La turbina di Tesla è una turbina a flusso centripeto senza lama, brevettata da Nikola Tesla nel 1913. Viene definita una turbina senza lama. La turbina di Tesla è anche conosciuta come la turbina a strato limite, la turbina a coesione e la turbina a strato Prandtl (dopo Ludwig Prandtl) perché utilizza l’effetto strato limite e non un fluido che colpisce le pale come in una turbina convenzionale. I ricercatori di bioingegneria hanno definito la pompa centrifuga a dischi multipli. Uno dei desideri di Tesla per l’implementazione di questa turbina era per l’energia geotermica, descritta in Our Future Motive Power.
Descrizione
L’idea guida per lo sviluppo della turbina Tesla è il fatto che per raggiungere la massima economia, i cambiamenti nella velocità e nella direzione del movimento del fluido dovrebbero essere il più graduali possibile. Pertanto il fluido propulsore della turbina di Tesla si muove in percorsi naturali o linee di corrente di minor resistenza.
Una turbina di Tesla consiste in una serie di dischi lisci, con ugelli che applicano un fluido in movimento al bordo del disco. Il fluido si trascina sul disco per mezzo della viscosità e l’adesione dello strato superficiale del fluido. Quando il fluido rallenta e aggiunge energia ai dischi, si trasforma nello scarico centrale. Poiché il rotore non ha sporgenze è molto robusto.
Tesla scrisse: “Questa turbina è un motore primo efficiente ed autonomo che può essere azionato come una turbina a vapore o mista a piacere, senza modifiche nella costruzione ed è molto conveniente a questo proposito Minori partenze dalla turbina, come può essere dettato dalle circostanze in ogni caso, ovviamente si suggeriranno, ma se si realizzerà su queste linee generali, si troverà altamente redditizio per i proprietari della centrale a vapore, pur consentendo l’uso della loro vecchia installazione. Tuttavia, i migliori risultati economici in lo sviluppo del potere del vapore mediante la turbina di Tesla sarà ottenuto in piante appositamente adattate allo scopo. ”
Questa turbina può essere applicata anche a impianti di condensazione operanti con alto vuoto. In tal caso, a causa del rapporto di espansione molto elevato, la miscela di scarico sarà ad una temperatura relativamente bassa e adatta per l’ammissione al condensatore.
Tutte le piastre e le rondelle sono montate e calettate su un manicotto filettato alle estremità e dotate di dadi e collari per estrarre insieme le piastre di estremità spesse oi colletti possono essere semplicemente forzati su di esso e le estremità risvoltate. La manica ha un foro che si adatta perfettamente all’albero, al quale è fissato come al solito.
Questa costruzione consente l’espansione e la contrazione libere di ciascuna piastra singolarmente sotto l’influenza variabile del calore e della forza centrifuga e possiede una serie di altri vantaggi che sono di notevole importanza pratica. Un’area della piastra attiva più ampia e di conseguenza più potenza si ottiene per una determinata larghezza, migliorando l’efficienza. La deformazione viene virtualmente eliminata e possono essere utilizzati spazi laterali più piccoli, il che si traduce in perdite ridotte e perdite di attrito. Il rotore è più adatto per il bilanciamento dinamico e, grazie all’attrito dello sfregamento, resiste agli influssi di disturbo, garantendo così un funzionamento più silenzioso. Per questo motivo e anche perché i dischi non sono uniti rigidamente, è protetto da danni che potrebbero altrimenti essere causati da vibrazioni o eccessiva velocità.
La turbina Tesla ha il tratto di essere in un impianto normalmente funzionante con una miscela di vapore e prodotti di combustione e in cui il calore di scarico viene utilizzato per fornire il vapore che viene fornito alla turbina, fornendo una valvola che regola l’alimentazione del vapore in modo che le pressioni e le temperature possono essere regolate in base alle condizioni di lavoro ottimali.
Come illustrato, l’installazione di una turbina di Tesla è:
In grado di iniziare con il vapore da solo
Un tipo di disco adatto a lavorare con fluidi ad alta temperatura.
Un’efficiente turbina Tesla richiede una distanza ravvicinata dei dischi. Ad esempio, un tipo con alimentazione a vapore deve mantenere una spaziatura tra dischi di 0,4 mm (0,016 pollici). I dischi devono essere estremamente lisci per ridurre le perdite di superficie e di taglio. I dischi devono anche essere molto sottili per prevenire la resistenza e la turbolenza ai bordi del disco. Sfortunatamente, impedire ai dischi di deformarsi e distorcersi è stata una grande sfida ai tempi di Tesla. Si ritiene che questa incapacità di impedire la distorsione dei dischi abbia contribuito al fallimento commerciale delle turbine, perché all’epoca la tecnologia metallurgica non era in grado di produrre dischi di qualità e rigidità sufficienti.
Pompa
Il dispositivo può funzionare come una pompa se vengono utilizzati un set simile di dischi e un alloggiamento con una forma ad evolvente (rispetto a quella circolare per la turbina). In questa configurazione un motore è fissato all’albero. Il fluido entra vicino al centro, riceve energia dai dischi, quindi esce alla periferia. La turbina di Tesla non usa l’attrito nel senso convenzionale; precisamente, lo evita e utilizza invece l’adesione (l’effetto Coandă) e la viscosità. Usa l’effetto strato limite sui dischi.
Sono stati inizialmente proposti dischi di rotore lisci, ma questi hanno dato una coppia di avviamento insufficiente. Tesla successivamente scoprì che dischi rotori lisci con piccole rondelle ponticellavano i dischi in ~ 12-24 posti attorno al perimetro di un disco da 10 “e un secondo anello di 6-12 rondelle a un sub-diametro fatto per un significativo miglioramento della coppia di avviamento senza compromettente efficienza.
applicazioni
I brevetti di Tesla affermano che il dispositivo era destinato all’uso di fluidi come agenti motori, in quanto distinto dall’applicazione dello stesso per la propulsione o compressione di fluidi (sebbene il dispositivo possa essere utilizzato anche per tali scopi). A partire dal 2016, la turbina Tesla non ha visto un uso commerciale diffuso dalla sua invenzione. La pompa Tesla, tuttavia, è stata commercialmente disponibile dal 1982 e viene utilizzata per pompare fluidi abrasivi, viscosi, sensibili al taglio, contenenti solidi o altrimenti difficili da maneggiare con altre pompe. Lo stesso Tesla non ha procurato un grosso contratto per la produzione. Lo svantaggio principale del suo tempo, come detto, era la scarsa conoscenza delle caratteristiche dei materiali e dei comportamenti alle alte temperature. La migliore metallurgia del giorno non poteva impedire ai dischi della turbina di muoversi e deformarsi in modo inaccettabile durante il funzionamento.
Nel 2003, Scott O’Hearen ha ottenuto un brevetto sul sistema di pale per turbine Radial. Questa invenzione utilizza una combinazione dei concetti di una superficie liscia di scorrimento per il contatto di attrito fluido di lavoro e quella di pale sporgenti assialmente da più facce trasversali trasversali.
Oggi, molti esperimenti amatoriali sul campo sono stati condotti utilizzando turbine Tesla che usano aria compressa, vapore come fonte di energia (il vapore viene generato con il calore dalla combustione del carburante, dal turbocompressore di un veicolo o dalla radiazione solare). Il problema della deformazione dei dischi è stato parzialmente risolto utilizzando nuovi materiali come la fibra di carbonio.
Una proposta di applicazione corrente per il dispositivo è una pompa di scarico, in fabbriche e mulini in cui le normali pompe a turbina di tipo a palette vengono generalmente bloccate.
Le turbine Tesla sono l’ideale, a causa di molte ragioni, per le reti off-grid, le mini turbine a vapore, le stazioni elettriche di generazione domestica e, con una certa esperienza, possono essere progettate in modo abbastanza semplice dagli hobbisti.
Le applicazioni della turbina Tesla come pompa per il sangue centrifuga a più dischi hanno dato risultati promettenti.
La ricerca ingegneristica biomedica su tali applicazioni è stata proseguita nel XXI secolo.
Nel 2010, il brevetto U.S. 7.695.242 è stato rilasciato a Howard Fuller per una turbina eolica basata sul progetto Tesla.
Efficienza e calcoli
La turbina di Tesla ha un rendimento teorico molto alto, circa il 92%, ma in realtà ci sono diversi vincoli costruttivi che competono per ridurre le loro prestazioni generali. Per meglio chiarire questi vincoli, il seguente è un breve elenco:
Il diametro del rotore: il suo dimensionamento non deve essere separato dalle caratteristiche fisiche del fluido che verrà utilizzato. Questo vincolo significa che teoricamente è possibile determinare un diametro ottimale del rotore: infatti, un rotore troppo piccolo non può convertire efficacemente tutta l’energia cinetica presente nel fluido iniettato. D’altra parte, un rotore troppo grande può generare un flusso eccessivo per il fluido, con conseguente perdita di carico. Non solo, ma un disco troppo grande è difficile da costruire e, a causa delle elevate forze centrifughe a cui è sottoposto, la velocità massima di rotazione sarà limitata.
Lo spazio tra le superfici dei dischi che compongono il rotore: ad esempio, per il vapore è necessaria una spaziatura di circa 0,4 mm, è fondamentale quindi che i dischi abbiano uno spessore minimo, questo ovviamente può essere un problema per i grandi i dischi funzionano a velocità di rotazione elevate. Infatti la prevenzione della possibilità di innescare oscillazioni nei dischi è uno dei maggiori problemi di questa turbina. Si ritiene che la difficoltà nel contenere le oscillazioni sia la causa principale del fallimento commerciale di questa invenzione. Tuttavia, proprio negli ultimi anni, con le nuove tecnologie spesso derivate dal turbogetto, è possibile realizzare dischi più sottili e rigidi con una buona finitura superficiale, tutti elementi che possono contribuire a migliorare l’efficienza del dispositivo.
Finitura superficiale dei dischi: una superficie ruvida del disco può facilmente generare vortici che riducono l’efficienza della turbina, quindi è importante che siano realizzati con superfici lisce e molto ben rifinite.
Posizionamento e geometria dell’ugello di ingresso: essendo la turbina di Tesla un dispositivo che sfrutta l’energia cinetica del fluido introdotto in esso, le caratteristiche dell’ugello che porta il fluido ad avere un’alta velocità e quindi energia cinetica, sono determinanti, realizzando tale gli ugelli senza turbolenza sono particolarmente critici.
La geometria del bordo di ingresso dei dischi: la velocità del fluido che tocca il bordo del disco può essere supersonica e quindi, in quest’area, è possibile creare onde di compressione che possono generare perdite e alterazioni nel percorso del fluido.
Le dimensioni e la geometria dei tubi di scarico si accendono: anche se all’uscita della turbina la velocità del fluido è inferiore, la progettazione dello scarico è critica, e anche in questa fase si può verificare una vorticosità dannosa con conseguenti perdite; infatti il flusso è centripeto, (dalla periferia al centro del disco) e quindi assiale (allineato con l’asse di rotazione); con dischi rotanti ad alta velocità, il convogliamento di un fluido rotante in un condotto assiale senza turbolenza non è facile.
Ai tempi di Tesla, l’efficienza delle turbine convenzionali era bassa perché le turbine utilizzavano un sistema di trasmissione diretta che limitava fortemente la velocità potenziale di una turbina a qualunque cosa stesse guidando. Al momento dell’introduzione, le moderne turbine navali erano enormi e comprendevano dozzine, o anche centinaia di stadi di turbine, ma producevano un’efficienza estremamente bassa a causa della loro bassa velocità. Ad esempio, la turbina del Titanic pesava più di 400 tonnellate, funzionava a soli 165 giri al minuto e utilizzava il vapore a una pressione di soli 6 PSI. Ciò lo limitava alla raccolta di vapore residuo dalle principali centrali elettriche, una coppia di motori a vapore alternativi. La turbina di Tesla aveva anche la capacità di funzionare con gas a temperatura più elevata rispetto alle turbine a pale del tempo che contribuivano alla sua maggiore efficienza. Alla fine le turbine assiali sono state dotate di ingranaggi per consentire loro di operare a velocità più elevate, ma l’efficienza delle turbine assiali è rimasta molto bassa rispetto alla turbina di Tesla.
Col passare del tempo, le turbine Axial in competizione diventarono drammaticamente più efficienti e potenti, una seconda fase di riduttori fu introdotta nella maggior parte delle navi navali statunitensi degli anni ’30. Il miglioramento della tecnologia a vapore ha dato alle portaerei degli Stati Uniti della Marina un chiaro vantaggio in termini di velocità sia per le portaerei alleate che nemiche, e quindi le comprovate turbine assiali sono diventate la forma preferita di propulsione fino all’embargo petrolifero del 1973. La crisi petrolifera ha spinto la maggior parte delle nuove navi civili a rivolgersi ai motori diesel. Le turbine assiali a vapore non avevano ancora superato il 50% di efficienza a quel tempo, e così le navi civili hanno scelto di utilizzare motori diesel a causa della loro maggiore efficienza. A quel tempo, la turbina di Tesla comparabilmente efficiente aveva più di 60 anni.
Il design di Tesla ha tentato di eludere gli inconvenienti chiave delle turbine assiali a pale, e anche le stime più basse per l’efficienza hanno ancora drammaticamente superato l’efficienza delle turbine a vapore assiali del giorno. Tuttavia, nelle prove contro motori più moderni, la turbina di Tesla aveva efficienze di espansione molto al di sotto delle moderne turbine a vapore e molto al di sotto dei moderni motori a vapore alternativi. Soffre di altri problemi come le perdite di taglio e le restrizioni di flusso, ma questo è parzialmente compensato dalla riduzione relativamente massiccia di peso e volume. Alcuni dei vantaggi della turbina di Tesla si trovano in applicazioni a portata relativamente bassa o quando si richiedono piccole applicazioni. I dischi devono essere il più sottili possibile ai bordi per non introdurre turbolenze quando il fluido lascia i dischi. Ciò si traduce nella necessità di aumentare il numero di dischi all’aumentare della velocità di flusso. La massima efficienza arriva in questo sistema quando la distanza tra i dischi si avvicina allo spessore dello strato limite e, poiché lo spessore dello strato limite dipende dalla viscosità e dalla pressione, l’affermazione che un singolo progetto può essere utilizzato in modo efficiente per una varietà di combustibili e fluidi è errato. Una turbina di Tesla differisce da una turbina convenzionale solo nel meccanismo utilizzato per trasferire energia all’albero. Varie analisi dimostrano che la portata tra i dischi deve essere mantenuta relativamente bassa per mantenere l’efficienza. Secondo quanto riferito, l’efficienza della turbina Tesla diminuisce con l’aumentare del carico. Sotto carico leggero, la spirale presa dal fluido che si sposta dall’aspirazione allo scarico è una spirale stretta, soggetta a molte rotazioni. Sotto carico, il numero di giri diminuisce e la spirale diventa progressivamente più corta. Ciò aumenterà le perdite di taglio e ridurrà anche l’efficienza perché il gas è in contatto con i dischi per una minore distanza.
L’efficienza è una funzione della potenza erogata. Un carico moderato rende l’alta efficienza. Un carico troppo pesante aumenta lo scorrimento nella turbina e riduce l’efficienza; con un carico troppo leggero, viene erogata poca potenza all’uscita, che diminuisce anche l’efficienza (a zero al minimo). Questo comportamento non è esclusivo delle turbine Tesla.
L’efficienza della turbina della turbina a gas Tesla è stimata essere superiore a 60, raggiungendo un massimo del 95 percento. Tenere presente che l’efficienza della turbina è diversa dall’efficienza del ciclo del motore che utilizza la turbina. Le turbine assiali che operano oggi in impianti a vapore o motori a reazione hanno un’efficienza di circa il 60-70% (Siemens Turbines Data). Ciò è diverso dalle efficienze del ciclo dell’impianto o del motore che sono comprese tra circa il 25% e il 42% e sono limitate da eventuali irreversibilità al di sotto dell’efficienza del ciclo di Carnot. Tesla affermò che una versione a vapore del suo dispositivo avrebbe raggiunto circa il 95% di efficienza. I test effettivi di una turbina a vapore Tesla ai lavori di Westinghouse hanno mostrato una velocità del vapore di 38 libbre per kWh-ora, corrispondente a un rendimento della turbina nel 20%, mentre le turbine a vapore contemporanee potevano spesso raggiungere efficienze di turbina di oltre il 50%. L’efficienza termodinamica è una misura della sua efficacia rispetto a un caso isoentropico. È il rapporto tra l’input / output del lavoro ideale e quello effettivo. L’efficienza della turbina è definita come il rapporto tra il cambiamento ideale nell’entalpia e l’entalpia reale per lo stesso cambiamento di pressione.
Negli anni ’50, Warren Rice tentò di ricreare gli esperimenti di Tesla, ma non eseguì questi primi test su una pompa costruita strettamente in linea con il design brevettato di Tesla (non era, tra le altre cose, una turbina a più stadi Tesla né possiede l’ugello di Tesla). Il fluido di lavoro del sistema sperimentale a stadio singolo di Rice era l’aria. Le turbine di prova del riso, come pubblicato nelle prime relazioni, hanno prodotto un’efficienza complessiva misurata del 36-41% per una singola fase. Ci si aspetterebbero percentuali più elevate se progettate come originariamente proposte da Tesla.
Nel suo ultimo lavoro con la turbina di Tesla e pubblicato poco prima del suo ritiro, Rice ha condotto un’analisi dei parametri di massa del flusso laminare del modello in turbine multiple a disco. Una dichiarazione molto alta sull’efficienza del rotore (al contrario dell’efficienza complessiva del dispositivo) per questo progetto è stata pubblicata nel 1991, intitolata “Tesla Turbomachinery”. Questo documento afferma:
Con l’uso corretto dei risultati analitici, l’efficienza del rotore che utilizza il flusso laminare può essere molto elevata, anche superiore al 95%. Tuttavia, al fine di ottenere un’efficienza del rotore elevata, il numero della portata deve essere ridotto al minimo, il che significa che si ottiene un’efficienza del rotore elevata a scapito dell’uso di un numero elevato di dischi e quindi di un rotore fisicamente più grande. Per ogni valore del numero di portata esiste un valore ottimale del numero di Reynolds per la massima efficienza. Con i fluidi comuni, la distanza tra i dischi richiesta è di dimensioni ridotte, poiché i rotori che utilizzano il flusso laminare tendono ad essere grandi e pesanti per una portata di flusso prescritta.
Sono state condotte indagini approfondite sulle pompe per liquidi di tipo Tesla utilizzando rotori a flusso laminare. Si è riscontrato che l’efficienza complessiva della pompa era bassa anche quando l’efficienza del rotore era elevata a causa delle perdite che si verificano all’entrata e all’uscita del rotore menzionate in precedenza.
Le moderne turbine a pale a più stadi raggiungono in genere un’efficienza del 60-70%, mentre le turbine a vapore di grandi dimensioni spesso mostrano un’efficienza della turbina di oltre il 90% nella pratica. Il rotore a volute abbinato alle macchine di tipo Tesla di dimensioni ragionevoli con fluidi comuni (vapore, gas e acqua) dovrebbe anche mostrare efficienze in prossimità del 60-70% e possibilmente più elevate.
Influenze
I modellisti di turbine Tesla possono facilmente costruire modelli di turbine usando dischi ottici (CD o compact disc) per comporre la ruota, ovviamente con distanziali interposti e un foro centrale appropriato, polimetilmetacrilato (Plexiglas) o un’intera serie di analoghi, per il caso e l’ugello , che tra l’altro ha il vantaggio di essere trasparente e di aria compressa ad alta pressione come fluido motore.