·
beim Versagen der erstgenannten wirksam wird.
Erfindungsgemäss wird dies durch die Kombination folgender
Merkmale erreicht:
a) ein Mittel zur Strömungsüberwachung stromabwärts des
Absperrorgans liefert ein Signal an ein Logik-System, wobei der Betrag des Signals im Normalfall der Stellung
des Absperrorganes entspricht;
b) bei Nichtübereinstimmung löst das Logik-System die Sicherheitseinrichtung
aus, wobei das Absperrorgan schliesst und das Vakuumbrechventil teilweise öffnet;
c) stellt das Mittel zur Strömungsüberwachung nach Erreichen des vorgesehenen Teilvakuums einen weiteren Massendurchfluss
fest, so werden über das Logik-System das Vakuum-
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breehventil voll geöffnet und Mittel zum Schutz der Beschaufelung aktiviert, während andernfalls das Vakuumbrechventil
bei Erreichen des vorgesehenen Teilvakuums wieder geschlossen wird.
Der Vorteil der Erfindung ist insbesondere darin zu sehen, dass die zusätzlich erzielte Sicherheit mit relativ massigem
Aufwand geschaffen wird, und zudem bei schon ausgeführten Anlagen nachträglich angebracht werden kann.
Besonders einfach ist die zu schaffende Einrichtung, wenn das • Mittel zur Strömungsüberwachung ein zwischen eine oder mehrere
Turbinenstufen anschliessbarer Differenzdruckgeber ist.
Ferner ist es zweckmässig, wenn das vergleichende Logik-System
zwei Zeitglieder enthält, wobei ersteres die Auslösung der Sicherheitseinrichtung um vorzugsweise 0,1 bis 0,5 see
verzögert, während die zweite die Auslösung der Vollvakuumbrechung um vorzugsweise 1 bis 5 see verzögert.
Ein einfaches Mittel zum Schutz der Beschaufelung wird darin gesehen, wenn bei Vollvakuumbrechen über mindestens ein Wassereinspritzventil
dem gefährdetem Beschaufelungsteil Kondensat zugeführt wird.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Es handelt sich bei der gezeigten
Dampfkraftanlage um eine mehrgehäusige Grossturbine; erfindungsunwesentliche
Anlageteile wie beispielsweise Dampferzeuger, Speisewasserpumpe, Vorwärmerkette und dergleichen
sind fortgelassen. Die Strömungsrichtung des Arbeitsmittels (Wasserdampf, Kondensat) sowie die Uebermittlungsrichtung der
elektrischen Signale, welche der besseren Uebersicht wegen gestrichelt dargestellt sind, sind mit Pfeilen gekennzeichnet.
Vom Dampferzeuger bringt die Frischdampfleitung 1 den hochgespannten
Dampf zum sog. Hauptabschluss- oder Schnellschlussventil 2 und zum Regelventil 3· Ausführung und Anordnung dieser
Absperrorgane sowie Anzahl und Reihenfolge sind für die Erfindung unwesentlich: zur Vereinfachung ist im gewählten Beispiel
nur je ein Schnellschluss- und Regelventil gezeichnet.
Der Dampf entspannt sich anschliessend in der Hochdruckturbine
1I und strömt dann in einen Wärmetauscher 5. Dieser Wärmetauscher
5 kann im Dampferzeuger als Zwischenüberhitzer bekannter Bauart eingebaut sein. Es kann sich aber bei einem Sattdampfkernkraftwerk
auch um einen Wasserabscheider allein oder um einen Wasserabscheider und einen dampfbeheizten Zwischenüberhitzer
handeln. Wesentlich ist beim gewählten Beispiel nur die Tatsache, dass sein Speicher-Volumen so gross ist, dass
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zur Vermeidung von Ueberdrehzahlen In die Dampfleitung vor
Eintritt in die Niederdruck-Turbine 6 mindestens ein Absperrorgan, beispielsweise ein Abfangventil 7 und eventuell auch
ein zweites Absperrorgan als Niederdruck-Hauptabsperrung 8 eingebaut ist. Ausführung dieser Absperrorgane sowie Anzahl
und Anordnung sind ebenfalls für die Erfindung unwesentlich.
Durch die Abdampfleitung strömt d.er nunmehr entspannte Dampf
zum Kondensator 10. Die Pumpe 24 fördert das anfallende Kondensat
in die nicht gezeigte Vorwärmerkette zur Speisepumpe und zurück zum Dampferzeuger. Der Block 11 enthält eine Regel-
und Sicherheitseinrichtung, die nicht näher dargestellt wird. Sie erzeugt die Signale für die Steuerung der Regel- und Sicherheits-Stellglieder:
Das Signal 12 steuert über das Servosystem 13 das Hauptabschlussventil 2. Das Signal 14 steuert
über das Servosystem 15 die Stellung des Regelventiles 3. Das Signal 16 steuert über das Servosystem 17 die Stellung des Ablaufventils
7 und das Signal 18 über das Servosystem 19 die Stellung der Hauptabschliessung 8.
Weiter ist die Anlage mit einem oder mehreren Vakuumbrechventilen 20 ausgerüstet. Auch diese Vakuumbrechventile werden
vom System 11 über ein Signal 21 und das Servosystem 22 gesteuert .
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Die Ausführung des Systems 11 sowie die Art. der Signale 12/ 14/16/18/21 und der zugehörigen Servosysteme 13/15/17/19/22
sind für die Erfindung unwesentlich: Es kann sich um hydraulische oder pneumatische Drucksignale oder um Spannungen
oder Ströme als elektrische Stellsignale handeln. Wesentlich ist nur, dass die erwähnten Servosysteme 13,15,17,19,22 eine
eindeutige Zuordnung der Hubstellung oder Winkelstellung der Stellglieder 2,3,7,8,20 zum Betrag der Steuersignale 12,11I,
l6,l8,21 erzeugen.
Erfindungsgemäss wird die bisher beschriebene und als bekannt
vorausgesetzte Dampfturbine mit Sicherheits- und Regelsystem durch folgende Komponenten ergänzt: Ein Geber 25 ist an
Ein- und Austrittsseite der Hochdruckturbine 4 angeschlossen.
Er überwacht die Druckdifferenz über die Hochdruck-Beschaufelung und gibt ein Signal 26 an das im Block 27 enthaltende
Logik-System. Ausserdem werden der Logik 27 das Stellsignal
m für das Hochdruck-Regelventil 3 und das Stellsignal 12
für das Hochdruck-Schnellschlussventil 2 zugeführt. Von der Logik 27 gehen zwei Signale aus: Ein erstes Signal 28 ist
auf das System 11 geschaltet und erzeugt einen Auslösebefehl· für das Sicherheitssystem. Ein zweites Signal geht auf
das "Oder"-Glied 30, dessen Ausgangssignal 31 über ein Grösst·
wert-Auswahlglied zum Servosystem 22 des "Vakuumbrechventils
20 geführt ist. üeber dieses Auswahlglied 32 wird ausserdem
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im Sinne der Erfindung das bereits erwähnte Steuerglied 21
geführt. Weiter wird das Signal 31 beim Pfeil 50 der Kesselsteuerung
als Abstellsignal für die Kesselfeuerung zugeführt. Ferner steuert das Signal 31 über ein Servosystem 33 ein
Wassereinspritzventil 3^> das Kühlwasser zur Kühlung der letzten
Reihen der Niederdruckbeschaufelung zu nicht näher bezeichneten Einspritzdüsen fliessen lässt, die zu diesem Zweck
an geeigneter Stelle angebracht sind. Dieses Kühlwasser ist vorzugsweise Kondensat, welches nach der Kondensatpumpe 2k
und vor der nicht gezeigten Vorwärmkette abgezweigt wird.
Ein zweiter Geber 35 misst die Druckdifferenz über die Beschaufelung
der Niederdruckturbine und gibt sein Signal 36 an die Logik 37- Der Logik 37 werden weiter das Signal 16 für
das Abfangventil 7 und das Signal 18 für die Abschliessung 8 zugeführt. Ein erstes Ausgangssignal 38 wird der Steuereinrichtung
11 und ein zweites Ausgangssignal 39 dem "Oder"-Glied
30 zugeführt.
Die Punktionsweise der Einrichtung ist folgende: Es wird angenommen
,dass wegen einem gleichzeitigen Defekt an den Absperrorganen 2 und 3 - beispielsweise wegen Salzablagerung in
den Führungen der Ventilspindeln - bei einer Entlastung (z.B. Oeffnen des Generatorschalters) beide Organe 2 und 3 mindestens
teilweise offenbleiben.
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Wenn eine Lastabschaltung eintritt, wird zunächst die Turbinendrehzahl
zufolge kräftiger Beschleunigung ansteigen. Die in der Einrichtung 11 enthaltende Turbinenregelung wird sehr schnell
die Stellsignale 14 und 16 in Richtung "schliessen" aussteuern
und unter normalen Umständen sind die Organe 3 und 7 wenige Zehntelsekunden nach Eintritt einer Vollastabschaltung ganz geschlossen.
Gemäss Annahme wird beispielsweise das Regelventil 3 nicht oder nicht ganz schliessen, d.h. dem Steuerbefehl
nicht folgen. Die Logik 27 wird jetzt feststellen, dass zwar das Stellsignal I1J auf Durchfluss "null" steht, dass aber immer
noch eine positive Druckdifferenz über die Hochdruckbeschaufelung
ansteht. Als massgebliche Druckdifferenz gilt vorzugsweise ein Wert von etwa 5-10$ der normalen Vollast-Druckdifferenz.
Die Logik wird nach wenigen Zehntelsekunden, vorzugsweise nach 0,2 - 0,5 see, das Signal 28 auf die Sicherheitseinrichtung
11 ausgeben, wodurch eine Auslösung des Sicherheitssystems veranlasst wird, schon bevor die Drehzahl den
üblichen Einstellwert der Drehzahlwächter erreicht hat. Mit dieser Auslösung sind folgende Befehle verbunden: Schliessen
der Schnellschlussventile 2 und 8, teilweises Oeffnen des Vakuumbrechventils 20 usw.. Um die Niederdruckbeschaufelung
vor zu hoher Beanspruchung durch die bei eintretender Bremswirkung entstehende Wärme und gleichzeitig erzeugten Vibrationen
zu schützen, wird in der Regel das Vakuumbrechventil nach nur massiger Verschlechterung des Vakuums wieder ge-
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schlossen (üblich ist, bei Grossturbinen den Druck im Kondensator
auf Werte zwischen etwa 0,2 und 0,3 bar absolut ansteigen zu lassen). Die zweite Stufe der Logik überprüft, ob nach dem
Auslösen des Sicherheitssystems die Druckdifferenz über die Beschauflung in ausreichend kurzer Zeit verschwindet. Da das
Vakuumbrechventil 20 schon geöffnet hat, ist jetzt nur zu entscheiden, ob es nach Erreichen des eingestellten Teilvakuums
wieder schliessen soll oder ob es im Sinne der Erfindung erst bei höherem Kondensatordruck schliessen soll. Für diese Entscheidung
kann die Zeit länger gewählt werden: es dauert ohnehin mehr als 5 see, bis das erwähnte Teilvakuum erreicht wird
,und das Vakuumbrechventil 20 wieder schliessen würde. Dementsprechend
kann die zweite Zeitstufe zwischen 1 und 5 see einstellbar gewählt werden. Wenn nach dieser Zeitspanne die Druckdifferenz
über die Beschauflung noch immer über dem vorstehend angegebenen Einstellwert liegt, wird das Signal 29 aktiviert,
das über das Oder-Glied 30 gleichzeitig folgende Reaktionen auslöst:
D as Vakuumbrechventil 22 wird über das Kleinstwert-Auswahlglied 32 geöffnet. Der Dampferzeuger erhält ein Signal 31 für
den Befehl "Peuer-Löschen" bzw. "Reactor scram". Wenn bei einem
Siedewasser-Reaktor am Austritt zusätzlich Schnellschluss-Ventile vorhanden sind, sind auch diese Ventile zu schliessen.
Weiter wird durch das Servosystem 33 das Wassereinspritzventil 34 geöffnet, womit die Gefährdung der Beschaufelung reduziert
wird.
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Die bisherigen Ueberlegungen gelten beispielsweise für die Vollastabschaltung, welche die Regelung allein abfangen kann,
ohne dass das Sicherheitssystem (Schnellschlussregler) anspricht. Moderne Grossanlagen sind mit einer Reihe von Kontroll-
und Warngeräten versehen, welche sowohl Signalvorrichtungen als auch die Sicherheitseinrichtung auslösen können.
Wird letzteres in einem solchen Fall - beispielsweise bei Peststellung überhöhter Lagertemperatur - ausgelöst, dann
ändern beide Signalpaare 12/14 und l6/l8 ihren Ausgangswert gleichzeitig auf Stellungsbefehl "geschlossen". Wenn - wie
im angenommenen Störfall zu erwarten ist - das Signal "Druckdifferenz" 26 nicht in der notwendigen kurzen Zeit auf null
geht, wird die Logik 27 direkt das Signal 29 für Vakuumbrechen aktivieren.
Selbstverständlich ist die Anwendung der beschriebenen zusätzlichen
Sicherheitseinrichtung nicht auf zweiteilige Turbinen mit dazwischengeschalteten, ein Speichervolumen darstellenden
Wärmetauschern 5 beschränkt. Aber die Wirksamkeit dieser Einrichtung ist - wie durchgeführte Rechnungen zeigen - bei
Turbinen dieser Bauart besonders gross. Die Tatsache, dass gleichzeitiges, in geöffneter Stellung Hängenbleiben aller
vier Stellglieder 2,3S7 und 8 noch um Grössenordnungen weniger
wahrscheinlich ist als nur gleichzeitiges, eventuell teilweises Hängenbleiben nur der Hochdruck- oder nur der Niederdruck-Ven-
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tile, bringt den Vorteil mit sich, dass der noch durchströmende
Dampf entweder nur mit dem Teilgefälle der Hochdruckbeschaufelung (und der dann in der Regel durch nicht gezeichnete Sicherheitsventile
am Wärmetauscher 5 ins Freie entweicht) oder dem Teilgefälle der NiederdruckbeschauÄung arbeitet und damit nur
massige Beschleunigungen des Rotors erzeugt. Es ist klar - immer nach Ergebnis der Rechnung und für den Fachmann ohne weiteres
verständlich -, dass dem Druckanstiegs-Gradienten im Kondensator besondere Bedeutung zukommt und dass es unter Umständen zweckmässig
wird, das Vakuumbrechventil grosser auszulegen als bisher üblich.
Die für eine ausgeführte Grossturbine mit je vier parallel öffnenden Ventilen für eine Vollastabschaltung durchgeführte
Ueberdrehzahl-Rechnung zeigt, dass selbst mit einem voll offen blockierten Regel- und Schnellschlussventil die Schleuderdrehzahl
von 120? höchstens kurzzeitig noch knapp überschritten
wird, und dies mit den existierenden Vakuumbrechventilen.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das in der Zeichnung Dargestellte beschränkt. Weitere interessante Konsequenzen
können sich bei ihrer Anwendung auf Turbinen für Kernkraftwerke ergeben. Es sind drei Fälle zu unterscheiden:
Bei diesen Turbinen werden je nach der im Wärmetauscher 5 ge-
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speicherten Energie kein, ein oder 2wei Regel- und Absperrorgane
in Serie vor dem Niederdruck-Eintritt eingebaut.
Fall 1: Kein Stellglied ist dann zulässig, wenn die Energiespeicherung
zwischen den Turbinenteilen so klein ist, dass die Gruppe bei Vollastabschaltung nur mit den
Hochdruck-Regelventilen allein unter der Schnellschlussdrehzahl abgefangen werden kann.
Fall 2: Ein Regel-Stellglied genügt dann, wenn beim Versagen dieses Regel-Stellgliedes die Schnellschluss-Drehzahl
(normalerweise 100-112 % der Nenndrehzahl) zwar überschritten, aber die höhere Schleuderdrehzahl
(120-125 %) sicher nicht erreicht wird, wobei verschiedene zusätzliche Mittel angewendet werden können,
um dieses Ziel einzuhalten.
Fall 3: Zwei Stellglieder (7 und 8) in jeder Zuleitung sind dann erforderlich, wenn bei Versagen^des Regel-Stellgliedes
7 die Schleuder-Drehzahl bei Vollastabschaltung mit grosser Wahrscheinlichkeit überschritten
würde.
Die Anwendung der erfindungsgemässen Einrichtung ist eines der möglichen Mittel, das bei allen zur Zeit gebauten und
geplanten Kernkraftwerken genügen würde , den dritten erwähnten Fall mit Sicherheit zu vermeiden. D.h., statt zweier
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Stellglieder in Serie genügt dann nur eines mit dem Gewinn
einer wesentlichen Reduktion der Kosten und geringerer Druckverluste.
einer wesentlichen Reduktion der Kosten und geringerer Druckverluste.
Es kann im Zusammenhang mit den vorerwähnten Gründen zweckmässig
sein, einen Teil oder das gesamte zusätzliche Sicherheitssystem mehrkanalig nach bekannten Prinzipien, z.B. zwei
von drei auszuführen. Es handelt sich um dem Fachmann bekannte Verfahren, deren Anwendung keine Erweiterung des Erfindungsgedankens bedeuten würde.
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At
Leerseite
Claims (3)
- - 139/75PatentansprücheSicherheitssystem für eine Dampfturbinenanlage, in welcher stromaufwärts der Turbine mindestens ein Absperrorgan und stromabwärts der Turbine mindestens ein Vakuumbrechventil vorgesehen sind, welche beide über eine Regel- und Sicherheitseinrichtung gesteuert werden, ersteres beispielsweise aufgrund eines Drehzahlregler-Signals, letzteres beispielsweise aufgrund eines Ueberdrehzahlwächter-Signals, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:,a) ein Mittel zur Strömungsüberwachung (25,35) stromabwärts des Absperrorgans (2,3,7,8) liefert ein Signal (26,36) an ein Logik-System (27,37), wobei der Betrag des Signals(26.36) im Normalfall der Stellung des Absperrorganes(3.7) entspricht;b) bei Nichtübereinstimmung löst das Logiksystem (27,37) die Sicherheitseinrichtung (11) aus, wobei das Absperrorgan(2.8) schliesst und das Vakuumbrechventil (20) teilweise öffnet;c) stellt das Mittel zur Strömungsüberwachung (25,35) nach Erreichen des vorgesehenen Teilvakuums einen weiteren Massendurchfluss fest, so werden über das Logik-System(27.37) das Vakuumbrechventil (20) voll geöffnet und709816/0689 °*<gjnal inspected139/752550053Mittel (3*0 zum Schutz der Beschaufelung aktiviert, während anderenfalls bei Erreichen des vorgesehenen Teilvakuums das Vakuumbrechventil (20) wieder geschlossen wird.
- 2. Sicherheitssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Strömungsüberwachung (25, 35) ein Druckgeber ist, der an den zu überwachenden Maschinenteil derart angeschlossen ist, dass er die Druckdifferenz über mindestens eine Turbinenstufe misst.
- 3. Sicherheitssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Logik-System (27, 37), welches den Vergleich Massenstrom mit dem Stellsignal (I2I, 16) des Absperrorgans (3, 7) durchführt, ein erstes Zeitglied enthält, das die Ausgabe des Signals (28, 38) für die Auslösung der Sicherheitseinrichtung (11) um eine zwischen etwa 0,2 und 0,5 see einstellbare Zeit verzögert, sowie ein zweites Zeitglied enthält, das die Ausgabe des Signals (29, 39) für Vdlvakuumbrechen um eine etwa zwischen 1 und 5 see einstellbare Zeit verzögert.1I. Sicherheitssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (3*0 zum Schutz der Beschaufelung mindestens709816/0689- K- 139/75ein Wassereinspritzventil ist, welches Kühlwasser in den gefährdeten Teil der Beschaufelung durchlässt und dessen Servosystem (33) über das gleiche Signal (3D wie das Vakuumbrechventil (20) aktiviert wird.BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.709816/0689
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Zeitschrift "Technische Mitteilungen", 68. Jhg., H. 1/2, Februar 1975, S. 33, 34, s. insbes. den Abschnitt "Maßnahmen zur Beherrschung der Überdrehzahl bei Lastabschaltungen" in Verbindung mit Bild 35 und Bild 36 * |
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