En un motor de turbina de gas hay varios juegos de palas: un juego tras otro y los productos de combustión pasan todos los juegos y cada juego de palas obtiene parte de la potencia. Esto aumenta la utilización de energía de la quema de gas.
Mientras tanto, las plantas hidroeléctricas usan turbinas con un solo juego de palas y el caso de uso típico es donde hay un canal para alimentar el agua de un depósito elevado y la turbina está en el fondo y el agua corre a través de la turbina y luego fluye río abajo. Supongo que aún queda algo de energía mecánica sin extraer cuando sale agua de la turbina.
¿Por qué las turbinas de agua no están "encadenadas" para que el agua que sale de la primera turbina impulse la segunda turbina utilizando la energía mecánica residual?
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Respuestas:
Los gases de escape son fluidos compresibles, mientras que el agua líquida no lo es.
Aquí hay una animación de cómo funciona una turbina de gas: https://www.youtube.com/watch?v=gqNtoy2x5bU
En la etapa de combustión, el gas y el aire comprimido se mezclan, ya a alta presión. La quema libera la energía almacenada en el gas, calentando los gases liberados (escape). Esto crearía una presión aún mayor, por lo que para evitar el reflujo, la sección de combustión tiene un volumen mayor para mantener la presión igual o menor. Este gran volumen de gases a alta presión impulsa la turbina. A medida que estos gases comprimidos de alta presión pasan a través del primer conjunto de palas, la presión se reduce y los gases se expanden . Todavía queda algo de presión y se puede extraer más energía con otro juego de cuchillas, y otro, etc.
Como el agua líquida no es compresible, no se expande a medida que se reduce la presión. En realidad, esto hace que sea mucho más fácil extraer la energía. Usted pasa el agua a través de una boquilla, reduciendo la alta presión dentro de la tubería a la presión atmosférica fuera de la boquilla, y acelerando el agua a alta velocidad. Esta energía se puede extraer de una vez por la turbina, porque el agua no se expande y la energía se escapa en otros lugares. Las turbinas turgo son realmente muy eficientes para extraer esta energía, hasta un 90%.
Esta es la razón por la cual no se necesitan etapas múltiples en plantas hidroeléctricas. Sin embargo, aún podría 'encadenarlos' en sentido literal. Si tiene una caída muy grande, podría colocar una serie de turbinas pequeñas a intervalos por la caída, el agua liberada de una a otra. Sin embargo, la cantidad de energía disponible no cambiaría de tener una turbina más grande en el fondo y usar presiones más altas.
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Lo que falta hasta ahora es una explicación de por qué no puede expandirse de alta presión a atmosférica en una turbina de gas de una sola etapa. Hay dos tipos de turbinas de gas: turbinas de impulso y de reacción. Ambos enfrentan el mismo problema, pero es más fácil de entender en la turbina de impulso.
Una turbina de impulso acelera el gas a través de una boquilla de alta presión P1 a una presión más baja P2, aumentando su velocidad a V. El gas de movimiento rápido golpea las palas de la turbina y abandona su impulso y energía cinética, convirtiéndose en gas de movimiento lento a la presión P2.
El problema es que para algún valor de diferencia de presión, la velocidad V alcanza la velocidad del sonido (en ese gas a esa temperatura). En ese momento, las palas de la turbina son altamente ineficientes.
De un libro muy antiguo que no puedo encontrar ahora sobre turbinas de vapor (lo mismo: ¡el vapor es un gas!), La eficiencia comenzó a disminuir en algún lugar alrededor de Mach 0.5, lo que correspondió a una reducción de presión del 40% en una etapa. (La velocidad real se puede encontrar a partir de la ecuación de Bernoulli)
Lo que proporciona una manera de encontrar la cantidad de etapas que necesita para convertir eficientemente cualquier relación de presión dada en la potencia del eje. Dados los nuevos diseños de cuchillas, Mach 0.5 puede que ya no sea el límite superior, pero se aplica el mismo principio básico.
En un motor a reacción de un avión, después de varias etapas de aceleración subsónica, los gases calientes escapan a través de una última boquilla y pueden superar Mach 1 para proporcionar empuje al avión, pero no de manera muy eficiente. (Los motores del SR71 Blackbird hicieron la transición a un modo de operación diferente, prácticamente un ramjet, para la operación Mach 3)
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El agua tendrá que salir de la turbina a gran velocidad. Eso a lo que se ha referido como su potencia mecánica residual. La cuestión es que la turbina ya ha disminuido la velocidad del agua tanto como se puede hacer razonablemente, al tiempo que permite que el agua salga de la planta y no la inunde. Por lo tanto, reducir la velocidad aún más con una etapa adicional de turbina simplemente no es una opción. Si pudiera ralentizarse aún más, entonces la primera turbina estaría diseñada para hacerlo.
Hay ejemplos de turbinas en serie: hay ríos con más de una planta hidroeléctrica de pasada.
Pero para la mayoría de las hidroeléctricas de almacenamiento, es más simple extraer la mayor cantidad de energía cinética que pueda de una sola vez. Es menos cosas para mantener y administrar. Encadenarlos en serie solo reduciría la energía disponible para las turbinas aguas abajo.
En última instancia, la energía que puede recuperar se limita a la altura de la caída multiplicada por el peso del agua (multiplicado por g , la aceleración de la gravedad), menos la energía cinética del agua al salir de la planta. (No puede salir con energía cinética cero, ya que la energía cinética cero significaría que no abandonó la planta en absoluto).
Agregar más turbinas no tiene ningún efecto en esa ecuación. Si la caída es la misma, y la masa de agua es la misma, y la velocidad del agua que sale de la planta es la misma, entonces la cantidad de energía cosechada es la misma (suponiendo una eficiencia constante de la turbina).
Creo que, a partir de su pregunta, se pregunta por qué una planta hidroeléctrica no es más como una CCGT, con sus turbinas de etapas múltiples. Una planta hidroeléctrica es mucho más simple, más eficiente y más efectiva que una CCGT. Un CCGT tiene sus complicaciones porque es una planta térmica con fluidos altamente compresibles y una transición de fase (agua a vapor). Una planta hidroeléctrica solo está cosechando energía cinética. Una cascada de turbinas no ofrece nada más que complicaciones para una planta hidroeléctrica.
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Las turbinas de agua son una fuente importante de energía eléctrica. Una turbina de agua generalmente tiene un solo disco de rotor.
(de Old Moonraker en Wikipedia )
Las turbinas de gas se utilizan en generadores de energía eléctrica de gas natural, aviones a reacción y algunos otros vehículos.
Una turbina de gas generalmente tiene muchos discos de rotor, que se pueden dividir en dos grupos: discos de rotor de compresor y discos de rotor de turbina.
La sección del compresor de una turbina de gas necesita muchos discos de rotor, porque reducir la cantidad de discos de rotor reduce la eficiencia ya sea (a) aumentando el diferencial de presión en cada disco para mantener la relación de compresión total igual, reduciendo la eficiencia de compresión, o (b ) manteniendo el diferencial de presión en cada disco igual, reduciendo la relación de compresión total, lo que reduce la eficiencia del ciclo de Brayton .
Las turbinas de agua no necesitan una sección de compresor.
Si bien, en principio, una turbina de gas podría tener muchos discos de rotor, en la práctica encontramos que las turbinas de aviones generalmente tienen solo 1 o 2 discos de rotor, y las turbinas de gas natural (atornilladas al suelo) generalmente tienen solo 1 o 2 o 3 discos de rotor, no muy diferente de las turbinas de agua que tienen solo 1 disco de rotor.
Las turbinas de gas utilizadas en generadores de energía eléctrica son generadores eléctricos de petróleo o gas natural y están diseñados para extraer tanta energía como sea posible; El empuje que empuja contra los tornillos que los sostienen en el suelo es innecesario.
Ejemplos:
(Hitachi H-25 de Russell Ray, Ingeniería energética)
( Fotografía de micro turbina de gas de 100 kW de M. Cadorin et al. "Análisis de una turbina de micro gas alimentada por gas natural y gas de síntesis: banco de pruebas MGT y análisis de CFD de combustor" )
Siemens Gas Turbine 200 (SGT-200) para generación de energía industrial
(de Tekla Perry: "Las nuevas turbinas de gas de GE juegan muy bien con las energías renovables" ).
( Turbina de gas OP16 clase OP16 de 2 MW )
( Saturno 20 a gas natural o petróleo en el Amherst College )
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La razón por la cual un generador hidroeléctrico es fundamentalmente diferente a una turbina de gas es porque el agua a presión no es un gas, y no cambia de tamaño significativamente a medida que se extrae energía de él.
Un motor de gas tiene que tener en cuenta los considerables cambios térmicos y de volumen de los gases dentro del motor, por lo que generalmente se requieren múltiples piezas y múltiples materiales.
Las turbinas hidroeléctricas tienen diferentes desafíos y tienen que tolerar elementos como hojas y ramas que pasan a través de ellas.
Los esquemas de diseño de los elementos giratorios de las turbinas hidroeléctricas son sustancialmente diferentes a los motores de gas: tornillos de arquímedes, ventiladores kaplan, ruedas Pelton, turbinas de flujo cruzado y ruedas de agua.
Los diseños de etapas múltiples se emplean en algunas circunstancias.
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