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

Comments

[mopexod.livejournal.com]

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.

[zloiol.livejournal.com]

<Преобразовать сверхзвуковой поток в механическую энгергию эффективно никак не возможно>
Всё зависит от конкретной "эффективности". Военных, например, это преобразование устраивает, а в турбинах да.

[mopexod.livejournal.com]

Все ступени турбин дозвуковые. Сверхзвуковое течение может быть на выходе, после всех вентиляторов.

[vlkamov.livejournal.com]

> 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.

[energo-2000.livejournal.com]

Преобразовать сверхзвуковой поток в механическую энгергию эффективно никак не возможно.
возможно.
Дозвуковой поток в сверхзвуковой преобразует сопло Лаваля.
В реактивных двигателях самолетов этот сверхзвуковой поток отбрасывает массу с такой скоростью, что значительную часть этой скорости (тоже достигает сверхзвука) можно придать телу, откуда этот сверхзвуковой поток выбрасывается. Т.е. сверхзвуковой поток в механическую энергию (в данном случае кинетическую, движения) преобразовать можно.
Далее разбираемся с эффективностью данного преобразования: в реактивном двигателе самолета масса отбрасывается в окружающую среду. Очевидно, что оставшаяся энергия сверхзвукового потока там рассеивается бесполезно. Энергия очень большая: есть конус рассеяния сверхзвуковой волны, и если в зоне его действия окажутся предметы, они испытают механическое воздействие (удар звуковой волны).
Но есть устройства - паровые турбины теплостанций, где этот сверхзвуковой поток не выбрасывается в атмосферу, а поступает в следующую ступень, снова отдавая часть своей мощности. В итоге степень преобразования сверхзвуковой скорости в механическую в паровых турбинах весьма высока, за счет нескольких ступеней. А далее, когда параметры газа уже не позволяют разогнать поток до сверхзвука, идут обычные активные ступени. В принципе, в турбине и в первых ступенях не принципиально разгонять до сверхзвука, но это даёт компактность первых ступеней и уменьшение количества ступеней (а значит, длина, а значит, металлоемкости) турбины.
Причем, КПД именно паровой турбины весьма высок: около 98-99%. Т.е. энергия пара ПЕРЕД турбиной на 99% преобразуется в механическую энергию, если замерять энергию ПАРА после турбины. А КПД паротурбинных электростанций на уровне 42% обусловлен тем, что пар после турбины надо превращать в воду, и вот на этом шаге теряется до 55% тепла пара.

[mopexod.livejournal.com]

В паровых турбинах о сверзвуковом течении говорят только в смысле как бы его избежать. Если подуть сверхзвуком на турбину, перед ней образуется скачок уплотнения, со всеми его свойствами - повышение температуры, снижение скорости.

[energo-2000.livejournal.com]

нет, и я это показал.
в паровой турбине чередуются подвижные (на валу) и не подвижные (на корпусе) лопатки.
Неподвижная+подвижная лопатка - это одна ступень.
Если неподвижная лопатка сужает входящий поток, то на выходе из неё поток проходит критическое сечение, и в подвижной лопатке уже сверхзвуковой поток, который эту подвижную лопатку разгоняет своим выхлопом.
Если интересно не мои "предвзятые" знания, то следует погуглить тему "активная и реактивная ступени паровой турбины".
А скачок уплотнения в паровой турбине не страшен: активная ступень после этого скачка уже рассчитана на эту температуру и скорость (в этом и искусство расчета сечения лопаточного аппарата турбины)

[mopexod.livejournal.com]

Да, я понимаю как можно устроить сверхзвуковое течение и на неподвижной ступени, а и на колесе: при достаточном давлении на входе можно подобрать правильное сечение.
Но всё, что я вижу в статьях про сверхзвуковое течение в активных и реактивных турбинах, это про волновые потери.

[vlkamov.livejournal.com]

> КПД именно паровой турбины весьма высок: около 98-99%. Т.е. энергия пара ПЕРЕД турбиной на 99% преобразуется в механическую энергию, если замерять энергию ПАРА после турбины. А КПД паротурбинных электростанций на уровне 42% обусловлен тем, что пар после турбины надо превращать в воду, и вот на этом шаге теряется до 55% тепла пара.

Внятно. Спасибо.