Чому гідроелектростанції не використовують каскади турбін замість одиночних турбін?

У газотурбінному двигуні є кілька комплектів лопатей - один за іншим і продукти згоряння пропускають усі комплекти, і кожен комплект лопатей отримує частину сили. Це збільшує використання енергії від спалювання газу.

Тим часом гідроелектростанції використовують турбіни з єдиним набором лопатей, а типовий корпус - там, де є канал для подачі води з підвищеного резервуару, а турбіна знаходиться на дні, і вода проходить через турбіну, а потім просто стікає вниз по річці. Я припускаю, що залишається невитягнута механічна потужність, коли вода витікає з турбіни.

Чому водні турбіни не «прикуті», щоб вода, що виходить з першої турбіни, приводила в рух другу турбіну, використовуючи залишкову механічну потужність?

Вихлопні гази є стисливими рідинами, тоді як рідка вода - ні.

Ось анімація про те, як працює газова турбіна: https://www.youtube.com/watch?v=gqNtoy2x5bU

На стадії згоряння газ і стиснене повітря змішуються разом, вже при високому тиску. При спалюванні виділяється енергія, що зберігається в газі, нагріваючи виділені гази (вихлоп). Це створило б ще більший тиск, тому для запобігання зворотного потоку секція згоряння має більший об'єм, щоб тиск залишався однаковим чи нижчим. Цей великий обсяг газів високого тиску приводить в рух турбіну. Коли ці стиснені гази високого тиску проходять через перший набір лопатей, тиск зменшується і гази розширюються . Залишився певний тиск і більше енергії можна буде витягти за допомогою іншого набору лопатей, іншого і т.д.

Оскільки рідка вода не стискається, вона не розширюється, оскільки тиск знижується. Це фактично полегшує видобуток енергії. Ви пропускаєте воду через форсунку, знижуючи високий тиск всередині труби до атмосферного тиску поза форсунки і прискорюючи воду до великої швидкості. Потім ця енергія може бути видобута за один раз турбіною, оскільки вода не розширюється, а енергія витікає в інше місце. Турбо турбіни насправді дуже ефективні для видобутку цієї енергії, до 90%.

Ось чому в гідростанціях не потрібно декілька етапів. Однак ви все-таки можете зв'язати їх у прямому сенсі. Якщо у вас дуже велика крапля, ви можете поставити ряд невеликих турбін з інтервалом вниз по краплі, викинута вода з однієї йде в іншу. Однак кількість доступної енергії не змінилася б від наявності більшої турбіни на самому дні та використання більш високого тиску.

Чого не вистачає поки що - це пояснення, чому ви не можете розширитись від високого тиску до атмосферного в одноступеневій газовій турбіні. Існує два типи газових турбін - імпульсні та реакційні турбіни. Обидва стикаються з однією проблемою, але їх легше зрозуміти в імпульсній турбіні.

Імпульсна турбіна прискорює газ через форсунку від високого тиску Р1 до нижчого тиску Р2, збільшуючи свою швидкість до В. Швидко рухається газ потрапляє на лопатки турбіни і віддає свою імпульс і кінетичну енергію, перетворюючись на повільно рухомий газ при тиску Р2.

Проблема полягає в тому, що при деякому значенні різниці тиску швидкість V досягає швидкості звуку (в цьому газі при цій температурі). У цей момент лопатки турбіни вкрай неефективні.

З дуже старої книги я не можу зараз знайти парових турбін (те саме: пара - це газ!) Ефективність почала падати десь близько 0,5 Маха, що відповідало зниженню тиску на 40%. (Фактичну швидкість можна знайти з рівняння Бернуллі)

Це дає змогу знайти кількість ступенів, необхідних для ефективного перетворення будь-якого заданого співвідношення тиску в потужність вала. Враховуючи новіші конструкції лез, Мах 0,5 може більше не бути верхньою межею, але застосовується той самий базовий принцип.

У реактивному двигуні літального апарату, після декількох етапів дозвукового прискорення, гарячі гази витікають через останню форсунку і цілком можуть перевищувати Мах 1, щоб забезпечити тягу літака - але не дуже ефективно. (Двигуни SR71 Blackbird перейшли на інший режим роботи - практично на ракетному режимі - для роботи Mach 3)

Вода повинна буде швидко виходити з турбіни. Це те, що ви назвали його залишковою механічною силою. Справа в тому, що турбіна вже сповільнила воду настільки, наскільки це розумно можна зробити, водночас дозволяючи воді залишити завод і не затопити його. Тож уповільнювати його далі із додатковим ступенем турбіни просто не є можливим. Якщо це можна було б уповільнити, тоді перша турбіна була б спроектована для цього.

Є приклади турбін серії: є річки з більш ніж однією проточною гідростанцією.

Але для більшості гідроакумуляторів найпростіше просто витягти стільки кінетичної енергії, скільки можна за один раз. Обслуговування та управління ними менше. Поєднання їх послідовно просто зменшило б енергію, наявну для нижчих турбін.

Зрештою, енергія, яку ви можете отримати, обмежується висотою крапельної ваги води (рази g , прискорення сили тяжіння) за вирахуванням кінетичної енергії води при виході з рослини. (Він не може залишитись з нульовою кінетичною енергією, оскільки нульова кінетична енергія означала б, що вона взагалі не покинула завод).

Додавання більшої кількості турбін ніяк не впливає на це рівняння. Якщо крапля однакова, а маса води однакова, а швидкість води, що виходить з рослини, однакова, то кількість заготовленої енергії однакова (при умові постійного ККД турбіни).

Я думаю, що з вашого запитання вам цікаво, чому гідростанція більше не схожа на CCGT, з його багатоступеневими турбінами. Гідростанція набагато простіша, ефективніша та ефективніша, ніж CCGT. CCGT має свої ускладнення, оскільки це теплова установка з сильно стислими рідинами і фазовим переходом (вода в пар). Гідростанція просто збирає кінетичну енергію. Каскад турбін не пропонує нічого, крім ускладнень для гідростанції.

Водні турбіни є основним джерелом електроенергії. Водна турбіна, як правило, має лише один диск ротора.

_{(від Old Moonraker у Вікіпедії )}

Газові турбіни використовуються в генераторах електроенергії природного газу, реактивних літальних апаратах та деяких інших транспортних засобах.

Газова турбіна, як правило, має багато роторних дисків, які можна розділити на дві групи: диски ротора компресора та диски ротора турбіни.

Компресорна секція газової турбіни потребує великої кількості роторних дисків, оскільки зменшення кількості роторних дисків знижує ефективність, або (a) збільшуючи перепад тиску на кожному диску, щоб зберегти загальний коефіцієнт стиснення однаковим, зменшуючи ефективність стиснення, або (b ) збереження перепадів тиску на кожному диску однаковим, зменшення загального коефіцієнта стиснення, що знижує ефективність циклу Брейтона .

Водяні турбіни не потребують компресорної секції.

Хоча в принципі у газової турбіни може бути багато роторних дисків, на практиці ми виявляємо, що літальні турбіни, як правило, мають лише 1 або 2 роторні диски, а (прикріплені до землі) турбіни природного газу, як правило, мають лише 1 або 2 або 3 роторних диска, не так сильно відрізняється від водяних турбін, які мають лише 1 роторний диск.

Газові турбіни, що використовуються в генераторах електроенергії, є електричними генераторами, що працюють на масляному або природному газі, і призначені для видобутку якнайбільше енергії, наскільки електроенергії; тяга, що притискається до болтів, що тримають їх на землі, непотрібна.

Приклади:

• Hitachi H-25

_{(Hitachi H-25 від Рассела Рея, енергетика)}

• Мікрогазова турбіна 100 кВт

_{(Фото мікрогазової турбіни потужністю 100 кВт від М. Кадоріна та ін. "Аналіз мікрогазової турбіни, поданої природним газом та синтетичним газом: тестовий стенд MGT та аналіз CFD комбустора" )}

• Газова турбіна Siemens 200

_{Газова турбіна Siemens 200 (SGT-200) для промислового виробництва електроенергії}

• Газова турбіна GE

_{(від Текла Перрі: "Нові газові турбіни GE чудово грають із відновлюваними джерелами енергії" .)}

_{( Газова турбіна OP16 2 МВт класу OP16 )}

_{( природний газ або нафта Сатурн 20 в Коледжі Амхерста )}

Причина, по якій гідроелектрогенератор принципово відрізняється від газової турбіни, полягає в тому, що вода під тиском не є газом і не змінює суттєво розмір, оскільки енергія видобувається з неї.

Газовий двигун повинен враховувати значні теплові та об'ємні зміни газів, що знаходяться всередині двигуна, тому, як правило, потрібно багато деталей і декількох матеріалів.

У гідроелектричних турбін виникають різні проблеми, і вони повинні терпіти елементи, такі як листя і гілки, що проходять через них.

Конструктивні схеми обертових елементів гідроелектричних турбін істотно відрізняються від газових двигунів: гвинти архімедів, вентилятори каплана, колеса Пелтона, турбіни перехресного потоку та водяні колеса.

Багатоетапні конструкції застосовуються за певних обставин.