Warum verwenden Wasserkraftwerke keine Turbinenkaskaden anstelle von Einzelturbinen?

In einem Gasturbinentriebwerk gibt es mehrere Sätze von Schaufeln - ein Satz nach dem anderen, und Verbrennungsprodukte passieren alle Sätze, und jeder Satz von Schaufeln erhält einen Teil der Leistung. Dies erhöht die Nutzung von Strom aus brennendem Gas.

In Wasserkraftwerken werden Turbinen mit einem einzigen Satz Schaufeln verwendet. Der typische Anwendungsfall ist, dass ein Kanal zum Zuführen von Wasser aus einem erhöhten Speicher vorhanden ist und sich die Turbine unten befindet und das Wasser durch die Turbine fließt und dann nur den Fluss hinunter. Ich nehme an, dass noch etwas mechanische Kraft ungenutzt bleibt, wenn Wasser aus der Turbine fließt.

Warum werden Wasserturbinen nicht "angekettet", sodass aus der ersten Turbine austretendes Wasser die zweite Turbine mit der verbleibenden mechanischen Leistung antreibt?

Die Abgase sind komprimierbare Flüssigkeiten, flüssiges Wasser dagegen nicht.

Hier ist eine Animation, wie eine Gasturbine funktioniert: https://www.youtube.com/watch?v=gqNtoy2x5bU

Bei der Verbrennung werden Gas und Druckluft bereits unter hohem Druck miteinander vermischt. Die Verbrennung setzt die im Gas gespeicherte Energie frei und erwärmt die freigesetzten Gase (Abgase). Dies würde einen noch höheren Druck erzeugen, so dass zur Verhinderung eines Rückstroms der Verbrennungsabschnitt ein größeres Volumen aufweist, um den Druck gleich oder niedriger zu halten. Dieses große Volumen an Hochdruckgasen treibt die Turbine an. Wenn diese unter hohem Druck stehenden komprimierten Gase durch den ersten Satz von Schaufeln strömen, nimmt der Druck ab und die Gase dehnen sich aus . Es bleibt noch etwas Druck übrig und es kann mehr Energie mit einem anderen Messersatz und einem anderen usw. extrahiert werden.

Da flüssiges Wasser nicht komprimierbar ist, dehnt es sich beim Druckabbau nicht aus. Dies macht es tatsächlich viel einfacher, die Energie zu extrahieren. Sie leiten das Wasser durch eine Düse, reduzieren den Hochdruck im Rohr auf atmosphärischen Druck außerhalb der Düse und beschleunigen das Wasser auf eine hohe Geschwindigkeit. Diese Energie kann dann von der Turbine auf einmal entnommen werden, da sich das Wasser nicht ausdehnt und an anderer Stelle Energie entweicht. Turgo-Turbinen sind tatsächlich sehr effizient bei der Gewinnung dieser Energie, bis zu 90%.

Aus diesem Grund werden in Wasserkraftwerken keine Mehrstufen benötigt. Sie können sie jedoch immer noch im wahrsten Sinne des Wortes "verketten". Wenn Sie einen sehr großen Tropfen haben, können Sie eine Reihe kleiner Turbinen in Abständen nach unten stellen, wobei das freigesetzte Wasser von einer in die andere fließt. Die verfügbare Energiemenge würde sich jedoch nicht ändern, wenn ganz unten eine größere Turbine und höhere Drücke verwendet würden.

Was bisher fehlt, ist eine Erklärung, warum man in einer einstufigen Gasturbine nicht von Hochdruck auf Atmosphärendruck expandieren kann. Es gibt zwei Arten von Gasturbinen - Impuls- und Reaktionsturbinen. Beide haben das gleiche Problem, aber es ist in der Impulsturbine einfacher zu verstehen.

Eine Impulsturbine beschleunigt das Gas durch eine Düse von Hochdruck P1 auf einen niedrigeren Druck P2 und erhöht seine Geschwindigkeit auf V. Das sich schnell bewegende Gas trifft auf die Turbinenschaufeln und gibt seinen Impuls und seine kinetische Energie auf, wobei es sich bei Druck P2 zu langsam bewegendem Gas entwickelt.

Das Problem ist, dass für einen bestimmten Wert der Druckdifferenz die Geschwindigkeit V die Schallgeschwindigkeit (in diesem Gas bei dieser Temperatur) erreicht. An diesem Punkt sind die Turbinenschaufeln sehr ineffizient.

Nach einem sehr alten Buch, das ich gerade nicht über Dampfturbinen finden kann (das gleiche: Dampf ist ein Gas!), Begann der Wirkungsgrad irgendwo um Mach 0,5 abzufallen, was einer 40% igen Druckreduzierung in einer Stufe entsprach. (Die tatsächliche Geschwindigkeit ergibt sich aus der Bernoulli-Gleichung.)

So können Sie die Anzahl der Stufen ermitteln, die Sie benötigen, um ein bestimmtes Druckverhältnis effizient in Wellenleistung umzuwandeln. Bei neueren Schaufelkonstruktionen ist Mach 0,5 möglicherweise nicht mehr die Obergrenze, es gilt jedoch dasselbe Grundprinzip.

In einem Flugzeugtriebwerk entweichen die heißen Gase nach mehreren Schritten der Unterschallbeschleunigung durch eine letzte Düse und können Mach 1 durchaus überschreiten, um dem Flugzeug Schub zu verleihen - jedoch nicht sehr effizient. (Die Motoren des SR71 Blackbird wurden für den Mach-3-Betrieb auf einen anderen Betriebsmodus umgestellt - praktisch einen Staustrahl)

Das Wasser muss die Turbine mit einer Geschwindigkeit verlassen. Das, was Sie als seine mechanische Restleistung bezeichnet haben. Die Sache ist, dass die Turbine das Wasser bereits so stark verlangsamt hat, wie es vernünftigerweise möglich ist, während das Wasser die Anlage verlässt und sie nicht überflutet. Eine weitere Verlangsamung mit einer zusätzlichen Turbinenstufe ist also keine Option. Wenn es weiter verlangsamt werden könnte, wäre die erste Turbine dafür ausgelegt.

Es gibt Beispiele für Turbinen in Serie: Es gibt Flüsse mit mehr als einem Laufwasserkraftwerk.

Bei den meisten Speicherkraftwerken ist es jedoch am einfachsten, so viel kinetische Energie wie möglich auf einmal zu gewinnen. Es sind weniger Dinge zu warten und zu verwalten. Eine Reihenschaltung würde lediglich die für die nachgeschalteten Turbinen verfügbare Energie verringern.

Letztendlich ist die Energie, die Sie abrufen können, auf die Höhe des Tropfens mal das Gewicht des Wassers (mal g , die Erdbeschleunigung) minus der kinetischen Energie des Wassers beim Verlassen der Pflanze begrenzt. (Es kann nicht mit null kinetischer Energie verlassen werden, da null kinetische Energie bedeuten würde, dass es die Pflanze überhaupt nicht verlassen hat.)

Das Hinzufügen weiterer Turbinen hat keinerlei Auswirkung auf diese Gleichung. Wenn der Tropfen gleich ist und die Wassermasse gleich ist und die Geschwindigkeit des Wassers, das die Anlage verlässt, gleich ist, ist die Menge der gewonnenen Energie gleich (unter der Annahme eines konstanten Turbinenwirkungsgrades).

Ihrer Frage nach wundern Sie sich, warum ein Wasserkraftwerk mit seinen mehrstufigen Turbinen nicht mehr wie ein GuD-Kraftwerk ist. Eine Wasserkraftanlage ist viel einfacher, effizienter und effektiver als ein GuD-Kraftwerk. Ein GuD hat seine Komplikationen, weil es eine thermische Anlage mit hochkomprimierbaren Flüssigkeiten und einem Phasenübergang (Wasser zu Dampf) ist. Eine Wasserkraftanlage erntet nur kinetische Energie. Eine Turbinenkaskade bietet einer Wasserkraftanlage nichts anderes als Komplikationen.

Wasserturbinen sind eine wichtige Stromquelle. Eine Wasserturbine hat in der Regel nur eine Rotorscheibe.

_{(aus Old Moonraker bei Wikipedia )}

Gasturbinen werden in Stromerzeugern für Erdgas, Düsenflugzeugen und einigen anderen Fahrzeugen eingesetzt.

Eine Gasturbine hat im Allgemeinen viele Rotorscheiben, die in zwei Gruppen unterteilt werden können: Kompressorrotorscheiben und Turbinenrotorscheiben.

Der Verdichterabschnitt einer Gasturbine benötigt viele Rotorscheiben, da die Verringerung der Anzahl der Rotorscheiben den Wirkungsgrad verringert, indem entweder (a) die Druckdifferenz über jede Scheibe erhöht wird, um das Gesamtverdichtungsverhältnis gleich zu halten, wodurch der Verdichtungswirkungsgrad verringert wird, oder (b) ) Halten Sie die Druckdifferenz über jede Scheibe gleich und verringern Sie das Gesamtkompressionsverhältnis, was die Effizienz des Brayton-Zyklus verringert .

Wasserturbinen benötigen keine Kompressorsektion.

Während eine Gasturbine im Prinzip viele Rotorscheiben haben könnte, stellen wir in der Praxis fest, dass Flugzeugturbinen im Allgemeinen nur 1 oder 2 Rotorscheiben haben und (mit dem Boden verschraubt) Erdgasturbinen im Allgemeinen nur 1 oder 2 oder 3 Rotorscheiben haben. nicht viel anders als bei Wasserturbinen mit nur einer Rotorscheibe.

Gasturbinen, die in Stromerzeugern verwendet werden, sind öl- oder erdgasbetriebene Stromerzeuger, die so ausgelegt sind, dass sie so viel Energie wie möglich gewinnen. Der Druck gegen die Bolzen, die sie am Boden halten, ist nicht erforderlich.

Beispiele:

• Hitachi H-25

_{(Hitachi H-25 von Russell Ray, Power Engineering)}

• 100 kW Mikrogasturbine

_{(100-kW-Mikrogasturbinenfoto von M. Cadorin et al. "Analyse einer mit Erdgas und Synthesegas betriebenen Mikrogasturbine: MGT-Prüfstand und Brennkammer-CFD-Analyse" )}

• Siemens Gasturbine 200

_{Siemens Gasturbine 200 (SGT-200) zur industriellen Stromerzeugung}

• GE Gasturbine

_{(von Tekla Perry: "GEs neue Gasturbinen spielen gut mit erneuerbaren Energien" .)}

_{( OPRA's 2 MW Klasse OP16 Gasturbine )}

_{( erdgas- oder ölbetriebener Saturn 20 am Amherst College )}

Der Grund, warum sich ein Wasserkraftgenerator grundlegend von einer Gasturbine unterscheidet, liegt darin, dass unter Druck stehendes Wasser kein Gas ist und seine Größe nicht wesentlich ändert, wenn ihm Energie entzogen wird.

Ein Gasmotor muss erhebliche thermische und Volumenänderungen der Gase im Motor berücksichtigen, so dass im Allgemeinen mehrere Teile und mehrere Materialien erforderlich sind.

Wasserkraftturbinen haben unterschiedliche Herausforderungen und müssen Gegenstände wie Blätter und Äste aushalten, die sie durchdringen.

Die Konstruktionsschemata der rotierenden Elemente von Wasserkraftturbinen unterscheiden sich erheblich von denen von Gasmotoren: Archimedes-Schrauben, Kaplan-Lüfter, Pelton-Räder, Querstromturbinen und Wasserräder.

Unter Umständen werden mehrstufige Ausführungen verwendet.