Почему вода сильнее ветра ?

[vlkamov.livejournal.com]

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

[vlkamov.livejournal.com]

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