Hidroelektrik santralleri neden tek türbinler yerine kaskadlar kullanmıyorlar?

Bir gaz türbini motorunda çok sayıda bıçak seti vardır - birbiri ardına set ve yanma ürünleri tüm takımları geçer ve her bir bıçak seti gücün bir kısmını alır. Bu, yanan gazın gücünden yararlanılmasını arttırır.

Bu arada hidroelektrik santralleri, tek bir bıçak setine sahip türbinleri kullanır ve tipik usecase, yükseltilmiş bir rezervuardan su beslemek için bir kanalın olduğu ve türbinin en altta olduğu ve suyun türbin içinden geçtiği ve daha sonra nehirden aşağı aktığı bir kanaldır. Su türbinden dışarı akarken hala çekilmemiş bir miktar mekanik güç olduğunu varsayıyorum.

Su türbinleri neden "zincirlenmiyor" ki birinci türbinden çıkan su artık mekanik gücü kullanarak ikinci türbini çalıştırıyor?

Egzoz gazları sıkıştırılabilir sıvılardır, oysa sıvı su değildir.

İşte bir gaz türbininin nasıl çalıştığını gösteren bir animasyon: https://www.youtube.com/watch?v=gqNtoy2x5bU

Yanma aşamasında, gaz ve basınçlı hava zaten yüksek basınçta karıştırılır. Yanma, gazda depolanan enerjiyi salıvererek serbest kalan gazları ısıtır (egzoz). Bu daha da yüksek bir basınç oluşturacaktır, bu nedenle geri akışını önlemek için yanma bölümü basıncı aynı veya daha düşük tutmak için daha büyük bir hacimdir. Bu büyük hacimli yüksek basınçlı gazlar türbini çalıştırır. Bu yüksek basınçlı sıkıştırılmış gazlar birinci bıçak setinden geçtiği için , basınç düşer ve gazlar genişler . Hala bir miktar baskı kalmıştır ve başka bir bıçak seti ve başka bir şeyle daha fazla enerji elde edilebilir.

Sıvı su sıkıştırılamadığından, basınç azaldıkça genleşmez. Bu aslında enerjiyi çıkarmayı çok daha kolaylaştırır. Suyu bir nozül içinden geçirirsiniz, borunun içindeki yüksek basıncı nozül dışındaki atmosferik basınca düşürür ve suyu yüksek bir hıza kadar hızlandırırsınız. Bu enerji daha sonra bir defada türbin tarafından çıkarılabilir, çünkü su genleşmez ve başka bir yerde enerji kaçar. Turgo türbinleri bu enerjinin% 90'a kadar çıkarılmasında oldukça verimlidir.

Bu nedenle hidro santrallerde birden fazla aşama gerekli değildir. Bununla birlikte, kelimenin tam anlamıyla onları bir arada 'zincirleyebilirsin'. Çok büyük bir düşüşünüz varsa, damlanın altındaki aralıklarla bir dizi küçük türbin koyabilirsiniz, çıkan su birinden diğerine gider. Bununla birlikte, mevcut enerji miktarı, en altta daha büyük bir türbine sahip olmaktan ve daha yüksek basınç kullanmaktan değişmeyecektir.

Şimdiye kadar eksik olan tek bir gaz türbini içerisinde neden yüksek basınçtan atmosfere kadar genişleyemediğinizin açıklaması. İki tür gaz türbini vardır - impuls ve reaksiyon türbinleri. İkisi de aynı sorunla karşı karşıya kalsa da dürtü türbininde anlaşılması daha kolaydır.

Bir dürtü türbini, bir memeden gazı yüksek basınç P1'den daha düşük bir P2 basıncına yükseltir, hızını V değerine yükseltir. Hızlı hareket eden gaz, türbin kanatlarına çarpar ve momentum ve kinetik enerjisinden vazgeçerek P2 basıncında yavaş hareket eden gaz olur.

Sorun, basınç farkının bir değeri için, V hızının ses hızına ulaşmasıdır (bu sıcaklıkta o gazda). Bu noktada türbin kanatları oldukça verimsizdir.

Çok eski bir kitaptan hemen şimdi buhar türbinleri hakkında bulamıyorum (aynı şey: buhar bir gazdır!) Verimlilik, bir aşamada% 40'lık bir basınç düşüşüne karşılık gelen Mach 0.5 etrafında bir yerde düşmeye başladı. (Gerçek hız Bernoulli denkleminden bulunabilir)

Bu, herhangi bir basınç oranını verimli bir şekilde şaft gücüne dönüştürmeniz için gereken aşama sayısını bulmak için bir yol sunar. Yeni bıçak tasarımları göz önüne alındığında, Mach 0.5 artık üst sınır olmayabilir, ancak aynı temel prensip geçerlidir.

Bir uçak jet motorunda, ses altı ivmenin birkaç aşamasından sonra, sıcak gazlar son bir nozülden kaçar ve uçağa itme sağlamak için Mach 1'i aşabilir - ama çok verimli değil. (SR71 Blackbird'nin motorları, Mach 3 işlemi için farklı bir çalışma moduna (pratik olarak ramjet) geçiş yaptı.

Su türbini hızla terketmek zorunda kalacak. Kalan mekanik gücü olarak adlandırdığınız şeye. Mesele şu ki, türbinin suyu makul bir şekilde yapılabildiği kadar yavaşlattığı halde, yine de suyun tesisten çıkmasına ve su basmasına izin vermemesine izin verildi. Bu yüzden fazladan bir türbin aşaması ile yavaşlatmak bir seçenek değil. Daha da yavaşlatılabilirse, ilk türbin bunu yapmak için tasarlanacaktı.

Seri olarak türbin örnekleri var: birden fazla nehir su tesisi olan nehirler var.

Ancak çoğu depolama hidro için, bir kerede olabildiğince kinetik enerjiyi çıkarmak sadece basittir. Bakımı ve yönetilmesi gereken daha az şey var. Bunları seri halinde zincirlemek, sadece aşağı akış türbinleri için mevcut olan enerjiyi azaltır.

Sonuçta, alabileceğiniz enerji, suyun damla zaman ağırlığının yüksekliği (zaman g , yerçekimi'nin ivmesi) ile sınırlıdır , eksi bitkiden ayrıldıktan sonra suyun kinetik enerjisidir. (Sıfır kinetik enerji, bitkiden hiç ayrılmadığı anlamına geleceğinden sıfır kinetik enerji ile bırakılamaz).

Daha fazla türbin eklemenin bu denklem üzerinde hiçbir etkisi yoktur. Eğer damla aynıysa ve su kütlesi aynı ise ve tesisten çıkan suyun hızı aynıysa, o zaman harcanan enerji miktarı aynıdır (sabit türbin verimi varsayarsak).

Bence sorunuza göre, bir hidroelektrik santralin neden çok aşamalı türbinleriyle CCGT'ye daha çok benzemediğini merak ediyorsunuz. Bir hidroelektrik santrali bir CCGT'den çok daha basit, daha verimli ve daha etkilidir. Bir CCGT'nin komplikasyonları vardır, çünkü yüksek oranda sıkıştırılabilir sıvıları olan bir termal tesis ve bir faz geçişi (sudan buhara). Bir hidroelektrik santrali sadece kinetik enerji topluyor. Bir kademeli türbin, bir hidroelektrik santralinin komplikasyonlarından başka bir şey sunmaz.

Su türbinleri önemli bir elektrik gücü kaynağıdır. Bir su türbini genellikle sadece bir rotor diskine sahiptir.

_{( Old Moonraker’dan Wikipedia’da )}

Gaz türbinleri doğal gaz elektrik jeneratörlerinde, jet uçaklarında ve diğer birkaç araçta kullanılmaktadır.

Bir gaz türbini genellikle iki gruba ayrılabilen çok sayıda rotor diskine sahiptir: kompresör rotor diskleri ve türbin rotor diskleri.

Bir gaz türbininin kompresör bölümü çok sayıda rotor diski gerektirir, çünkü rotor disklerinin sayısını azaltmak, (a) toplam sıkıştırma oranını aynı tutmak için her diskteki basınç farkını artırarak, sıkıştırma verimini azaltmak veya ve her diskteki basınç farkını aynı tutarak, toplam sıkıştırma oranını azaltarak Brayton döngüsünün verimliliğini azaltır .

Su türbinlerinin kompresör bölümüne ihtiyacı yoktur.

Prensipte bir gaz türbini çok sayıda rotor diski içerebilse de, pratikte uçak türbinlerinin genellikle sadece 1 veya 2 rotor diski olduğunu ve (toprağa cıvatalı) doğal gaz türbinlerinin genellikle sadece 1 veya 2 veya 3 rotor diski olduğunu, sadece 1 rotor diski olan su türbinlerinden çok farklı değil.

Elektrik jeneratörlerinde kullanılan gaz türbinleri, yağla çalışan veya doğal gazla çalışan elektrik jeneratörleridir ve elektrik gücü olarak olabildiğince fazla enerji çekecek şekilde tasarlanmıştır; cıvataları yerlerinde tutan itme tertibatı gereksizdir.

Örnekler:

• Hitachi H-25

_{(Russell Ray'den Hitachi H-25, Enerji Mühendisliği)}

• 100 kW mikro gaz türbini

_{( M. Cadorin ve ark.nın "Doğal Gaz ve Sentez Gazı ile Beslenen Bir Mikro Gaz Türbininin Analizi": MGT Test Tezgahı ve Yanma Cihazı CFD Analizi ile 100 kW'lık mikro gaz türbini fotoğrafı )}

• Siemens Gaz Türbini 200

_{Endüstriyel enerji üretimi için Siemens Gaz Türbini 200 (SGT-200)}

• GE gaz türbini

_{( Tekla Perry'den: "GE'nin Yeni Gaz Türbinleri Yenilenebilir Enerji ile Güzel Oynuyor" )}

_{( OPRA'nın 2 MW sınıfı OP16 gaz türbini )}

_{( Amherst College’da doğal gaz veya petrole bağlı Saturn 20 )}

Bir hidroelektrik jeneratörünün temelde bir gaz türbinden farklı olmasının nedeni, basınç altındaki suyun bir gaz olmaması ve enerji ondan çıkarıldığında büyüklüğünü önemli ölçüde değiştirmemesidir.

Bir gaz motoru, motor içindeki gazların kayda değer termal ve hacim değişikliklerini hesaba katmak zorundadır, bu nedenle genellikle çok sayıda parça ve çoklu malzeme gerekir.

Hidroelektrik türbinlerin farklı zorlukları vardır ve bunlardan geçen yapraklar ve dallar gibi maddelere tolerans göstermeleri gerekir.

Dönen hidroelektrik türbin elemanlarının tasarım şemaları, gaz motorlarından büyük ölçüde farklıdır: arşivlenmiş vidalar, kaplan fanları, Pelton tekerlekleri, çapraz akış türbinleri ve su tekerlekleri.

Bazı durumlarda çok aşamalı tasarımlar kullanılmaktadır.