テスラタービン

テスラタービンは、1913年にニコラテスラによって特許取得された無風求心流タービンです。これは無風タービンと呼ばれています。 テスラタービンは、従来のタービンのように境界層効果を使用し、ブレードに衝突する流体ではないため、境界層タービン、凝集型タービン、およびプラントル層タービン(Ludwig Prandtl後)としても知られている。 バイオエンジニアリングの研究者は、これをマルチディスク遠心ポンプと呼んでいます。 このタービンの実現のためのテスラの願望の1つは、地熱発電のためのものであり、これはOur Motive Powerに記載されています。

説明
テスラタービンを開発するための指針は、最高の経済性を達成するためには、流体の速度および方向の変化が可能な限り緩やかでなければならないという事実である。 したがって、テスラタービンの推進流体は、最小限の抵抗の自然な経路または流線で移動する。

テスラタービンは、一連の平滑なディスクで構成されています。ノズルは、ディスクの端に移動する流体を供給します。 流体は、粘性および流体の表面層の接着によってディスク上に引きずられる。 流体が減速してディスクにエネルギーを加えると、ディスクは中心の排気口に渦巻きます。 ローターには突起がないので、非常に頑丈です。

テスラは次のように書いています。「このタービンは、建設に変更を加えることなく随意にスチームまたは混合流体タービンとして運転することができる効率的な自己始動の原動機であり、この点で非常に便利です。それぞれの場合の状況によって明らかに示唆されますが、これらの一般的なラインで実施された場合、蒸気プラントの所有者にとっては、古い設備を使用することを可能にしながら高い利益を得ることができます。テスラタービンによる蒸気からの動力の開発は、その目的に特に適合したプラントで得られる」と語った。

このタービンは、高真空で運転する凝縮プラントにも適用することができる。 そのような場合、非常に大きな膨張比のため、排気混合物は比較的低温であり、凝縮器への流入に適している。

全てのプレートとワッシャは、端部がねじ込まれたスリーブに嵌合されて固定され、厚いエンドプレートを一緒に引き抜くためのナットとカラーを備えています。 スリーブにはシャフトにぴったりと合う穴があり、それに通常どおり締め付けられます。

この構造は、熱および遠心力の変化する影響の下で個々に各プレートの自由な膨張および収縮を可能にし、かなり実用的な多くの他の利点を有する。 より広いアクティブプレート面積、ひいては所与の幅に対してより大きな出力が得られ、効率が改善される。 実質的に反りがなくなり、より小さい側面クリアランスが使用され、漏れおよび摩擦損失が減少する。 ローターは動的バランス調整に適しており、こすり摩擦は摩擦の影響を受けにくく、静かな走行を保証します。 このため、またディスクがしっかりと接合されていないため、振動や過度の速度によって損傷することがあります。

テスラタービンは、通常、蒸気と燃焼生成物の混合物を用いて作業する設備の中にあり、排気熱を用いてタービンに供給される蒸気を供給し、蒸気の供給を制御する弁を提供する圧力と温度を最適な作業条件に調整することができます。

図に示すように、Teslaタービンの設置場所は次のとおりです。

蒸気だけで始めることができます
高温で流体を扱うのに適したディスクタイプ。
効率的なテスラタービンはディスクの間隔を密にする必要があります。 例えば、蒸気動力式は0.4ミリメートル(0.016インチ)のディスク間間隔を維持しなければならない。 ディスクは表面と剪断損失を最小限に抑えるために非常に滑らかでなければなりません。 ディスクエッジでの抵抗や乱流を防ぐには、ディスクも非常に薄くなければなりません。 残念ながら、テスラの時代では、ディスクの反りや歪みを防ぐことが大きな課題でした。 当時の冶金技術は十分な品質と剛性のディスクを製造することができなかったため、ディスクの歪みを防止できないことがタービンの商業的故障に寄与したと考えられる。

ポンプ
同様のディスクセットとインボリュート形状(タービンの場合に比べて)のハウジングが使用される場合、装置はポンプとして機能することができる。 この構成では、モーターがシャフトに取り付けられています。 流体は中心付近に入り、ディスクによってエネルギーが与えられ、その後、周辺部を出る。 テスラタービンは、従来の意味では摩擦を使用しない。 正確には、それを避け、接着(Coandăエフェクト)と粘度を使用します。 これは、ディスクブレード上の境界層効果を使用します。

滑らかなローターディスクはもともと提案されていたが、これらは始動トルクが悪かった。 テスラは、小さなワッシャを備えた滑らかなロータディスクが、10インチディスクの周囲に〜12-24の場所でディスクを橋渡しし、始動トルクの大幅な改善のために作られたサブ直径の6-12ワッシャの第2のリングを発見した効率を損なう。

アプリケーション
テスラの特許には、流体の推進または圧縮の用途とは区別されるように(この目的のために装置を使用することはできるが)、流体を動力学的作用物質として使用することが意図されていると記載されている。 2016年時点で、テスラタービンはその発明以来、広く商業的に使用されていません。 しかし、テスラポンプは、1982年以来商業的に入手可能であり、研磨剤、粘性、剪断敏感性、固体含有物、または他のポンプで取り扱いが困難な流体を汲み上げるために使用されている。 テスラ自身は生産のための大きな契約を調達していませんでした。 言及したように、彼の時代の主な欠点は、高温での材料の特性と挙動に関する貧しい知識でした。 この日の最高の冶金は、動作中にタービンディスクの移動や許容できない反りを防ぐことができませんでした。

2003年、Scott O’HearenはRadialタービンブレードシステムに関する特許を取得しました。 本発明は、作動流体摩擦接触のための滑らかなランナー面の概念と、複数の横断ランナー面から軸方向に突出するブレードの概念との組み合わせを利用する。

今日、この分野における多くのアマチュア実験は、圧縮空気、蒸気を動力源とするテスラタービン(燃料燃焼からの熱、車両のターボチャージャーまたは太陽放射から発生する蒸気)を使用して実施されている。 ディスクの反りの問題は、炭素繊維などの新しい材料を使用して部分的に解決されました。

この装置の1つの提案されている現在の用途は、正常な翼型タービンポンプが典型的に遮断される工場および工場内の廃棄ポンプである。

テスラタービンは、オフグリッド、ミニ蒸気タービン、電気家庭発電所などの多くの理由から、理想的です。何らかの経験をすると、趣味主義者がかなり容易に設計することができます。

テスラタービンを複数枚遠心遠心式血液ポンプとして使用することは有望な結果をもたらしました。
このようなアプリケーションの生物工学的研究は、21世紀に引き続き行われてきました。

2010年に、米国特許第7,695,242号は、テスラ設計に基づく風力タービンのためのHoward Fullerに発行された。

効率と計算
テスラのタービンは約92%という非常に高い理論収量を持っていますが、実際に一般的な性能を低下させるために競合するいくつかの建設的な制約があります。 これらの制約をより明確にするために、以下に簡単なリストを示します。

ロータの直径:そのサイジングは、使用される流体の物理的特性から分離してはならない。 この制約は、理論的には、ロータの最適直径を決定することが可能であることを意味する。実際、小さすぎるロータは、注入された流体中に存在するすべての運動エネルギーを効果的に変換することができない。 一方、大きすぎるロータは、流体の過剰な流れを発生させることがあり、結果的に負荷が失われる。 それだけでなく、大きすぎるディスクは作るのが難しく、高い遠心力のため回転の最高速度が制限されます。
ロータを構成するディスクの表面間の間隔:例えば、蒸気の場合、約0.4mmの間隔が必要であり、ディスクが最小の厚さを有することが重要であり、これは明らかに大きな高回転速度で動作するディスク。 事実、ディスク内の振動を引き起こす可能性を防止することは、このタービンの主要な問題の1つである。 振動を含むことの難しさは、本発明の商業的故障の主な原因であると考えられる。 しかし、最近ではターボジェットに由来する新技術を用いて、表面仕上げが良好で、装置の効率を向上させるすべての要素をより薄くて堅いディスクにすることができます。
ディスクの表面仕上げ:荒いディスク表面はタービン効率を低下させる渦を容易に発生させることがあるので、これらは滑らかで非常によく仕上げられた表面で作られることが重要です。
入力ノズルの位置と形状:テスラタービンでは、テスラタービンに導入される流体の運動エネルギーを利用する装置、流体を高速かつそれゆえ運動エネルギーをもたらすノズルの特性が決定要因となり、乱流のないノズルは特に重要です。
ディスクの入口端部の形状:ディスクの端部に接触する流体の速度は超音速であり得、したがって、この領域では、流体路に損失および改変を生じさせる圧縮波が生成され得る。
排気管のサイズと形状が軽い:たとえタービンの出口で流体の速度が遅い場合でも、排気の設計が重要であり、この段階でさえも、有害な渦が発生して損失が生じる可能性があります。 実際には、流れは求心性であり(円周の中心から円盤の中心に向かう)、軸方向(回転軸と一致する)である。 回転するディスクを高速で回転させると、乱流のない軸流ダクト内の回転流体の搬送は容易ではない。

テスラの時代、従来のタービンの効率は低かった。なぜなら、タービンは、タービンの潜在的な速度をそれが運転していたものに厳しく制限した直接駆動システムを使用していたからである。 導入当時、現代の船舶用タービンは大規模であり、数十、数百のタービン段を含み、低速のために非常に低い効率を生じた。 例えば、タイタニック号のタービン重量は400トン以上で、わずか165rpmで走行し、わずか6PSIの圧力で蒸気を使用しました。 これは主発電所からの廃蒸気、往復蒸気機関の収穫に限られていました。 テスラタービンは、時間の羽ばたいたタービンよりも高い温度のガスで運転する能力も有していたため、効率が向上しました。 最終的に、軸流タービンにはギアリングが施され、より高速で運転することができましたが、軸流タービンの効率はTeslaタービンに比べて非常に低いままでした。

時間が経つにつれ、競合する軸流タービンは劇的により効率的かつ強力になり、減速装置の第2段階が1930年代の最先端の米国海軍船舶に導入されました。 蒸気技術の向上により、米国海軍の航空宇宙船は、連合軍と敵の両方の航空宇宙船の速度をはるかに上回り、1973年の石油禁輸が実施されるまで、実証された軸流蒸気タービンが推進の好ましい形態となった。 石油危機により、大多数の新しい民間船がディーゼルエンジンに変わった。 アキシャル・スチーム・タービンは、その時までにまだ50%の効率を超えていなかったため、民間船は、その優れた効率のためにディーゼル・エンジンを利用することを選択した。 この時までに、比較的効率的なテスラタービンは60歳以上でした。

テスラの設計は、ブレード付き軸流タービンの主要な欠点を回避しようと試みましたが、効率の最も低い推定値でさえも、その日の軸流蒸気タービンの効率を劇的に上回っていました。 しかし、より現代的なエンジンのテストでは、Tesla Turbineは、現代の蒸気タービンよりはるかに低く、現在の往復蒸気機関よりはるかに低い膨張効率を有していました。 それは、せん断損失や流れの制限などの他の問題を抱えていますが、これは重量と体積の比較的大きな減少によって部分的に相殺されます。 テスラタービンのメリットのいくつかは、比較的低流量のアプリケーションや、小規模のアプリケーションが必要なときに役立ちます。 ディスクは、流体がディスクを離れる際に乱流を導入しないようにできるだけ薄くする必要があります。 これは、流量が増加するにつれてディスクの数を増やす必要があることに変換される。 このシステムでは、ディスク間の間隔が境界層の厚さに近似するときに最大効率が得られ、境界層の厚さは粘度と圧力に依存するので、単一の設計を様々な燃料および流体に効率的に使用できるという主張は間違っている。 テスラタービンは、エネルギーをシャフトに伝達するために使用される機構においてのみ、従来のタービンとは異なる。 種々の分析は、効率を維持するためにディスク間の流速を比較的低く保たなければならないことを示している。 報告によると、テスラタービンの効率は、負荷が増加するにつれて低下します。 軽い負荷の下では、流体が吸気口から排気口に移動する際に渦巻き状に巻きつくほど螺旋状になり、多くの回転が起こります。 荷重を受けると、回転数が低下し、スパイラルは次第に短くなります。 これは、ガスがディスクと接触する距離が短いため、せん断損失が増加し、効率も低下します。

効率は出力の関数です。 適度な負荷は高い効率をもたらす。 荷重が大きすぎると、タービンのスリップが増え、効率が低下します。 余りに軽い負荷では、出力がほとんど出力されず、効率も低下します(アイドル時にゼロになります)。 この動作はTeslaタービン専用ではありません。

ガステスラタービンのタービン効率は60を超えると推定され、最大95%に達する。 タービンの効率は、タービンを使用するエンジンのサイクル効率とは異なります。 今日、蒸気プラントまたはジェットエンジンで作動する軸流タービンは、約60〜70%の効率を有する(Siemens Turbines Data)。 これは、プラントまたはエンジンの約25%〜42%のサイクル効率とは異なり、カルノーサイクル効率以下の不可逆性によって制限される。 テスラは、彼のデバイスの蒸気バージョンが約95%の効率を達成すると主張した。 WestinghouseのTesla蒸気タービンの実際の試験では、タービン効率が20%の範囲に相当する馬力1時間あたり38ポンドの蒸気量を示しましたが、現代の蒸気タービンは50%を超えるタービン効率を達成することができました。 熱力学的効率は、等エントロピーの場合と比較してどれほど良好な性能を示すかの尺度である。 これは理想と実際の作業入出力の比です。 タービン効率は、同じ圧力変化に対するエンタルピーの理想的な変化と実エンタルピーの比として定義される。

ウォーレン・ライスは、1950年代にテスラの実験を再現しようとしましたが、テスラの特許設計に基づいて厳密に構築されたポンプでは、これらの初期テストを実施しませんでした(テスラの複数ステージタービンではありませんでした。それはテスラのノズルを所有している)。 ライスの実験的な一段階システムの作動流体は空気であった。 初期の報告書に掲載されているように、ライスの試験用タービンは、1段階で全体として36〜41%の効率を発揮しました。 もともとテスラが提案したように設計されていれば、より高いパーセンテージが予想されます。

ライスは、テスラタービンの最終作業で、退役直前に発表した、複数のディスクタービンでのモデル層流のバルクパラメータ解析を実施しました。 この設計のロータ効率(装置全体の効率とは対照的に)が非常に高いという主張は、1991年に「Tesla Turbomachinery」と題されて出版されました。 このペーパーは述べています:

分析結果を適切に使用することにより、層流を使用するロータ効率は、95%を超える非常に高くなり得る。 しかしながら、高いロータ効率を達成するためには、多数のディスク、したがって物理的に大きなロータを犠牲にして高いロータ効率が達成されることを意味する流量値を小さくしなければならない。 流速値の各値について、最大効率のためにレイノルズ数の最適値が存在する。 一般的な流体では、必要なディスク間隔が著しく小さく、層流を使用する回転子は所定の貫流速度に対して大きくて重くなる傾向がある。

層流ローターを用いたテスラ型液体ポンプの研究が盛んに行われている。 回転子効率が高い場合であっても、ロータの入口および出口で生じる損失が以前に述べられたために、ポンプ効率全体が低いことが判明した。

現代の多段羽根車は一般的に60〜70%の効率に達しますが、大型の蒸気タービンは実際には90%を超えるタービン効率を示すことがあります。 妥当な大きさの一般的な流体(スチーム、ガス、水)を備えた渦巻ロータと一致したテスラ型機械もまた、60〜70%近く、おそらくはそれ以上の効率を示すことが期待される。

好奇心
テスラタービンモデルメーカーは、ケースとノズル用にスペーサーと適切な中央穴、ポリメチルメタクリレート(Plexiglas)またはアナログ全体を組み立てるために、光ディスク(CDまたはコンパクトディスク)を使用してホイールモデルを簡単に構築できますこれは、とりわけ、透明であるという利点を有し、モーター流体としての高圧の圧縮空気である。