турбина Теслы

Турбина Теслы в музее Николы Теслы

Турбина Тесла — безлопастная с центростремительным потоком турбина , изобретенная Николой Теслой в 1913 году. Его функция заключается в том, что форсунки подают движущуюся жидкость к краям набора дисков. В двигателе используются гладкие диски, вращающиеся в камере, для создания вращательного движения за счет обмена импульсом между жидкостью и дисками. Диски расположены в ориентации, аналогичной стопке компакт-дисков на оси.

Теслы Турбина использует эффект пограничного слоя вместо метода, используемого в более традиционных турбинах, при котором жидкость воздействует на лопасти . Турбину Теслы также называют безлопастной турбиной , турбиной с пограничным слоем , турбиной когезионного типа и турбиной со слоем Прандтля. Последний назван в честь Людвига Прандтля . Исследователи биоинженерии также называют турбину Теслы многодисковым центробежным насосом .

Одной из предполагаемых реализаций этой турбины Тесла был для выработки геотермальной энергии , которую он описал в своей работе «Наша будущая движущая сила» .

Теория

В насосе радиальное или статическое давление, обусловленное центробежной силой, добавляется к тангенциальному или динамическому давлению, тем самым увеличивая эффективный напор и способствуя вытеснению жидкости. В двигателе, наоборот, первое названное давление, будучи противоположным давлению подачи, уменьшает эффективный напор и скорость радиального потока к центру. Опять же, в маршевой машине всегда желателен большой крутящий момент, что требует увеличения числа дисков и меньшего расстояния разделения, тогда как в метательной машине по многочисленным экономическим причинам вращательное усилие должно быть наименьшим, а скорость - наибольшей. практически осуществимо.

— Никола Тесла

В стандартных паровых турбинах пар должен давить на лопатки, чтобы ротор извлекал энергию из пара; лезвия должны быть тщательно ориентированы, чтобы минимизировать угол атаки на поверхность лезвия. Другими словами, в оптимальном режиме ориентация лопастей сводит к минимуму угол (шаг лопастей), под которым пар попадает на их поверхность, чтобы создать плавный поток пара и минимизировать турбулентность . Эта турбулентность уменьшает количество полезной энергии, которую можно извлечь из входящего потока пара.

В турбине Тесла, учитывая отсутствие ударных лопаток, механика сил реакции иная. Сила реакции на давление парового напора нарастает относительно быстро в виде «пояса» давления пара по периферии турбины. Этот ремень наиболее плотный и находится под давлением на периферии, поскольку его давление, когда ротор не находится под нагрузкой, будет ненамного меньше давления (входящего) пара. В нормальном рабочем режиме это периферийное давление ограничивает поток входящего потока, и, таким образом, можно сказать, что турбина Теслы является самоуправляемой. Когда ротор не находится под нагрузкой, относительные скорости между «спиралью, сжатой паром» (SCS, пар, вращающийся по спирали между дисками) и дисками минимальны.

Когда к турбине Теслы прилагается нагрузка, вал замедляется; то есть скорость дисков относительно (движущейся) жидкости увеличивается, поскольку жидкость, по крайней мере первоначально, сохраняет свой угловой момент. Например, в радиусе 10 см (3,9 дюйма), где при 9000 об/мин скорость периферийных дисков составляет 90 м/с (300 футов/с), когда на роторе нет нагрузки, диски движутся примерно с той же скоростью, что и жидкости, но когда ротор нагружен, относительная разница скоростей (между SCS и металлическими дисками) увеличивается и при скорости ротора 45 м/с (150 футов/с) ротор имеет относительную скорость 45 м/с до СКС. Это динамическая среда, и скорости достигают этих значений с течением времени, а не мгновенно. Здесь следует отметить, что при высоких относительных скоростях жидкости начинают вести себя как твердые тела, а в случае с турбиной Теслы приходится учитывать еще и дополнительное давление. При таком давлении и относительной скорости по направлению к поверхностям дисков пар должен начать вести себя как твердое тело (SCS), волочащееся по поверхности дисков. Создаваемое «трение» может привести лишь к выделению дополнительного тепла непосредственно на диске и в СКС и будет наиболее выражено в периферийном слое, где относительная скорость между металлическими дисками и дисками СКС наибольшая. Это повышение температуры из-за трения между дисками СКС и дисками турбины приведет к увеличению температуры СКС, что приведет к расширению пара СКС и увеличению давления как перпендикулярно металлическим дискам, так и радиально. на оси вращения, и вот это Гидродинамическая модель представляет собой положительную обратную связь для передачи более сильного «волочения» на металлические диски и, как следствие, увеличения крутящего момента на оси вращения.

Дизайн

Вид на турбинную систему Теслы

Вид на безлопастную конструкцию турбины Теслы

Руководящим принципом разработки турбины Тесла является идея о том, что для достижения наивысшего КПД изменения скорости и направления движения жидкости должны быть как можно более постепенными. Следовательно, рабочая жидкость турбины Теслы движется по естественным траекториям или линиям тока с наименьшим сопротивлением.

Турбина Тесла состоит из набора гладких дисков с соплами , подающими движущуюся жидкость на край диска. Жидкость тащит диск за счет вязкости и сцепления поверхностного слоя жидкости. По мере того, как жидкость замедляется и добавляет энергии к дискам, она по спирали попадает в центральную выхлопную трубу. Поскольку ротор представляет собой простой диск, он более прочный и простой в изготовлении по сравнению с традиционной лопастной турбиной.

Тесла писал:

Эта турбина представляет собой эффективный самозапускающийся первичный двигатель, который по желанию может работать как паровая турбина или турбина со смешанной жидкостью без изменений в конструкции и по этой причине очень удобен. Незначительные отклонения от турбины, которые могут быть продиктованы обстоятельствами в каждом конкретном случае, напрашиваются сами собой, но если они будут реализованы в соответствии с этими общими принципами, то они окажутся весьма выгодными для владельцев паровой установки, позволяя при этом использовать их старые установка. Однако наилучшие экономические результаты при выработке энергии пара турбиной Теслы будут получены на установках, специально приспособленных для этой цели.

Первоначально предлагались гладкие диски ротора, но они давали плохой пусковой момент. Впоследствии Тесла обнаружил, что гладкие диски ротора с небольшими шайбами, перекрывающими диски примерно в 12–24 местах по периметру 10-дюймового диска, и второе кольцо из 6–12 шайб меньшего диаметра позволяют значительно улучшить пусковой момент без ставя под угрозу эффективность.

Эффективность и расчеты

Испытание турбины Теслы

Во времена Теслы эффективность обычных турбин была низкой, поскольку в турбинах использовалась система прямого привода , которая серьезно ограничивала потенциально полезную выходную скорость турбины. На момент появления корабельные турбины были массивными и включали десятки, а то и сотни ступеней турбин, но имели крайне низкий КПД из-за низкой скорости вращения. Например, турбина на « Олимпике» и «Титанике» весила более 400 тонн, работала всего со скоростью 165 об/мин и использовала пар под давлением всего 6 фунтов на квадратный дюйм . Это ограничило его сбором отработанного пара главных электростанций - пары паровых двигателей поршневого типа. Турбина Теслы могла работать на газах с более высокой температурой, чем лопастные турбины того времени, что способствовало ее большей эффективности. В конце концов осевые турбины получили зубчатую передачу, позволяющую им работать на более высоких скоростях, но эффективность осевых турбин оставалась очень низкой по сравнению с турбиной Теслы.

Постоянные улучшения привели к созданию значительно более эффективных и мощных осевых турбин, а вторая ступень редукторов была введена в большинство передовых кораблей ВМС США 1930-х годов. Совершенствование паровой технологии дало авианосцам ВМС США явное преимущество в скорости над авианосцами как союзников, так и противника, и поэтому проверенные осевые паровые турбины стали предпочтительной формой двигательной установки до нефтяного кризиса 1973 года , который привел к появлению большинства новых гражданских самолетов. суда переходят на дизельные двигатели. К тому времени КПД осевых паровых турбин еще не превысил 50%, поэтому гражданские суда предпочли использовать дизельные двигатели из-за их превосходного КПД. К этому времени сравнительно эффективной турбине Теслы было уже более 60 лет.

В конструкции Теслы была предпринята попытка обойти ключевые недостатки осевых турбин с лопастями, и даже самые низкие оценки эффективности все же значительно превосходили эффективность осевых паровых турбин того времени. Однако при испытаниях с более современными двигателями эффективность расширения турбины Теслы была намного ниже современных паровых турбин и намного ниже современных поршневых паровых двигателей. Он также страдает от других проблем, таких как потери при сдвиге и ограничения потока, но это частично компенсируется относительно значительным уменьшением веса и объема. Некоторые из преимуществ турбины Теслы заключаются в приложениях с относительно низким расходом или когда необходимы небольшие размеры. Диски должны быть как можно более тонкими по краям, чтобы не создавать турбулентности при выходе жидкости из дисков. Это означает необходимость увеличения количества дисков по мере увеличения скорости потока. Максимальная эффективность в этой системе достигается тогда, когда расстояние между дисками приближается к толщине пограничного слоя. , а поскольку толщина пограничного слоя зависит от вязкости и давления, утверждение о том, что одна и та же конструкция может эффективно использоваться для различных видов топлива и жидкостей, неверно. Турбина Тесла отличается от обычной турбины только механизмом передачи энергии на вал. Различные анализы показывают, что для поддержания эффективности скорость потока между дисками должна поддерживаться относительно низкой. Как сообщается, эффективность турбины Теслы снижается с увеличением нагрузки. При небольшой нагрузке спираль, по которой движется жидкость, движущаяся от впуска к выпуску, становится тугой и совершает множество оборотов. Под нагрузкой количество оборотов падает, и спираль становится все короче. Это увеличит потери на сдвиг, а также снизит эффективность, поскольку газ контактирует с дисками на меньшем расстоянии.

Мужчина держит турбину Теслы

КПД турбины (определяемый как отношение идеального изменения энтальпии к реальной энтальпии при том же изменении давления) ) газовой турбины Тесла оценивается выше 60%. КПД турбины отличается от КПД цикла двигателя, использующего турбину. Осевые турбины, которые сегодня работают в паровых установках или реактивных двигателях, имеют КПД более 90%. Это отличается от КПД цикла установки или двигателя, который составляет примерно от 25% до 42% и ограничен любой необратимостью, чтобы быть ниже КПД цикла Карно . Тесла утверждал, что паровая версия его устройства достигнет эффективности около 95%. Термодинамический КПД является мерой того, насколько хорошо он работает по сравнению с изоэнтропическим случаем . Это соотношение идеального и фактического трудозатрат.

В 1950-х годах Уоррен Райс попытался воссоздать эксперименты Теслы, но он не проводил эти ранние испытания на насосе, построенном строго в соответствии с запатентованной конструкцией Теслы (он, среди прочего, не был многоступенчатой ​​турбиной Теслы и не обладал насадка). Рабочей жидкостью экспериментальной одноступенчатой ​​системы Райс был воздух. Испытательные турбины Райс, как опубликовано в ранних отчетах, показали общий измеренный КПД 36–41% для одной ступени . Можно было бы ожидать более высокой эффективности, если бы проект был разработан так, как первоначально предлагалось Теслой.

В своей последней работе о турбине Теслы, опубликованной незадолго до выхода на пенсию, Райс провел анализ объемных параметров модели ламинарного потока в многодисковых турбинах. В 1991 году было опубликовано очень высокое заявление об эффективности ротора (в отличие от общей эффективности устройства) для этой конструкции под названием «Турбомашины Тесла». В этом документе говорится:

При правильном использовании результатов анализа эффективность ротора при использовании ламинарного потока может быть очень высокой, даже выше 95%. Однако для достижения высокой эффективности ротора число расхода должно быть небольшим, что означает, что высокая эффективность ротора достигается за счет использования большого количества дисков и, следовательно, физически большего ротора. Для каждого значения числа расхода существует оптимальное значение числа Рейнольдса для достижения максимальной эффективности. Для обычных жидкостей требуемое расстояние между дисками крайне мало, поэтому [роторы, использующие] ламинарный поток, имеют тенденцию быть большими и тяжелыми для заданной скорости потока.

Были проведены обширные исследования жидкостных насосов типа Тесла с роторами с ламинарным потоком. Было обнаружено, что общий КПД насоса был низким, даже когда КПД ротора был высоким из-за потерь, возникающих на входе и выходе ротора, упомянутых ранее.

— 

Современные многоступенчатые лопаточные турбины обычно достигают КПД 60–70%, в то время как большие паровые турбины на практике часто показывают КПД турбины более 90%. Ожидается, что машины типа Теслы со спиральным ротором разумного размера и обычными жидкостями (пар, газ и вода) будут показывать эффективность около 60–70% и, возможно, выше.

Приложения

Турбина Теслы со снятой верхушкой

В патентах Теслы говорится, что устройство было предназначено для использования жидкостей в качестве движущих сил, в отличие от приведения в движение или сжатия жидкостей (хотя его также можно использовать для этих целей). По состоянию на 2016 год турбина Теслы не нашла широкого коммерческого использования. Однако насос Теслы коммерчески доступен с 1982 года. и используется для перекачивания абразивных, вязких, чувствительных к сдвигу жидкостей, насыщенных твердыми частицами или по другим причинам трудно перекачиваемых другими насосами. Сам Тесла не заключил крупного контракта на производство. Основным недостатком было плохое знание характеристик материала и поведения при высоких температурах . Лучшая металлургия того времени не могла предотвратить недопустимое перемещение и коробление дисков турбины во время работы.

Было проведено множество любительских экспериментов с использованием турбин Теслы со сжатым воздухом или паром в качестве источника энергии . Деформация диска была уменьшена за счет использования новых материалов, таких как углеродное волокно.

Одним из предлагаемых применений устройства является отработанный насос на заводах и заводах, где обычные турбинные лопастные насосы обычно загрязняются.

Применение турбины Теслы в качестве многодискового центробежного насоса для крови дало многообещающие результаты благодаря низкой пиковой силе сдвига. Биомедицинские инженерные исследования в таких областях продолжались и в 21 веке.

Устройство выполняет функцию насоса, если использовать аналогичный набор дисков и корпус эвольвентной формы (в отличие от круглой у турбины). В этой конфигурации к валу прикреплен двигатель. Жидкость поступает около центра, получает энергию от дисков и выходит на периферии. Турбина Тесла не использует трение в общепринятом смысле, а вместо этого использует адгезию ( эффект Коанды ) и вязкость . Он использует эффект пограничного слоя на лопастях диска.

История

Турбина была запатентована Николой Теслой 21 октября 1913 года. Это был его сотый патент.

См. также

• Список патентов Теслы
• Радиальная турбина
• Катушка Теслы

Дальнейшее чтение

• Тесла, Никола, «Доктор Тесла рассказывает о газовых турбинах» . Моторный мир. 18 сентября 1911 года.
• Стокбридж, Фрэнк Паркер (март 1912 г.). «Турбина Тесла: машина размером с дерби, вырабатывающая 110 лошадиных сил» . Мировая работа: история нашего времени . XXIII : 543–548 . Проверено 10 июля 2009 г.
• US1061206 Турбина - Новые и полезные усовершенствования роторных двигателей и турбин.
• US1329559 Клапанный трубопровод — включает газовую турбину Теслы.
• GB186082 Усовершенствования в конструкции паровых и газовых турбин — форма ротора
• GB186083 Экономическое преобразование энергии пара с помощью турбин - турбинная система Теслы
• Патент США № 6,726,442 , Входное отверстие дисковой турбины для облегчения самозапуска , Летурно (11 февраля 2002 г.)
• Патент США № 6682077 , Лабиринтное уплотнение для дисковой турбины , Летурно (13 февраля 2002 г.).
• Патент США № 6692232 , Ротор в сборе для дисковой турбины , Летурно (15 марта 2002 г.).
• Патент США 6,973,792 , Способ и устройство для многоступенчатого двигателя с пограничным слоем и технологической камеры , Хикс (13 декабря 2005 г.).

Внешние ссылки

• Турбина Вандербильта Теслы
• Турбина Теслы из библиотеки дяди Таза
• Комплект турбины Tesla, турбогенератор , от OBI Laser Products
• Tesla Turbine с работами Кена Риэли и других
• Создание турбины Тесла с использованием пластин жесткого диска. Архивировано 18 февраля 2014 г. на Wayback Machine.
• Райс, Уоррен, «Турбомашины Тесла ». Материалы IV Международного симпозиума Николы Теслы, 23-25 ​​сентября 1991 г.
• Редмонд, Стивен, « Создание дисковой турбины ».
• Джермано, Фрэнк Д., « Безлопастная дисковая турбина и насос Теслы »
• Суизенбанк, Алан, « Турбина Теслы с пограничным слоем ».
• Петерсон, Гэри, Дисковая турбина Николы Теслы, газовый двигатель завтрашнего дня. Кормовая линия №7
• Эффект пограничного слоя
• [ https://www.pbs.org/tesla/ll/pv_gen_pop.html « Турбина Теслы » от PBS