Являются ли оптимальные лопасти турбины также оптимальными лопастями вентилятора?

Я тоже не эксперт, но есть некоторые аргументы в пользу того, что они часто не будут одинаковыми.

Лопасти имеют идеальную аэродинамическую форму, с закругленной передней частью и острой задней кромкой, поэтому реверсивность за счет вращения ротора в противоположном направлении не идеальна, поскольку теперь лопасти ориентированы неправильно. Однако направление передачи энергии можно изменить на противоположное без изменения направления вращения, поменяв местами зоны высокого и низкого давления. В турбине жидкость течет от высокого давления к низкому давлению, в вентиляторе вентилятор (в данном случае известный как компрессор или насос) перекачивает жидкость от низкого давления к высокому давлению.

Когда текучей средой является воздух или любой другой газ, и происходит существенное изменение давления, я совершенно уверен, что оптимальная турбина и оптимальный вентилятор (или компрессор) — это не одно и то же. Газ сжимаем, поэтому, когда он сжимается вентилятором/компрессором, объем газа уменьшается. Лопасти вентилятора/компрессора высокопроизводительных компрессоров имеют форму, учитывающую это, плавно уменьшая имеющуюся площадь поперечного сечения между лопатками по мере прохождения газа. Газовая турбина имеет обратную форму, плавно расширяя площадь поперечного сечения между лопатками.

Однако жидкости известны как несжимаемые. На самом деле они слегка сжимаемы, но степень сжатия настолько мала, что для большинства приложений ею можно пренебречь. Я не знаю, имеет ли значение сжимаемость жидкостей в конструкциях турбин/насосов. Если это так, это может привести к небольшим различиям, как и для сжимаемых жидкостей, но, возможно, этим можно пренебречь.

Другая проблема заключается в том, что аэродинамические поверхности не обязательно симметричны между верхом и низом. На этой картинке из Википедии (с форматом, который stackexchange не поддерживает) показаны некоторые примеры. Хотя аэродинамическая поверхность может быть симметричной, обычно задняя кромка изогнута вниз, т.е. в сторону зоны более высокого давления. Я не знаю, когда какой тип аэродинамического крыла (или подводного крыла для жидкостей) является оптимальным и в каких обстоятельствах, но, вероятно, симметричная форма обычно не является таковой. Это означает, что, по крайней мере, форма лопастей должна быть инвертирована, чтобы превратить оптимальный насос в оптимальную турбину.

Затем это зависит от того, что вы действительно хотите знать, считается ли инвертирование формы лезвия одним и тем же лезвием или нет.

При этом в аккумулирующих гидроэлектростанциях часто используется один и тот же ротор как в качестве насоса, так и в качестве турбины, поэтому, по крайней мере, в этом случае стоимость отдельного оборудования, по-видимому, не перевешивает потерю эффективности. Однако я не знаю, работают ли они за счет изменения направления вращения или у них есть подвижные лезвия. (Гидроэлектростанции часто имеют лопасти, которые можно вращать, чтобы регулировать объем потока и, следовательно, выходную мощность без слишком большой потери эффективности.)

Я не эксперт в этом, но я подозреваю, что они не будут одинаковыми, связанными со знаменитой историей Фейнмана.

Движения жидкостей в обоих случаях неодинаковы.

Я представляю себе стену с установленным в ней вентилятором или турбиной.

В одном случае вентилятор всасывает жидкость с одной стороны, уменьшая давление возле отверстия на этой стороне стенки, и выталкивает жидкость с другой стороны. Поскольку движущаяся жидкость обладает инерцией, она стремится двигаться в жидкость с другой стороны.

В противном случае давление жидкости с одной стороны стенки выше, чем с другой. Жидкость под высоким давлением вращает вашу турбину, а жидкость под более низким давлением попадает в жидкость с другой стороны.

Вентилятор вращается в том же направлении. В одном случае это жидкость под высоким давлением перед вентилятором и жидкость под низким давлением за ним, в другом - наоборот.

Так что я могу представить, что это может сделать аэродинамику другой.

Но, возможно, это не имеет никакого значения.

Теперь уберите стену. Вентилятор неподвижен по сравнению с жидкостью вокруг него, и он перемещает некоторое количество жидкости. Жидкость позади него движется относительно неподвижной жидкости вокруг него, она имеет скорость от вентилятора.

Турбина окружена жидкостью, имеющей скорость. Он замедляет часть жидкости, а жидкость за ним движется медленнее, чем жидкость вокруг этой движущейся жидкости.

Они не являются «обратными» друг другу. Так что, возможно, одна и та же конструкция лезвия не даст одинаковых результатов в любом случае.

Мне было бы интересно увидеть ответ эксперта.

Я думаю, что это, возможно, больше инженерный вопрос, чем физический. В любом случае конструкция лопаток турбины и вентилятора совершенно разная. Я предполагаю, что сравнение здесь происходит между вентилятором и чем-то вроде ветряной турбины (а не, например, высокотемпературной газовой турбины).

Одна из основных целей аэродинамического профиля — максимально развернуть поток до того, как произойдет отрыв (что приведет к потере эффективности). Аэродинамические поверхности, как правило, проектируются так, чтобы их можно было оптимизировать для определенной скорости потока и угла атаки, что приведет к разделению в определенном месте. Разделение потока является необратимым явлением, поэтому, как правило, если поток меняется на противоположное, разделение происходит в другом месте с полем скоростей другой формы. Таким образом, из-за этого маловероятно, что аэродинамический профиль будет работать с максимальной эффективностью в ситуации с обратным потоком.