Turbina Tesla este o turbină centripetă fără pale, patentată de Nikola Tesla în 1913 . Este adesea menționată ca o turbină fără pale, deoarece folosește efectul stratului limită mai degrabă decât presiunea lichidului sau a aburului asupra palelor, ca într-o turbină tradițională. Turbina Tesla este cunoscută și sub denumirea de turbină de strat limită și turbină de strat Prandtl (după Ludwig Prandtl ). Bioinginerii o numesc o pompă centrifugă cu mai multe discuri [1] [2] . Tesla a văzut una dintre aplicațiile dorite ale acestei turbine în energia geotermală, descrisă în cartea „ Our Future Motive Power ” [3] .
Pe vremea lui Tesla, eficiența turbinelor tradiționale era scăzută, deoarece nu era necesară o teorie aerodinamică pentru a crea pale eficiente, iar calitatea proastă a materialelor pentru pale impunea restricții serioase asupra vitezei și temperaturilor de funcționare. Eficiența unei turbine tradiționale este legată de diferența de presiune dintre intrare și ieșire. Pentru a obține o diferență de presiune mai mare, se folosesc gaze fierbinți, cum ar fi aburul supraîncălzit în turbinele cu abur și produsele de ardere în turbinele cu gaz, astfel încât sunt necesare materiale rezistente la căldură pentru a obține o eficiență ridicată. Dacă turbina folosește un gaz care devine lichid la temperatura camerei, se poate folosi un condensator la ieșire pentru a crește diferența de presiune.
Turbina Tesla diferă de turbina tradițională prin mecanismul de transfer al energiei către arbore. Este format dintr-un set de discuri netede și duze care direcționează gazul de lucru către marginea discului. Gazul învârte discul prin aderența stratului limită și frecarea vâscoasă și încetinește pe măsură ce se învârte în spirală.
Turbina Tesla nu are pale și dezavantajele care decurg din acestea: rotorul nu are proeminențe și, prin urmare, este durabil. Cu toate acestea, are pierderi dinamice și limitări ale debitului. Un debit (sarcină) mic oferă o eficiență ridicată, iar un debit puternic crește pierderile în turbină și o reduce, ceea ce, totuși, nu este unic pentru turbina Tesla.
Discurile trebuie să fie foarte subțiri la margini pentru a nu crea turbulențe în fluidul de lucru. Acest lucru duce la necesitatea de a crește numărul de discuri pe măsură ce crește viteza fluxului. Eficiența maximă a acestui sistem este atinsă atunci când distanța dintre disc este aproximativ egală cu grosimea stratului limită. Deoarece grosimea stratului limită depinde de vâscozitate și presiune, afirmația că același design de turbină poate fi utilizat eficient pentru diferite lichide și gaze este incorectă.
Cercetările arată [4] că, pentru a menține o eficiență ridicată, debitul dintre discuri trebuie menținut relativ scăzut. Cu un flux slab, traiectoria fluxului fluidului de lucru de la intrare la turbină la ieșire are multe ture. Cu un debit puternic, numărul de rotații al spiralei scade, iar aceasta devine mai scurtă, ceea ce reduce eficiența, deoarece gazul (lichidul) are mai puțin contact cu discurile, ceea ce înseamnă că transferă mai puțină energie.
Eficiența turbinei cu gaz Tesla este peste 60% și ajunge la peste 95%. Dar nu confunda eficienta turbinei cu randamentul general al motorului care foloseste aceasta turbina. Turbinele axiale, care sunt utilizate acum în centralele cu abur și motoarele cu reacție, au o eficiență de aproximativ 60-70% și sunt limitate de randamentul ciclului Carnot corespunzător , iar pentru centrală ajunge doar la 25-42%. Tesla a susținut că versiunea cu abur a turbinei sale ar putea ajunge la 95%. [5] [6] Testele pe teren ale turbinei cu abur Tesla de la Westinghouse au găsit o ieșire de abur de 38 de lire sterline pe cal putere pe oră, corespunzând eficienței turbinei în intervalul de 20%.
În anii 1950, Warren Rice a încercat să reproducă experimentele lui Tesla, dar nu le-a rulat pe o turbină construită exact după designul patentat al Tesla. [7] Rice a experimentat cu un sistem de aer cu un singur disc. Turbina Rice testată a arătat o eficiență de 36-41% folosind un singur disc. [7] Ar trebui să se obțină o eficiență mai mare utilizând designul Tesla.
În cea mai recentă lucrare a sa privind turbina Tesla, Rice a efectuat o analiză la scară largă a unui model de flux laminar într-o turbină cu mai multe discuri. O afirmație foarte puternică pentru eficiența turbinei (spre deosebire de eficiența instrumentului în general) pentru acest design a fost publicată în 1991 sub titlul Tesla Turbomachine. [8] Articolul spune:
Cu utilizarea corectă a rezultatelor analitice, eficiența turbinei folosind flux laminar poate fi foarte mare, chiar și peste 95%. Cu toate acestea, pentru a obține o eficiență ridicată a turbinei, viteza de curgere trebuie să fie mică, ceea ce înseamnă că se obține o eficiență mai mare a turbinei prin utilizarea unui număr mare de discuri și, prin urmare, a unei turbine mari fizic. [9]
Turbinele moderne cu palete în mai multe trepte ating în mod obișnuit o eficiență de 60-70%, în timp ce turbinele mari cu abur prezintă adesea eficiențe ale turbinei de peste 90% în practică. Un rotor elicoidal potrivit pentru o turbină Tesla de dimensiuni rezonabile pentru lichide obișnuite (abur, gaz, apă) este de așteptat să prezinte o eficiență de aproximativ 60-70% și, eventual, mai mare. [9]
| Nikola Tesla | ||
|---|---|---|
| Carieră și invenții |
| |
| Alte |
| |
Articole înrudite |
| |