Turbine Tesla

La turbine Tesla est une turbine à flux centripète sans lame, brevetée par Nikola Tesla en 1913. Elle est appelée une turbine sans lame. La turbine Tesla est également appelée turbine à couche limite, turbine du type à cohésion et turbine à couche de Prandtl (d’après Ludwig Prandtl) car elle utilise l’effet de couche limite et non un fluide heurtant les aubes comme dans une turbine classique. Les chercheurs en bioingénierie l’appellent une pompe centrifuge à disques multiples. L’un des souhaits de Tesla pour la mise en œuvre de cette turbine était l’énergie géothermique, décrite dans Our Future Motive Power.

La description
L’idée maîtresse du développement de la turbine Tesla est le fait que, pour atteindre une économie maximale, les changements de vitesse et de direction du mouvement du fluide doivent être aussi progressifs que possible. Par conséquent, le fluide de propulsion de la turbine Tesla se déplace dans des chemins naturels ou des lignes de courant de moindre résistance.

Une turbine Tesla consiste en un ensemble de disques lisses, avec des buses appliquant un fluide en mouvement sur le bord du disque. Le fluide traîne sur le disque en raison de la viscosité et de l’adhérence de la couche superficielle du fluide. Lorsque le fluide ralentit et ajoute de l’énergie aux disques, il s’enroule dans la sortie centrale. Comme le rotor n’a pas de projections, il est très robuste.

Tesla a écrit: “Cette turbine est une machine motrice à démarrage automatique efficace qui peut être utilisée à volonté comme une turbine à vapeur ou à fluide mixte, sans modification de la construction. Elle est donc très pratique à cet égard. Des déviations mineures de la turbine, comme il est dicté les circonstances dans chaque cas suggèrent évidemment leur existence, mais si elle est réalisée sur ces lignes générales, elle sera jugée très rentable pour les propriétaires de la centrale à vapeur tout en permettant l’utilisation de leur ancienne installation. le développement de l’énergie à partir de vapeur par la turbine Tesla sera obtenu dans des installations spécialement adaptées à cet effet. ”

Cette turbine peut également être appliquée aux installations de condensation fonctionnant sous vide poussé. Dans un tel cas, en raison du très fort taux de dilatation, le mélange d’échappement sera à une température relativement basse et approprié pour l’admission dans le condenseur.

Toutes les plaques et les rondelles sont montées et fixées à un manchon fileté aux extrémités et muni d’écrous et de colliers permettant d’assembler les épaisses plaques d’extrémité, ou les colliers peuvent être simplement forcés et contrariés. Le manchon a un trou parfaitement ajusté sur l’arbre, auquel il est fixé comme d’habitude.

Cette construction permet une expansion et une contraction libres de chaque plaque individuellement sous l’influence variable de la chaleur et de la force centrifuge et offre un certain nombre d’autres avantages qui revêtent une importance pratique considérable. Une surface de plaque active plus grande et par conséquent plus de puissance est obtenue pour une largeur donnée, améliorant ainsi l’efficacité. Le gauchissement est pratiquement éliminé et des dégagements latéraux plus petits peuvent être utilisés, ce qui entraîne une diminution des fuites et des pertes par frottement. Le rotor est mieux adapté pour l’équilibrage dynamique et résiste, par frottement, aux influences perturbatrices, assurant ainsi un fonctionnement plus silencieux. Pour cette raison et aussi parce que les disques ne sont pas assemblés de manière rigide, ils sont protégés contre les dommages qui pourraient autrement être causés par des vibrations ou une vitesse excessive.

La turbine Tesla a la particularité d’être dans une installation fonctionnant normalement avec un mélange de vapeur et de produits de combustion et dans laquelle la chaleur dégagée est utilisée pour fournir de la vapeur qui alimente la turbine, fournissant ainsi une vanne régissant l’alimentation en vapeur que les pressions et les températures peuvent être ajustées aux conditions de travail optimales.

Comme illustré, une installation à turbine Tesla est:

Capable de commencer avec de la vapeur seul
Un type de disque adapté pour travailler avec des fluides à haute température.
Une turbine Tesla efficace nécessite un espacement étroit des disques. Par exemple, un type alimenté à la vapeur doit conserver un espacement entre disques de 0,4 millimètre (0,016 pouce). Les disques doivent être extrêmement lisses pour minimiser les pertes de surface et de cisaillement. Les disques doivent également être très minces pour éviter toute traînée et toute turbulence sur les bords du disque. Malheureusement, empêcher Tesla de se déformer et de se déformer était un défi majeur. On pense que cette incapacité à empêcher la distorsion des disques a contribué à la défaillance commerciale des turbines, car la technologie métallurgique de l’époque ne permettait pas de produire des disques d’une qualité et d’une rigidité suffisantes.

Pompe
Le dispositif peut fonctionner comme une pompe si un ensemble similaire de disques et un boîtier de forme involute (par opposition à circulaire pour la turbine) sont utilisés. Dans cette configuration, un moteur est attaché à l’arbre. Le fluide entre près du centre, est alimenté par les disques, puis sort par la périphérie. La turbine Tesla n’utilise pas le frottement au sens classique; précisément, il l’évite et utilise à la place l’adhésion (effet Coandă) et la viscosité. Il utilise l’effet de couche limite sur les lames de disque.

Des disques de rotor lisses ont été proposés à l’origine, mais ils ont donné un faible couple de démarrage. Tesla a par la suite découvert que des disques de rotor lisses avec de petites rondelles reliant les disques en environ 12 à 24 places autour du disque 10 “et une seconde bague de 6 à 12 rondelles de diamètre inférieur permettaient une amélioration significative du couple de démarrage efficacité compromettante.

Applications
Les brevets de Tesla indiquent que le dispositif était destiné à l’utilisation de fluides comme agents moteurs, par opposition à son application pour la propulsion ou la compression de fluides (bien que le dispositif puisse également être utilisé à ces fins). Depuis 2016, la turbine Tesla n’a pas connu d’utilisation commerciale généralisée depuis son invention. La pompe Tesla, cependant, est disponible dans le commerce depuis 1982 et est utilisée pour pomper des fluides abrasifs, visqueux, sensibles au cisaillement, contenant des solides ou autrement difficiles à manipuler avec d’autres pompes. Tesla lui-même n’a pas obtenu de gros contrat de production. Comme on l’a mentionné, le principal inconvénient de son époque était la connaissance insuffisante des caractéristiques des matériaux et du comportement à des températures élevées. La meilleure métallurgie du jour ne pouvait empêcher les disques de la turbine de bouger et de se déformer de manière inacceptable pendant le fonctionnement.

En 2003, Scott O’Hearen a déposé un brevet sur le système à aubes de turbine Radial. La présente invention utilise une combinaison des concepts de surface de glissière lisse pour le contact de friction par fluide et de celui des aubes faisant saillie axialement à partir de plusieurs faces de glissière transversales.

Aujourd’hui, de nombreuses expériences amateurs sur le terrain ont été menées avec des turbines Tesla utilisant de l’air comprimé, la vapeur comme source d’énergie (la vapeur étant générée par la chaleur produite par la combustion, le turbocompresseur ou le rayonnement solaire). Le problème du gauchissement des disques a été partiellement résolu en utilisant de nouveaux matériaux tels que la fibre de carbone.

Une application actuelle proposée pour le dispositif est une pompe à déchets, dans des usines et des usines où les pompes à turbine à aubes normales sont généralement bloquées.

Les turbines Tesla sont idéales, pour de nombreuses raisons, pour les centrales hors réseau, les mini-turbines à vapeur, les centrales électriques domestiques et, avec l’expérience, pouvant être assez facilement conçues par les amateurs.

Les applications de la turbine Tesla en tant que pompe à sang centrifuge à disques multiples ont donné des résultats prometteurs.
La recherche en génie biomédical sur de telles applications s’est poursuivie au 21e siècle.

En 2010, le brevet US 7 695 242 a été délivré à Howard Fuller pour une éolienne basée sur la conception Tesla.

Efficacité et calculs
La turbine de Tesla a un rendement théorique très élevé, environ 92%, mais il existe en fait plusieurs contraintes constructives qui se font concurrence pour réduire leurs performances générales. Pour clarifier ces contraintes, voici une brève liste:

Le diamètre du rotor: son dimensionnement ne doit pas être séparé des caractéristiques physiques du fluide qui sera utilisé. Cette contrainte signifie qu’il est théoriquement possible de déterminer un diamètre optimal du rotor: en effet, un rotor trop petit ne peut convertir efficacement toute l’énergie cinétique présente dans le fluide injecté. D’autre part, un rotor trop volumineux peut générer un débit excessif pour le fluide, avec pour conséquence une perte de charge. De plus, un disque trop volumineux est difficile à construire et, en raison des forces centrifuges élevées auxquelles il est soumis, la vitesse de rotation maximale sera limitée.
L’espace entre les surfaces des disques qui composent le rotor: par exemple, pour la vapeur il faut un espacement d’environ 0,4 mm, il est crucial que les disques aient une épaisseur minimale, cela peut évidemment poser problème pour les grands disques fonctionnant à des vitesses de rotation élevées. En fait, l’empêchement de la possibilité de déclencher des oscillations dans les disques est l’un des problèmes majeurs de cette turbine. On pense que la difficulté à contenir les oscillations est la cause principale de l’échec commercial de cette invention. Cependant, ces dernières années, avec les nouvelles technologies souvent dérivées du turboréacteur, il est possible de fabriquer des disques plus minces et rigides avec un bon état de surface, tous éléments pouvant contribuer à améliorer l’efficacité du dispositif.
État de surface des disques: une surface rugueuse peut facilement générer des tourbillons qui réduisent l’efficacité de la turbine. Il est donc important que ceux-ci soient réalisés avec des surfaces lisses et très bien finies.
Positionnement et géométrie de la buse d’entrée: étant la turbine Tesla, un dispositif qui exploite l’énergie cinétique du fluide introduit dans celle-ci, les caractéristiques de la buse qui amène le fluide à une vitesse élevée et donc à l’énergie cinétique sont déterminantes des buses sans turbulence sont particulièrement critiques.
Géométrie du bord d’entrée des disques: la vitesse du fluide qui touche le bord du disque peut être supersonique et, dans cette zone, des ondes de compression peuvent être générées qui peuvent générer des pertes et des altérations du chemin du fluide.
La taille et la géométrie des tuyaux d’échappement sont claires: même si à la sortie de la turbine, la vitesse du fluide est plus faible, la conception de l’échappement est essentielle et, même dans cette phase, un tourbillon nuisible peut se produire, entraînant des pertes; en fait, le flux est centripète (de la périphérie au centre du disque), puis axial (aligné sur l’axe de rotation); Avec des disques rotatifs à grande vitesse, le transport d’un fluide en rotation dans un conduit axial sans turbulence n’est pas facile.

À l’époque de Tesla, l’efficacité des turbines conventionnelles était faible, car celles-ci utilisaient un système à entraînement direct qui limitait sévèrement la vitesse potentielle d’une turbine à son moteur. Au moment de l’introduction, les turbines modernes des navires étaient massives et comprenaient des dizaines, voire des centaines de turbines, mais produisaient un rendement extrêmement faible en raison de leur faible vitesse. Par exemple, la turbine du Titanic pesait plus de 400 tonnes, ne tournait qu’à 165 tr / min et utilisait de la vapeur à une pression de seulement 6 PSI. Cela l’a limité à la récupération de la vapeur perdue dans les principales centrales, une paire de moteurs à vapeur à mouvement alternatif. La turbine Tesla avait également la capacité de fonctionner avec des gaz à température plus élevée que les turbines à aubes du temps contribuant à son plus grand rendement. Les turbines axiales ont fini par recevoir un engrenage leur permettant de fonctionner à des vitesses plus élevées, mais l’efficacité des turbines axiales est restée très faible par rapport à la turbine Tesla.

À mesure que le temps passait, les turbines Axial en concurrence devenaient considérablement plus efficaces et plus puissantes, une deuxième phase de réduction des engrenages a été introduite dans la plupart des navires de la marine américaine des années 1930. L’amélioration de la technologie à vapeur donnait aux porte-avions de la US Navy un avantage certain en termes de vitesse par rapport aux porte-avions alliés et ennemis. Les turbines à vapeur axiales éprouvées sont ainsi devenues la forme privilégiée de propulsion jusqu’à l’embargo pétrolier de 1973. La crise pétrolière a poussé la majorité des nouveaux navires civils à utiliser des moteurs diesel. Les turbines à vapeur axiales n’avaient toujours pas dépassé 50% d’efficacité à ce moment-là et les navires civils ont donc choisi d’utiliser des moteurs diesel en raison de leur efficacité supérieure. À ce moment-là, la turbine Tesla, relativement efficace, avait plus de 60 ans.

La conception de Tesla a tenté de contourner les principaux inconvénients des turbines axiales à aubes, et même les estimations d’efficacité les plus basses ont encore nettement dépassé l’efficacité des turbines à vapeur axiales du jour. Toutefois, lors d’essais menés sur des moteurs plus modernes, la turbine Tesla avait une efficacité de détente bien inférieure à celle des turbines à vapeur contemporaines et bien inférieure à celle des moteurs à vapeur alternatifs actuels. Il souffre d’autres problèmes tels que les pertes par cisaillement et les restrictions de débit, mais ceci est partiellement compensé par la réduction relativement massive de la masse et du volume. Certains des avantages de la turbine Tesla résident dans les applications à débit relativement faible ou lorsque de petites applications sont nécessaires. Les disques doivent être aussi minces que possible sur les bords pour ne pas créer de turbulences lorsque le fluide quitte les disques. Cela se traduit par la nécessité d’augmenter le nombre de disques à mesure que le débit augmente. Ce système offre une efficacité maximale lorsque l’espacement inter-disques est proche de l’épaisseur de la couche limite. Etant donné que l’épaisseur de la couche limite dépend de la viscosité et de la pression, on peut prétendre qu’un seul modèle peut être utilisé efficacement pour une variété de carburants et de fluides. Incorrect. Une turbine Tesla ne diffère d’une turbine conventionnelle que par le mécanisme utilisé pour transférer de l’énergie à l’arbre. Diverses analyses démontrent que le débit entre les disques doit être maintenu relativement bas pour maintenir l’efficacité. Apparemment, l’efficacité de la turbine Tesla diminue avec l’augmentation de la charge. Sous une charge légère, la spirale empruntée par le fluide se déplaçant de l’entrée à la sortie est une spirale étroite, soumise à de nombreuses rotations. Sous charge, le nombre de rotations diminue et la spirale devient progressivement plus courte. Cela augmentera les pertes de cisaillement et réduira également l’efficacité car le gaz est en contact avec les disques sur une distance inférieure.

L’efficacité est fonction de la puissance de sortie. Une charge modérée permet une grande efficacité. Une charge trop lourde augmente le glissement dans la turbine et diminue l’efficacité; avec une charge trop légère, la sortie reçoit peu d’énergie, ce qui diminue également le rendement (zéro au ralenti). Ce comportement n’est pas exclusif aux turbines Tesla.

On estime que le rendement de la turbine à gaz Tesla est supérieur à 60, atteignant un maximum de 95%. N’oubliez pas que l’efficacité de la turbine est différente de l’efficacité du cycle du moteur utilisant la turbine. Les turbines axiales actuellement utilisées dans les centrales à vapeur ou les moteurs à réaction ont un rendement d’environ 60 à 70% (Siemens Turbines Data). Cela diffère des rendements cycliques de l’installation ou du moteur, qui se situent entre 25% et 42% environ, et sont limités par toute irréversibilité pour être inférieurs au rendement du cycle de Carnot. Tesla a affirmé qu’une version à vapeur de son appareil permettrait d’atteindre une efficacité d’environ 95%. Les essais réels d’une turbine à vapeur Tesla à l’usine de Westinghouse ont révélé un taux de vapeur de 38 livres par cheval-puissance, ce qui correspond à un rendement de turbine de l’ordre de 20%, tandis que les turbines à vapeur modernes pouvaient souvent atteindre un rendement supérieur à 50%. L’efficacité thermodynamique est une mesure de sa performance par rapport à un cas isentropique. C’est le rapport entre l’idéal et le travail réel entrée / sortie. L’efficacité d’une turbine est définie comme le rapport du changement idéal d’enthalpie sur l’enthalpie réelle pour le même changement de pression.

Dans les années 1950, Warren Rice tenta de recréer les expériences de Tesla, mais il ne réalisa pas ces premiers tests sur une pompe construite strictement conforme à la conception brevetée de Tesla (il ne s’agissait pas, entre autres, d’une turbine à plusieurs étages Tesla). il possède la buse de Tesla). Le fluide de travail du système expérimental à un étage de Rice était l’air. Les turbines de test de Rice, telles que publiées dans les premiers rapports, ont produit une efficacité globale mesurée de 36 à 41% pour une étape. Des pourcentages plus élevés seraient attendus s’ils étaient conçus comme initialement proposé par Tesla.

Dans son dernier ouvrage sur l’éolienne Tesla, publié juste avant sa retraite, Rice a mené une analyse par paramètres globaux de l’écoulement laminaire modèle dans plusieurs turbines à disques. Une revendication très élevée d’efficacité de rotor (par opposition à l’efficacité globale du dispositif) pour cette conception a été publiée en 1991 sous le titre “Tesla Turbomachinery”. Ce document déclare:

Avec une utilisation appropriée des résultats d’analyse, l’efficacité du rotor utilisant un flux laminaire peut être très élevée, même supérieure à 95%. Cependant, pour atteindre un rendement élevé du rotor, le débit doit être réduit, ce qui signifie que le rendement du rotor est élevé, au détriment de l’utilisation d’un grand nombre de disques et donc d’un rotor physiquement plus grand. Pour chaque valeur de nombre de débit, il existe une valeur optimale de nombre de Reynolds pour une efficacité maximale. Avec les fluides courants, l’espacement requis entre les disques est extrêmement faible, ce qui a pour effet que les rotors utilisant un écoulement laminaire ont tendance à être gros et lourds pour un débit prescrit.

Des recherches approfondies ont été menées sur les pompes à liquide de type Tesla utilisant des rotors à flux laminaire. Il a été constaté que l’efficacité globale de la pompe était faible même lorsque l’efficacité du rotor était élevée en raison des pertes se produisant à l’entrée et à la sortie du rotor mentionnées précédemment.

Les turbines à aubes modernes à plusieurs étages atteignent généralement une efficacité de 60 à 70%, tandis que les grandes turbines à vapeur affichent souvent un rendement supérieur à 90% dans la pratique. Les machines de type Tesla à rotor de type Volute assorties de fluides courants (vapeur, gaz et eau) devraient également afficher des rendements proches de 60 à 70% et peut-être même supérieurs.

Curiosité
Les fabricants de modèles de turbines Tesla peuvent facilement construire des modèles de turbines à l’aide de disques optiques (CD ou disques compacts) pour composer la roue, bien évidemment avec des entretoises intercalées et un trou central approprié en polyméthacrylate de méthyle (Plexiglas) ou toute une série d’analogues, pour le boîtier et la buse , qui ont entre autres l’avantage d’être transparents et de l’air comprimé à haute pression sous forme de fluide moteur.