Воздушный компрессор, который удваивается как пневматический двигатель?

Я работаю над системой хранения энергии сжатого воздуха. Размер и вес системы сильно ограничены; ничто не должно (в идеале) превышать несколько фунтов. По этой причине я хотел бы хранить энергию (сжимать газ) и извлекать энергию (заставить газ работать) с помощью того же механизма вращающимся способом .

По сути, мне нужен ротационный воздушный компрессор, который при нагнетании воздуха в противоположном направлении удваивается как пневматический двигатель. Я работаю с довольно высоким давлением (я оцениваю несколько сотен фунтов на квадратный дюйм), но с низким объемом. В своих поисках я обнаружил множество компактных роторных воздушных компрессоров и роторных пневматических двигателей, но вряд ли можно сказать, какие системы будут работать в обоих случаях.

Мне кажется очень интуитивным, что воздушный компрессор может обладать этими свойствами, но я не хочу делать какие-либо выводы. Я рассмотрел несколько компрессоров, и наиболее подходящими для моей ситуации являются:

Центробежный компрессор
Осевой компрессор
Винтовой компрессор
Роторно-лопастной компрессор

Центробежный компрессор идеален, но, на мой взгляд, наименее вероятно, что он будет обратимым, по крайней мере, с любой эффективностью. Я также посмотрел на пневматические моторы, которых было меньше в наличии. Наиболее применимо, казалось, было:

Поворотный лопастной мотор

Другие системы, такие как мотор pietro, явно не подходили для моего компактного приложения с малым весом. Соотношение между роторно-лопастным компрессором и роторно-лопастным двигателем является многообещающим, но я хотел бы знать о любых вариантах, которые у меня есть.

Какие ротационные газовые компрессорные системы могут удваиваться как двигатели, работающие от газа, который они сжимают?

РЕДАКТИРОВАТЬ Ответ, скорее всего, заключается в сходстве между радиальной (центростремительной) турбиной и центробежным компрессором.

— MikeJava
источник

И компрессор с поршневым клапаном?

— фрик с трещоткой

@ratchetfreak Хорошее мышление. Компрессор с поршневым клапаном, вероятно, хорошо бы это удовлетворил. Увы, компрессор с поршневым клапаном совершает возвратно-поступательное движение, что означает большую вибрацию и (не обязательно, но я представляю себе практически) вес, который реально позволят мои ограничения. Я ищу плавность вращения роторного компрессора.

— MikeJava

При малых объемах и высоких напорах обычно требуется импульсная турбина для вращающихся турбин. Поскольку это тоже очень трудно превратить в компрессор, я бы выбрал вариант @ratchetfreak. Если бы я был вами, я бы сосредоточил свои исследования на автомобилях, работающих на сжатом воздухе, поскольку я думаю, что они, возможно, уже разработали точную систему, которую вы описываете, и, если я не ошибаюсь, они действительно используют систему поршень-клапан.

— Санчиз

@sanchises Я не понимаю, почему приложения с высоким давлением и низким объемом не могут быть удовлетворены никаким разнообразным роторным пневмодвигателем. Почему вы говорите, импульсная турбина необходима? Я, должно быть, упускаю какой-то аспект ситуации. Кроме того, я бы определенно не удивился, если бы многие новые автомобильные технологии приняли систему поршневых клапанов, для них это имеет смысл. Но этот вопрос действительно о вращающейся системе, преимуществ которой много. Я отредактирую вопрос, чтобы сделать это более понятным.

— MikeJava

@MikeJava Я не говорю, что это невозможно - я просто говорю, что наиболее эффективный способ использования вращающейся турбины для маломасштабного применения - это импульсная турбина, у которой есть много вариантов (часто просто связанных с тем, как именно лопатки турбины предназначены). Хотя я не могу найти свою книгу по этому вопросу, так что, думаю, кому-то еще придется придумать определенный ответ.

— Санчиз

Ответы:

Я бы порекомендовал центробежную систему с наклоном вперед , такую как изогнутый вперед вентилятор .

Вход / выход мощности любого устройства, в которое жидкость входит / уходит со скоростью жидкости $Q$ в $V$ и входит / выходит под углом $\theta$ со скоростью $U$ , было бы:

P = (V - U) (1 - \cos (θ)) ρ Q U

$\mathcal P = (V-U)(1-\cos(\theta))\rho QU$ ,

Если у вас это устройство сжимает газ, подводимая мощность работает в обратном направлении. В обоих случаях помогает угол. Смотрите скоростной треугольник .

Настоящее сердце этой воли сводится к тому, чтобы на отверстиях были установлены хорошие клапаны. $U$ является обоюдоострым мечом - пока он поднимает вашу силу, если $V$ не очень высокий по сравнению с $U$ на самом деле ничего не происходит. Не забывай $Q$ зависит от $V$ или $U$ в зависимости от того, как вы на это смотрите. Ключом к изменению этого является сдвиг вашего впускного отверстия вниз (в зависимости от того, как вы бежите) до очень маленького отверстия, чтобы иметь самое высокое $V$ возможно, при этом тщательно контролируя розетку, чтобы не стеснять $Q$ или $U$ сверх того, что необходимо сохранить $V/U$ приличная.

Возможно, может помочь и использование этого в качестве первой ступени в двухступенчатом роторном компрессоре - вторая ступень представляет собой настоящий роторный компрессор, который действительно повышает давление, но это помогает второй ступени повысить давление выше атмосферного.

В конечном счете ни одно устройство на рынке не будет построено для этой странной услуги, но наличие довольно симметричной вращающейся системы с тщательно контролируемыми входами должно дать некоторые приличные результаты. Я бы определенно проконсультировался с изготовителем нестандартного вентилятора.

— отметка
источник

Ваши мысли, кажется, подтверждают моё предположение, что эти турбомашины обладают необходимыми характеристиками, чтобы быть обратимыми. Передний наклонный вентилятор очень похож по своей работе на центробежный компрессор; центробежный компрессор также считается центробежной системой с наклонной головкой? Компрессор, если он такой же, как и вентилятор, может иметь несколько преимуществ перед вентилятором. И я понимаю, что вы имеете в виду, тщательно контролируя различные переменные в системе. Это определенно необходимо для этого приложения. Уравнение особенно полезно

— MikeJava

В теории это уравнение идет вперед или назад. Однако при использовании того же устройства, так как

Q

$Q$ основывается на площади поперечного сечения, V и U оптимизированы для одного пути в конструкции входа и выхода. Лучше всего оптимизировать его для генерации, поскольку у вас есть только ограниченный контейнер сжатого воздуха, но теоретически безграничная подача для сжатия.

— Марк

Это все очень хорошо, если смотреть в контексте теории реверсивного центробежного вентилятора, но сама классификация «вентилятор» подразумевает, что он вообще не подходит для поднятия газа до очень высокого давления. Может ли центробежный вентилятор поднять воздух до респектабельного пси?

— MikeJava

Я бы сказал, что это не приведет к высоким пси. Вот почему я бы рекомендовал это в качестве первого этапа. Я также использую «сцену» в широком контексте - как первые несколько слоев роторного компрессора имеют другую форму, чем остальные. Таким образом, вы бы закачивали сжатый воздух обратно в середину компрессора (то есть в последний из этих слоев разной формы), а не в последний слой устройства.

— Марк

Я не эксперт по воздушным компрессорам или двигателям, но, исходя из моих ограниченных знаний, я думаю, что, как вы говорите, центробежный компрессор был бы лучшим для сжатия, а турбина Тесла была бы идеальной в качестве двигателя. Я думаю, что должно быть возможно установить их на один и тот же вал, но в отдельных воздухонепроницаемых камерах, с некоторыми клапанами, чтобы при работе турбины воздух откачивался из камеры компрессора, и наоборот, чтобы не вызывать чрезмерной нагрузки. Сопротивление от другого рабочего колеса. Или же механизм сцепления / захвата, который выбирает, какой из них вращается вместе с валом.

Такое устройство можно рассматривать как двусторонний компрессор / двигатель. Попытка сделать это обоими способами с рабочим колесом, оптимизированным для одного из этих сценариев, кажется, что вы всегда будете неэффективны в другом.

— jhabbott
источник

Я, конечно, вижу, как можно достичь хорошего (хотя и не совсем элегантного) решения, если поставить два разных станка на один приводной вал и использовать несколько причудливых соединительных деталей. Это похоже на реальный практический путь, которым это могло бы пойти. Конструкция, охватывающая этот принцип, но использующая лопастной компрессор и двигатель, также может быть эстетически и функционально приятна. Интересно, что вы заводите турбину Тесла. Когда я смотрю на это, я вижу не только турбину, но и базовую конструкцию центробежного компрессора. Обе эти вещи без угла лезвия беспокоиться.

— MikeJava

Я думал то же самое о турбине Тесла, но не смог найти много информации о том, насколько он хорош в качестве компрессора. Мне было бы интересно узнать, пытался ли кто-нибудь измерить, насколько хорош человек в обоих направлениях.

— Джабботт

Турбина Тесла действительно может быть использована в обратном направлении. В этом случае кажется, что это упоминается как насос Тесла. Единственная разница между турбиной и насосом заключается в том, что в одном случае воздух вызывает ускорение роторов, а в другом - роторы вызывают ускорение воздуха. Когда воздух действует на роторы, он движется по спирали внутрь. Когда роторы воздействуют на воздух, он вращается наружу, увеличивая скорость, точно так же, как центробежный компрессор. Тогда возникает вопрос: «Будет ли работать центробежный компрессор без лопастей?». Если ответ положительный, у нас может быть наш ответ.

— MikeJava

Также я предполагаю, что центробежный / центростремительный компромисс будет применим и к центробежному компрессору с лопастями, а не только к турбине Тесла.

— MikeJava