DE2410015A1

DE2410015A1 - Vorrichtung zur vermeidung der pumperscheinung in einem verdichter

Info

Publication number: DE2410015A1
Application number: DE2410015A
Authority: DE
Inventors: Kermit Ivan Harner
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1973-05-02
Filing date: 1974-03-02
Publication date: 1974-11-21
Also published as: GB1457311A; FR2228166A1; US3809490A; IT1010293B; SE390556B; USRE29667E; FR2228166B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Vermeidung der Pumperscheinung in einem Verdichter für ein Turbinentriebwerk und insbesondere auf eine Vorrichtung zum schnellen Oeffnen der Verdichterabiassventile in Abhängigkeit des Druckes stromabwärts vom Verdichter zur Beseitigung der Pumperscheinung und zum Offenhalten der Ablassventile bis nach dem Abklingen der Pumperscheinung.

Es ist bekannt, dass die Pumperscheinung in Axialströmungsverdichter^wie sie in Turbinentriebwerken verwendet werden^in Problem ist, mil- welchem sich die Flugzeugindustrie seit ihrem Beginn zu befassen hatte. Unter der Pumperscheinung in dem Verdichter versteht man einen Vorgang, welcher bei Abreissen der Strömung an einer ausreichenden Anzahl von Verdichterschaufeln auftritt und eine vorübergehende Strö'mungsumkehrung in den Verdichter bewirkt. Der Verdichte rend druck fällt dabei sehr schnell ab und manchmal entstehen kontinuierliche Druck Schwankungen bis man einen Eingriff zum Beseitigen der Pumperscheinung vorgenommen hat.

Obschon die Theorie der Pumperscheinung noch nicht ausführlich bekannt ist, genügt es hier zu erwähnen, dass durch diese schnelle Druckänderung und die dadurch bedingten DruckSchwankungen nicht nur der Wirkungsgrad des Triebwerkes vermindert sondern ebenfalls

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eine Beschädigung des Triebwerkes zu befürchten ist. Es ist dementsprechend wichtig, dass Mittel vorgesehen sind zum Beseitigen der Pumperscheinung oder zum Verhindern, dass die Pumperscheinung auftreten kann. Entsprechend einem Verfahren zur Verhinderung von Verdichter pumpe η werden die Ablassventile vor oder beim Beginn der Pumperscheinung geöffnet. Die bekannte Steuervorrichtung mit offenem Kreislauf dient zum Programmieren der Oeffnung der Ablassventile und/oder der Kraftstoffzuführung um das Triebwerk unterhalb der Pumpenkennlinie zu steuern, welche für jedes Triebwerk genau festliegt.

Es ist ebenfalls bekannt, den Verdichterenddruck zu messen und die Ablassventile zu be tätige n_; falls eine vorbestimmte Druckänderung oder Druckänderungsgeschwindigkeit auftritt. Bei diesem Verfahren tritt die Schwierigkeit auf, dass falls die Druckschwankung eine Rückkehrung zu dem normalen Wert anzeigt, die Ablassventile wieder geschlossen werden, was vor dem Beseitigen der Pumperscheinung auftreten kann. Ausserdem ist es möglich, dass während der Pumperscheinung die Ablassventile sich abwechselnd öffnen und schliessen.

Diese Nachteile können vermieden werden durch Messen des Verdichterdruckes und durch Auslegen einer Steuervorrichtung, so dass bei einer vorbestimmten, schnellen Abnahme des gemessenen Druckes ein Dosierventil schnell bewegt wird, um Druckflüssigkeit zu dem Motor zum Oeffnen der Ablassventile des Triebwerkes zu leiten. Das Dosierventil ist derart ausgelegt, dass es sich bis über seine Nullstellung hi na us beweg t um Hochdruckflüssigkeit zu dem Stellmotor fur die Ablassventile zu leiten damit diese in Offenstellung bleiben.

Durch Verwendung einer sinnvoll angeordneten und bemessenen Drossel und eines Rückschlagventiles wird durch die erfindungsgemässe Vorrichtung das Dosierventil schnell in Richtung zum Oeffnen der Ablassventile des Triebwerkes bewegt und das Dosierventil gelangt mit wesentlich kleinerer Geschwindigkeit in eine Stellung zurück, welche ein Schliessen der Ablassventile bewirkt. Dementsprechend bestimmt die Bemessung der Drossel und die Festlegung des Masses, um welches sich das Ventil über seine Nullstellung hinausbewegt

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die Verzögerung bevor der Stellmotor die Ablassventile wieder schliesst, so dass die Pumpsrscheinung beseitigt ist_#bevor die Ablassventile wieder geschlossen sind.

Eine Aufgabe dieser Erfindung liegt darin, eine verbesserte Vorrichtung zum Vermeiden der Pumperscheinung für einen Verdichter eines Turbinentriebwerkes zu schaffen.

Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung liegt darin, eine Vorrichtung zu schaffen zum Feststellen der Pumperscheinung durch Messen des Verdichte rend drucke s in einem Turbinentriebwerk sowie eine Vorrichtung zu schaffen, welche das Dosierventil für den Stellmotor der Ablassventile mit einer bestimmten Geschwindigkeit in Richtung zum Oeffnen der Ablassventile und mit geringerer Geschwindigkeit in Richtung zum Schliessen der Ablassventile bewegt, und diese Vorrichtung ist derart ausgelegt, dass das Ventil sich bis über seine Nullstellung hinaus verstellt,, um die Ablassventile für eine bestimmte Zeitspanne offen zu halten^ nachdem die Pumperscheinung abgeklungen ist.

Schliesslich liegt eine weitere Aufgabe der Erfindung dari^eine Vorrichtung zur Vermeidung des Verdichter pumpe ns in einem Turbinentriebwerk zu schaffen, wobei der Druck stromabwärts des Verdichters gemessen wird und die Ablassventile des Triebwerkes bei einer vorbestimmten Druckänderung schnell geöffnet und dann für eine bestimmte Zeitspanne offen gehalten werden bis die Pumperscheinung abgeklungen ist, und dabei ist eine laminare Strömungsdrossel in der Zufuhrleitung zu einer Seite einer den Verdichterenddruck messenden Membran vorgesehen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen ausführlicher^schrieben, es zeigen:

Figur 1 eine schematische Ansicht, teilweise La Schnitt, zur Darstellung der Einzelheiten der Erfindung.

Figur 2a eine graphische Darstellung des Verdichterenddruckes in Abhängigkeit der Zeit.

Figur 2b eine graphische Darstellung der Stellung des Dosierventiles in Abhängigkeit der Zeit.

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Figur 2c eine graphische Darstellung der Stellung der Ablassventile in Abhängigkeit der Zeit.

Wie man aus Figur 1 erkennen kann, besteht die Vorrichtung zur Vermeidung des Verdichter pumpe ns im wesentlichen aus zwei Hauptbauteilen, nä'mlich der pneumatischen Filler vor richtung, welche im wesentlichen mit 10,, und der hydraulischen Steuer- und Betätigungsvorrichtung, welche im wesentlichen mit 12 bezeichnet ist. Die pneumatische Fühlervorrichtung dient zum Messen einer schnellen Abnahme des Verdichterenddruckes , welche die maximale Druckverminderungsgeschwindigkeit übersteigt, wie sie bei normalem Betrieb auftreten kann und dementsprechend kennzeichnend für Verdichterpumpen ist. Dies wird durchgeführt durch Messen des Verdichterenddruckes in dem Triebwerk 14 mittels einer üblichen Druckmessonde 16. Die Druckmessonde 16 umfasst ein Gehäuse 18 mit einer Membran 20, welche sich durch die Kammer 22 erstreckt und zwei Unterkammern 24 und 26 bildet. Die ungedrosselte Strömung vom Verdichter ist über die Leitung 28 an die Kammer 26 angeschlossen und eine gedrosselte Strömung wird über die Leitung 28 und die Abzweigleitung 30 durch die Drossel 32 in die Kammer 24 geleitet. Die Drossel 32 ist eine laminare Strömungsdrossel und ihr Zweck wird später ausführlicher beschrieben. Ein Arm eines Hebels 34 ist in dem Gehäuse 18 an einem Schwenkpunkt 36 gelagert und ist mittels eines Verbindungs- und Schwenkstückes 38 an die Membran 2o angeschlossen. Dementsprechend wird eine Bewegung der Membran 20 über den Hebel durch das Gehäuse 18 zum Oeffnen und Schliessen einer Düse 40 übertragen, welche am Ende einer Leitung 42 ausgebildet ist. Da die Seite ausserhalb des Gehäuses 18 einem hydraulischen Druck und das Gehäuse 18 im Innern einem pneumatischen Druck ausgesetzt ist, ist eine geeignete Dichtung 44 vorgesehen um ein Lecken von einer Seite zur anderen zu vermeiden. Eine Feder 48 dient zum Vorbelasten des Hebels 34_/um den Druck e inzustellen_; bei welchem der Hebel sich um den Schwenkpunkt 36 dreht. Dieser Druck ist derart ausgewählt, dass er mit dem Übergangspunkt zwischen dem normalen Betrieb des Verdichters und der Pumperscheinung zusammenfällt. Falls dementsprechend der mittels der Feder 48 eingestellte Druck (welcher verstellbar sein kann) übertroffen wird,so dreht der Hebel 34 um den Schwenkpunkt 36

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zum Oeffnen der Düse 40.

Die hydraulische Betätigungsvorrichtung dient zur Steuerung der Ablassventile um diesselben sehr schnell zu öffnen und bis nach dem Abklingen der Pumperscheinung in Offenstellung zu halten. Die hydraulische Stellvorrichtung umfasst einen geeigneten hydraulischen Motor, welcher durch 50 bezeichnet ist und welcher die Ablassventile 51, schematisch dargestellt, öffnet und schliesst, desweiteren umfasst die hydraulische Stellvorrichtung ein Schieberventil, welches im wesentlichen mit 52_; sowie eine Verzögerungsvorrichtung, welche mit 54 bezeichnet ist. Der hydraulische Stellmotor 50 kann von geeigneter , bekannter Bauart sein und eine Beschreibung dieses Motors ist hier nicht erforderlich. Es genügt zu erwähnen, dass der Stellmotor 50 einen Kolben umfasst und dass eine Kammer zur Aufnahme der hydraulischen Druckflüssigkeit zum Ein. stellen des Kolbens vorgesehen ist. Ein Gestänge verbindet den Kolben mit den Ablassventilen 51 zur synchronischen Einstellung derselben. Das Schieberventil 52 umfasst einen geradlinig beweglichen Schieber 58,welcher entweder Hochdruckflüssigkeit durch die Leitung 68, den Ringraum 66 und die Leitung 64 zu dem Stellmotor 50 leitet oder die Druckflüssigkeit vom Stellmotor 50 durch die Leitung 64, den Ringraum 62 und die Leitung 60 ableitet. Falls der Bund 70 nach rechts verstellt- wird, so gslangt die Leitung 60 in Verbindung mit der Leitung 64 und, falls er nach links verstellt wird_;so kommt die Leitung 64 in Verbindung mit der Druckzufuhrleitung 68.

Die Endfläche 74 des Ventilschiebers 58 ist nur halb so gross wie die Endfläche 72. Die Hochdruckf lüss igke it wirkt kontinuierlich auf die Endfläche 74 und ein geregelter Druck wirkt gegen die Endfläche 72. Dementsprechend genügt die Hälfte des Druckes, welcher auf die Endfläche 72 wirkt_/um das Ventil im Gleichgewicht zu halten. Falls der Druck von diesem Wert abweicht_;so bewegt sich der Schieber 58, Es ist ersichtlich, dass das Klappenventil 40 zum Regeln des Druckes dient, welcher auf die Endfläche 72 des Schiebers 58 wirkt.

Aus obiger Beschreibung ist zu erkennen, dass das Klappenventil 40 zum Steuern des Druckabfalles an der festen Drossel 48 dient,

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_ 6 welche in der Leitung 42 angeordnet ist und ebenfalls den auf die Endfläche 72 des Ventilschiebers 58 wirkenden Druck regelt, da die Leitung 42 über die Abzweigleitung 82 mit der Kammer 84 verbunden ist. Falls der Hebel 34 sich von der Düse 40 weg bewegt, so nimmt der Druckabfall ander festen Drossel 80 zu und bewirkt gleichzeitig einen Druckabfall in der Leitung 82. Die Hochdruckflüssigkeit, welche auf die Endfläche 74 wirkt, bewegt dann den Schieber 58 nach links. Falls in umgekehrter Weise der Hebel 34 sich in Richtung zu der Düse 40 bewegt so nimmt der Druckabfall an der festen Drossel 8O ab, dadurch steigt der Druck in der Leitung 82 und dementsprechend auch in der Kammer 84_;wodurch der Schieber 58 nach rechts bewegt wird. Man kann somit erkennen, dass die Stellung des Hebels 34 inbezug zu der Düse 40 einen unmittelbaren Einfluss auf die Bewegung des Schiebers 58 hat, welcher seinerseits den Stellmotor 5O zum Oeffnen und Schliessen der Ablassventile 51 einstellt.

Wie aus Figur 1 zu erkennen ist, ist eine feste Drossel 90 in der Abzweigleitung 82 angeordnet und dient zur Strömungsdrosselung in dieser Leitung. Dementsprechend muss der regelte Druck durcl· die Drosseln 80 und 90 und durch die Abzweigleitung 82 in die Kammer 84 strömen. Die Drosseln 80 und 90 dienen zum Begrenzen der Bewegungsgeschwindigkeit des Ventilschiebers 58_; falls er sich nach rechts verstellt. Eine Bewegung des Ventilschiebers nach rechts bewirkt ein Schliessen der Ablassventile mittels des Stellmotors 50, nach^dem der Ventilschieber 58 die Stellung erreicht wo die Leitung 64 über den Ringraum 62 mit der Ablassleitung 6O verbunden ist.

Falls der Hebel 34 nicht an der Düse 40 anliegt, so strömt Druckflüssigkeit aus der Kammer 84 ab uno der Schieber 58 bewegt sich nach links. Ein grosser Teil dieser Strömung ist um die feste Drossel 90 über eine Nebenschluss leitung 92 parallel geschaltet und strömt dabei durch ein Rückschlagventil 94. Da die Oeffnung des Rückschlagventiles 94 wesentlich grosser ist als die Oeffnung der festen Drossel 90, stellt das Rückschlagventil der Strömung einen geringeren Widerstand entgegen und somit verlässt die Druckflüssigkeit die Kammer 84 wesentlich schneller als sie in diese Kammer einströmt. Bei Abfliessen der Druckflüssigkeit aus

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: der Kammer 84 bewegt sich der Schieber 58 nach links und bewirkt dadurch eine Oeffnung der Ablassventile mittels des Stellmotors 5O_f falls der Schieber 58 sich ausreichend nach links bewegt hat, um die Hochdruckzufuhr leitung 68 über den Ringraum 66 an die Leitung 64 und den Stellmotor anzuschliessen. Es ist dementsprechend erkenntlich, dass der Schieber 58 sich schnell in Richtung zur Oeffnung der Ablassventile bewegt und langsam in der Richtung zum Schliessen der Ablassventile zurückkehrt_/infolge der kombinierten Wirkung der festen Drossel 90 und des Rückschlagventiles 94.

• FaILs man z,B. annimmt, dass ein Verdichterpumpen bevorsteht.wodurch eine schnelle Abnahme des Verdichterenddruckes bedingt wäre, so wird die Luft infolge der festen laminaren Drossel 32 wesentlich schneller aus der Kammer 26 als aus der Kammer 24 abgesaugt. Diese Druckänderung bewirkt einen Druckabfall über der Membran 2O₇WOdUrCh dieselbe sich nach oben bewegt und der Arm 34 im Uhrzeigersinn dreht. Falls das Signal stark genug ist_;so bewegt sich der Arm 34 nach unten gegen die Kraft der Feder 48 und öffnet dadurch die Düse 40. Diese Oeffnung der Düse 40 bewirkt eine Strömungszunähme in der Leitung 42 und dementsprechend eine Zunahme des Druckabfalles an der festen Drossel 8O₇WOdUrCh wieder ein Druckabfall in der Leitung 82 und dementsprechend in<fer Kammer 84 bedingt ist. Infolge des Druckabfalles in der Kammer 84 bewegt sich der Schieber 58 nach links und Hochdruckflüssigkeit wird über die Leitung 68, den Ringraum 66 und die Leitung 64 an den

50
Motor/zum Oeffnen der Ablassventile fji angeschlossen. Da die aus der Kammer 84 abströmende Flüssigkeit um die feste Drossel 90 durch die Nebenschlussleitung 92 und das Rückschlagventil 94 parallel geschaltet ist,· ist die Strömung tatsächlich ungedrosselt, so dass eine hohe Strömungsgeschwindigkeit vorliegt. Das Rückschlagventil 94 ist derart ausgeführt, dass es einen möglichst geringen Druckabfall bewirkt. Es ist demnach erkenntlich, dass ein wesentlicher Abfall des Verdichterenddruckes des Triebwerkes eine möglichst schnelle Oeffnung der Ablassventile 51 mittels des Stellmotors 50 bewirkt. Das Problem liegt darin, ein Schliessen der Ablassventile zu vermeiden bis die Pumpe rs cha inung abgeklungen ist. Falls die Ablassventile zu rasch wieder geschlossen werden, so kann

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die Pumperscheinung wieder zunehmen_; bevor die Ablassventile erneut geöffnet werden können.

Der Ventilschieber 58 leitet die Druckflüssigkeit sehr schnell zu dem Stellmotor zum Oeffnen der Ablassventile und der Schieber 58 bewegt sich über seine Nullstellung hinaus^ um kontinuierlich Hochdruckflüssigkeit zu dem Stellmotor zum Oeffnen der Ablassventile zu leiten. Falls dementsprechend Druckschwankungen in der Leitung 82 auftreten_/so bewegt sich ebenfalls das Schieberventil etwas hin und her. Es bleibt jedoch immer in einer Stellung, wo es Hochdruckflüssigkeit zu dem Stellmotor 50 leitet_/um die Ablassventile 51 in Offenstellung zu halten. Da der Ventilsdhieber 58 sich schnell in einer Richtung und langsam in der anderen Richtung bewegtjhat et das Bestreben^, in der Nä'he der Stellung zu bleiben, in welcher Hochdruckflüssigkeit zu dem Stellmotor 50 zum Oeffnen der Ablassventile 51 geleitet wird.

Nachdem die Pumperscheinung abgeklungen ist und der Verdichterenddruck sich stabilisiert hat,bewegt sich der Ventilschieber 58 langsam zurück zum Schliessen der Ablassventile 51. Die Bemessung der Drossel 90 und das Mass, um welches der Schieber 58 sich über seine Nullstellung hinaus bewegt bestimmen die Verzögerung sum Schliessen der Ablassventile.

Aus der obigen Beschreibung ist zu erkennen, dass die erfindungsgemä'sse Vorrichtung zum Messen des Verdichterpumpens, zum schnellen Oeffnen der Ablassventile des Triebwerkes zur Beseitigung der Pumperscheinung und zum Offenhalten der Ablassventile für eine bestimmte Zeitspanne dient_;bis die Pumperscheinung abgeklungen ist. Dies ist deutlicher in den graphischen Darstellungen der Fi-

in
guren 2a, 2b und 2c dargestellt,/Welchen der Kompressorenddruck, die Stellung des Schieberventiles und die Stellung des Stellmotors für die Ablassventile in Abhängigkeit der Zeit aufgezeichnet ist. Die graphische Darstellung der Figur 2a zeigt ein Beispiel_;wo eine Pumperscheinung aufgetreten ist_# und dementsprechend ist der schnelle Druckabfall des Verdichterenddruckes durch die ausgezogene Kurve A dargestellt. Falls der Druck einen vorbestimmten Wert, z.B. den Punkt B, erreicht so stellt die Fühler vor rieh tu ng zum Messen der

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Pumperscheinung den Stellmotor zum vollständigen Oeffnen der Ablassventile ein. Nachdem die Pumperscheinung abgeklungen ist und der Verdichterenddruck sich wieder stabilisiert hat, wie durch die gestrichelte Linie C angedeutet ist, beginnt das Schiebarventil sich wieder zurück zubewege η und betätigt dabei den Stellmotor 50 zum Schliessen der Ablassventile 51. Jedoch infolge der Bewegung des Schiebarventiles 58 bis über die Nullstellung hinaus, (zwischen den Punkten E und G auf der Kurve D) fördert das Schieberventil 58 während seiner Bewegung entlang dem negativen Bereich der Kurve D weiterhin Hochdruckflüssigkeit zu dem Stellmotor 50 um die Ablassventile für eine vorbestimmte Zeit offen zu halten. Die Punkte G und H und die Kurve D deuten die Geschwindigkeit der Bewegung des Schiebers 58 an, welche offensichtlich geringer ist als die Geschwindigkeit der Oeffnungsbewegung zwischen den Punkten E und G. Dadurch erreicht man dass die Pumperscheinung vollständig abgeklungen ist bevor die Schliessbswegung der Ablassventile beginnt. Die Figur 2c zeigt mittels der Kurve K die auf diese Weise erhaltene Bewegung des Stellmotors für die Ablassventile.

Wie schon oben erwähnt wurde misst die Membran 20 der Fühlervorrichtung für die Pumperscheinung den Verdichterenddruck und dabei ist einer Seite der Membran eine Verzögerungskonstante zugeordnet. Diese Verzögerungskonstante wird durch die laminare Drossel 32 und das Volumen an dieser Seite der Membran 20 bewirkt. Man verwendet eine laminare Drossel^a durch diese Drossel die Verzögerungskonstante steigt, falls der Druck abnimmt. Obschon diesdurch mathematische Ableitung genau bewiesen werden kann_; reicht zum Verständnis der Erfindung die folgende Erklärung aus.

Eine Verzögerungskonstante ist gekennzeichnet durch folgende Formel?

O Dp

wobei V = Volumen

/λ* - Luftviskosität

D = Durchmesser der laminaren Drossel j = Verhältnis der spezifischen Wärmen P = Druck

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L = Länge der laminaren Drossel.

Die auf eine Flächeneinheit der Membran wirkende Kraft ist:

^WS JPs4 oder F = Q~* Ps4

~<T$ + 1 y A_D {Gt + lj dt

wobei (T= Volumenverzögerungskons tante Ps4 = Verdichterenddruck
A_D = Membra nf lache

Da (/bei geringeren Drücken grosser ist. können dadurch kleinere Druckä'nderungsgeschwindigkeiten als Pumperscheinung bei kleineren Druckv/erten gemessen werden, und eine feste Δ P E ins te llung über der Membran ist kennzeichnend für die Druckerscheinung auf Meeres, höhe und während dem Flug in grösseren Höhen.

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Claims

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PATENTANSPRUECHE .

ll Vorrichtung zur Vermeidung der Pumperscheinung in einem Verdichter, mit einem Fühler zum Messen der Druckabfallrate am Verdichteraus lass, einer Vorrichtung zum Erzeugen eines Steuerdruckes in Abhängigkeit der gemessenen Druckabfallratc, einem auf den Steuerdruck ansprechenden Schieberventil· zur Betätigung eines mit Ablassventilen des Verdichters verbundenen Stellmotors, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerdruck über eine mit einer Drossel (90) versehene Leitung (82) an das Schieberventil (58) angeschlossen ist und dass eine in Richtung zum Ableiten der Druckflüssigkeit vom Schieberventil weg im wesentlichen ungedrosselte Nebenschlussleitung (92) zu der Drossel (90) parallel geschaltet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fühler (10) eine Membran (20) mit zwei gegenüberliegenden FISchen aufweist, die dem Druck in dem Verdichter ausgesetzt sind, und dass eine laminare Drossel (32) in der Leitung (30) zwischen einer der Membranflä'chen und dem Verdichter vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rückschlagventil (94) in der ungedrosselten Leitung (92) vorgesehen ist, damit keine Flüssigkeit durch diese Leitung zu dem Schieberventil (58) strömen kann.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein von der Membran (20) gesteuertes Klappenventil (34, 40) vorgesehen ist zur Zuführung und Ableitung der Druckflüssigkeit zu dem Schieberventil (58).

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