¿Los álabes de turbina óptimos también son álabes de ventilador óptimos?

Tampoco soy un experto, pero hay algunos argumentos para pensar que muchas veces no serán lo mismo.

Las palas tienen una forma ideal de perfil aerodinámico, con un frente redondeado y un borde de salida afilado, por lo que la reversibilidad al hacer que el rotor gire en la dirección opuesta no es ideal, ya que ahora las palas están orientadas de manera incorrecta. Sin embargo, la dirección de transferencia de energía se puede invertir sin cambiar la dirección de giro, intercambiando las zonas de alta y baja presión. En una turbina el fluido fluye de alta a baja presión, en un ventilador el ventilador (en este caso conocido como compresor o bomba) bombea el fluido de baja a alta presión.

Cuando el fluido es aire, o cualquier gas, y hay un cambio sustancial de presión, estoy bastante seguro de que la turbina óptima y el ventilador (o compresor) óptimo no son lo mismo. El gas es comprimible, por lo que cuando se comprime con un ventilador/compresor, el volumen del gas se contrae. Los álabes del ventilador/compresor de los compresores de alto rendimiento están diseñados para tener esto en cuenta, reduciendo el área transversal disponible entre los álabes suavemente a medida que fluye el gas. Una turbina a gas tiene forma inversa, expandiendo suavemente el área de la sección transversal entre las palas.

Sin embargo, los fluidos se conocen como no comprimibles. En realidad, son ligeramente comprimibles, pero la cantidad de compresión es tan pequeña que puede ignorarse para la mayoría de las aplicaciones. No sé si la compresibilidad de los fluidos es relevante en los diseños de turbinas/bombas. Si es así, esto puede resultar en pequeñas diferencias similares a los fluidos comprimibles, pero tal vez se pueda ignorar.

Otro problema es que los perfiles aerodinámicos no son necesariamente simétricos entre la parte superior y la inferior. Esta imagen de Wikipedia (con un formato que stackexchange no admite) muestra algunos ejemplos. Aunque un perfil aerodinámico puede ser simétrico, normalmente el borde de salida está curvado hacia abajo, es decir, hacia la zona de mayor presión. No sé cuándo qué tipo de perfil aerodinámico (o hidroplano para fluidos) es óptimo en qué circunstancias, pero es probable que la forma simétrica no lo sea. Eso significa que, al menos, la forma de la pala debería invertirse para cambiar una bomba óptima en una turbina óptima.

Entonces depende de lo que realmente quieras saber si invertir la forma de la hoja cuenta como la misma hoja o no.

Habiendo dicho eso, las plantas hidroeléctricas de almacenamiento por bombeo a menudo usan el mismo rotor como bomba y como turbina, por lo que al menos para ese caso, el costo de tener hardware separado aparentemente no compensa la pérdida de eficiencia. Sin embargo, no sé si estos funcionan invirtiendo la dirección de rotación o si tienen cuchillas móviles. (Las centrales hidroeléctricas a menudo tienen aspas que se pueden girar para ajustar el volumen de flujo y, por lo tanto, la potencia de salida sin perder demasiada eficiencia).

No soy un experto en esto, pero sospecharía que no serían los mismos, relacionados con la famosa historia de Feynman.

Los movimientos de los fluidos no son los mismos en los dos casos.

Me imagino una pared con el ventilador o la turbina instalados.

De una manera, el ventilador succiona el fluido desde un lado, disminuyendo la presión cerca de la abertura en ese lado de la pared, y empuja el fluido hacia el otro lado. Dado que el fluido movido tiene inercia, tiende a moverse hacia el fluido del otro lado.

Por otro lado, la presión del fluido en un lado de la pared es mayor que en el otro lado. El fluido de alta presión hace girar la turbina y el fluido de baja presión se mueve hacia el fluido del otro lado.

El ventilador gira en la misma dirección. Por un lado, es fluido a alta presión frente al ventilador y fluido a baja presión detrás, y por otro lado, es al revés.

Así que puedo imaginar que esto podría hacer que la aerodinámica no sea la misma.

Pero tal vez eso no hace ninguna diferencia.

Ahora quita la pared. El ventilador es estacionario en comparación con el fluido que lo rodea y mueve algo de fluido. El fluido detrás de él se mueve en relación con el fluido estacionario a su alrededor, tiene una velocidad que se aleja del ventilador.

La turbina está rodeada por un fluido que tiene una velocidad. Disminuye la velocidad de parte del fluido, y el fluido detrás de él se mueve más lentamente que el fluido alrededor de ese fluido en movimiento.

Esos no son el 'reverso' uno del otro. Entonces, tal vez el mismo diseño de hoja no solo obtenga el mismo resultado en cualquier caso.

Me interesaría ver una respuesta experta.

Creo que esto es quizás más una pregunta de ingeniería que de física. En cualquier caso, el diseño de las aspas de la turbina y del ventilador es bastante diferente. Asumiré que la comparación aquí es entre un ventilador y algo así como una turbina eólica (en lugar de una turbina de gas de alta temperatura, por ejemplo).

Uno de los objetivos principales de un perfil aerodinámico es cambiar el flujo tanto como sea posible antes de que se produzca la separación (lo que provocará una pérdida de eficiencia). Los perfiles aerodinámicos generalmente están diseñados para optimizarse para una velocidad de flujo y un ángulo de ataque particulares, lo que hará que se produzca una separación en un punto particular. La separación del flujo es un fenómeno no reversible, por lo que, normalmente, si se invierte el flujo, la separación se producirá en un lugar diferente, con un campo de velocidad de forma diferente. Entonces, debido a esto, es poco probable que un perfil aerodinámico funcione con la máxima eficiencia en una situación de flujo inverso.