vlkamov

Очередная завиральная идея.
Выступление в сообществе engineering-ru.livejournal.com кое-что прояснило, но надежно опровергнуть ее не удалось.
Было два поста, оба тут.

Почему вода сильнее ветра ?

Ветер, ветер! Ты могуч,
Ты гоняешь стаи туч,
Ты волнуешь сине море,
Всюду веешь на просторе.
...
Отвечает ветер буйный,—
Там за речкой тихоструйной
Есть высокая гора,
В ней глубокая нора

Читал в давние времена в Scientific American, что теоретический предел КПД ветроколеса - 40%, однако недавно прозвучали 60%. Действительно

От этого свойства существенно зависит КПД ветротурбины. Теоретические КПД равны: для первого типа 0,22, для второго – 0,59 (согласно теории Жуковского Бетца).

С другой стороны КПД гидротурбины мало не 100%

Полный кпд гидротурбины h = hг · hm · h0 — отношение полезной мощности, отдаваемой турбинным валом, к мощности пропускаемой через Г. воды. В современной Г. полный кпд равен 0,85—0,92; при благоприятных условиях работы лучших образцов Г. он достигает 0,94—0,95.

Собственно нет отдельной науки для газов и жидкостей, все это гидродинамика, газы и жидкости же в ней грубо различаются сжимаемостью. Но в случае с ветроколесом сжимаемость роли не играет, т.к. в формуле Бетца плотность воздуха фиксированная.

В чем тут дело, отчего разница в КПД ? "Нора", в которую заключен поток воды ?

Нежность к ревущему зверю

Летят две вороны на дозвуковой скорости:
— Стена!
— Вижу. Шмяк-шмяк.
Летят две вороны на сверхзвуковой скорости:
— Стена! Шмяк.
— Вижу. Шмяк.
Летят две вороны на гиперзвуковой скорости:
Шмяк-шмяк.
— Вижу.
— Стена!

В предыдущем посте
https://engineering-ru.livejournal.com/584777.html
я интересовался к.п.д. ветро- и гидротурбин и получил исчерпывающий ответ:

biglebowsky
На малых скоростях воздух считается несжимаемым, разницы между водой и воздухом в свойствах нет. При одинаковом устройстве ветряка и гидротурбины формулы были бы одинаковые.
Однако, устройство не одинаковое.
Если перекрыть плотиной русло реки, ВСЯ вода протечет через гидротурбину.
Если поставить ветряк с некой площадью ометания S, то поток воздуха через турбину будет отнюдь не "скорость воздуха * S". Часть воздуха протечет ВОКРУГ ветроколеса и не примет участия в выработке электроэнергии.Верно и в другую сторону. Если воздух не может обойти вокруг турбинки (например, направили воздух по шлангу в пневматический гайковерт), то на малых давлениях можно использовать почти всю энергию потока.
И еще . В законе Беца не кпд, а коэффициент использования мощности потока (коэффициент использования энергии ветра).

Догадывался. И это была так сказать прелюдия. Теперь приступим к сути (да, я подлый интриган).

Итак, помещая ветроколесо в трубу или камеру мы поднимаем его коэффициент чуть не до до 100%.

Значит, если без значительных потерь энергии удастся преобразовать поток горячего газа в менее горячий зато с большей скоростью, то его можно направить в большее ветроколесо в трубе и получить на валу ту же мощность что с высокотемпературной газовой турбины.
При этом требования к теплостойкости материалов турбины существенно снижаются.
Не ?

Однако наблюдения за турбостроителями показывают, что они ~~нежно~~ упорно ищут сверхтеплостойкие материалы для турбин относительно небольшого диаметра. Согласен, что задача интересная, а для авиации так и жизненно важная, но на земле, в электростанциях например, не нужны ни малые габариты, ни малый вес, ни способность за секунду сбрасывать и наращивать мощность.

Более того, сопло Лаваль изначально предложил как раз для турбин, и температура Т истекающих из него газов вроде как понижается (красная линия на графике). Есть какие-то фундаментальные причины для любви к горячему ?

Update. Задача не то чтобы решена, но намекнуто весьма информативно:
mopexod:
"Преобразовать сверхзвуковой поток в механическую энгергию эффективно никак не возможно."
- это похоже на искомое препятствие.
Думал о примешивании доп.газа в быструю струю - тоже нет, там смешивание даст явный разогрев.
С другой стороны тангенциальная скорость лопаток м.б. близка к скорости струи, но тут у меня уже воображения не хватает, видимо требуются реальные расчеты.

И отмечу противоречие у себя же:
- система турбина+труба эффективна при скоростях струи много меньше звуковой,
- а из Лаваля выходит сверхзвуковая

Также наиболее продуктивные комментарии

zepete
Вы не правы оказались. Каждая щель паровой турбины является соплом этого Лаваля:)
https://ru.wikipedia.org/wiki/Реактивная_турбина
"Реактивная турбина — турбина, ротор которой использует силу реакции потока, возникающую при расширении рабочего тела (напор жидкости, теплоперепад газа или пара) в каналах, образованных лопатками ротора и в которой большая часть потенциальной энергии рабочего тела преобразуется в механическую работу в лопаточных каналах рабочего колеса, как правило, имеющих конфигурацию реактивного сопла.[1] <...>
Принято называть реактивными лишь те турбины, в которых по реактивному принципу в механическую работу переходит не менее 50 % всей преобразованной потенциальной энергии рабочего тела."

- про реактивную турбину не совсем по делу, но интересно.

aso
Ежели у нас имеется поток газа (или высокоэнергетических частиц - или ещё чего -
то температура газа в этом самом потоке - это насколько активно движутся частицы друг относительно друга.
Однако, у нас есть ещё и скорость собственного движения газа - скорость истечения газовой струи.
Предположим, мы сумели понизить скорость газа "внутри потока" до абсолютного нуля - т.е. частицы в потоке абсолютно не движутся друг относительно друга, а собственная скорость потока - является трансзвуковой.

Ага, примерно понял: сам газ сжимаясь у препятствия нагревается обратно и задача сводится к уже решенной.
Сжатие конечно к.п.д. портит.

mopexod
Турбину в сверхзвуковой поток не поставить - на первой же ступени будет торможение газа до дозвуковой скорости с выделением тепла.
Преобразовать сверхзвуковой поток в механическую энгергию эффективно никак не возможно.

- это похоже на искомое препятствие.
Думал о примешивании доп.газа в быструю струю - тоже нет, там смешивание даст явный разогрев.
С другой стороны тангенциальная скорость лопаток м.б. близка к скорости струи, но тут у меня уже воображения не хватает, видимо требуются реальные расчеты.

biglebowsky
Да, применять сопла Лаваля можно, это иногда и делали.
Преимущества.
Поток станет в некотором смысле более "упорядоченным" - среднеквадратичная осевая скорость молекул возрастет, среднеквадратичная радиальная скорость молекул уменьшится.
Такой газ будет, действительно, удобнее подавать на лопатки (мы вполне имеем право спроектировать сверхзвуковую турбину).

Недостатки.
1) Ведущая кромка лопаток будет очень сильно греться. В принципе, не особо страшно - охладится теплопередачей от остальной части лопатки (большая часть лопатки будет работать при низкой температуре).
2) Резко расширится сечение струи - потребуется большая площадь лопаток.
То есть, надо сравнивать такие варианты для первой ступени турбины:
- Сопла Лаваля, разреженный газ, охлаждения лопаток не требуется, огромная площадь лопаток.
- Никакого сопла Лаваля, сильно сжатый горячий газ, охлаждаемые лопатки малой площади;
- Никакого сопла Лаваля, подмешивание сравнительно холодного воздуха просто от компрессора (без сгорания топлива в этом воздухе), лопатки без охлаждения малой площади.

В то же время следует помнить, что инженеры могут буквально сто лет питать слабость к неоптимальному решению.