수력 발전소는 왜 단일 터빈 대신에 캐스케이드 터빈을 사용하지 않습니까?

가스 터빈 엔진에는 여러 세트의 블레이드가 있습니다. 하나의 세트가 차례대로 설정되고 연소 제품이 모든 세트를 통과하고 각 블레이드 세트가 약간의 힘을 얻습니다. 이것은 연소 가스로부터의 전력 이용을 증가시킨다.

한편 수력 발전소는 단일 블레이드 세트의 터빈을 사용하며 일반적인 사용 사례는 높은 저수지에서 물을 공급하기위한 채널이 있고 터빈이 바닥에 있고 물이 터빈을 통과하여 강을 따라 흐르는 곳입니다. 물이 터빈에서 흘러 나올 때 여전히 추출되지 않은 기계적 힘이 남아 있다고 가정합니다.

왜 물 터빈이 "연쇄"되지 않아서 제 1 터빈을 빠져 나가는 물이 잔류 기계적 동력을 사용하여 제 2 터빈을 구동 시키는가?

배기 가스는 압축성 유체이지만 액체 물은 그렇지 않습니다.

다음은 가스 터빈 작동 방식에 대한 애니메이션입니다. https://www.youtube.com/watch?v=gqNtoy2x5bU

연소 단계에서, 가스와 압축 공기는 이미 고압에서 함께 혼합됩니다. 연소는 가스에 저장된 에너지를 방출하여 방출 된 가스를 가열합니다 (배기). 이는 훨씬 더 높은 압력을 생성하므로, 역류를 방지하기 위해 연소 섹션은 압력을 동일하게 또는 더 낮게 유지하기 위해 더 큰 부피이다. 이 대량의 고압 가스는 터빈을 구동시킵니다. 이러한 고압 압축 가스가 제 1 블레이드 세트를 통과함에 따라 , 압력이 감소하고 가스가 팽창한다 . 여전히 약간의 압력이 남아 있으며 다른 블레이드 세트 및 다른 블레이드 등으로 더 많은 에너지를 추출 할 수 있습니다.

액체 물은 압축 할 수 없으므로 압력이 감소함에 따라 팽창하지 않습니다. 이것은 실제로 에너지 추출을 훨씬 쉽게 만듭니다. 물을 노즐로 통과시켜 파이프 내부의 고압을 노즐 외부의 대기압으로 낮추고 물을 고속으로 가속시킵니다. 이 에너지는 물이 팽창하지 않고 에너지가 다른 곳으로 빠져 나오지 않기 때문에 터빈에 의해 한 번에 추출 될 수 있습니다. Turgo 터빈 은 실제로이 에너지를 최대 90 % 추출하는 데 매우 효율적입니다.

이것이 수력 발전소에서 여러 단계가 필요하지 않은 이유입니다. 그러나 당신은 여전히 ​​문자 그대로의 의미로 그것들을 '체인'할 수 있습니다. 매우 큰 낙하가있는 경우, 낙하 된 간격으로 일련의 소형 터빈을 놓을 수 있습니다. 그러나 가용 에너지의 양은 맨 아래에 더 큰 터빈이 있고 더 높은 압력을 사용하는 것에서 변하지 않습니다.

지금까지 누락 된 것은 단일 단계 가스 터빈에서 고압에서 대기로 확장 할 수없는 이유에 대한 설명입니다. 가스 터빈에는 임펄스 터빈과 반응 터빈의 두 가지 유형이 있습니다. 둘 다 같은 문제에 직면하지만 임펄스 터빈에서 이해하기가 더 쉽습니다.

임펄스 터빈은 고압 P1에서 저압 P2까지 노즐을 통해 가스를 가속하여 속도를 V로 증가시킵니다. 빠르게 움직이는 가스는 터빈 블레이드에 부딪 히고 운동량과 운동 에너지를 포기하여 압력 P2에서 천천히 움직이는 가스가됩니다.

문제는 압력 차이의 일부 값에 대해 속도 V가 소리의 속도에 도달한다는 것입니다 (해당 온도의 가스에서). 이 시점에서 터빈 블레이드는 매우 비효율적입니다.

아주 오래된 책에서 나는 증기 터빈 (동일한 것 : 증기는 가스입니다!)에 대해 지금은 찾을 수 없습니다. 마하 0.5 주위 어딘가에서 효율이 떨어지기 시작했습니다.이 단계는 40 %의 압력 감소에 해당합니다. (실제 속도는 Bernoulli 방정식에서 찾을 수 있습니다)

이는 주어진 압력비를 샤프트 동력으로 효율적으로 변환하는 데 필요한 단계 수를 찾는 방법을 제공합니다. 최신 블레이드 설계가 제공되면 Mach 0.5는 더 이상 상한이 아니지만 동일한 기본 원칙이 적용됩니다.

항공기 제트 엔진에서, 여러 단계의 아음속 가속 후, 뜨거운 가스는 하나의 마지막 노즐을 통해 빠져 나가 마하 1을 초과하여 항공기에 추력을 제공 할 수 있지만 매우 효율적이지는 않습니다. (SR71 블랙 버드 엔진은 Mach 3 작동을 위해 다른 작동 모드 (실제로 램제트)로 전환했습니다)

물은 터빈을 빠른 속도로 떠나야합니다. 그것이 당신이 잔류 기계적 힘이라고 부르는 것. 문제는 터빈이 이미 물을 식물을 떠나 침수시키지 않으면 서 합리적으로 가능한 한 물을 늦춘 것입니다. 따라서 터빈의 추가 단계에서 속도를 늦추는 것은 선택 사항이 아닙니다. 그것이 더 느려질 수 있다면, 첫 번째 터빈은 그렇게하도록 설계 될 것입니다.

직렬로 연결된 터빈의 예가 있습니다. 하나 이상의 하천 수력 발전소가있는 강이 있습니다.

그러나 대부분의 수력 저장 장치에서 한 번에 가능한 한 많은 운동 에너지를 추출하는 것이 가장 간단합니다. 유지 관리해야 할 것이 적습니다. 직렬로 연결하면 다운 스트림 터빈에 사용할 수있는 에너지가 줄어 듭니다.

궁극적으로, 회수 할 수있는 에너지는 물의 낙하 시간 높이 (시간 g , 중력 가속도)에서 식물을 떠날 때 물의 운동 에너지를 뺀 값으로 제한됩니다. (운동 에너지가 0이면 식물을 전혀 떠나지 않았 음을 의미하므로 운동 에너지가 0 인 채로 나갈 수 없습니다).

터빈을 더 추가해도 해당 방정식에는 영향을 미치지 않습니다. 방울이 같고 물의 질량이 같고 식물을 떠나는 물의 속도가 동일하면 수확되는 에너지의 양이 같습니다 (일정한 터빈 효율을 가정).

귀하의 질문에 따르면, 다단계 터빈으로 수력 발전소가 왜 CCGT와 비슷하지 않은지 궁금합니다. 수력 발전소는 CCGT보다 훨씬 간단하고 효율적이며 효과적입니다. CCGT는 압축성이 높은 유체와 상 전이 (물에서 증기로)가있는 열 플랜트이므로 복잡한 문제가 있습니다. 수력 발전소는 운동 에너지를 수확하고 있습니다. 터빈 캐스케이드는 수력 발전소에 합병증 이외의 것을 제공하지 않습니다.

수력 터빈 은 주요 전력 원입니다. 수력 터빈에는 일반적으로 하나의 로터 디스크 만 있습니다.

_{( Wikipedia의 Old Moonraker에서 )}

가스 터빈 은 천연 가스 발전기, 제트기 및 기타 차량에 사용됩니다.

가스 터빈은 일반적으로 많은 로터 디스크를 가지며, 이는 압축기 로터 디스크와 터빈 로터 디스크의 두 그룹으로 나눌 수 있습니다.

로터 터빈의 수를 줄이면 (a) 전체 압축 비율을 동일하게 유지하기 위해 각 디스크의 압력 차를 증가 시키거나 압축 효율을 감소시킴으로써 가스 터빈의 압축기 섹션에 많은 로터 디스크가 필요합니다. ) 각 디스크의 압력 차이를 동일하게 유지하여 총 압축 비율을 줄임으로써 Brayton주기 의 효율성을 감소시킵니다 .

수력 터빈에는 압축기 섹션이 필요하지 않습니다.

원칙적으로 가스 터빈에는 많은 로터 디스크가있을 수 있지만 실제로 항공기 터빈에는 일반적으로 1 또는 2 개의 로터 디스크 만 있고 (지상으로 볼 수있는) 천연 가스 터빈에는 일반적으로 1 또는 2 또는 3 개의 로터 디스크 만 있습니다. 로터 디스크가 1 개만있는 수력 터빈과 크게 다르지 않습니다.

전력 발전기에 사용되는 가스 터빈은 원유 또는 천연 가스 전력 발전기이며 가능한 한 많은 전력을 전력으로 추출하도록 설계된다. 볼트를 땅에 고정시키는 추진력은 불필요합니다.

예 :

• 히타치 H-25

_{(전력 공학 Russell Ray의 Hitachi H-25)}

• 100kW 마이크로 가스 터빈

_{( M. Cadorin 등의 " 100kW 마이크로 가스 터빈 사진 "천연 가스 및 합성 가스에 의해 공급되는 마이크로 가스 터빈의 분석 : MGT 테스트 벤치 및 연소기 CFD 분석 " )}

• 지멘스 가스 터빈 200

_{산업 발전 용 지멘스 가스 터빈 200 (SGT-200)}

• GE 가스 터빈

_{( Tekla Perry의 : "GE의 새로운 가스 터빈은 재생 에너지로 훌륭하게 재생 됩니다. "}

_{( OPRA의 2MW 급 OP16 가스 터빈 )}

_{( Amherst College의 천연 가스 또는 석유 동력 토성 20 )}

수력 발전기가 가스 터빈과 근본적으로 다른 이유는 압력 하의 물이 가스가 아니며, 에너지가 추출 될 때 크기가 크게 변하지 않기 때문이다.

가스 엔진은 엔진 내부 가스의 상당한 열 및 부피 변화를 설명해야하므로 일반적으로 여러 부품과 여러 재료가 필요합니다.

수력 터빈은 다른 도전을 가지고 있으며, 잎과 가지를 통과하는 물건을 견뎌내야합니다.

수력 터빈의 회전 요소의 설계 방식은 가스 엔진과 실질적으로 다릅니다 : 아르키메데스 나사, 카플란 팬, 펠톤 휠, 직 교류 터빈 및 워터 휠.

일부 상황에서는 다단계 디자인이 사용됩니다.