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Die Erfindung betrifft eine Gasturbine, welche mit einer Anzahl an Schwingungssensoren zur Überwachung des Betriebs ausgestattet ist.
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Gasturbinen umfassen einen mehrstufigen Verdichter, eine Verbrennungseinrichtung sowie eine Expansionsturbine. Der Verdichter von Gasturbinen, insbesondere zur Stromerzeugung, umfasst hierbei in der Regel mehr als zehn Verdichterstufen, welche jeweils eine Laufschaufelreihe und eine Leitschaufelreihe umfasst. Dabei sind häufig die Leitschaufeln von vorderen Verdichterstufen verstellbar ausgeführt, um den Luftmassenstrom den unterschiedlichen Leistungen der Gasturbine optimal anpassen zu können.
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Weiterhin ist es üblich, dass am Verdichter zwei oder mehr Entnahmeöffnungen angeordnet sind, um einen Kühlluftstrom aus dem Hauptstrom abzweigen zu können. Weiterhin sind die Entnahmeöffnungen vorgesehen, um in Grenzbereichen des Verdichters den sogenannten Verdichterpumpen durch eine Abzweigung des Luftstroms aus den Entnahmeöffnungen zu vermeiden.
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Um eine optimale Leistung über einen maximalen Leistungsbereich der Gasturbine zu ermöglichen, wird üblicherweise eine Überwachung der Gasturbine eingesetzt. Ein hierzu übliches Verfahren, welches ausdrücklich auch in der erfindungsgemäßen Ausführungsform zur Anwendung kommen kann, wird beispielsweise in der
EP 2201430 B1 offenbart.
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Das Verfahren zur Analyse des Betriebs einer Gasturbine setzt dabei ein oder mehrere neuronale Netze ein, welche auf den Normalbetrieb der Gasturbine angelernt werden. Dazu werden wenigstens ein dynamisches Drucksignal im oder am Verdichter der Gasturbine sowie weitere Betriebsparameter der Gasturbine durch eine oder mehrere weitere Sensoren bei Normalbetrieb der Gasturbine gemessen. Das dynamische Drucksignal wird einer Frequenzanalyse unterzogen, wodurch ein oder mehrere Parameter des Frequenzspektrums des Drucksignals ermittelt werden. Basierend auf dem oder den gemessenen Betriebsparametern und dem oder den Parametern des Frequenzspektrums des Drucksignals werden ein oder mehrere neuronale Netze gelernt, welche als Eingangsgrößen den oder die gemessenen Betriebsparameter und den oder die Parameter des Frequenzspektrums des Drucksignals (umfassen und als Ausgangsgrößen wenigstens einen Diagnosekennwert aufweisen, welcher ein Wahrscheinlichkeitsmaß für das Vorliegen des Normalbetriebs der Gasturbine in Abhängigkeit von den Eingangsgrößen repräsentiert.
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Dieses Verfahren hat sich besonders zur Feststellung von Anomalien und somit einer Gefährdung eines sicheren Betriebs der Gasturbine bewährt. Dadurch konnte der Betriebsbereich der Gasturbine gegenüber einer vorherigen Festlegung ohne dynamische Messung erweitert werden.
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Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch, dass nicht immer unmittelbar festgestellt werden kann, was die Ursache der Anomalie ist. Somit kann auch nicht optimal auf die Ursache reagiert werden, sodass möglicherweise der mögliche Betriebsbereich nicht optimal ausgenutzt wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Überwachung der Gasturbine zu ermöglichen.
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Die gestellte Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Gasturbine nach der Lehre des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die gattungsgemäße Gasturbine umfasst zunächst einmal einen Verdichter, eine Verbrennungseinrichtung sowie eine Expansionsturbine. Der Verdichter weist hierbei eine Anzahl in Strömungsrichtung aufeinanderfolgender Verdichterstufen auf. Eine einzelne Verdichterstufe besteht hierbei zumindest aus einer Anzahl ringförmig angeordneter, feststehender Leitschaufeln sowie aus einer Anzahl ringförmig an einem Rotor angeordneter Laufschaufeln. Die konkrete Ausführung der Verbrennungseinrichtung sowie der Expansionsturbine ist für die vorliegende Erfindung unerheblich. Zumindest schließt sich an die letzte Verdichterstufe, in der Regel einer letzten Leitschaufelreihe, ein Diffusor an, welcher hierbei im Bereich der Verbrennungseinrichtung angeordnet ist. Der Diffusor öffnet sich in ein den Rotor mittelbar umgebendes Plenum.
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Den Einlass vor dem eigentlichen Verdichter bildet hierbei ein Einlassgehäuse. Dabei ist gattungsgemäß im Einlassgehäuse ein Lagerstern zur Lagerung des Rotors angeordnet. Weiterhin der Gasturbine zugeordnet, befindet sich in Strömungsrichtung vor dem Einlassgehäuse ein Zuluftkanal.
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Erforderlich für die gattungsgemäße Ausführungsform ist die Anordnung einer Entlüftungsanordnung an der Gasturbine, welches eine Abzweigung eines Luftstroms aus dem Verdichter ermöglicht. Hierbei ist vorgesehen, dass der Verdichter unterteilt werden kann in eine Anzahl erster Verdichterstufen, eine Anzahl zweiter Verdichterstufen sowie zumindest eine Anzahl dritter Verdichterstufen. Hierzu weist die Gasturbine zumindest am Ende der ersten Verdichterstufe eine erste Entlüftungsanordnung und am Ende der zweiten Verdichterstufe eine zweite Entlüftungsanordnung auf.
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Die jeweilige Entlüftungsanordnung umfasst dabei eine den Strömungspfad im Verdichter umgebende erste Entnahmekavität respektive zweite Entnahmekavität. Dabei ist es nicht erforderlich, dass die jeweilige Entnahmekavität ein ringförmig durchgehendes Volumen bildet, wobei dieses jedoch die bevorzugte Ausführung darstellt. Die Entnahme der komprimierten Verdichterluft aus dem Strömungspfad im Verdichter wird ermöglicht durch die Anordnung einer ersten Entnahmeöffnung am Ende der ersten Verdichterstufen respektive einer zweiten Entnahmeöffnung am Ende der zweiten Verdichterstufen, welche jeweils strömungstechnisch mit den zugehörigen Entnahmekavitäten verbunden sind.
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An jeder Entnahmekavität ist zur Ableitung des Luftstroms zumindest ein entsprechender Anschluss notwendig. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Anschluss in Verbindung mit einer in der Gasturbine integrierten Kühlluftführung steht oder alternativ eine Verbindung mit einer außerhalb der Gasturbine befindlichen Verrohrung ermöglicht.
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Weiterhin ist gattungsgemäß eine Überwachungseinrichtung erforderlich, mittels der der Betrieb der Gasturbine überwacht werden kann. Hierzu umfasst die Überwachungseinrichtung eine Anzahl in und/oder an der Gasturbine angeordneter Sensoren. Als Sensor ist zumindest ein auslassseitiger Schwingungssensor erforderlich, welcher beispielsweise als Drucksensor im Diffusor oder im Plenum angeordnet ist.
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Erkennt die Überwachungseinrichtung Anomalien in den Sensoren erfassten Werten, insbesondere vom auslassseitigen Schwingungssensor, so kann in Abhängigkeit vom Betriebszustand, beispielsweise der betriebenen Leistung und der Stellung der verstellbaren Leitschaufeln, der Gasturbine auf die Gefahr eines möglichen Verdichterpumpens geschlossen werden.
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Erfindungsgemäß wird die Diagnosemöglichkeit und somit die Möglichkeit zur optimalen Regelung der Gasturbine dadurch verbessert, indem im oder am Zuluftkanal oder im/am Einlassgehäuse zumindest ein einlassseitiger Schwingungssensor angeordnet wird, welcher gleichfalls in Verbindung mit der Überwachungseinrichtung steht. Weiterhin erforderlich ist es, dass zudem in der ersten Entnahmekavität zumindest ein erster Schwingungssensor und in der zweiten Entnahmekavität zumindest ein zweiter Schwingungssensor angeordnet wird, welche gleichfalls Messwerte an die Überwachungseinrichtung senden können.
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Durch die zusätzliche Anordnung der Schwingungssensoren vor der ersten Verdichterstufe sowie in den Entnahmekavitäten am Ende der ersten Verdichterstufe sowie am Ende der zweiten Verdichterstufe zusätzlich mit dem regulär vorgesehenen auslassseitigen Schwingungssensor nachfolgend dem Ausgang des Verdichters wird es ermöglicht, dass eine bessere Erkennung der Quelle von Schwingungen im Verdichter möglich wird. Daraus resultierend kann gezielt einem möglichen Verdichterpumpen entgegengewirkt werden, ohne unnötig den Betriebsbereich der Gasturbine zu beschränken. Hierzu kann beispielsweise die Stellung der verstellbaren Leitschaufeln geändert werden oder ein Abblasen an geeigneter Stelle aus dem Verdichter veranlasst werden.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Verdichter weiterhin vierte Verdichterstufen aufweist, wobei eine dritte Entlüftungsanordnung mit einer am Ende der dritten Verdichterstufen angeordneten dritten Entnahmekavität in Verbindung mit einer dritten Entnahmeöffnung am die Gasturbine durchziehenden Strömungspfad vorhanden ist. Dabei ist in besonders vorteilhafter Weise in der dritten Entnahmekavität zumindest ein dritter Schwingungssensor angeordnet.
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Die Genauigkeit der Messung kann verbessert werden, wenn anstelle eines einzelnen Schwingungssensors vorteilhaft zwei Schwingungssensoren eingesetzt werden. Diese Maßnahme kann an einer Stelle oder an mehreren oder allen Positionen vorgenommen werden. So gibt es in besonders vorteilhafter Weise zumindest zwei einlassseitige Schwingungssensoren und zumindest zwei erste Schwingungssensoren und zumindest zwei zweite Schwingungssensoren und zumindest zwei dritte Schwingungssensoren und zumindest zwei auslassseitige Schwingungssensoren.
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Der einlassseitige Schwingungssensor kann an unterschiedlicher Stelle vor der ersten Verdichterstufe angeordnet werden. So kann dieser beispielsweise im Einlassgehäuse positioniert werden. Einfacher ist jedoch die Anordnung des einlassseitigen Schwingungssensors im Zuluftkanal.
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Dabei ist darauf zu achten, dass der einlassseitige Schwingungssensor jedoch nicht zu weit vom Verdichter entfernt, dabei aber nicht im Bereich turbulenter Strömung angeordnet wird. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der einlassseitige Schwingungssensor so in/am Zuluftkanal angebracht wird, dass dieser eine größere Entfernung zu einer Rotorachse des Verdichters als ein Einlassradius aufweist. Der Einlassradius wird hierzu definiert als derjenige Radius des Einlassgehäuses im Bereich des Lagersterns. Dabei sollte der Abstand zur Rotorachse jedoch nicht den doppelten Einlassradius überschreiten.
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Dabei ist es des Weiteren vorteilhaft, wenn der einlassseitige Schwingungssensor in einer Wandung des Zuluftkanals auf einer dem Verdichter gegenüberliegenden Seite angebracht wird.
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Zunächst einmal kann der jeweilige Schwingungssensor an beliebiger Stelle in der zugehörigen Entnahmekavität angeordnet werden. Die Messung wird jedoch erschwert, wenn an der Position des Schwingungssensors eine starke Strömung herrscht. Demgegenüber ist es vorteilhaft, den Schwingungssensor an derjenigen Stelle in der entsprechenden Entnahmekavität anzuordnen, bei der eine möglichst geringe oder zumindest gleichmäßige nicht turbulente Strömung im Betrieb der Gasturbine herrscht.
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Daher ist es bei Vorhandensein eines primären Anschlusses an einer Entnahmekavität besonders vorteilhaft, wenn der zugehörige Schwingungssensor zur Rotorachse gegenüberliegend angeordnet wird. Ein primärer Anschluss kennzeichnet sich dadurch aus, dass durch diesen zumindest 80% der aus der Entnahmekavität abzuleitenden Luft abgeleitet wird.
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Sollten in dieser Anordnung zwei Schwingungssensoren eingesetzt werden, so ist es des Weiteren vorteilhaft, diese benachbart zueinander gegenüberliegend zum primären Anschluss zu positionieren.
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Sollten demgegenüber zwei primäre Anschlüsse zur Ableitung der Luft an einer einzelnen Entnahmekavität vorhanden sein, durch die im Betrieb der Gasturbine zumindest 90% der abzuleitenden Luft abgeleitet wird, so ist der zugehörige Schwingungssensor vorteilhaft in Umfangsrichtung mittig zwischen diesen beiden Anschlüssen angeordnet.
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Sollten zwei Schwingungssensoren vorhanden sein, so sind diese vorteilhafterweise zueinander gegenüberliegend jeweils in Umfangsrichtung mittig zwischen zwei primären Anschlüssen anzuordnen.
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In den nachfolgenden Figuren wird eine Gasturbine mit einer Überwachungseinrichtung nach dem Stand der Technik und eine erfindungsgemäße Ausführung einer Gasturbine skizziert.
- 1 zeigt eine Ausführung aus dem Stand der Technik zur Überwachung der Gasturbine, bei der mehrere Sensoren eingesetzt werden.
- 2 zeigt ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Ausführung einer Gasturbine zur Überwachung des Zustandes des Verdichters mit weiteren Sensoren.
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In der 1 wird eine Gasturbine 1 sowie ein Ablaufdiagramm skizziert. Hierbei stellt das Ablaufdiagramm schematisch die wesentlichen Verfahrensschritte zur Überwachung des Betriebs einer Gasturbine 1 dar. Der Aufbau einer Gasturbine 1 ist dem Fachmann an sich bekannt ist und wird deshalb nur kurz erläutert. Die Gasturbine 1 umfasst einen mehrstufigen Axialverdichter 2 mit mehreren Laufscheiben und Leitreihen, wobei in dem Verdichter eine Vielzahl von Verdichterstufen mit Leitschaufeln und Laufschaufeln ausgebildet ist. Durch die Leitschaufel wird der Strömungswinkel der Luft im Verdichter 2 auf die Laufschaufel eingestellt und die Laufschaufel verdichtet und pumpt die Luft weiter. An den Axialverdichter 2 schließt sich in der Turbine 3 die Brennkammer 3 an, in der entsprechender Brennstoff mit Hilfe der über den Verdichter 2 zugeführten Luft verbrannt wird, wodurch die Turbine angetrieben wird.
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In der in 1 dargestellten Gasturbine 1 ist eine Vielzahl von Sensoren vorgesehen, welche entsprechende Betriebsparameter der Turbine erfassen. Der Sensor 4 ist ein Temperatursensor, welcher die Umgebungstemperatur misst und ein entsprechendes Messsignal V1 ausgibt. Der Sensor 5 ist ein Drucksensor, der den Luftdruck der Umgebung misst und ein entsprechendes Messsignal V2 ausgibt. Durch das Bezugszeichen 6 ist ein Feuchtigkeitssensor wiedergegeben, der die Luftfeuchtigkeit misst und ein entsprechendes Messsignal V3 ausgibt. Darüber hinaus ist ein Sensor 7 vorgegeben, der am Eintritt des Verdichters die Stellung der dort vorhandenen verstellbaren Leitschaufeln misst, wobei die Stellung der Leitschaufeln in der Gasturbine über eine entsprechende Einstelleinrichtung verändert werden kann. Der Messwert der Position der Leitschaufeln ist in 1 mit V4 bezeichnet.
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Schließlich ist am Auslass des Verdichters ein Drucksensor als auslassseitiger Schwingungssensor 8 vorgesehen, der dynamisch den Druck am Verdichterauslass in der Form eines Messsignals V5 misst. Dynamisch bedeutet hierbei, dass die zeitliche Veränderung des Schalldrucks mit einer entsprechenden Abtastrate ermittelt wird, so dass das zeitliche Verhalten des Drucks erfasst wird. Eine Messung ist insbesondere dann dynamisch, wenn die Abtastrate im kHz-Bereich und höher liegt. Das gemessene Drucksignal entsteht hierbei dadurch, dass in den einzelnen Verdichterstufen im Betrieb die Verdichterlaufschaufel die Leitschaufel passiert und hierdurch periodische Druckwellen in der verdichteten Luft generiert werden, wobei die Periode einer Druckwelle von der Anzahl an Leit- und Laufschaufeln in der jeweiligen Verdichterstufe abhängt. Das erfasste dynamische Drucksignal enthält somit aufgrund der Mehrzahl von Verdichterstufen mehrere periodische Anteile.
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Anstatt der Verwendung eines einzelnen Drucksensors nachfolgend dem Verdichter 8 können auch mehrere Drucksensoren eingesetzt werden, insbesondere können bereits vorhandene Drucksensoren, wie sie an manchen Gasturbinen im Brennerbereich zur Verbrennungsstabilitätsüberwachung eingesetzt sind, zur Messung herangezogen werden. Ansonsten bietet sich die Installation eines Drucksensors im Austrittsdiffusor oder im Verdichterluftsammelraum (Plenum) der Gasturbine an.
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Das erfasste Signal V5 wird zunächst im Schritt S1 einer A/D-Wandlung unterzogen, und mit dem digitalisierten Signal wird schließlich in Schritt S2 eine FFT-Transformation (FFT = Fast-Fourier-Transformation) zur Ermittlung des Frequenzspektrums des Signals durchgeführt. Die in Schritt S2 durchgeführte FFT-Transformation ist dabei so fein auf die sich aus der Drehzahl der Gasturbine und der Anzahl der Leit- und Laufschaufeln ergebenden Frequenzen abgestimmt, dass die einzelnen Frequenzen klar getrennt den Verdichterstufen zugeordnet werden können. Als Ergebnis der FFT-Transformation erhält man charakteristische Frequenzbänder mit entsprechenden Amplituden der einzelnen Frequenzen.
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Zu weiteren Einzelheiten des vorzugsweise einzusetzenden Verfahrens zur Analyse der Gasturbine wird explizit auf die Druckschrift
EP 2201430 B1 verwiesen.
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In der 2 wird nunmehr beispielhaft, schematisch eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Gasturbine 11 mit verbesserten Überwachungsmöglichkeiten dargestellt. Zu Erkennen ist wiederum der Aufbau der Gasturbine 11 mit einem Verdichter 12 und nachfolgend einer Verbrennungseinrichtung 13 und einer sich daran anschließenden Expansionsturbine. Dabei wird die Gasturbine 11 von einem Strömungspfad von einem Einlass am Verdichter 12 bis zu einem Auslass der Expansionsturbine durchzogen. Weiterhin erstreckt sich in diesem Ausführungsbeispiel ein durchgehender Rotor vom Verdichter 12 über einen Mittelabschnitt im Bereich der Verbrennungseinrichtung 13 bis zur Expansionsturbine.
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Weiterhin umfasst die Gasturbine 11 in Strömungsrichtung vor dem Verdichter 12 ein Einlassgehäuse 22, in dem ein Lagerstern 23 zur Abstützung des Rotors der Gasturbine 11 angeordnet ist. Die Luftzufuhr zur eigentlichen Gasturbine 11 erfolgt über einen Zuluftkanal 21, welcher 21 in Strömungsrichtung vor dem Einlassgehäuse 22 angeordnet ist und dabei eine Umlenkung des Luftmassenstroms in den Strömungspfad der Gasturbine bewirkt.
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Der Verdichter 12 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel vier Abschnitte mit ersten Verdichterstufen 24a, zweiten Verdichterstufen 24b, dritten Verdichterstufen 24c und vierten Verdichterstufen 24d.
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Die ersten Reihen der ersten Verdichterstufen 24a umfassen hierbei wiederum verstellbare Leitschaufeln. Am Ende der ersten Verdichterstufen 24a in Strömungsrichtung befindet sich radial außerhalb des Strömungspfades eine den Strömungspfad ringförmig umgebende Entnahmekavität 25a. Diese 25a ist über eine erste Entnahmeöffnung mit dem Strömungspfad verbunden. Somit kann verdichtete Luft am Ende der ersten Verdichterstufen 24a durch die erste Entnahmeöffnung und aus der ersten Entnahmekavität 25a entnommen werden.
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Diese Anordnung wiederholt sich am Ende der zweiten Verdichterstufen 24b mit einer zweiten ringförmigen Entnahmekavität 25b, welche 25b über eine zweite Entnahmeöffnung gleichfalls mit dem Strömungspfad verbunden ist. Am Ende der dritten Verdichterstufen 24c befindet sich eine dritte Entnahmekavität 25c verbunden über eine dritte Entnahmeöffnung mit dem Strömungspfad.
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An die vierten Verdichterstufen 24d schließt sich am Ende des Verdichters 12 ein Diffusor 27 an, welcher 27 sich zu einem ringförmigen Plenum 28 der Verbrennungseinrichtung 13 öffnet.
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Zur verbesserten Überwachung des Verdichter 12 der Gasturbine 11 ist nunmehr vorgesehen, dass vor den ersten Verdichterstufen 24a zumindest ein einlassseitiger Schwingungssensor 14 am Strömungspfad angebracht wird. In diesem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der einlassseitige Schwingungssensor 14 im Zuluftkanal 21 in einer Wandung gegenüberliegend dem Einlassgehäuse 22 angebracht wird.
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Hierbei ist weiterhin in diesem Ausführungsbeispiel der einlassseitige Schwingungssensor 14 derart positioniert, dass ein Abstand zu einer Rotorachse der Gasturbine knapp doppelt so groß ist wie der Radius des Strömungspfades im Bereich des Lagersterns 23.
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Weiterhin erforderlich ist ein erster Schwingungssensor 15a, welcher an bzw. in der ersten Entnahmekavität 25a angebracht wird. Gleiches gilt für die zweite Entnahmekavität 25b, bei der ebenso ein zweiter Schwingungssensor 15b vorhanden ist. Weiterhin ist in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass ebenso in der dritten Entnahmekavität 25c ein dritter Schwingungssensor 15c angeordnet wird.
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In dieser Zeichnung sind die Anschlüsse zur Abfuhr der entnommenen Luft aus den jeweiligen Entnahmekavitäten 25 nicht dargestellt. Dennoch ist es offensichtlich, dass ein entsprechender Anschluss erforderlich ist. Die Positionierung der Schwingungssensoren 15 in Umfangsrichtung betrachtet, richtet sich in vorteilhafter Weise danach, wo sich die jeweiligen Anschlüsse an den jeweiligen Entnahmekavitäten 25 befinden. Es ist offensichtlich, dass im Bereich der jeweiligen Anschlüsse eine größere Strömung herrscht als in einem Bereich mit größtmöglicher Entfernung vom jeweiligen Anschluss. Entsprechend wird der Schwingungssensor 15 vorteilhaft in Umfangsrichtung an der jeden Stelle positioniert an der eine geringe Strömung im Betrieb der Gasturbine vorhanden ist.
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Analog dem gattungsgemäßen Beispiel aus 1 ist weiterhin vorgesehen, dass ein auslassseitiger Schwingungssensor 8 vorhanden ist. Dieser 8 ist in diesem Ausführungsbeispiel im Plenum 28 der Verbrennungseinrichtung 13 angeordnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2201430 B1 [0004, 0035]
