Pourquoi les centrales hydroélectriques n'utilisent-elles pas des cascades de turbines au lieu de turbines simples?

Dans un moteur à turbine à gaz, il y a plusieurs jeux de pales - un jeu après l'autre et les produits de combustion passent tous les jeux et chaque jeu de pales obtient une partie de la puissance. Cela augmente l'utilisation de l'énergie produite par la combustion de gaz.

Pendant ce temps, les centrales hydroélectriques utilisent des turbines avec un seul jeu de pales et le cas d'utilisation typique est où il y a un canal pour alimenter en eau à partir d'un réservoir surélevé et la turbine est au fond et l'eau coule à travers la turbine, puis coule juste le long de la rivière. Je suppose qu'il reste de la puissance mécanique non extraite lorsque l'eau sort de la turbine.

Pourquoi les turbines à eau ne sont-elles pas "enchaînées" pour que l'eau sortant de la première turbine entraîne la deuxième turbine en utilisant la puissance mécanique résiduelle?

Les gaz d'échappement sont des fluides compressibles, contrairement à l'eau liquide.

Voici une animation du fonctionnement d'une turbine à gaz: https://www.youtube.com/watch?v=gqNtoy2x5bU

Au stade de la combustion, le gaz et l'air comprimé sont mélangés, déjà à haute pression. La combustion libère l'énergie stockée dans le gaz, réchauffant les gaz libérés (échappement). Cela créerait une pression encore plus élevée, donc afin d'empêcher le reflux, la section de combustion est un plus grand volume pour maintenir la pression identique ou inférieure. Ce grand volume de gaz haute pression entraîne la turbine. Lorsque ces gaz comprimés à haute pression traversent le premier jeu de pales, la pression diminue et les gaz se dilatent . Il reste encore une certaine pression et plus d'énergie peut être extraite avec un autre jeu de lames, un autre, etc.

L'eau liquide n'étant pas compressible, elle ne se dilate pas lorsque la pression diminue. Cela facilite en fait l'extraction de l'énergie. Vous faites passer l'eau à travers une buse, réduisant la haute pression à l'intérieur du tuyau à la pression atmosphérique à l'extérieur de la buse et accélérant l'eau jusqu'à une vitesse élevée. Cette énergie peut ensuite être extraite en une seule fois par la turbine, car l'eau ne se dilate pas et l'énergie s'échappe ailleurs. Les turbines Turgo sont en fait très efficaces pour extraire cette énergie, jusqu'à 90%.

C'est pourquoi plusieurs étapes ne sont pas nécessaires dans les centrales hydroélectriques. Cependant, vous pouvez toujours les «enchaîner» au sens littéral. Si vous avez une très grosse goutte, vous pouvez mettre une série de petites turbines à intervalles réguliers dans la goutte, l'eau libérée de l'une allant dans l'autre. Cependant, la quantité d'énergie disponible ne changerait pas d'avoir une turbine plus grande tout en bas et d'utiliser des pressions plus élevées.

Ce qui manque jusqu'à présent explique pourquoi vous ne pouvez pas passer de la haute pression à l'atmosphère dans une turbine à gaz à un étage. Il existe deux types de turbines à gaz: les turbines à impulsion et à réaction. Les deux sont confrontés au même problème, mais il est plus facile à comprendre dans la turbine à impulsions.

Une turbine à impulsion accélère le gaz à travers une buse de la haute pression P1 à une pression inférieure P2, augmentant sa vitesse à V.Le gaz se déplaçant rapidement frappe les aubes de la turbine et abandonne son élan et son énergie cinétique, devenant un gaz à mouvement lent à la pression P2.

Le problème est que pour une certaine valeur de différence de pression, la vitesse V atteint la vitesse du son (dans ce gaz à cette température). À ce stade, les aubes de turbine sont très inefficaces.

D'un livre très ancien que je ne peux pas trouver tout à l'heure sur les turbines à vapeur (même chose: la vapeur est un gaz!), L'efficacité a commencé à chuter quelque part autour de Mach 0,5, ce qui correspondait à une réduction de pression de 40% dans une étape. (La vitesse réelle peut être trouvée à partir de l'équation de Bernoulli)

Ce qui permet de trouver le nombre d'étages dont vous avez besoin pour convertir efficacement n'importe quel rapport de pression donné en puissance d'arbre. Compte tenu des conceptions de lames plus récentes, Mach 0,5 n'est peut-être plus la limite supérieure, mais le même principe de base s'applique.

Dans un turboréacteur d'avion, après plusieurs étapes d'accélération subsonique, les gaz chauds s'échappent par une dernière tuyère et pourraient bien dépasser Mach 1 pour fournir une poussée à l'avion - mais pas très efficacement. (Les moteurs du SR71 Blackbird sont passés à un mode de fonctionnement différent - pratiquement un statoréacteur - pour un fonctionnement en Mach 3)

L'eau va devoir quitter la turbine à une vitesse. C'est ce que vous avez appelé sa puissance mécanique résiduelle. Le fait est que la turbine a déjà ralenti l'eau autant que raisonnablement possible, tout en permettant à l'eau de quitter la centrale et de ne pas l'inonder. Donc, le ralentir davantage avec un étage supplémentaire de turbine n'est tout simplement pas une option. Si elle pouvait encore être ralentie, la première turbine serait conçue pour cela.

Il y a des exemples de turbines en série: il y a des rivières avec plus d'une centrale hydroélectrique au fil de l'eau.

Mais pour la plupart des centrales hydroélectriques de stockage, il est plus simple d'extraire autant d'énergie cinétique que possible en une seule fois. Il y a moins de choses à entretenir et à gérer. Les enchaîner en série ne ferait que réduire l'énergie disponible pour les turbines en aval.

En fin de compte, l'énergie que vous pouvez récupérer est limitée à la hauteur du temps de chute du poids de l'eau (temps g , accélération de la gravité), moins l'énergie cinétique de l'eau à la sortie de la plante. (Il ne peut pas partir avec une énergie cinétique nulle, car une énergie cinétique nulle signifierait qu'il n'a pas du tout quitté la plante).

L'ajout de turbines n'a aucun effet sur cette équation. Si la goutte est la même et que la masse d'eau est la même et que la vitesse de l'eau quittant l'usine est la même, alors la quantité d'énergie récoltée est la même (en supposant une efficacité constante de la turbine).

Je pense, à partir de votre question, que vous vous demandez pourquoi une centrale hydroélectrique n'est pas plus comme une CCGT, avec ses turbines à plusieurs étages. Une centrale hydroélectrique est beaucoup plus simple, plus efficace et plus efficace qu'une CCGT. Un CCGT a ses complications car c'est une centrale thermique avec des fluides hautement compressibles et une transition de phase (eau à vapeur). Une centrale hydroélectrique ne fait que récolter de l'énergie cinétique. Une cascade de turbines n'offre rien d'autre que des complications à une centrale hydroélectrique.

Les turbines à eau sont une source majeure d'énergie électrique. Une turbine à eau n'a généralement qu'un seul disque de rotor.

_{(de Old Moonraker sur Wikipedia )}

Les turbines à gaz sont utilisées dans les générateurs électriques au gaz naturel, les avions à réaction et quelques autres véhicules.

Une turbine à gaz a généralement beaucoup de disques de rotor, qui peuvent être divisés en deux groupes: les disques de rotor de compresseur et les disques de rotor de turbine.

La section de compresseur d'une turbine à gaz a besoin de beaucoup de disques de rotor, car la réduction du nombre de disques de rotor réduit l'efficacité en soit (a) augmentant la différence de pression à travers chaque disque pour garder le taux de compression total le même, réduisant l'efficacité de compression, ou (b ) en maintenant le même différentiel de pression sur chaque disque, ce qui réduit le taux de compression total, ce qui réduit l'efficacité du cycle de Brayton .

Les turbines à eau n'ont pas besoin d'une section de compresseur.

Alors qu'en principe une turbine à gaz pourrait avoir beaucoup de disques de rotor, dans la pratique, nous constatons que les turbines d'aéronef n'ont généralement que 1 ou 2 disques de rotor et (boulonnées au sol) les turbines à gaz naturel n'ont généralement que 1 ou 2 ou 3 disques de rotor, pas très différent des turbines à eau qui n'ont qu'un seul disque de rotor.

Les turbines à gaz utilisées dans les générateurs électriques sont des générateurs électriques fonctionnant au pétrole ou au gaz naturel et sont conçues pour extraire autant d'énergie que possible; la poussée poussant contre les boulons qui les maintiennent au sol est inutile.

Exemples:

• Hitachi H-25

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

• Micro turbine à gaz de 100 kW

_{(100 kW micro photo de turbine à gaz à partir de M. et al Cadorin "Analyse d'un gaz Micro Turbine Fed par du gaz naturel et du gaz de synthèse: Banc d' essai MGT et Combustor CFD Analysis". )}

• Turbine à gaz Siemens 200

_{Turbine à gaz Siemens 200 (SGT-200) pour la production d'énergie industrielle}

• Turbine à gaz GE

_{(extrait de Tekla Perry: "Les nouvelles turbines à gaz de GE jouent bien avec les énergies renouvelables" .)}

_{( Turbine à gaz OP16 de classe 2 MW OPRA )}

_{( Saturn 20 fonctionnant au gaz naturel ou au pétrole à Amherst College )}

La raison pour laquelle un générateur hydroélectrique est fondamentalement différent d'une turbine à gaz est que l'eau sous pression n'est pas un gaz et ne change pas de taille de manière significative lorsque l'énergie en est extraite.

Un moteur à gaz doit tenir compte des variations thermiques et de volume considérables des gaz à l'intérieur du moteur, de sorte que plusieurs pièces et plusieurs matériaux sont généralement nécessaires.

Les turbines hydroélectriques ont des défis différents et doivent tolérer des éléments tels que les feuilles et les branches qui les traversent.

Les schémas de conception des éléments rotatifs des turbines hydroélectriques sont sensiblement différents des moteurs à gaz: vis d'Archimède, ventilateurs Kaplan, roues Pelton, turbines à flux transversal et roues hydrauliques.

Des conceptions à plusieurs étapes sont utilisées dans certaines circonstances.