Tesla 터빈은 1913 년 Nikola Tesla가 특허 한 블레이드가없는 구심력 흐름 터빈입니다. 이는 무 블레이드 터빈이라고합니다. Tesla 터빈은 경계층 효과를 사용하고 종래의 터빈처럼 블레이드에 충돌하는 유체가 아니기 때문에 경계층 터빈, 응집 형 터빈 및 Prandtl 층 터빈 (Ludwig Prandtl 이후)으로도 알려져 있습니다. 생물 공학 연구원들은 이것을 다중 디스크 원심 펌프로 언급했습니다. 이 터빈의 구현을위한 Tesla의 소망 중 하나는 우리의 미래 동기 동력에 설명 된 지열 발전을위한 것이 었습니다.
기술
Tesla 터빈을 개발하기위한 지침 아이디어는 최고 경제를 달성하기 위해 유체의 속도와 방향의 변화가 가능한 한 점진적이어야한다는 사실입니다. 따라서 테슬라 터빈의 추진 유체는 자연 경로 또는 최소 저항의 유선으로 움직입니다.
테슬라 터빈은 매끄러운 디스크 세트로 구성되어 있으며 노즐은 움직이는 유체를 디스크 가장자리에 가하고 있습니다. 유체는 점성과 유체의 표면층의 접착력에 의해 디스크에 끌립니다. 유체가 느려지고 디스크에 에너지를 추가함에 따라 중앙 배출구로 나선형합니다. 로터에는 돌기가 없으므로 매우 견고합니다.
테슬라 (Tesla)는 “이 터빈은 건설 현장을 변경하지 않고 자유로이 스팀 또는 혼합 유체 터빈으로 작동 할 수있는 효율적인 자체 기동 원동력으로이 계정에 매우 편리합니다. 상황에 따라 분명히 스스로를 제안 할 것입니다. 그러나이 일반 라인에서 수행된다면 오래된 설비의 사용을 허용하면서 증기 공장의 소유주에게 높은 수익성을 발견하게 될 것입니다. 테슬라 터빈에 의한 증기로부터의 발전은 특히 그 목적에 적합한 식물에서 얻어 질 것 “이라고 말했다.
이 터빈은 고진공으로 작동하는 응축 설비에도 적용 할 수 있습니다. 그러한 경우에, 매우 큰 팽창비로 인해, 배기 혼합물은 비교적 낮은 온도에있을 것이고 응축기로 들어가기에 적합 할 것이다.
모든 판과 와셔는 끝에 끼워지고 끝이 나사로 조여지고 너트와 칼라가 장착되어 두꺼운 끝단 판을 서로 잡아 당기거나 칼라가 간단하게 눌려지고 끝이 뒤집 힙니다. 슬리브에는 샤프트에 꼭 맞게 끼워지는 구멍이 있으며 평소와 같이 고정되어 있습니다.
이러한 구조는 열 및 원심력의 다양한 영향 하에서 개별적으로 각각의 판의 자유로운 팽창 및 수축을 가능하게하고 상당한 실질적인 중요성을 갖는 다수의 다른 장점을 갖는다. 더 큰 활성 플레이트 영역 및 결과적으로 주어진 폭에 대해 더 많은 전력이 얻어 져 효율이 향상됩니다. 뒤틀림은 사실상 제거되고 작은 측면 간극이 사용될 수있어 누설 및 마찰 손실이 감소합니다. 로터는 동적 밸런싱에 더 잘 적응하고 마찰 마찰을 통해 불안한 영향에 저항하므로 조용한 작동을 보장합니다. 이러한 이유 때문에 또한 디스크가 단단히 결합되지 않았기 때문에 진동이나 과도한 속도로 인해 손상 될 수 있습니다.
테슬라 터빈은 통상적으로 증기와 연소 생성물이 혼합 된 상태에서 설치되는 특성을 가지며, 배출 열은 터빈에 공급되는 증기를 제공하는 데 사용되어 증기의 공급을 제어하는 밸브를 제공한다 압력과 온도를 최적의 작업 조건으로 조정할 수 있습니다.
그림과 같이 Tesla 터빈 설치는 다음과 같습니다.
혼자서 증기로 시작할 수 있음
고온에서 유체 작업을 할 수있는 디스크 타입.
효율적인 테슬라 터빈에는 디스크 간격이 필요합니다. 예를 들어, 증기 구동 형은 0.4 밀리미터 (.016 인치)의 디스크 간 공간을 유지해야합니다. 디스크는 표면 및 전단 손실을 최소화하기 위해 매우 매끄 럽아야합니다. 디스크 가장자리에서 드래그 및 난기류를 방지하려면 디스크도 매우 얇아야합니다. 불행히도 테슬라 시대에는 디스크가 휘거나 왜곡되는 것을 막는 것이 큰 어려움이었습니다. 당시의 야금 기술은 충분한 품질과 견고성을 가진 디스크를 생산할 수 없었기 때문에 디스크가 왜곡되는 것을 방지 할 수 없다는 것이 터빈의 상업적 실패에 기여한 것으로 생각됩니다.
펌프
비슷한 세트의 디스크와 인벌 류트 모양의 하우징 (터빈의 경우와 비교하여)이 사용되는 경우 장치는 펌프로 작동 할 수 있습니다. 이 구성에서는 모터가 샤프트에 부착됩니다. 유체는 중심 근처로 들어가고, 디스크에 의해 에너지가 주어지며, 주변부에서 빠져 나옵니다. 테슬라 터빈은 전통적인 감각에서 마찰을 사용하지 않습니다. 정확하게 그것을 피하고 접착력 (Coandă 효과)과 점도를 대신 사용합니다. 디스크 블레이드에서 경계 레이어 효과를 사용합니다.
매끄러운 로터 디스크는 원래 제안되었지만 열악한 시동 토크를줍니다. Tesla는 시동 토크를 크게 높이기 위해 제작 된 보조 직경에서 6- 인치 와셔의 10 인치 디스크와 두 번째 링 주위에 ~ 12-24 장소에서 디스크를 브리징하는 작은 와셔가있는 부드러운 로터 디스크를 발견했습니다. 효율성 저하.
응용 프로그램
테슬라의 특허에는 장치가 유체의 추진 또는 압축을위한 용도와는 달리 유체를 동기 에이전트로 사용하도록 의도되었다고 명시되어 있습니다 (장치는 이러한 목적으로도 사용될 수 있지만). 2016 년 현재 테슬라 터빈은 발명 이후로 널리 상업적으로 사용되지 않았습니다. 그러나 Tesla 펌프는 1982 년부터 상업적으로 판매되어 왔으며 연마 성, 점성, 전단 민감성, 고형물 함유 또는 기타 펌프로 다루기 힘든 유체를 펌핑하는 데 사용됩니다. 테슬라 자신은 생산을위한 대규모 계약을 조달하지 않았다. 언급 한 바와 같이 그의 시간에서 가장 큰 단점은 고온에서의 재료 특성 및 거동에 대한 지식이 부족하다는 사실이었습니다. 오늘 최고의 야금은 터빈 디스크가 작동하는 동안 허용 할 수 없게 움직이고 뒤틀리는 것을 방지 할 수 없습니다.
2003 년 Scott O’Hearen은 Radial 터빈 블레이드 시스템에 대한 특허를 취득했습니다. 본 발명은 작동 유체 마찰 접촉을위한 부드러운 러너 표면과 복수의 횡단 러너면으로부터 축 방향으로 돌출하는 블레이드의 개념의 조합을 이용한다.
오늘날이 분야의 많은 아마추어 실험은 압축 공기, 증기를 동력원으로 사용하는 테슬라 터빈을 사용하여 수행되었습니다. 증기는 연료 연소, 차량의 터보 차저 또는 태양 복사로부터 발생하는 열로 발생합니다. 디스크의 뒤틀림 문제는 탄소 섬유와 같은 신소재를 사용하여 부분적으로 해결되었습니다.
이 장치에 대해 현재 제안 된 하나의 제안은 정상적인 베인 형 터빈 펌프가 일반적으로 차단되는 공장 및 공장에서 폐 펌프입니다.
테슬라 터빈은 오프 그리드, 미니 스팀 터빈, 전기 가정 발전소 등 다양한 이유로 인해 이상적입니다. 경험이있는 사람은 애호가가 쉽게 조작 할 수 있습니다.
Tesla 터빈을 다중 디스크 원심 혈액 펌프로 적용하면 유망한 결과가 나타납니다.
이러한 응용 분야에 대한 생명 공학 연구는 21 세기까지 계속되었습니다.
2010 년에 Tesla 디자인을 기반으로하는 풍력 터빈의 하워드 풀러 (Howard Fuller)에게 미국 특허 7,695,242가 발급되었습니다.
효율성 및 계산
테슬라의 터빈은 약 92 %의 매우 높은 이론 수율을 가지고 있지만, 실제로 일반적인 성능을 저하시키기 위해 경쟁하는 몇 가지 건설적인 제약이 있습니다. 이러한 제약 조건을 더욱 명확히하기 위해 다음은 간단한 목록입니다.
로터의 직경 : 크기는 사용되는 유체의 물리적 특성과 분리되어서는 안됩니다. 이 제약은 이론적으로 회 전자의 최적 직경을 결정하는 것이 가능하다는 것을 의미합니다. 실제로, 너무 작은 회 전자는 주입 된 유체에 존재하는 모든 운동 에너지를 효과적으로 변환 할 수 없습니다. 반면에, 너무 큰 로터는 유체에 과도한 유동을 발생시킬 수 있으며 결과적으로 하중이 손실 될 수 있습니다. 뿐만 아니라 너무 큰 디스크는 제작하기가 어렵고 높은 원심력으로 인해 최대 회전 속도가 제한됩니다.
로터를 구성하는 디스크 표면 사이의 공간 : 예를 들어 스팀의 경우 약 0.4mm의 간격이 필요합니다. 디스크의 두께가 최소 인 것이 중요합니다. 이것은 분명히 큰 경우 문제가 될 수 있습니다 높은 회전 속도로 작동하는 디스크. 실제로 디스크에서 진동을 유발할 가능성을 방지하는 것이이 터빈의 주요 문제 중 하나입니다. 진동을 포함하는 어려움은 본 발명의 상업적 실패의 주된 원인으로 생각된다. 그러나 최근 터보 제트에서 파생 된 신기술을 사용하여 장치의 효율성을 높이는 데 기여할 수있는 모든 요소가 표면 마무리가 뛰어난 얇고 딱딱한 디스크를 만들 수 있습니다.
디스크의 표면 마감 : 거친 디스크 표면은 터빈 효율을 감소시키는 와류를 쉽게 생성 할 수 있으므로 부드럽고 잘 마무리 된 표면으로 만들어야합니다.
입력 노즐의 위치 지정 및 구조 : 테슬라 터빈은 유입되는 유체의 운동 에너지를 활용하는 장치이며, 유체가 고속이면서 운동 에너지를 갖도록하는 노즐의 특성은 결정 요인이며, 난기류가없는 노즐은 특히 중요합니다.
디스크의 입구 모서리의 기하학적 구조 : 디스크의 가장자리에 닿는 유체의 속도는 초음속 일 수 있으므로이 영역에서는 유체 경로에서 손실과 변경을 일으킬 수있는 압축 파를 생성 할 수 있습니다.
배기관의 크기와 기하학적 구조 : 터빈 출구에서 유체 속도가 더 낮더라도 배기 가스 설계가 중요하며이 단계에서도 유해한 와도가 발생하여 손실이 발생할 수 있습니다. 실제로 흐름은 구심력 (원반의 중심에서 디스크의 중심까지), 축 (회전축과 정렬 됨)입니다. 회전 디스크를 고속으로 사용하면 난류가없는 축 방향 덕트에서 회전하는 유체를 운반하는 것이 쉽지 않습니다.
테슬라의 경우 터빈은 터빈의 잠재적 인 속도를 운전하는 것이 무엇이든간에 심각하게 제한하는 직접 구동 시스템을 사용했기 때문에 종래의 터빈의 효율은 낮았다. 도입 당시 현대 선박 터빈은 방대한 규모 였고 수십 또는 수 백 단계의 터빈을 포함했지만 저속으로 인해 극히 낮은 효율을 나타 냈습니다. 예를 들어, 타이타닉 호의 터빈은 무게가 400 톤 이상이고 165rpm으로 달렸으며 단지 6PSI의 압력에서 증기를 사용했습니다. 이것은 주 발전소에서 나온 낭비 증기, 왕복 증기 기관 한 쌍을 수확하는 것에 국한되었습니다. 테슬라 터빈은 블레이드 터빈보다 더 높은 온도의 가스로 작동 할 수있는 능력을 가지고있어 효율성이 높아졌습니다. 결국 축형 터빈에는 기어링이 주어져 더 높은 속도에서 작동 할 수 있었지만 축 방향 터빈의 효율은 테슬라 터빈에 비해 매우 낮게 유지되었습니다.
시간이 갈수록 경쟁하는 축 방향 터빈은 훨씬 더 효율적이고 강력 해졌으며 1930 년대 미국의 가장 해군 함정에 감속 장치의 두 번째 단계가 도입되었습니다. 스팀 기술의 향상으로 미국 해군 항공 모함은 연합군 및 적 항공 모함보다 속도면에서 확실한 이점을 얻었으므로 입증 된 축류 스팀 터빈은 1973 년의 석유 수출 금지가 발생할 때까지 선호되는 추진 방식이되었습니다. 석유 위기로 새로운 민간 선박의 대다수가 디젤 엔진으로 전환되었습니다. 축류 스팀 터빈은 그때까지 여전히 50 %의 효율을 초과하지 못했기 때문에 민간 선박은 효율성이 뛰어나 디젤 엔진을 사용하기로 결정했습니다. 이 시간까지, 비교적 효율적인 Tesla 터빈은 60 세 이상이었습니다.
Tesla의 설계는 블레이드 형 축형 터빈의 주요 단점을 회피하려고 시도했으며 심지어 효율성에 대한 가장 낮은 평가 치조차도 오늘날의 축 방향 스팀 터빈의 효율을 극적으로 능가했습니다. 그러나보다 현대적인 엔진에 대한 테스트에서 Tesla Turbine은 최신 증기 터빈 및 현대의 왕복 증기 엔진보다 훨씬 낮은 팽창 효율을 보였습니다. 그것은 전단 손실 및 흐름 제한과 같은 다른 문제로 고통을 겪지 만, 이것은 무게와 부피의 상대적으로 큰 감소에 의해 부분적으로 상쇄됩니다. 테슬라 터빈의 장점 중 일부는 상대적으로 낮은 유속의 애플리케이션이나 소규모 애플리케이션을 요구할 때 유용합니다. 디스크는 유체가 디스크를 떠날 때 난류를 일으키지 않도록 가장자리에서 최대한 얇을 필요가 있습니다. 이것은 유속이 증가함에 따라 디스크의 수를 증가시킬 필요성을 의미합니다. 디스크 간 간격이 경계층의 두께에 근접 할 때 최대 효율이이 시스템에 제공되며, 경계층 두께가 점도 및 압력에 의존하기 때문에 단일 디자인을 다양한 연료 및 유체에 효율적으로 사용할 수 있다고 주장합니다. 부정확하다. 테슬라 터빈은 샤프트에 에너지를 전달하는 데 사용되는 메커니즘에서만 기존의 터빈과 다릅니다. 다양한 분석을 통해 효율성을 유지하기 위해 디스크 간의 유속을 상대적으로 낮게 유지해야 함을 입증합니다. 보도에 따르면 테슬라 터빈의 효율은 부하가 증가함에 따라 떨어집니다. 경부 하에서, 유체가 흡입구에서 배기구로 이동하면서 취하는 나선형은 많은 회전을받는 타이트한 나선형이다. 하중이 가해지면 회전 수가 떨어지고 나선은 점차 짧아집니다. 이는 가스가 디스크와 더 적은 거리로 접촉하기 때문에 전단 손실을 증가시키고 효율을 감소시킵니다.
효율은 전력 출력의 함수입니다. 적당한 부하는 고효율을 만듭니다. 로드가 너무 무거 우면 터빈의 슬립이 증가하고 효율이 저하됩니다. 로드가 너무 가벼운 경우에는 출력이 거의 출력되지 않으므로 효율성이 떨어집니다 (유휴 상태 일 때). 이 동작은 Tesla 터빈에만 적용되는 것이 아닙니다.
Tesla 가스 터빈의 터빈 효율은 60 이상으로 추정되어 최대 95 %에 도달합니다. 터빈 효율은 터빈을 사용하는 엔진의 사이클 효율과 다릅니다. 오늘날 증기 발전소 또는 제트 엔진에서 작동하는 축 방향 터빈은 약 60-70 %의 효율을 가지고 있습니다 (Siemens Turbines Data). 이는 약 25 %에서 42 % 사이 인 발전소 또는 엔진의 사이클 효율과 다르며, 카르노 사이클 효율 이하로 될 수있는 불가역에 의해 제한됩니다. 테슬라는 스팀 버전의 장치가 약 95 %의 효율을 달성 할 것이라고 주장했다. 웨스팅 하우스에서의 테슬라 증기 터빈의 실제 시험은 마력 1 시간당 38 파운드의 증기 속도를 보여 주었고, 20 %의 범위에서 터빈 효율에 해당하는 반면, 현대 증기 터빈은 종종 50 % 이상의 터빈 효율성을 달성 할 수있었습니다. 열역학적 효율은 등 엔트로피 경우와 비교하여 성능이 얼마나 좋은지 측정합니다. 실제 작업 입 / 출력에 대한 이상적인 비율입니다. 터빈 효율은 동일한 압력 변화에 대한 엔탈피의 실제 엔탈피 변화의 비율로 정의됩니다.
1950 년대 워렌 라이스 (Warren Rice)는 테슬라의 실험을 다시 시도했지만, 테슬라의 특허 디자인에 따라 엄격하게 제작 된 펌프에 대해서는 초기 테스트를 수행하지 않았다. (테슬라는 여러 단계의 터빈이 아니었다. 그것은 테슬라의 노즐을 소유하고있다). 라이스의 실험 단일 단계 시스템의 작동 유체는 공기였다. 초기 보고서에 발표 된 바와 같이 라이스의 시험용 터빈은 단일 단계에서 36-41 %의 전체 측정 효율을 나타 냈습니다. 테슬라가 제안한대로 설계하면 더 높은 비율을 기대할 수 있습니다.
라이스 장관은 퇴역 직전에 테슬라 터빈을 사용한 최종 작업에서 다중 디스크 터빈의 모델 층류에 대한 벌크 파라미터 분석을 실시했다. 이 디자인의 회 전자 효율 (전반적인 장치 효율과 반대되는)에 대한 매우 높은 요구는 1991 년 “Tesla Turbomachinery”라는 제목으로 발표되었습니다. 이 백서는 다음과 같이 말합니다.
분석 결과를 적절하게 사용하면 층류를 사용하는 회 전자 효율이 95 % 이상인 매우 높을 수 있습니다. 그러나 높은 회 전자 효율을 달성하기 위해서는 많은 수의 디스크를 사용하므로 물리적으로 더 큰 회 전자를 사용하는 대신 높은 회 전자 효율이 달성된다는 것을 의미하는 유속을 작게 만들어야합니다. 유량 값의 각 값에 대해 최대 효율을위한 레이놀즈 수의 최적 값이 있습니다. 일반적인 유체의 경우 필요한 디스크 공간이 무시할 정도로 작아서 층류를 사용하는 로터가 규정 된 관통 률에 비해 크고 무거워지는 경향이 있습니다.
층류 로터를 사용하는 테슬라 형 액체 펌프에 대한 광범위한 연구가 이루어졌습니다. 초기에 언급 된 로터 입구 및 출구에서 발생하는 손실 때문에 로터 효율이 높았을 때도 전반적인 펌프 효율은 낮았다.
현대의 다단 블레이 드 터빈은 일반적으로 60-70 %의 효율에 도달하는 반면 대형 증기 터빈은 실제로 터빈 효율을 90 % 이상으로 나타냅니다. 일반적인 유체 (스팀, 가스 및 물)와 합리적인 크기의 Volute rotor로 일치 된 테슬라 형 기계는 60-70 % 근처에서 효율성을 보일 것으로 예상됩니다.
영향
테슬라 터빈 모델 제작자는 광학 디스크 (CD 또는 CD)를 사용하여 터빈 모델을 손쉽게 만들 수 있습니다. 케이스와 노즐에 스페이서와 적절한 중앙 구멍, 폴리 메틸 메타 크릴 레이트 (Plexiglas) 또는 전체 아날로그 계열을 사용하여 휠을 구성하십시오. , 그 중에서도 투명성이 있고, 압축 공기가 고압에서 모터 유체로 사용되는 이점이 있습니다.