なぜ水力発電所は、単一のタービンの代わりにタービンのカスケードを使用しないのですか？

ガスタービンエンジンには複数のブレードセットがあります。次々にセットがあり、燃焼生成物がすべてのセットを通過し、各ブレードセットがいくらかの電力を受け取ります。これにより、燃焼ガスからの電力の利用が増加します。

一方、水力発電所は、1組のブレードを備えたタービンを使用します。一般的なユースケースは、高架貯水池から水を供給するためのチャネルがあり、タービンが底部にあり、水がタービンを流れてから川を流れるだけです。水がタービンから流出するときに、機械力が抽出されずに残っていると思います。

なぜ水タービンが「連鎖」していないので、最初のタービンを出た水が残留機械力を使用して2番目のタービンを駆動するのですか

排気ガスは圧縮性の流体ですが、液体の水はそうではありません。

ガスタービンの動作のアニメーションを次に示します。https：//www.youtube.com/watch？v = gqNtoy2x5bU

燃焼段階では、ガスと圧縮空気が混合され、すでに高圧になっています。燃焼によりガスに蓄積されたエネルギーが放出され、放出されたガスが加熱されます（排気）。これにより、さらに高い圧力が発生するため、逆流を防ぐために、燃焼セクションの容積を大きくして、圧力を同じまたは低く保ちます。この大量の高圧ガスがタービンを駆動します。これらの高圧圧縮ガスがブレードの最初のセットを通過すると、圧力が低下し、ガスが膨張します。まだいくらかの圧力が残っており、別のブレードのセットなどでさらに多くのエネルギーを引き出すことができます。

液体の水は圧縮できないため、圧力が低下しても膨張しません。これにより、実際にエネルギーを簡単に抽出できます。水をノズルに通し、パイプ内の高圧をノズル外の大気圧まで下げ、水を高速まで加速します。水は膨張せず、エネルギーは他の場所に逃げるため、このエネルギーはタービンによって一度にすべて抽出できます。Turgoタービンは、実際にこのエネルギーを最大90％抽出するのに非常に効率的です。

これが、水力発電所に複数の段階が必要ない理由です。しかし、文字通りの意味でそれらを「チェーン」することもできます。非常に大きな水滴がある場合は、水滴を下に間隔をあけて一連の小さなタービンを置くことができます。ただし、利用可能なエネルギーの量は、一番下に大きなタービンを設置し、高圧を使用しても変わりません。

これまでに欠けているのは、単段式ガスタービンで高圧から大気圧に拡大できない理由の説明です。ガスタービンには、インパルスタービンとリアクションタービンの2種類があります。どちらも同じ問題に直面していますが、インパルスタービンで理解する方が簡単です。

インパルスタービンは、ノズルを介してガスを高圧P1から低圧P2に加速し、速度をVに上げます。高速で移動するガスはタービンブレードに当たり、運動量と運動エネルギーを放棄して、圧力P2で低速で移動するガスになります。

問題は、圧力差の値によっては、速度Vが音の速度に達することです（その温度のガスで）。この時点で、タービンブレードは非常に非効率的です。

非常に古い本から、蒸気タービンについては今のところ見つけることができません（同じこと：蒸気はガスです！）マッハ0.5付近で効率が低下し始めました。これは、段階での40％の減圧に相当します。（実際の速度はベルヌーイの方程式から見つけることができます）

これにより、特定の圧力比を効率的にシャフト動力に変換するために必要なステージ数を見つけることができます。新しいブレード設計を考えると、Mach 0.5はもはや上限ではないかもしれませんが、同じ基本原理が適用されます。

航空機のジェットエンジンでは、亜音速加速のいくつかの段階の後、高温ガスが最後の1つのノズルから逃げ、マッハ1をはるかに超えて航空機に推力を与えますが、効率はあまりよくありません。（SR71 Blackbirdのエンジンは、Mach 3の動作のために、異なる動作モード-実際にはラムジェットに移行しました）

水はある速度でタービンから出なければなりません。あなたがその残留機械的力と呼んだもの。問題は、タービンがすでに合理的に実行可能な範囲で水を減速させている一方で、水がプラントから出て水を浸さないようにすることです。したがって、タービンの追加ステージでさらに減速することは、オプションではありません。さらに減速できる場合は、最初のタービンがそれを行うように設計されます。

直列のタービンの例があります。複数の川の水力発電所がある川があります。

しかし、ほとんどの水力発電では、一度にできるだけ多くの運動エネルギーを抽出するのが最も簡単です。保守と管理の対象が少なくなります。それらを直列に連結すると、下流のタービンで利用可能なエネルギーが減少するだけです。

最終的に、取得できるエネルギーは、落下高さと水の重量（g、重力加速度）の積から、プラントを離れる際の水の運動エネルギーを引いたものに制限されます。（運動エネルギーがゼロの場合、プラントからまったく離れなかったことになるため、運動エネルギーをゼロのままにしておくことはできません）。

タービンを追加しても、その方程式には何の影響もありません。ドロップが同じで、水の質量が同じで、プラントから出る水の速度が同じ場合、収穫されるエネルギーの量は同じです（一定のタービン効率を仮定）。

あなたの質問から、多段タービンを備えた水力発電所がCCGTに似ていないのはなぜだと思いますか。水力発電所は、CCGTよりもはるかに単純で、効率的で、効果的です。CCGTは、非常に圧縮性の高い流体と相転移（水から蒸気）を備えた火力発電所であるため、合併症を起こします。水力発電所は運動エネルギーを収穫しています。タービンのカスケードは、水力発電所の合併症以外には何も提供しません。

水タービンは電力の主要な供給源です。一般に、水車にはローターディスクが1つしかありません。

_{（WikipediaのOld Moonrakerから）}

ガスタービンは、天然ガス発電機、ジェット機、および他のいくつかの車両で使用されています。

一般に、ガスタービンには多くのローターディスクがあり、コンプレッサーローターディスクとタービンローターディスクの2つのグループに分けることができます。

ガスタービンのコンプレッサーセクションには、ローターディスクの数を減らすと効率が低下するため、（a）各ディスク全体の圧力差を大きくして総圧縮比を同じに保ち、圧縮効率を下げるため、多くのローターディスクが必要です。 ）各ディスクの圧力差を同じに保ち、総圧縮比を低下させ、ブレイトンサイクルの効率を低下させます。

水タービンはコンプレッサーセクションを必要としません。

原則として、ガスタービンには多くのローターディスクを使用できますが、実際には、航空機のタービンには通常1つまたは2つのローターディスクしかなく、（地上にボルトで固定された）天然ガスタービンには通常1つまたは2つまたは3つのローターディスクしかありませんが、ローターディスクが1つしかない水車とそれほど違いはありません。

発電機で使用されるガスタービンは、石油または天然ガスを使用した発電機であり、電力としてできるだけ多くのエネルギーを抽出するように設計されています。地面に固定しているボルトを押す力は不要です。

例：

• 日立H-25

_{（Russell RayのHitachi H-25、Power Engineering）}

• 100 kWマイクロガスタービン

_{（M. Cadorinらによる 100 kWマイクロガスタービンの写真「天然ガスと合成ガスを供給したマイクロガスタービンの分析：MGTテストベンチと燃焼器CFD解析」）}

• シーメンスガスタービン200

_{産業用発電用のシーメンスガスタービン200（SGT-200）}

• GEガスタービン

_{（Tekla Perryから：「GEの新しいガスタービンは再生可能エネルギーでうまく再生されます」。）}

_{（OPRAの2 MWクラスOP16ガスタービン）}

_{（アマースト大学の天然ガスまたは石油駆動の土星20）}

水力発電機がガスタービンと根本的に異なる理由は、圧力下の水はガスではなく、そこからエネルギーが抽出されてもサイズが大きく変わらないためです。

ガスエンジンは、エンジン内部のガスの熱と体積の大幅な変化を考慮しなければならないため、通常、複数の部品と複数の材料が必要です。

水力発電タービンにはさまざまな課題があり、それらを通過する葉や枝などのアイテムを許容する必要があります。

水力発電タービンの回転要素の設計スキームは、ガスエンジンとは大きく異なります：アルキメデススクリュー、カプランファン、ペルトンホイール、クロスフロータービン、水車。

状況によっては、多段階設計が採用されます。