Turbina de tesla

La turbina Tesla es una turbina de flujo centrípeta sin cuchillas patentada por Nikola Tesla en 1913. Se le conoce como una turbina sin cuchillas. La turbina Tesla también se conoce como turbina de capa límite, turbina de tipo de cohesión y turbina de capa Prandtl (después de Ludwig Prandtl) porque utiliza el efecto de capa límite y no un fluido que incide sobre las aspas como en una turbina convencional. Los investigadores de bioingeniería se han referido a ella como una bomba centrífuga de discos múltiples. Uno de los deseos de Tesla para la implementación de esta turbina era la energía geotérmica, que se describe en Nuestro poder motriz futuro.

Descripción
La idea guía para desarrollar la turbina Tesla es el hecho de que para alcanzar la economía más alta, los cambios en la velocidad y la dirección del movimiento del fluido deben ser lo más graduales posible. Por lo tanto, el fluido propulsor de la turbina Tesla se mueve en caminos naturales o líneas de corriente de menor resistencia.

Una turbina Tesla consiste en un conjunto de discos lisos, con boquillas que aplican un fluido en movimiento al borde del disco. El fluido arrastra el disco por medio de la viscosidad y la adhesión de la capa superficial del fluido. A medida que el fluido disminuye la velocidad y agrega energía a los discos, gira en espiral hacia el escape central. Como el rotor no tiene proyecciones, es muy resistente.

Tesla escribió: «Esta turbina es un motor primario de autoencendido eficiente que puede ser operado como una turbina de vapor o fluido mixto a voluntad, sin cambios en la construcción y es muy conveniente en este aspecto. Salidas menores de la turbina, como puede ser dictada por las circunstancias en cada caso, obviamente se sugerirán, pero si se lleva a cabo en estas líneas generales, se considerará altamente rentable para los propietarios de la planta de vapor mientras permite el uso de su instalación anterior. Sin embargo, los mejores resultados económicos El desarrollo de energía a partir de vapor por la turbina Tesla se obtendrá en plantas especialmente adaptadas para este propósito «.

Esta turbina también se puede aplicar a plantas de condensación que funcionan con alto vacío. En tal caso, debido a la gran relación de expansión, la mezcla de escape estará a una temperatura relativamente baja y adecuada para la admisión al condensador.

Todas las placas y arandelas están montadas y enclavadas en un manguito roscado en los extremos y equipadas con tuercas y collares para juntar las placas de los extremos gruesos o los cuellos pueden ser simplemente forzados y los extremos se pueden romper. El manguito tiene un orificio que encaja perfectamente en el eje, al que se sujeta como de costumbre.

Esta construcción permite la libre expansión y contracción de cada placa individualmente bajo la influencia variable del calor y la fuerza centrífuga y posee una serie de otras ventajas que tienen una importancia práctica considerable. Se obtiene un área de placa activa más grande y, en consecuencia, se obtiene más potencia para un ancho determinado, lo que mejora la eficiencia. La deformación se elimina virtualmente y se pueden usar espacios laterales más pequeños, lo que resulta en pérdidas por fugas y fricción disminuidas. El rotor está mejor adaptado para el equilibrio dinámico y, a través de la fricción de frotamiento, resiste las influencias molestas, lo que garantiza un funcionamiento más silencioso. Por este motivo y también porque los discos no están unidos rígidamente, están protegidos contra daños que de otra manera podrían ser causados ​​por la vibración o la velocidad excesiva.

La turbina Tesla tiene la característica de estar en una instalación que normalmente trabaja con una mezcla de vapor y productos de combustión y en la que el calor de escape se utiliza para proporcionar vapor que se suministra a la turbina, proporcionando una válvula que gobierna el suministro del vapor de manera que Que las presiones y temperaturas puedan ajustarse a las condiciones óptimas de trabajo.

Como se muestra en el diagrama, una instalación de turbina Tesla es:

Capaz de comenzar con vapor solo
Un tipo de disco adaptado para trabajar con fluidos a alta temperatura.
Una turbina Tesla eficiente requiere un espaciado cercano de los discos. Por ejemplo, un tipo alimentado por vapor debe mantener un espaciado entre discos de 0.4 milímetros (.016 pulgadas). Los discos deben ser extremadamente suaves para minimizar las pérdidas de superficie y corte. Los discos también deben ser muy finos para evitar el arrastre y la turbulencia en los bordes del disco. Desafortunadamente, evitar que los discos se deformen y distorsione fue un gran desafío en la época de Tesla. Se piensa que esta incapacidad para evitar la distorsión de los discos contribuyó a la falla comercial de las turbinas, porque la tecnología metalúrgica en ese momento no era capaz de producir discos de calidad y rigidez suficientes.

Bomba
El dispositivo puede funcionar como una bomba si se utiliza un conjunto similar de discos y una carcasa con una forma involuta (en lugar de circular para la turbina). En esta configuración se une un motor al eje. El líquido entra cerca del centro, recibe energía de los discos y luego sale a la periferia. La turbina Tesla no utiliza la fricción en el sentido convencional; precisamente, lo evita y, en cambio, utiliza la adherencia (el efecto Coandă) y la viscosidad. Utiliza el efecto de capa límite en las cuchillas del disco.

Los discos lisos del rotor se propusieron originalmente pero estos dieron un par de arranque pobre. Posteriormente, Tesla descubrió que los discos de rotor suave con pequeñas arandelas unen los discos en ~ 12–24 lugares alrededor del perímetro de un disco de 10 ″ y un segundo anillo de 6–12 arandelas en un sub-diámetro creado para una mejora significativa en el par de arranque sin comprometer la eficiencia.

Aplicaciones
Las patentes de Tesla establecen que el dispositivo estaba destinado para el uso de fluidos como agentes motores, a diferencia de la aplicación del mismo para la propulsión o compresión de fluidos (aunque el dispositivo también se puede usar para esos fines). A partir de 2016, la turbina Tesla no ha tenido un uso comercial generalizado desde su invención. Sin embargo, la bomba Tesla ha estado disponible comercialmente desde 1982 y se usa para bombear fluidos abrasivos, viscosos, sensibles a la cizalladura, contienen sólidos o son difíciles de manejar con otras bombas. El propio Tesla no obtuvo un gran contrato para la producción. El principal inconveniente en su época, como se mencionó, fue el escaso conocimiento de las características y comportamientos de los materiales a altas temperaturas. La mejor metalurgia del día no pudo evitar que los discos de la turbina se movieran y se deformaran de forma inaceptable durante la operación.

En 2003, Scott O’Hearen obtuvo una patente sobre el sistema de pala de turbina radial. Esta invención utiliza una combinación de los conceptos de una superficie lisa del corredor para el contacto de fricción del fluido de trabajo y la de las cuchillas que se proyectan axialmente desde varias caras transversales transversales.

Hoy en día, muchos experimentos de aficionados en el campo se han llevado a cabo utilizando turbinas Tesla que utilizan aire comprimido, el vapor como fuente de energía (el vapor se genera con el calor de la combustión del combustible, del turbocompresor de un vehículo o de la radiación solar). El problema de la deformación de los discos se ha resuelto parcialmente utilizando nuevos materiales como la fibra de carbono.

Una aplicación actual propuesta para el dispositivo es una bomba de desecho, en fábricas y molinos donde las bombas de turbina de paletas normales normalmente se bloquean.

Las turbinas de Tesla son ideales, debido a muchas razones, ya que las estaciones de generación eléctrica en el hogar, fuera de la red, mini turbina de vapor, y con cierta experiencia, pueden ser bastante fáciles de diseñar por los aficionados.

Las aplicaciones de la turbina Tesla como bomba de sangre centrífuga de discos múltiples han dado resultados prometedores.
La investigación en ingeniería biomédica en tales aplicaciones ha continuado en el siglo XXI.

En 2010, se otorgó la patente de EE. UU. 7.695.242 a Howard Fuller para una turbina eólica basada en el diseño de Tesla.

Eficiencia y cálculos.
La turbina de Tesla tiene un rendimiento teórico muy alto, alrededor del 92%, pero en realidad hay varias restricciones constructivas que compiten para reducir su rendimiento general. Para aclarar mejor estas restricciones, la siguiente es una breve lista:

El diámetro del rotor: su tamaño no debe separarse de las características físicas del fluido que se utilizará. Esta restricción significa que, en teoría, es posible determinar un diámetro óptimo del rotor: de hecho, un rotor demasiado pequeño no puede convertir efectivamente toda la energía cinética presente en el fluido inyectado. Por otro lado, un rotor demasiado grande puede generar un flujo excesivo para el fluido, con la consiguiente pérdida de carga. No solo eso, sino que un disco demasiado grande es difícil de construir y, debido a las altas fuerzas centrífugas a las que está sometido, la velocidad máxima de rotación será limitada.
El espacio entre las superficies de los discos que conforman el rotor: por ejemplo, para el vapor es necesario un espacio de aproximadamente 0,4 mm, es crucial que los discos tengan un grosor mínimo, esto obviamente puede ser un problema para grandes Discos que trabajan a altas velocidades de rotación. De hecho, la prevención de la posibilidad de activación de oscilaciones en los discos es uno de los principales problemas de esta turbina. Se cree que la dificultad para contener las oscilaciones es la causa principal del fracaso comercial de esta invención. Sin embargo, solo en los últimos años, con las nuevas tecnologías a menudo derivadas del turborreactor, es posible hacer discos más delgados y rígidos con un buen acabado superficial, todos los elementos que pueden contribuir a mejorar la eficiencia del dispositivo.
Acabado superficial de los discos: una superficie rugosa del disco puede generar fácilmente vórtices que reducen la eficiencia de la turbina, por lo que es importante que estén hechos con superficies lisas y muy bien acabadas.
Posicionamiento y geometría de la boquilla de entrada: al ser la turbina Tesla un dispositivo que explota la energía cinética del fluido introducido en ella, las características de la boquilla que hace que el fluido tenga una alta velocidad y, por lo tanto, la energía cinética, son determinantes. Las boquillas sin turbulencia son particularmente críticas.
La geometría del borde de entrada de los discos: la velocidad del fluido que toca el borde del disco puede ser supersónica y, por lo tanto, se pueden crear ondas de compresión que pueden generar pérdidas y alteraciones en la trayectoria del fluido.
El tamaño y la geometría de los tubos de escape son ligeros: incluso si a la salida de la turbina la velocidad del fluido es menor, el diseño del escape es crítico, e incluso en esta fase, puede producirse una vorticidad dañina con las consiguientes pérdidas; de hecho, el flujo es centrípeto (desde la periferia hasta el centro del disco) y luego axial (alineado con el eje de rotación); Con discos giratorios a alta velocidad, el transporte de un fluido giratorio en un conducto axial sin turbulencia no es fácil.

En la época de Tesla, la eficiencia de las turbinas convencionales era baja porque las turbinas usaban un sistema de transmisión directa que limitaba severamente la velocidad potencial de una turbina a lo que fuera que estaba manejando. En el momento de la introducción, las turbinas modernas de barcos eran enormes e incluían docenas, o incluso cientos de etapas de turbinas, pero producían una eficiencia extremadamente baja debido a su baja velocidad. Por ejemplo, la turbina en el Titanic pesaba más de 400 toneladas, funcionaba a solo 165 rpm y usaba vapor a una presión de solo 6 PSI. Esto lo limitó a la recolección de vapor residual de las centrales eléctricas principales, un par de motores de vapor recíprocos. La turbina Tesla también tenía la capacidad de funcionar con gases a temperaturas más altas que las turbinas con palas de la época, lo que contribuyó a su mayor eficiencia. Finalmente, las turbinas axiales recibieron engranajes para permitirles operar a velocidades más altas, pero la eficiencia de las turbinas axiales se mantuvo muy baja en comparación con la turbina Tesla.

A medida que pasaba el tiempo, las turbinas axiales de la competencia se volvieron dramáticamente más eficientes y potentes, se introdujo una segunda etapa de engranajes de reducción en la mayoría de los buques navales estadounidenses de vanguardia de la década de 1930. La mejora en la tecnología de vapor dio a los portaaviones de la Armada de los Estados Unidos una clara ventaja en la velocidad sobre los portaaviones tanto aliados como enemigos, por lo que las turbinas de vapor axiales probadas se convirtieron en la forma preferida de propulsión hasta el embargo de petróleo de 1973. La crisis del petróleo llevó a la mayoría de los nuevos buques civiles a recurrir a los motores diésel. Las turbinas de vapor axiales aún no habían superado el 50% de eficiencia en ese momento, por lo que los buques civiles optaron por utilizar motores diesel debido a su eficiencia superior. En ese momento, la turbina Tesla, comparativamente eficiente, tenía más de 60 años.

El diseño de Tesla intentó eludir los inconvenientes clave de las turbinas axiales de álabes, e incluso las estimaciones más bajas de eficiencia aún superaron dramáticamente la eficiencia de las turbinas de vapor axiales del día. Sin embargo, en pruebas con motores más modernos, la Tesla Turbine tenía eficiencias de expansión muy por debajo de las turbinas de vapor contemporáneas y muy por debajo de las máquinas de vapor recíprocas contemporáneas. Sufre de otros problemas, como las pérdidas por cizallamiento y las restricciones de flujo, pero esto se ve parcialmente compensado por la reducción relativamente masiva en peso y volumen. Algunas de las ventajas de la turbina Tesla se encuentran en aplicaciones de tasa de flujo relativamente baja o cuando se requieren aplicaciones pequeñas. Los discos deben ser lo más finos posible en los bordes para no introducir turbulencias cuando el líquido sale de los discos. Esto se traduce en la necesidad de aumentar el número de discos a medida que aumenta el caudal. La máxima eficiencia viene en este sistema cuando el espaciado entre discos se aproxima al grosor de la capa límite, y dado que el grosor de la capa límite depende de la viscosidad y la presión, la afirmación de que un solo diseño se puede usar de manera eficiente para una variedad de combustibles y fluidos es incorrecto. Una turbina Tesla se diferencia de una turbina convencional solo en el mecanismo utilizado para transferir energía al eje. Varios análisis demuestran que la velocidad de flujo entre los discos debe mantenerse relativamente baja para mantener la eficiencia. Según se informa, la eficiencia de la turbina Tesla disminuye con la carga incrementada. Bajo una carga ligera, la espiral tomada por el fluido que se mueve desde la admisión hasta el escape es una espiral cerrada, que sufre muchas rotaciones. Bajo carga, el número de rotaciones disminuye y la espiral se vuelve progresivamente más corta. Esto aumentará las pérdidas por cizallamiento y también reducirá la eficiencia porque el gas está en contacto con los discos a menos distancia.

La eficiencia es una función de la potencia de salida. Una carga moderada hace para una alta eficiencia. Una carga demasiado pesada aumenta el deslizamiento en la turbina y reduce la eficiencia; con una carga demasiado ligera, se entrega poca potencia a la salida, lo que también disminuye la eficiencia (a cero en reposo). Este comportamiento no es exclusivo de las turbinas Tesla.

La eficiencia de la turbina de la turbina de gas Tesla se estima en más de 60, alcanzando un máximo del 95 por ciento. Tenga en cuenta que la eficiencia de la turbina es diferente de la eficiencia del ciclo del motor que utiliza la turbina. Las turbinas axiales que operan hoy en día en plantas de vapor o motores a reacción tienen eficiencias de aproximadamente 60 a 70% (datos de turbinas de Siemens). Esto es diferente de las eficiencias de ciclo de la planta o motor que están entre aproximadamente el 25% y el 42%, y están limitadas por cualquier irreversibilidad para estar por debajo de la eficiencia del ciclo de Carnot. Tesla afirmó que una versión de vapor de su dispositivo alcanzaría una eficiencia de alrededor del 95 por ciento. Las pruebas reales de una turbina de vapor Tesla en las obras de Westinghouse mostraron una tasa de vapor de 38 libras por hora de potencia, lo que corresponde a una eficiencia de turbina en el rango del 20%, mientras que las turbinas de vapor contemporáneas a menudo podrían alcanzar eficiencias de turbina de más del 50%. La eficiencia termodinámica es una medida de qué tan bien se desempeña en comparación con un caso isentrópico. Es la relación entre el ideal y la entrada / salida de trabajo real. La eficiencia de la turbina se define como la relación entre el cambio ideal de entalpía y la entalpía real para el mismo cambio de presión.

En la década de 1950, Warren Rice intentó recrear los experimentos de Tesla, pero no realizó estas primeras pruebas en una bomba construida estrictamente en línea con el diseño patentado de Tesla (esto, entre otras cosas, no era una turbina de etapas múltiples Tesla ni lo hizo posee boquilla de Tesla). El fluido de trabajo del sistema experimental de una sola etapa de Rice era aire. Las turbinas de prueba de Rice, tal como se publicaron en informes iniciales, produjeron una eficiencia general medida del 36–41% para una sola etapa. Se esperarían porcentajes más altos si se diseñaran según lo propuesto originalmente por Tesla.

En su trabajo final con la turbina Tesla y publicado justo antes de su retiro, Rice realizó un análisis de parámetros en volumen del modelo de flujo laminar en turbinas de múltiples discos. En 1991 se publicó una reclamación muy alta por la eficiencia del rotor (a diferencia de la eficiencia general del dispositivo) para este diseño, titulada «Tesla Turbomachinery». Este documento dice:

Con el uso adecuado de los resultados analíticos, la eficiencia del rotor con flujo laminar puede ser muy alta, incluso por encima del 95%. Sin embargo, para lograr una alta eficiencia del rotor, el número de flujo debe hacerse pequeño, lo que significa que se logra una alta eficiencia del rotor a costa de usar una gran cantidad de discos y, por lo tanto, un rotor físicamente más grande. Para cada valor de número de caudal, hay un valor óptimo de número de Reynolds para la máxima eficiencia. Con los fluidos comunes, el espacio requerido en el disco es muy pequeño, lo que hace que [los rotores que usan] el flujo laminar tiendan a ser grandes y pesados ​​para una tasa de flujo prescrita.

Se han realizado investigaciones exhaustivas de las bombas de líquido de tipo Tesla utilizando rotores de flujo laminar. Se encontró que la eficiencia general de la bomba era baja incluso cuando la eficiencia del rotor era alta debido a las pérdidas que se producen en la entrada y salida del rotor mencionadas anteriormente.

Las modernas turbinas de álabes de etapas múltiples generalmente alcanzan una eficiencia de 60 a 70%, mientras que las turbinas de vapor grandes a menudo muestran una eficiencia de turbina de más del 90% en la práctica. También se esperaría que las máquinas de tipo Tesla del rotor de voluta de tamaño razonable con fluidos comunes (vapor, gas y agua) muestren eficiencias cercanas al 60–70% y posiblemente más altas.

Curiosidad
Los fabricantes de modelos de turbina de Tesla pueden construir fácilmente modelos de turbina utilizando discos ópticos (CD o discos compactos) para componer la rueda, obviamente con espaciadores interpuestos y un orificio central apropiado, polimetilmetacrilato (Plexiglas) o toda una serie de análogos, para el caso y la boquilla. , que entre otras cosas tiene la ventaja de ser transparente, y aire comprimido a alta presión como fluido motor.