Perché le centrali idroelettriche non utilizzano cascate di turbine anziché singole turbine?

In un motore a turbina a gas ci sono più set di pale - uno dopo l'altro e i prodotti della combustione superano tutti i set e ogni set di pale ottiene un po 'della potenza. Ciò aumenta l'utilizzo di energia dalla combustione del gas.

Nel frattempo le centrali idroelettriche usano turbine con un solo set di pale e la tipica base d'uso è dove c'è un canale per alimentare l'acqua da un serbatoio elevato e la turbina è sul fondo e l'acqua scorre attraverso la turbina e poi scorre semplicemente lungo il fiume. Presumo che rimanga ancora un po 'di energia meccanica non estratta quando l'acqua esce dalla turbina.

Perché le turbine ad acqua non sono "incatenate" in modo che l'acqua che esce dalla prima turbina aziona la seconda turbina usando la potenza meccanica residua?

I gas di scarico sono fluidi comprimibili, mentre l'acqua liquida no.

Ecco un'animazione di come funziona una turbina a gas: https://www.youtube.com/watch?v=gqNtoy2x5bU

Nella fase di combustione, il gas e l'aria compressa vengono miscelati insieme, già ad alta pressione. La combustione rilascia l'energia immagazzinata nel gas, riscaldando i gas rilasciati (scarico). Ciò creerebbe una pressione ancora più elevata, quindi al fine di prevenire il riflusso la sezione di combustione ha un volume maggiore per mantenere la pressione uguale o inferiore. Questo grande volume di gas ad alta pressione guida la turbina. Man mano che questi gas compressi ad alta pressione attraversano la prima serie di pale, la pressione si riduce e i gas si espandono . Rimane ancora un po 'di pressione e si può estrarre più energia con un altro set di pale e un altro, ecc.

Poiché l'acqua liquida non è comprimibile, non si espande poiché la pressione si riduce. Questo in realtà rende molto più facile l'estrazione dell'energia. Si fa passare l'acqua attraverso un ugello, riducendo l'alta pressione all'interno del tubo alla pressione atmosferica all'esterno dell'ugello e accelerando l'acqua fino a una velocità elevata. Questa energia può quindi essere estratta tutta in una volta dalla turbina, perché l'acqua non si espande e l'energia fuoriesce altrove. Le turbine Turgo sono in realtà molto efficienti nell'estrarre questa energia, fino al 90%.

Questo è il motivo per cui non sono necessarie più fasi negli impianti idroelettrici. Tuttavia, potresti ancora "raggrupparli" in senso letterale. Se hai una goccia molto grande, potresti mettere una serie di piccole turbine a intervalli lungo la goccia, l'acqua rilasciata da una va in un'altra. Tuttavia, la quantità di energia disponibile non cambierebbe dall'avere una turbina più grande nella parte inferiore e dall'uso di pressioni più elevate.

Ciò che manca finora è una spiegazione del perché non è possibile espandersi dall'alta pressione all'atmosfera in una turbina a gas a stadio singolo. Esistono due tipi di turbine a gas: turbine a impulso e di reazione. Entrambi affrontano lo stesso problema ma è più facile da capire nella turbina a impulsi.

Una turbina a impulsi accelera il gas attraverso un ugello da alta pressione P1 a una pressione inferiore P2, aumentando la sua velocità a V. Il gas in rapido movimento colpisce le pale della turbina e rinuncia al suo momento e all'energia cinetica, trasformandosi in gas a bassa velocità alla pressione P2.

Il problema è che per un certo valore della differenza di pressione, la velocità V raggiunge la velocità del suono (in quel gas a quella temperatura). A quel punto le pale della turbina sono altamente inefficienti.

Da un libro molto vecchio che non riesco a trovare proprio ora sulle turbine a vapore (stessa cosa: il vapore è un gas!) L'efficienza ha iniziato a diminuire da qualche parte intorno a Mach 0,5, che corrispondeva a una riduzione della pressione del 40% in uno stadio. (La velocità effettiva può essere trovata dall'equazione di Bernoulli)

Ciò consente di trovare il numero di stadi necessari per convertire in modo efficiente qualsiasi dato rapporto di pressione in potenza dell'albero. Dati i nuovi design delle pale, Mach 0.5 potrebbe non essere più il limite superiore ma si applica lo stesso principio di base.

In un motore a reazione per aeromobili, dopo diverse fasi di accelerazione subsonica, i gas caldi fuoriescono attraverso un ultimo ugello e possono superare Mach 1 per fornire spinta all'aeromobile, ma non in modo molto efficiente. (I motori della SR71 Blackbird sono passati a una diversa modalità di funzionamento - praticamente un ramjet - per il funzionamento di Mach 3)

L'acqua dovrà lasciare la turbina a una velocità. Quello che hai definito la sua potenza meccanica residua. Il fatto è che la turbina ha già rallentato l'acqua quanto si può ragionevolmente fare, pur consentendo all'acqua di lasciare la pianta senza allagarla. Quindi rallentarlo ulteriormente con un ulteriore stadio di turbina non è un'opzione. Se potesse essere ulteriormente rallentato, la prima turbina sarebbe progettata per farlo.

Ci sono esempi di turbine in serie: ci sono fiumi con più di un impianto idroelettrico ad acqua fluente.

Ma per la maggior parte dell'idro di accumulo, è più semplice estrarre quanta più energia cinetica possibile in una volta sola. Ci sono meno cose da mantenere e gestire. Concatenarli in serie ridurrebbe semplicemente l'energia disponibile per le turbine a valle.

In definitiva, l'energia che puoi recuperare è limitata all'altezza dei tempi di caduta peso dell'acqua (volte g , accelerazione di gravità), meno l'energia cinetica dell'acqua al momento di lasciare la pianta. (Non può andarsene con energia cinetica zero, poiché l'energia cinetica zero significherebbe che non ha lasciato affatto la pianta).

L'aggiunta di più turbine non ha alcun effetto su tale equazione. Se la goccia è la stessa, e la massa d'acqua è la stessa, e la velocità dell'acqua che esce dall'impianto è la stessa, la quantità di energia raccolta è la stessa (assumendo un'efficienza costante della turbina).

Penso, dalla tua domanda, ti stai chiedendo perché un impianto idroelettrico non è più come un CCGT, con le sue turbine multistadio. Un impianto idroelettrico è molto più semplice, più efficiente e più efficace di un CCGT. Un CCGT ha le sue complicazioni perché è un impianto termico con fluidi altamente comprimibili e una transizione di fase (dall'acqua al vapore). Una pianta idroelettrica sta solo raccogliendo energia cinetica. Una cascata di turbine non offre altro che complicazioni a un impianto idroelettrico.

Le turbine ad acqua sono una delle principali fonti di energia elettrica. Una turbina ad acqua ha generalmente un solo disco del rotore.

_{(da Old Moonraker su Wikipedia )}

Le turbine a gas sono utilizzate nei generatori di energia elettrica a gas naturale, nei velivoli a reazione e in alcuni altri veicoli.

Una turbina a gas ha generalmente molti dischi del rotore, che possono essere divisi in due gruppi: dischi del rotore del compressore e dischi del rotore della turbina.

La sezione del compressore di una turbina a gas ha bisogno di molti dischi del rotore, perché ridurre il numero di dischi del rotore riduce l'efficienza aumentando (a) il differenziale di pressione su ciascun disco per mantenere lo stesso rapporto di compressione totale, riducendo l'efficienza di compressione, oppure (b ) mantenendo lo stesso differenziale di pressione su ciascun disco, riducendo il rapporto di compressione totale, che riduce l'efficienza del ciclo di Brayton .

Le turbine ad acqua non hanno bisogno di una sezione del compressore.

Mentre in linea di principio una turbina a gas potrebbe avere molti dischi del rotore, in pratica scopriamo che le turbine degli aeromobili generalmente hanno solo 1 o 2 dischi del rotore e (imbullonate a terra) le turbine a gas naturale generalmente hanno solo 1 o 2 o 3 dischi del rotore, non molto diverso dalle turbine ad acqua che hanno solo 1 disco rotore.

Le turbine a gas utilizzate nei generatori di energia elettrica sono generatori di energia a gasolio o a gas naturale e sono progettati per estrarre quanta più energia possibile dell'energia elettrica; la spinta che spinge contro i bulloni che li tengono a terra non è necessaria.

Esempi:

• Hitachi H-25

_{(Hitachi H-25 di Russell Ray, Ingegneria energetica)}

• Micro turbina a gas da 100 kW

_{(Foto di turbina a micro gas da 100 kW di M. Cadorin e altri "Analisi di una turbina a micro gas alimentata da gas naturale e gas di sintesi: banco di prova MGT e analisi CFD del combustore" )}

• Turbina a gas Siemens 200

_{Siemens Gas Turbine 200 (SGT-200) per la produzione di energia industriale}

• Turbina a gas GE

_{(da Tekla Perry: "Le nuove turbine a gas di GE giocano bene con le energie rinnovabili" .)}

_{( Turbina a gas OPRA da 2 MW classe OP16 )}

_{( Saturn 20 alimentato a gas naturale oa petrolio all'Amherst College )}

Il motivo per cui un generatore idroelettrico è fondamentalmente diverso da una turbina a gas è perché l'acqua sotto pressione non è un gas e non cambia in modo significativo quando viene estratta energia da esso.

Un motore a gas deve tenere conto delle notevoli variazioni termiche e di volume dei gas all'interno del motore, quindi sono generalmente necessarie più parti e più materiali.

Le turbine idroelettriche hanno sfide diverse e devono tollerare oggetti come foglie e rami che le attraversano.

Gli schemi di progettazione degli elementi rotanti delle turbine idroelettriche sono sostanzialmente diversi dai motori a gas: viti archimedes, ventilatori kaplan, ruote Pelton, turbine a flusso incrociato e ruote idrauliche.

I progetti a più fasi sono impiegati in alcune circostanze.