تربينة تسلا هي توربينية تدفّق مركزية خالية من الشفرة براءة اختراع من قبل نيكولا تيسلا في عام 1913. ويشار إليها بتوربين خالٍ من الشفرات. يُعرف توربينا تسلا أيضًا بتوربين الطبقة الحدية ، التوربين من نوع التماسك ، وتوربين طبقة البرانديل (بعد لودفيج براندتل) لأنه يستخدم تأثير طبقة الحدود وليس سائلًا يؤثر على الشفرات كما في التوربين التقليدي. وقد أشار الباحثون في الهندسة الحيوية إليها على أنها مضخة طرد مركزي متعددة الأقراص. واحدة من رغبات تسلا لتنفيذ هذا التوربين كانت لقوة الطاقة الحرارية الأرضية ، والتي تم وصفها في مستقبلنا الدافع القوى.
وصف
الفكرة الموجهة لتطوير تربينة تسلا هي حقيقة أنه من أجل تحقيق أعلى اقتصاد ، يجب أن تكون التغييرات في سرعة واتجاه حركة السائل تدريجيًا قدر الإمكان. لذلك يتحرك السائل الدافع لتوربين تسلا في المسارات الطبيعية أو خطوط التدفق الأقل مقاومة.
يتكون توربين تسلا من مجموعة من الأقراص الناعمة ، مع فوهات تستخدم سائلًا متحركًا إلى حافة القرص. يسحب السائل على القرص عن طريق اللزوجة والالتصاق بالطبقة السطحية للسائل. كما يبطئ السائل ويضيف الطاقة إلى الأقراص فإنه ينزل في عادم المركز. بما أن الدوار لا يحتوي على توقعات فهو قوي جدا.
كتب تيسلا: “هذا التوربين هو محرك رئيسي فعال ذاتي التشغيل يمكن تشغيله كبخار أو توربين مائع مختلط في الإرادة ، دون أي تغييرات في البناء وهو سهل الاستخدام للغاية. المغادرة الصغرى من التوربين ، كما قد يتم إملاءها من خلال الظروف في كل حالة ، من الواضح أنها توحي بأنفسهم ، ولكن إذا تم تنفيذها على هذه الخطوط العامة ، فسيكون مربحًا للغاية لمالكي مصنع البخار مع السماح باستخدام تركيبهم القديم. ومع ذلك ، فإن أفضل النتائج الاقتصادية في سيتم الحصول على الطاقة من البخار بواسطة تربينة تسلا في النباتات التي تم تكييفها خصيصًا لهذا الغرض. ”
يمكن أيضًا استخدام هذا التوربين لتكثيف النباتات التي تعمل بفراغًا عاليًا. في هذه الحالة ، بسبب نسبة التمدد الكبيرة ، يكون مزيج العادم في درجة حرارة منخفضة نسبيا ومناسب للدخول إلى المكثف.
يتم تركيب جميع الألواح والغسالات على مفتاح ومغطاة بأغلفة مترابطة في النهايات ومجهزة بالمكسرات والأطواق لرسم اللوحات النهائية السميكة معًا أو قد تضطر الأكوام ببساطة إلى ذلك وتسبب الغضب في النهاية. الغلاف يحتوي على فتحة تثبت بشكل مريح على العمود ، والتي يتم تثبيتها كالمعتاد.
يسمح هذا البناء بالتوسع والانكماش الحر لكل صفيحة بشكل فردي تحت التأثير المتنوع للحرارة وقوة الطرد المركزي ، ويمتلك عددًا من المزايا الأخرى التي لها أهمية عملية كبيرة. يتم الحصول على مساحة أكبر من اللوحة النشطة وبالتالي مزيد من الطاقة لعرض معين ، مما يحسن الكفاءة. يتم القضاء على التشويش عمليا ويمكن استخدام تصاريح جانبية أصغر ، مما يؤدي إلى تناقص خسائر التسرب والاحتكاك. يتم تكييف الدوار بشكل أفضل من أجل التوازن الديناميكي ومن خلال الاحتكاك يقاوم التأثيرات المزعجة مما يضمن تشغيل أكثر هدوءًا. لهذا السبب ، ولأن الأقراص ليست متصلة بشكل صارم فهي محمية ضد التلف الذي قد ينتج عن ذلك عن طريق الاهتزاز أو السرعة المفرطة.
يتميز توربينا تسلا بكونه موجودًا في منشأة تعمل عادة بخليط من البخار ومنتجات الاحتراق والتي تستخدم فيها حرارة العادم لتوفير البخار الذي يتم توفيره للتوربين ، مما يوفر صمامًا يحكم توريد البخار لذلك يمكن ضبط الضغوط ودرجات الحرارة لظروف العمل المثلى.
كما هو مخطط ، فإن تركيب توربيني تسلا هو:
قادرة على البدء بالبخار وحده
نوع قرص تكييف للعمل مع السوائل في درجة حرارة عالية.
يتطلب توربينا تسلا كفاءة التباعد عن كثب من الأقراص. على سبيل المثال ، يجب أن يحتفظ نوع يعمل بالطاقة البخارية بتباعد بين القرص 0.4 ميليمتر (.016 بوصة). يجب أن تكون الأقراص سلسة للغاية لتقليل الخسائر إلى أسفل وإلى القص. يجب أن تكون الأقراص أيضًا ضعيفة للغاية لمنع السحب والإضطراب عند حواف القرص. لسوء الحظ ، كان منع الأقراص من التشويش والتشويه تحديًا كبيرًا في زمن تسلا. ويعتقد أن عدم القدرة على منع الأقراص المشوهة ساهم في الفشل التجاري للتوربينات ، لأن التكنولوجيا المعدنية في ذلك الوقت لم تكن قادرة على إنتاج الأقراص ذات الجودة والصلابة الكافية.
مضخة
يمكن أن يعمل الجهاز كمضخة إذا تم استخدام مجموعة مماثلة من الأقراص ومسكن مع شكل متناغم (مقابل دائري للتوربين). في هذا التكوين يتم إرفاق محرك إلى العمود. يدخل السائل بالقرب من المركز ، ويعطى الطاقة بواسطة الأقراص ، ثم يخرج عند المحيط. لا يستخدم التوربين Tesla الاحتكاك بالمعنى التقليدي. على وجه التحديد ، فإنه يتجنب ذلك ، ويستخدم التصاق (تأثير Coandă) واللزوجة بدلا من ذلك. ويستخدم تأثير طبقة الحدود على ريش القرص.
تم اقتراح أقراص الدوار السلس في الأصل ولكن هذه أعطت عزم بدء التشغيل ضعيف. اكتشف تيسلا لاحقاً أن الأقراص الدوّارة ناعمة مع غسالات صغيرة تربط بين الأقراص في الأماكن 12-24 تقريباً حول محيط القرص 10 بوصة والحلقة الثانية من 6 إلى 12 غسلاً عند قطر فرعي تم صنعها لتحسين كبير في بدء تشغيل عزم الدوران دون مما يضعف الكفاءة.
تطبيقات
تشير براءات اختراع تسلا إلى أن الغرض من هذا الجهاز هو استخدام السوائل كعوامل دافعة ، كتمييز عن التطبيق نفسه للدفع أو ضغط السوائل (على الرغم من أنه يمكن استخدام الجهاز لهذه الأغراض أيضًا). اعتبارا من عام 2016 ، لم يشهد توربين تسلا الاستخدام التجاري على نطاق واسع منذ اختراعه. ومع ذلك ، فإن مضخة تسلا كانت متاحة تجارياً منذ عام 1982 وتستخدم لضخ سوائل كاشفة أو لزجة أو حساسة للقص أو تحتوي على مواد صلبة أو يصعب التعامل معها بالمضخات الأخرى. Tesla نفسه لم يشتر عقدًا كبيرًا للإنتاج. كان العيب الرئيسي في وقته ، كما ذكر ، هو ضعف المعرفة من خصائص المواد والسلوكيات في درجات حرارة عالية. أفضل تعدين لهذا اليوم لا يمكن أن تمنع أقراص التوربين من التحرك والتشويه بشكل غير مقبول أثناء التشغيل.
في عام 2003 ، حصل سكوت أوهيرن على براءة اختراع على نظام الشفرة التوربينية الشعاعية. يستخدم هذا الاختراع مزيجًا من مفاهيم سطح العداء السلس للعمل الاحتكاكى السوائل الاحتكارية وتلك الخاصة بزخارف الريش المحورية بشكل محوري من وجوه العداء المستعرض التعددي.
اليوم ، أجريت العديد من تجارب الهواة في هذا المجال باستخدام توربينات تسلا التي تستخدم الهواء المضغوط والبخار كمصدر للطاقة (يتم توليد البخار بحرارة من احتراق الوقود ، أو من الشاحن التوربيني للمركبة أو من الإشعاع الشمسي). تم حل مشكلة تزييف الأقراص جزئيًا باستخدام مواد جديدة مثل ألياف الكربون.
أحد التطبيقات الحالية المقترحة للجهاز هو مضخة النفايات ، في المصانع والمصانع حيث عادة ما يتم حظر مضخات التوربين العادية.
تربينات تسلا مثالية ، لأسباب عديدة ، خارج الشبكة ، التوربينات البخارية الصغيرة ، محطات توليد الكهرباء المنزلية ، ومع بعض الخبرة ، يمكن أن تكون سهلة التصميم من قبل الهواة.
وقد أسفرت تطبيقات تربينة تسلا كمضخة دم ذات طرد مركزي متعدد الأقراص عن نتائج واعدة.
وقد استمر البحث في الهندسة الطبية الحيوية في مثل هذه التطبيقات في القرن الحادي والعشرين.
في عام 2010 ، تم إصدار براءة الاختراع الأمريكية 7،695،242 إلى Howard Fuller عن توربينات الرياح بناءً على تصميم Tesla.
الكفاءة والحسابات
لدى توربين تسلا عائد نظري مرتفع جدا ، حوالي 92٪ ، لكن في الحقيقة هناك العديد من القيود البناءة التي تتنافس لتقليل أدائها العام. لتوضيح هذه القيود بشكل أفضل ، فيما يلي قائمة مختصرة:
قطر الدوار: لا يجب فصله عن الخصائص الفيزيائية للسائل الذي سيتم استخدامه. هذا القيد يعني أنه من الناحية النظرية ، من الممكن تحديد القطر الأمثل للدوار: في الواقع ، لا يمكن للدوار الصغير جدا أن يحول فعليًا جميع الطاقة الحركية الموجودة في السائل المحقون. من ناحية أخرى ، يمكن للدوار الكبير جدا أن يولد تدفقًا زائدًا للسائل ، مع ما يترتب على ذلك من فقدان الحمل. ليس هذا فقط ، ولكن من الصعب بناء قرص كبير للغاية ، ونتيجة لقوة الطرد المركزي العالية التي يتعرض لها ، فإن السرعة القصوى للتناوب ستكون محدودة.
المسافة بين أسطح الأقراص التي تشكل الدوار: على سبيل المثال ، بالنسبة للبخار من الضروري تباعد حوالي 0.4 ملم ، فمن الأهمية بمكان أن يكون للسمك أدنى سماكة ، ومن الواضح أن هذا يمكن أن يكون مشكلة كبيرة أقراص تعمل بسرعات دوران عالية. في الواقع فإن الوقاية من احتمال حدوث التذبذبات في الأقراص هي واحدة من المشاكل الرئيسية لهذا التوربين. ويعتقد أن صعوبة احتواء التذبذبات هي السبب الرئيسي للفشل التجاري لهذا الاختراع. ومع ذلك ، فقط في السنوات الأخيرة ، مع التقنيات الجديدة التي غالبا ما تكون مستمدة من turbojet ، فمن الممكن جعل أقراص أرق وأقوى مع الانتهاء من السطح جيدة ، وجميع العناصر التي يمكن أن تسهم في تحسين كفاءة الجهاز.
الإنهاء السطحي للأقراص: يمكن لسطح قرص تقريبي أن يولّد بسهولة دوامات تقلل كفاءة التوربين ، لذا من المهم أن تكون مصنوعة بسطوح ناعمة وجيدة تمامًا.
وضع وهندسة فوهة الإدخال: كونها توربين تسلا ، وهي أداة تستغل الطاقة الحركية للسوائل التي يتم إدخالها فيها ، وخصائص الفوهة التي تجلب السوائل لتكون لها سرعة عالية ، وبالتالي طاقة حركية ، هي محددات ، وتحقق ذلك الفوهات دون الاضطراب أمر بالغ الأهمية.
هندسة حافة مدخل الأقراص: يمكن لسرعة السائل الذي يلمس حافة القرص أن تكون أسرع من الصوت وبالتالي ، في هذا المجال ، يمكن إنشاء موجات ضغط يمكن أن تولد الخسائر والتعديلات في مسار السائل.
حجم وهندسة أنابيب العادم الضوء: حتى إذا كان عند الخروج من التوربينات سرعة السائل أقل ، تصميم العادم أمر بالغ الأهمية ، وحتى في هذه المرحلة ، يمكن أن تحدث دوامة ضارة مع ما يترتب على ذلك من خسائر ؛ في الواقع ، التدفق هو الجاذبي ، (من المحيط إلى مركز القرص) ، ثم المحوري (محاذاة مع محور دوران) ؛ مع الأقراص الدوارة بسرعة عالية ، ليس من السهل نقل سائل دوار في مجرى محوري بدون اضطراب.
في زمن تسلا ، كانت كفاءة التوربينات التقليدية منخفضة لأن التوربينات كانت تستخدم نظام الدفع المباشر الذي حد بشدة من السرعة المحتملة للتوربين مهما كانت القيادة. في وقت التقديم ، كانت التوربينات الحديثة للسفينة ضخمة وتضمنت العشرات ، أو حتى المئات من مراحل التوربينات ، ولكنها أنتجت كفاءة منخفضة للغاية بسبب سرعتها المنخفضة. على سبيل المثال ، كانت التوربينات على التايتانيك تزن أكثر من 400 طن ، وركضت في 165 دورة في الدقيقة فقط ، واستخدمت البخار عند ضغط 6 PSI فقط. هذا يقتصر على حصاد بخار النفايات من محطات توليد الطاقة الرئيسية ، زوج من المحركات البخارية الترددية. كما كان للتوربينات Tesla القدرة على العمل على غازات درجة حرارة أعلى من توربينات ملولبة في ذلك الوقت ساهمت في زيادة فعاليتها. في نهاية المطاف ، أعطيت التوربينات المحورية الترسية للسماح لها بالعمل بسرعات أعلى ، ولكن كفاءة التوربينات المحورية ظلت منخفضة جدا بالمقارنة مع Tesla Turbine.
مع مرور الوقت ، أصبحت التوربينات المحورية المتنافسة أكثر كفاءة وقوة بشكل كبير ، وتم إدخال مرحلة ثانية من تروس التخفيض في معظم سفن البحرية الأمريكية الأكثر تطوراً في ثلاثينيات القرن العشرين. أعطى التحسن في تكنولوجيا البخار البحرية لناقلات الطائرات ميزة واضحة في السرعة على حاملات الطائرات الحربية وحلفاء العدو ، وهكذا أصبحت التوربينات البخارية المحورية المثبتة هي الشكل المفضل للدفع حتى حدث الحظر النفطي لعام 1973. دفعت أزمة النفط غالبية السفن المدنية الجديدة إلى اللجوء إلى محركات الديزل. مازالت التوربينات البخارية المحورية لا تتجاوز كفاءة 50٪ في ذلك الوقت ، ولذلك اختارت السفن المدنية استخدام محركات الديزل نظرًا لكفاءتها الفائقة. في هذا الوقت ، كان تورب تسلا ذو الكفاءة العالية أكثر من 60 سنة.
حاول تصميم Tesla تجنب العوائق الرئيسية للتوربينات المحورية البيضاء ، وحتى أقل التقديرات للكفاءة ما زالت تفوق بشكل دراماتيكي كفاءة التوربينات البخارية المحورية لليوم. ومع ذلك ، في اختبار ضد محركات أكثر حداثة ، كانت Tesla Turbine تتمتع بكفاءة توسع أقل بكثير من التوربينات البخارية المعاصرة وأقل بكثير من المحركات البخارية المعاصرة. فهي تعاني من مشاكل أخرى مثل خسائر القص والقيود على التدفق ، ولكن هذا يعوض جزئيًا عن الانخفاض الهائل في الوزن والحجم. بعض مزايا Tesla turbine تكمن في تطبيقات معدل تدفق منخفض نسبيا أو عند طلب تطبيقات صغيرة. يجب أن تكون الأقراص رفيعة قدر الإمكان عند الحواف لكي لا تدخل الاضطراب بينما يترك السائل الأقراص. هذا يترجم إلى الحاجة إلى زيادة عدد الأقراص مع زيادة معدل التدفق. تأتي الكفاءة القصوى في هذا النظام عندما يقترب التباعد بين السماكة من سمك الطبقة الحدودية ، وبما أن سماكة طبقة الحدود تعتمد على اللزوجة والضغط ، فإن الادعاء بأن التصميم الواحد يمكن استخدامه بكفاءة لمجموعة متنوعة من أنواع الوقود والسوائل. غير صحيح. يختلف توربين تسلا عن التوربين التقليدي فقط في الآلية المستخدمة لنقل الطاقة إلى العمود. توضح التحليلات المختلفة أن معدل التدفق بين الأقراص يجب أن يبقى منخفضًا نسبيًا للحفاظ على الكفاءة. وبحسب ما ورد ، تنخفض كفاءة تربينة تسلا مع زيادة الحمولة. تحت الحمل الخفيف ، يكون اللولب الملتقط من المائع المتحرك من المدخول إلى العادم هو دوامة محكمة ، يمر بالعديد من الدورات. تحت الحمل ، ينخفض عدد الدورات ويصبح اللولب أقصر بشكل تدريجي. هذا سيزيد من خسائر القص ويقلل أيضًا من الكفاءة لأن الغاز على اتصال بالأقراص لمسافة أقل.
الكفاءة هي وظيفة من انتاج الطاقة. الحمل المعتدل يجعل الكفاءة العالية. يزيد الحمل الثقيل من الانزلاق في التوربين ويقلل من الكفاءة ؛ مع حمولة خفيفة جدًا ، يتم تسليم القليل من الطاقة إلى المخرجات ، مما يقلل أيضًا من الكفاءة (إلى صفر في وضع الخمول). هذا السلوك لا يقتصر على توربينات تسلا.
تقدر كفاءة التوربينات الغازية تسلا بأكثر من 60 ، لتصل إلى 95 في المائة كحد أقصى. ضع في اعتبارك أن كفاءة التوربين تختلف عن كفاءة دورة المحرك باستخدام التوربين. تتمتع التوربينات المحورية التي تعمل اليوم في محطات البخار أو المحركات النفاثة بكفاءة تصل إلى حوالي 60-70٪ (Siemens Turbines Data). ويختلف ذلك عن كفاءة دورة المحرك أو المحرك التي تتراوح بين 25٪ و 42٪ تقريبًا ، وتقتصر على أي عمليات عكسية تكون أقل من كفاءة دورة Carnot. وادعى تسلا أن الإصدار البخاري لجهازه سيحقق كفاءة تبلغ 95 في المائة. أظهرت الاختبارات الفعلية لتوربين بخاري من تسلا في أعمال وستنجهاوس أن معدل البخار يبلغ 38 رطل لكل حصان في الساعة ، وهو ما يعادل كفاءة التوربين في نطاق 20٪ ، في حين أن التوربينات البخارية المعاصرة يمكن أن تحقق في كثير من الأحيان كفاءة في التوربين تزيد عن 50٪. الكفاءة الديناميكية الحرارية هي مقياس لمدى أدائها مقارنة بالحالة المتناحية. هو نسبة مثالية لمدخلات / مخرجات العمل الفعلية. تعرف كفاءة التوربين بأنها نسبة التغير المثالي في المحتوى الحراري من المحتوى الحراري الفعلي لنفس التغير في الضغط.
في 1950s ، حاول Warren Rice إعادة إنشاء تجارب Tesla ، لكنه لم يؤد هذه الاختبارات المبكرة على مضخة تم بناؤها بشكل صارم تماشيا مع تصميم Tesla الحاصل على براءة اختراع (من بين أمور أخرى ، لم يكن تلسا Tesla متعددة مراحل ولم انها تمتلك فوهة تسلا. كان سائل عمل نظام مرحلة واحدة التجريبي من رايس الهواء. أنتجت توربينات اختبار رايس ، كما تم نشرها في التقارير المبكرة ، كفاءة مقاسة بشكل عام بنسبة 36-41٪ لمرحلة واحدة. من المتوقع أن تكون النسب المئوية أعلى إذا تم تصميمها على النحو المقترح في الأصل من قبل تسلا.
في عمله الأخير مع توربين تسلا والذي تم نشره قبل تقاعده ، أجرى رايس تحليلاً لمعظم العينات من تدفق الطفيلي النموذجي في توربينات متعددة الأقراص. وقد نُشرت في عام 1991 بعنوان “Tesla Turbomachinery” ، مطالبة عالية جداً بالكفاءة في استخدام الدوّارات (مقابل الكفاءة الكلية للجهاز). تنص هذه الورقة على:
مع الاستخدام السليم للنتائج التحليلية ، يمكن أن تكون كفاءة الدوار باستخدام التدفق الصفحي عالية جداً ، حتى فوق 95٪. ومع ذلك ، من أجل تحقيق كفاءة عالية الدوار ، يجب أن يكون عدد التدفق صغيرة مما يعني تحقيق كفاءة عالية الدوار على حساب استخدام عدد كبير من الأقراص وبالتالي الدوار أكبر جسديا. لكل قيمة من رقم معدل التدفق ، هناك قيمة مثالية لرقم رينولدز لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة. مع وجود سوائل شائعة ، فإن المباعدة المطلوبة للقرص تكون صغيرة للغاية مما تسبب في [استخدام الدوارات] التدفق الصفحي لتكون كبيرة وثقيلة بالنسبة لمعدل التدفق الداخلي المحدد.
وقد أجريت تحقيقات واسعة النطاق من مضخات السوائل من نوع تسلا باستخدام دوارات تدفق الصفحي. وجد أن الكفاءة الكلية للمضخة كانت منخفضة حتى عندما كانت كفاءة الدوار عالية بسبب الخسائر التي حدثت عند مدخل الدوار والمخرج المذكور سابقًا.
تصل التوربينات الحديثة ذات المرحلة المتعددة إلى 60-70٪ من الكفاءة ، في حين أن توربينات البخار الكبيرة غالباً ما تظهر كفاءة توربين تزيد عن 90٪ في الممارسة. يتطابق الجهاز الدوار الحركي مع آلات Tesla ذات الحجم المعقول مع السوائل الشائعة (البخار ، والغاز ، والماء) من المتوقع أيضًا أن تظهر كفاءات في محيط 60-70٪ وربما أعلى.
حب الاستطلاع
يمكن لصانعي طراز التوربين من تسلا بسهولة بناء نماذج توربينية باستخدام أقراص ضوئية (أقراص مدمجة أو أقراص مدمجة) لتكوين العجلة ، بوضوح مع فواصل موصولة وثقب مركزي مناسب ، أو بوليميثيل ميثاكريلات (Plexiglas) أو سلسلة كاملة من النظير ، للحالة والفوهة. ، والتي من بين أمور أخرى تتميز بكونها شفافة ، والهواء المضغوط عند الضغط العالي كمائع محرك.