Dlaczego elektrownie wodne nie używają kaskad turbin zamiast pojedynczych turbin?

W silniku z turbiną gazową jest wiele zestawów łopat - jeden zestaw po drugim, a produkty spalania przechodzą przez wszystkie zestawy, a każdy zestaw łopat otrzymuje pewną moc. Zwiększa to wykorzystanie energii ze spalania gazu.

Tymczasem elektrownie wodne używają turbin z jednym zestawem łopatek, a typowym przypadkiem jest kanał do dostarczania wody z podniesionego zbiornika, a turbina jest na dnie, a woda przepływa przez turbinę, a następnie po prostu spływa w dół rzeki. Zakładam, że kiedy mechaniczna woda wypływa z turbiny, pozostaje jeszcze niewykorzystana moc mechaniczna.

Dlaczego turbiny wodne nie są „powiązane”, tak że woda opuszczająca pierwszą turbinę napędza drugą turbinę wykorzystując resztkową moc mechaniczną?

Gazy spalinowe są płynami ściśliwymi, podczas gdy ciekła woda nie.

Oto animacja działania turbiny gazowej: https://www.youtube.com/watch?v=gqNtoy2x5bU

Na etapie spalania gaz i sprężone powietrze są mieszane razem, już pod wysokim ciśnieniem. Spalanie uwalnia energię zgromadzoną w gazie, ogrzewając uwolnione gazy (spaliny). To stworzyłoby jeszcze wyższe ciśnienie, więc aby zapobiec przepływowi wstecznemu, sekcja spalania ma większą objętość, aby utrzymać ciśnienie na tym samym lub niższym poziomie. Ta duża objętość gazów wysokociśnieniowych napędza turbinę. Gdy te sprężone pod wysokim ciśnieniem gazy przechodzą przez pierwszy zestaw łopat, ciśnienie zmniejsza się, a gazy rozszerzają się . Wciąż pozostaje trochę presji i więcej energii można wydobyć za pomocą innego zestawu ostrzy, a także innych itd.

Ponieważ ciekła woda nie jest ściśliwa, nie rozszerza się wraz ze spadkiem ciśnienia. To w rzeczywistości znacznie ułatwia wydobycie energii. Przepuszczasz wodę przez dyszę, zmniejszając wysokie ciśnienie wewnątrz rury do ciśnienia atmosferycznego na zewnątrz dyszy i przyspieszając wodę do dużej prędkości. Energia ta może być następnie wydobyta za jednym razem przez turbinę, ponieważ woda nie rozszerza się, a energia ucieka gdzie indziej. Turbiny Turgo są w rzeczywistości bardzo wydajne w wydobywaniu tej energii, nawet do 90%.

Dlatego w elektrowniach wodnych nie jest potrzebnych wiele etapów. Jednak nadal można je „połączyć” razem w dosłownym sensie. Jeśli masz bardzo dużą kroplę, możesz umieścić serię małych turbin w odstępach w dół kropli, uwalniana woda z jednej przechodzi do drugiej. Jednak ilość dostępnej energii nie zmieniłaby się od posiadania większej turbiny na samym dole i zastosowania wyższych ciśnień.

Do tej pory brakuje wyjaśnienia, dlaczego nie można rozszerzyć ciśnienia z wysokiego na atmosferyczne w jednostopniowej turbinie gazowej. Istnieją dwa rodzaje turbin gazowych - turbiny impulsowe i reakcyjne. Oba mają ten sam problem, ale łatwiej jest zrozumieć w turbinie impulsowej.

Turbina impulsowa przyspiesza gaz przez dyszę od wysokiego ciśnienia P1 do niższego ciśnienia P2, zwiększając jego prędkość do V. Szybko poruszający się gaz uderza w łopatki turbiny i rezygnuje z pędu i energii kinetycznej, stając się gazem wolno poruszającym się pod ciśnieniem P2.

Problem polega na tym, że dla pewnej wartości różnicy ciśnień prędkość V osiąga prędkość dźwięku (w tym gazie w tej temperaturze). W którym momencie łopatki turbiny są wysoce nieefektywne.

Z bardzo starej książki, której nie mogę teraz znaleźć na temat turbin parowych (to samo: para jest gazem!) Wydajność zaczęła spadać gdzieś w pobliżu Macha 0,5, co odpowiadało 40% redukcji ciśnienia na etapie. (Rzeczywistą prędkość można znaleźć na podstawie równania Bernoulliego)

Dzięki temu można znaleźć liczbę etapów potrzebnych do efektywnego przekształcenia danego stosunku ciśnienia w moc na wale. Biorąc pod uwagę nowsze konstrukcje ostrzy, Mach 0,5 może nie być już górną granicą, ale obowiązuje ta sama podstawowa zasada.

W silniku odrzutowym statku powietrznego, po kilku etapach przyspieszenia poddźwiękowego, gorące gazy uciekają przez ostatnią dyszę i mogą znacznie przekraczać Mach 1, aby zapewnić ciąg dla samolotu - ale niezbyt skutecznie. (Silniki SR71 Blackbird przeszły na inny tryb pracy - praktycznie ramjet - dla operacji Mach 3)

Woda będzie musiała opuścić turbinę z prędkością. To, co określiłeś jako resztkową moc mechaniczną. Chodzi o to, że turbina już spowolniła wodę tak bardzo, jak można to rozsądnie zrobić, jednocześnie pozwalając wodzie opuścić roślinę i nie zalać jej. Więc dalsze spowolnienie z dodatkowym etapem turbiny po prostu nie wchodzi w grę. Jeśli można by to jeszcze bardziej spowolnić, to pierwsza turbina byłaby do tego zaprojektowana.

Istnieją przykłady turbin połączonych szeregowo: istnieją rzeki z więcej niż jedną elektrownią przepływową.

Ale w przypadku większości magazynów wodnych najprościej jest po prostu wydobyć jak najwięcej energii kinetycznej za jednym razem. To mniej rzeczy do utrzymania i zarządzania. Łączenie ich szeregowo ograniczyłoby tylko energię dostępną dla turbin przepływowych.

Ostatecznie energia, którą można odzyskać, jest ograniczona do wysokości kropli razy masa wody (razy g , przyspieszenie grawitacyjne), minus energia kinetyczna wody po opuszczeniu rośliny. (Nie może odejść z zerową energią kinetyczną, ponieważ zerowa energia kinetyczna oznaczałaby, że w ogóle nie opuściła rośliny).

Dodanie większej liczby turbin nie ma żadnego wpływu na to równanie. Jeśli kropla jest taka sama, a masa wody jest taka sama, a prędkość wody opuszczającej zakład jest taka sama, wówczas ilość zebranej energii jest taka sama (przy założeniu stałej wydajności turbiny).

Myślę, że z twojego pytania zastanawiasz się, dlaczego elektrownia wodna nie przypomina CCGT z wielostopniowymi turbinami. Elektrownia wodna jest znacznie prostsza, wydajniejsza i skuteczniejsza niż CCGT. CCGT ma swoje komplikacje, ponieważ jest elektrownią termiczną z wysoce ściśliwymi płynami i przejściem fazowym (woda do pary). Elektrownia wodna właśnie zbiera energię kinetyczną. Kaskada turbin nie oferuje żadnych komplikacji dla elektrowni wodnych.

Turbiny wodne są głównym źródłem energii elektrycznej. Turbina wodna zazwyczaj ma tylko jedną tarczę wirnika.

_{(od Old Moonraker z Wikipedii )}

Turbiny gazowe są stosowane w generatorach energii elektrycznej na gaz ziemny, samolotach odrzutowych i kilku innych pojazdach.

Turbina gazowa ma na ogół wiele tarcz wirnika, które można podzielić na dwie grupy: tarcze wirnika sprężarki i tarcze wirnika turbiny.

Sekcja sprężarki turbiny gazowej wymaga dużej liczby tarcz wirnika, ponieważ zmniejszenie liczby tarcz wirnika zmniejsza wydajność poprzez (a) zwiększenie różnicy ciśnień na każdym dysku, aby utrzymać ten sam całkowity współczynnik sprężania, zmniejszenie wydajności sprężania lub (b ) utrzymywanie różnicy ciśnień na każdym dysku bez zmian, zmniejszając całkowity stopień kompresji, co zmniejsza wydajność cyklu Braytona .

Turbiny wodne nie potrzebują sekcji sprężarki.

Podczas gdy w zasadzie turbina gazowa może mieć wiele tarcz wirnikowych, w praktyce okazuje się, że turbiny lotnicze mają zwykle tylko 1 lub 2 tarcze wirnikowe, a (przykręcone do ziemi) turbiny gazowe na ogół mają tylko 1 lub 2 lub 3 tarcze wirnikowe, niewiele różni się od turbin wodnych, które mają tylko 1 tarczę wirnika.

Turbiny gazowe stosowane w generatorach energii elektrycznej są generatorami elektrycznymi zasilanymi olejem lub gazem ziemnym i mają na celu wydobycie jak największej ilości energii, jak to możliwe; nacisk na śruby przytrzymujące je na ziemi jest niepotrzebny.

Przykłady:

• Hitachi H-25

_{(Hitachi H-25 z Russell Ray, energetyka)}

• Turbina gazowa mikro 100 kW

_{(Zdjęcie mikro turbiny gazowej o mocy 100 kW, autorstwa M. Cadorina i in. „Analiza turbiny mikrogazowej zasilanej gazem ziemnym i gazem syntezowym: Stanowisko testowe MGT i analiza CFD Combustor” )}

• Siemens Gas Turbine 200

_{Siemens Gas Turbine 200 (SGT-200) do przemysłowego wytwarzania energii}

• Turbina gazowa GE

_{(z Tekla Perry: „Nowe turbiny gazowe GE ładnie bawią się odnawialnymi źródłami energii” ).}

_{( Turbina gazowa OP16 2 MW klasy OPRA )}

_{( napędzany gazem ziemnym lub olejem Saturn 20 w Amherst College )}

Powodem, dla którego generator hydroelektryczny zasadniczo różni się od turbiny gazowej, jest to, że woda pod ciśnieniem nie jest gazem i nie zmienia znacząco wielkości, gdy pobierana jest z niej energia.

Silnik gazowy musi uwzględniać znaczne zmiany termiczne i objętościowe gazów wewnątrz silnika, dlatego na ogół wymagane są różne części i materiały.

Turbiny hydroelektryczne mają różne wyzwania i muszą tolerować przechodzące przez nie przedmioty i liście.

Schematy konstrukcyjne elementów wirujących turbin hydroelektrycznych są zasadniczo różne od silników gazowych: śruby Archimedesa, wentylatory kaplanowe, koła Pelton, turbiny przepływowe i koła wodne.

W niektórych okolicznościach stosuje się konstrukcje wieloetapowe.