Por que as usinas hidrelétricas não usam cascatas de turbinas em vez de turbinas simples?

Em um motor de turbina a gás, existem vários conjuntos de lâminas - um conjunto após o outro e os produtos de combustão passam por todos os conjuntos e cada conjunto de lâminas obtém parte da potência. Isso aumenta a utilização de energia da queima de gás.

Enquanto isso, as usinas hidrelétricas usam turbinas com um único conjunto de pás e a base típica de uso é onde há um canal para alimentar a água de um reservatório elevado e a turbina fica no fundo e a água corre através da turbina e depois flui pelo rio. Suponho que ainda exista um pouco de energia mecânica quando a água flui para fora da turbina.

Por que as turbinas de água não são "encadeadas" para que a água que sai da primeira turbina conduz a segunda turbina usando a energia mecânica residual?

Os gases de escape são fluidos compressíveis, enquanto a água líquida não é.

Aqui está uma animação de como uma turbina a gás funciona: https://www.youtube.com/watch?v=gqNtoy2x5bU

No estágio de combustão, o gás e o ar comprimido são misturados, já em alta pressão. A queima libera a energia armazenada no gás, aquecendo os gases liberados (exaustão). Isso criaria uma pressão ainda mais alta; portanto, para evitar o refluxo, a seção de combustão é um volume maior para manter a pressão igual ou inferior. Esse grande volume de gases de alta pressão aciona a turbina. À medida que esses gases comprimidos de alta pressão passam pelo primeiro conjunto de lâminas, a pressão diminui e os gases se expandem . Ainda resta alguma pressão e mais energia pode ser extraída com outro conjunto de lâminas e outro, etc.

Como a água líquida não é compressível, ela não se expande à medida que a pressão diminui. Isso realmente facilita muito a extração de energia. Você passa a água através de um bico, reduzindo a alta pressão dentro do tubo para a pressão atmosférica fora do bico e acelerando a água até uma velocidade alta. Essa energia pode ser extraída de uma só vez pela turbina, porque a água não está se expandindo e a energia escapando para outro lugar. As turbinas de Turgo são realmente muito eficientes na extração dessa energia, em até 90%.

É por isso que vários estágios não são necessários em usinas hidrelétricas. No entanto, você ainda pode 'encadear' eles juntos no sentido literal. Se você tiver uma queda muito grande, poderá colocar uma série de pequenas turbinas em intervalos de queda, a água liberada de uma para outra. No entanto, a quantidade de energia disponível não mudaria de uma turbina maior no fundo e de pressões mais altas.

O que falta até agora é uma explicação por que você não pode expandir de alta pressão para atmosférica em uma turbina a gás de estágio único. Existem dois tipos de turbinas a gás - turbinas de impulso e reação. Ambos enfrentam o mesmo problema, mas é mais fácil entender a turbina de impulso.

Uma turbina de impulso acelera o gás através de um bico de alta pressão P1 para uma pressão mais baixa P2, aumentando sua velocidade para V. O gás em movimento rápido atinge as pás da turbina e desiste de seu momento e energia cinética, tornando-se gás em movimento lento na pressão P2.

O problema é que, para algum valor da diferença de pressão, a velocidade V atinge a velocidade do som (naquele gás a essa temperatura). Nesse ponto, as pás da turbina são altamente ineficientes.

De um livro muito antigo, não consigo encontrar agora apenas sobre turbinas a vapor (a mesma coisa: vapor é um gás!) A eficiência começou a cair em torno de Mach 0,5, o que correspondia a uma redução de pressão de 40% em um estágio. (A velocidade real pode ser encontrada na equação de Bernoulli)

O que permite encontrar o número de estágios necessários para converter com eficiência qualquer taxa de pressão em potência do eixo. Dados os projetos de lâminas mais recentes, o Mach 0,5 pode não ser mais o limite superior, mas o mesmo princípio básico se aplica.

Em um motor a jato de uma aeronave, após vários estágios de aceleração subsônica, os gases quentes escapam através de um último bico e podem exceder o Mach 1 para fornecer impulso para a aeronave - mas não com muita eficiência. (Os motores do SR71 Blackbird mudaram para um modo de operação diferente - praticamente um ramjet - para operação Mach 3)

A água terá que deixar a turbina a uma velocidade. Isso é o que você chamou de força mecânica residual. O problema é que a turbina já diminuiu a velocidade da água o máximo possível, enquanto ainda permite que a água saia da planta e não a inunde. Portanto, desacelerar ainda mais com um estágio extra de turbina simplesmente não é uma opção. Se pudesse diminuir ainda mais a velocidade, a primeira turbina seria projetada para fazer isso.

Existem exemplos de turbinas em série: existem rios com mais de uma usina hidrelétrica a fio d'água.

Mas para a maioria das hidrelétricas de armazenamento, é mais simples extrair o máximo de energia cinética possível de uma só vez. É menos coisas para manter e gerenciar. Acorrentá-los em série reduziria apenas a energia disponível para as turbinas a jusante.

Por fim, a energia que você pode recuperar é limitada à altura do peso da água vezes a gota (vezes g , aceleração da gravidade), menos a energia cinética da água ao sair da planta. (Ele não pode sair com energia cinética zero, pois energia cinética zero significaria que não saiu da fábrica).

A adição de mais turbinas não tem efeito sobre essa equação. Se a queda for a mesma e a massa de água for a mesma e a velocidade da água que sai da planta for a mesma, a quantidade de energia colhida será a mesma (assumindo a eficiência constante da turbina).

Penso que, com a sua pergunta, você está se perguntando por que uma usina hidrelétrica não se parece mais com um CCGT, com suas turbinas de vários estágios. Uma usina hidrelétrica é muito mais simples, mais eficiente e mais eficaz que uma CCGT. Um CCGT tem suas complicações porque é uma usina térmica com fluidos altamente compressíveis e uma transição de fase (água para vapor). Uma usina hidrelétrica está apenas colhendo energia cinética. Uma cascata de turbinas não oferece nada além de complicações para uma usina hidrelétrica.

As turbinas de água são uma importante fonte de energia elétrica. Uma turbina de água geralmente possui apenas um disco de rotor.

_{(de Old Moonraker na Wikipedia )}

As turbinas a gás são usadas em geradores de energia elétrica a gás natural, aviões a jato e alguns outros veículos.

Uma turbina a gás geralmente possui muitos discos de rotor, que podem ser divididos em dois grupos: discos de rotor de compressor e discos de rotor de turbina.

A seção de compressor de uma turbina a gás precisa de muitos discos de rotor, porque reduzir o número de discos de rotor reduz a eficiência (a) aumentando o diferencial de pressão em cada disco para manter a taxa de compressão total a mesma, reduzindo a eficiência de compressão ou (b) ) mantendo o mesmo diferencial de pressão em cada disco, reduzindo a taxa de compressão total, o que reduz a eficiência do ciclo de Brayton .

As turbinas de água não precisam de uma seção de compressor.

Embora, em princípio, uma turbina a gás possa ter muitos discos de rotor, na prática, descobrimos que as turbinas de aeronaves geralmente têm apenas 1 ou 2 discos de rotor e (aparafusadas ao solo) as turbinas de gás natural geralmente têm apenas 1 ou 2 ou 3 discos de rotor, não muito diferente das turbinas de água que possuem apenas 1 disco de rotor.

As turbinas a gás usadas em geradores de energia elétrica são geradores a óleo ou a gás natural e são projetados para extrair o máximo de energia possível; o impulso empurrando contra os parafusos que os seguram no chão é desnecessário.

Exemplos:

• Hitachi H-25

_{(Hitachi H-25 de Russell Ray, Engenharia de Potência)}

• Micro turbina a gás de 100 kW

_{(Foto de turbina de micro-turbina de 100 kW de M. Cadorin et al. "Análise de uma turbina de micro-gás alimentada por gás natural e gás de síntese: banco de ensaio MGT e análise de CFD de combustão" )}

• Siemens Gas Turbine 200

_{Siemens Gas Turbine 200 (SGT-200) para geração de energia industrial}

• Turbina a gás GE

_{(de Tekla Perry: "As novas turbinas a gás da GE jogam bem com os renováveis" .)}

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

_{( Saturn 20 movido a gás natural ou a óleo no Amherst College )}

A razão pela qual um gerador hidrelétrico é fundamentalmente diferente de uma turbina a gás é porque a água sob pressão não é um gás e não altera significativamente o tamanho à medida que a energia é extraída.

Um motor a gás deve levar em consideração consideráveis ​​mudanças térmicas e de volume dos gases dentro do motor, de modo que geralmente são necessárias várias peças e vários materiais.

As turbinas hidrelétricas têm desafios diferentes e precisam tolerar itens como folhas e galhos passando por eles.

Os esquemas de projeto dos elementos rotativos das turbinas hidrelétricas são substancialmente diferentes dos motores a gás: parafusos de arquimedes, ventiladores kaplan, rodas Pelton, turbinas de fluxo cruzado e rodas d'água.

Projetos de vários estágios são empregados em algumas circunstâncias.