Sind optimale Turbinenschaufeln auch optimale Lüfterschaufeln?

Ich bin auch kein Experte, aber es gibt einige Argumente zu glauben, dass sie oft nicht gleich sein werden.

Die Blätter sind idealerweise flügelförmig, mit einer abgerundeten Vorderseite und einer scharfen Hinterkante, so dass eine Umkehrbarkeit durch Drehen des Rotors in die entgegengesetzte Richtung nicht ideal ist, da die Blätter jetzt in die falsche Richtung ausgerichtet sind. Die Energieübertragungsrichtung kann jedoch ohne Änderung der Spinnrichtung umgekehrt werden, indem die Hoch- und Niederdruckzonen vertauscht werden. In einer Turbine strömt das Fluid vom Hochdruck zum Niederdruck, in einem Fan pumpt der Fan (in diesem Fall Kompressor oder Pumpe genannt) das Fluid vom Niederdruck zum Hochdruck.

Wenn das Fluid Luft oder ein beliebiges Gas ist und eine erhebliche Druckänderung auftritt, bin ich mir ziemlich sicher, dass die optimale Turbine und der optimale Lüfter (oder Kompressor) nicht gleich sind. Gas ist komprimierbar, wenn es also durch einen Lüfter/Kompressor komprimiert wird, schrumpft das Volumen des Gases. Die Lüfter-/Kompressorschaufeln von Hochleistungskompressoren sind so geformt, dass sie dies berücksichtigen und die verfügbare Querschnittsfläche zwischen den Schaufeln beim Durchströmen des Gases sanft reduzieren. Eine gasbetriebene Turbine ist umgekehrt geformt und erweitert die Querschnittsfläche zwischen den Schaufeln gleichmäßig.

Flüssigkeiten sind jedoch als nicht komprimierbar bekannt. Eigentlich sind sie leicht komprimierbar, aber der Grad der Komprimierung ist so gering, dass er für die meisten Anwendungen vernachlässigt werden kann. Ich weiß nicht, ob die Kompressibilität von Flüssigkeiten bei Turbinen- / Pumpenkonstruktionen relevant ist. Wenn dies der Fall ist, kann dies zu kleinen Unterschieden ähnlich wie bei komprimierbaren Flüssigkeiten führen, die jedoch möglicherweise ignoriert werden können.

Ein weiteres Problem besteht darin, dass Tragflügel nicht unbedingt symmetrisch zwischen der Ober- und der Unterseite sind. Dieses Bild aus Wikipedia (mit einem Format, das stackexchange nicht unterstützt) zeigt einige Beispiele. Während ein Flügel symmetrisch sein kann, ist die Hinterkante normalerweise nach unten gekrümmt, dh in Richtung der Zone mit höherem Druck. Ich weiß nicht, wann welche Art von Tragflügel (oder Tragflügel für Flüssigkeiten) unter welchen Umständen optimal ist, aber wahrscheinlich ist die symmetrische Form normalerweise nicht so. Das bedeutet, dass zumindest die Schaufelform umgekehrt werden müsste, um eine optimale Pumpe in eine optimale Turbine umzuwandeln.

Es hängt dann davon ab, was Sie wirklich wissen wollen, ob das Umkehren der Klingenform als dieselbe Klinge zählt oder nicht.

Allerdings verwenden Pumpspeicherkraftwerke oft den gleichen Rotor sowohl als Pumpe als auch als Turbine, so dass zumindest für diesen Fall die Kosten für separate Hardware den Wirkungsgradverlust offensichtlich nicht aufwiegen. Ich weiß jedoch nicht, ob diese durch Umkehren der Drehrichtung funktionieren oder ob diese bewegliche Klingen haben. (Wasserkraftwerke haben oft Flügel, die gedreht werden können, um die Durchflussmenge und damit die Leistungsabgabe einzustellen, ohne zu viel Effizienz zu verlieren.)

Ich bin kein Experte darin, aber ich würde vermuten, dass sie nicht gleich sind, bezogen auf Feynmans berühmte Geschichte.

Die Bewegungen der Flüssigkeiten sind in beiden Fällen nicht gleich.

Ich stelle mir eine Wand vor, in der sich der Ventilator oder Turbinensatz befindet.

Auf eine Weise saugt der Lüfter Flüssigkeit von einer Seite an, verringert den Druck in der Nähe der Öffnung auf dieser Seite der Wand und drückt Flüssigkeit auf der anderen Seite heraus. Da das bewegte Fluid Trägheit hat, neigt es dazu, sich in das Fluid auf der anderen Seite zu bewegen.

Andererseits ist der Flüssigkeitsdruck auf einer Seite der Wand höher als auf der anderen Seite. Hochdruckflüssigkeit dreht Ihre Turbine, und Niederdruckflüssigkeit bewegt sich in die Flüssigkeit auf der anderen Seite.

Der Lüfter dreht in die gleiche Richtung. Auf der einen Seite ist es Hochdruckflüssigkeit vor dem Lüfter und Niederdruckflüssigkeit dahinter, auf der anderen Seite ist es umgekehrt.

Ich kann mir also vorstellen, dass die Aerodynamik dadurch nicht gleich ist.

Aber vielleicht macht das keinen Unterschied.

Nimm jetzt die Wand weg. Der Lüfter ist im Vergleich zu der ihn umgebenden Flüssigkeit stationär und bewegt etwas Flüssigkeit. Die Flüssigkeit dahinter bewegt sich relativ zu der stationären Flüssigkeit um sie herum, sie hat eine vom Ventilator weg gerichtete Geschwindigkeit.

Die Turbine ist von Fluid umgeben, das eine Geschwindigkeit hat. Es verlangsamt einen Teil der Flüssigkeit, und die Flüssigkeit dahinter bewegt sich langsamer als die Flüssigkeit um diese sich bewegende Flüssigkeit herum.

Das sind nicht die „Umkehrungen“ voneinander. Vielleicht bringt also das gleiche Klingendesign nicht in beiden Fällen das gleiche Ergebnis.

Über eine fachmännische Antwort würde ich mich freuen.

Ich denke, das ist vielleicht eher eine technische Frage als eine physikalische. In jedem Fall ist das Design von Turbinen- und Fanschaufeln ziemlich unterschiedlich. Ich gehe davon aus, dass der Vergleich hier zwischen einem Lüfter und so etwas wie einer Windkraftanlage (und nicht beispielsweise einer Hochtemperatur-Gasturbine) erfolgt.

Eines der Hauptziele eines Strömungsprofils besteht darin, die Strömung so weit wie möglich zu drehen, bevor eine Trennung stattfindet (was zu einem Effizienzverlust führt). Strömungsprofile sind im Allgemeinen so konstruiert, dass sie für eine bestimmte Strömungsgeschwindigkeit und einen bestimmten Anstellwinkel optimiert sind, was dazu führt, dass an einer bestimmten Stelle eine Trennung auftritt. Die Strömungsablösung ist ein nicht umkehrbares Phänomen. Wenn also eine Strömung umgekehrt wird, erfolgt die Ablösung typischerweise an einer anderen Stelle mit einem anders geformten Geschwindigkeitsfeld. Aus diesem Grund ist es unwahrscheinlich, dass ein Schaufelblatt in einer Situation mit umgekehrter Strömung mit Spitzenwirkungsgrad arbeitet.