为什么水力发电厂不使用涡轮机级联而不是单个涡轮机？

在燃气涡轮发动机中，有多组叶片-一组又一组，燃烧产物通过所有叶片组，每组叶片都获得一些动力。这增加了来自燃烧气体的功率的利用。

同时，水力发电厂使用带有单组叶片的涡轮机，典型的用例是有一条管道从高架水库供水，涡轮机在底部，水流过涡轮机，然后顺着河流流下。我认为当水从涡轮机流出时，仍有一些机械功率无法提取。

为什么水轮机不被“链式连接”，以使离开第一水轮机的水利用剩余的机械动力驱动第二水轮机？

废气是可压缩的流体，而液态水不是。

以下是燃气轮机工作原理的动画：https : //www.youtube.com/watch?v=gqNtoy2x5bU

在燃烧阶段，气体和压缩空气已经在高压下混合在一起。燃烧释放出存储在气体中的能量，从而加热释放的气体（排气）。这将产生更高的压力，因此，为了防止回流，燃烧段的容积较大，以使压力保持相同或更低。大量的高压气体驱动涡轮机。当这些高压压缩气体通过第一组叶片时，压力降低，气体膨胀。仍然存在一些压力，并且可以使用另一组叶片和另一组叶片等提取更多的能量。

由于液态水不可压缩，因此不会随着压力降低而膨胀。实际上，这使提取能量变得更加容易。您使水通过喷嘴，将管道内部的高压降低到喷嘴外部的大气压，并使水加速至较高的速度。然后，由于水没有膨胀并且能量在其他地方逸出，因此涡轮机可以一次性提取所有能量。实际上，Turgo涡轮机在提取这种能量方面非常有效，高达90％。

这就是为什么水力发电厂不需要多个阶段的原因。但是，您仍然可以按字面意义将它们“链接”在一起。如果您的水滴很大，则可以在水滴下降的间隔处放置一系列小型涡轮机，释放出的水会流到另一个涡轮机中。但是，可用的能量不会因在底部具有较大的涡轮机并使用较高的压力而改变。

到目前为止，缺少的解释是为什么单级燃气轮机无法从高压膨胀到大气压。燃气轮机有两种类型：脉冲式和反应式涡轮机。两者都面临相同的问题，但在脉冲涡轮机中更容易理解。

脉冲涡轮将通过喷嘴的气体从高压P1加速到较低压力P2，将其速度提高到V。快速移动的气体撞击涡轮叶片并放弃其动量和动能，在压力P2时变为缓慢移动的气体。

问题在于，对于一​​定的压差值，速度V达到声速（在该温度下处于该气体中）。此时，涡轮叶片效率很低。

从一本非常古老的书中，我现在找不到关于蒸汽轮机（同样的东西：蒸汽就是气体！）的效率开始下降，约为0.5马赫，相当于一个阶段的压力降低了40％。（实际速度可以从伯努利方程中找到）

这样可以找到所需的级数，以有效地将任何给定的压力比转换为轴功率。对于较新的叶片设计，0.5马赫数可能不再是上限，但适用相同的基本原理。

在飞机喷气发动机中，经过亚音速加速几个阶段后，热气体会通过最后一个喷嘴逸出，并可能超过1马赫，从而为飞机提供推力-但效率不高。（SR71黑鸟的引擎转换为另一种运行模式-实际上是冲压喷气机-用于3马赫运行）

水将必须以一定速度离开涡轮机。那就是您所说的残余机械功率。问题是，涡轮机已经尽可能合理地降低了水的速度，同时仍然允许水离开植物而不会淹没植物。因此，增加涡轮级来进一步降低速度是不可行的。如果可以进一步放慢速度，那么第一个涡轮机将设计为可以这样做。

有一系列涡轮机的例子：有些河流的河流水力发电厂不止一个。

但是对于大多数水力发电来说，最简单的方法是一次性提取尽可能多的动能。维护和管理的事情更少了。串联链接它们只会减少下游涡轮机的可用能量。

最终，您可以获取的能量仅限于水滴高度乘以水的重量（乘以g，重力的加速度）减去水在离开植物时的动能。（它不能以零动能离开，因为零动能意味着它根本没有离开工厂）。

增加更多的涡轮机对该方程式没有任何影响。如果水滴相同，水量相同，并且离开植物的水的速度相同，则收集的能量相同（假设涡轮效率恒定）。

我认为，从您的问题出发，您想知道为什么水力发电厂不像CCGT那样具有多级涡轮机。与CCGT相比，水电厂要简单得多，效率更高且效率更高。CCGT之所以复杂，是因为它是一种热流体，具有高度可压缩的流体并且具有相变（水到蒸汽）。水力发电厂只是在收集动能。级联的涡轮机除了给水力发电厂带来麻烦外，没有提供其他任何服务。

水轮机是主要的电力来源。水轮机通常仅具有一个转子盘。

_{（摘自Wikipedia的Old Moonraker）}

燃气轮机用于天然气发电机，喷气式飞机和其他一些车辆。

燃气轮机通常具有许多转子盘，其可分为两组：压缩机转子盘和涡轮转子盘。

燃气轮机的压缩机部分需要大量的转子盘，因为减少转子盘的数量会通过以下方式降低效率：（a）增加每个盘上的压差以保持总压缩比不变，降低压缩效率，或（b ）保持每个磁盘上的压差相同，从而降低总压缩比，从而降低布雷顿循环的效率。

水轮机不需要压缩机部分。

虽然原则上燃气轮机可以有许多转子盘，但实际上我们发现飞机涡轮机通常只有1或2个转子盘，而（固定在地面上的）天然气涡轮机通常只有1或2或3个转子盘，与只有一个转子盘的水轮机没有太大区别。

发电机中使用的燃气轮机是油动力或天然气动力发电机，其设计旨在尽可能多地提取电能。不需要用推力将螺栓固定在地面上。

例子：

• 日立H-25

_{（日立H-25，来自Russell Ray，动力工程）}

• 100千瓦微型燃气轮机

_{（来自M. Cadorin等人的“ 100 kW微型燃气轮机照片“用天然气和合成气供气的微型燃气轮机的分析：MGT试验台和燃烧室的CFD分析”））}

• 西门子燃气轮机200

_{西门子燃气轮机200（SGT-200）用于工业发电}

• GE燃气轮机

_{（摘自Tekla Perry：“ GE的新型燃气轮机与可再生能源的配合很好”）。}

_{（OPRA的2兆瓦级OP16燃气轮机）}

_{（位于阿默斯特学院的以天然气或石油为动力的Saturn 20）}

水力发电机根本不同于燃气轮机的原因是因为加压的水不是气体，并且在从中提取能量时其大小不会显着变化。

燃气发动机必须考虑发动机内部气体的相当大的热量和体积变化，因此通常需要多个零件和多种材料。

水力涡轮机面临着不同的挑战，并且必须容忍通过它们的树叶和树枝等物品。

水力涡轮机旋转元件的设计方案与燃气发动机有很大不同：阿基米德螺杆，kaplan风扇，佩尔顿轮，横流式涡轮机和水轮。

在某些情况下会采用多阶段设计。