Turbina Tesla

A turbina Tesla é uma turbina de fluxo centrípeta sem lâminas, patenteada por Nikola Tesla em 1913. Ela é chamada de turbina sem lâminas. A turbina Tesla é também conhecida como turbina da camada limite, turbina do tipo coesão e turbina da camada Prandtl (depois de Ludwig Prandtl) porque usa o efeito camada limite e não um fluido que colide com as lâminas como em uma turbina convencional. Pesquisadores de bioengenharia se referiram a ela como uma bomba centrífuga de múltiplos discos. Um dos desejos da Tesla para a implementação desta turbina foi a energia geotérmica, descrita em Our Future Motive Power.

Descrição
A ideia orientadora para o desenvolvimento da turbina Tesla é o fato de que, para atingir a economia mais alta, as mudanças na velocidade e na direção do movimento do fluido devem ser o mais graduais possível. Portanto, o fluido propulsor da turbina Tesla se move em caminhos naturais ou linhas de fluxo de menor resistência.

Uma turbina Tesla consiste em um conjunto de discos lisos, com bicos aplicando um fluido em movimento na borda do disco. O fluido arrasta no disco por meio da viscosidade e da aderência da camada superficial do fluido. À medida que o fluido diminui e adiciona energia aos discos, ele espirala para o escapamento central. Como o rotor não tem projeções, é muito resistente.

Tesla escreveu: “Esta turbina é um motor de arranque automático eficiente que pode ser operado como um vapor ou turbina de fluido misturado à vontade, sem alterações na construção e é por essa conta muito conveniente. Pequenas partidas da turbina, como pode ser ditado pelas circunstâncias em cada caso, obviamente se sugerirão, mas se for realizado nestas linhas gerais, será considerado altamente lucrativo para os donos da usina a vapor, enquanto permite o uso de sua antiga instalação. o desenvolvimento de energia a partir do vapor pela turbina Tesla será obtido em usinas especialmente adaptadas para esse fim. ”

Esta turbina também pode ser aplicada a usinas de condensação operando com alto vácuo. Em tal caso, devido à taxa de expansão muito grande, a mistura de escape estará a uma temperatura relativamente baixa e adequada para admissão ao condensador.

Todas as placas e arruelas são encaixadas e encaixadas em uma luva rosqueada nas extremidades e equipadas com porcas e colares para unir as placas de extremidade espessas ou os colares podem ser simplesmente forçados a ela e as extremidades viradas. A manga tem um encaixe seguro no eixo, ao qual está preso como de costume.

Esta construção permite a livre expansão e contracção de cada placa individualmente sob a influência variável do calor e da força centrífuga e possui uma série de outras vantagens que são de importância prática considerável. Uma área de placa ativa maior e, consequentemente, maior potência é obtida para uma determinada largura, melhorando a eficiência. A deformação é virtualmente eliminada e podem ser utilizadas folgas laterais menores, o que resulta em menores perdas de vazamento e atrito. O rotor é melhor adaptado para o balanceamento dinâmico e, por atrito, o atrito resiste a influências perturbadoras, garantindo assim um funcionamento mais silencioso. Por esta razão e também porque os discos não estão rigidamente unidos, está protegido contra danos que poderiam ser causados ​​por vibração ou velocidade excessiva.

A turbina Tesla tem a característica de estar em uma instalação normalmente trabalhando com uma mistura de vapor e produtos de combustão e na qual o calor de exaustão é usado para fornecer vapor que é fornecido à turbina, fornecendo uma válvula que governa o fornecimento do vapor. que as pressões e temperaturas podem ser ajustadas para as melhores condições de trabalho.

Conforme diagramado, uma instalação da turbina Tesla é:

Capaz de começar com vapor sozinho
Um tipo de disco adaptado para trabalhar com fluidos a alta temperatura.
Uma turbina Tesla eficiente requer um espaçamento apertado dos discos. Por exemplo, um tipo movido a vapor deve manter um espaçamento entre discos de 0,4 milímetro (0,016 polegadas). Os discos devem ser extremamente lisos para minimizar as perdas de superfície e de cisalhamento. Os discos também devem ser muito finos para evitar arrasto e turbulência nas bordas do disco. Infelizmente, impedir que os discos entortem e distorçam foi um grande desafio no tempo de Tesla. Acredita-se que essa incapacidade de impedir a distorção dos discos tenha contribuído para a falha comercial das turbinas, pois a tecnologia metalúrgica da época não era capaz de produzir discos de qualidade e rigidez suficientes.

Bomba
O dispositivo pode funcionar como uma bomba se um conjunto semelhante de discos e um alojamento com uma forma involuta (versus circular para a turbina) forem usados. Nesta configuração, um motor é conectado ao eixo. O fluido entra perto do centro, recebe energia dos discos e sai pela periferia. A turbina Tesla não usa atrito no sentido convencional; precisamente, evita-o e usa a adesão (o efeito Coandă) e a viscosidade. Ele usa o efeito da camada limite nas lâminas do disco.

Discos de rotor lisos foram originalmente propostos, mas estes deram um torque inicial ruim. Tesla subseqüentemente descobriu que discos de rotor lisos com pequenas arruelas ligando os discos em ~ 12-24 lugares ao redor do perímetro de um disco de 10 ″ e um segundo anel de 6–12 arruelas em um sub-diâmetro feito para uma melhoria significativa no torque de partida sem comprometendo a eficiência.

Aplicações
As patentes da Tesla afirmam que o dispositivo foi planejado para o uso de fluidos como agentes motores, diferentemente da aplicação dos mesmos para a propulsão ou compressão de fluidos (embora o dispositivo possa ser usado para esses propósitos também). A partir de 2016, a turbina Tesla não viu uso comercial generalizado desde a sua invenção. A bomba Tesla, no entanto, está comercialmente disponível desde 1982 e é usada para bombear fluidos que são abrasivos, viscosos, sensíveis ao cisalhamento, contêm sólidos, ou são difíceis de manusear com outras bombas. O próprio Tesla não conseguiu um grande contrato de produção. A principal desvantagem em seu tempo, como mencionado, foi o fraco conhecimento das características e comportamentos dos materiais em altas temperaturas. A melhor metalurgia do dia não pôde impedir que os discos das turbinas se movessem e entortassem de maneira inaceitável durante a operação.

Em 2003, Scott O’Hearen patenteou o sistema de lâminas de turbina Radial. Esta invenção utiliza uma combinação dos conceitos de uma superfície de canal lisa para trabalhar o contato de atrito fluido e aquela das lâminas que projetam axialmente das faces transversais transversais plurais.

Hoje, muitos experimentos amadores no campo foram conduzidos usando turbinas Tesla que usam ar comprimido, vapor como sua fonte de energia (o vapor sendo gerado com o calor da combustão do combustível, do turbocompressor de um veículo ou da radiação solar). A questão da deformação dos discos foi parcialmente resolvida usando novos materiais como fibra de carbono.

Uma aplicação atual proposta para o dispositivo é uma bomba de resíduos, em fábricas e moinhos, onde as bombas de turbina tipo palhetas normais são bloqueadas.

Turbinas Tesla são ideais, devido a muitas razões, para fora da rede, mini-turbina a vapor, estações de geração elétrica em casa, e com alguma experiência, podem ser facilmente projetadas por amadores.

Aplicações da turbina Tesla como uma bomba de sangue centrífuga de múltiplos discos produziram resultados promissores.
A pesquisa em engenharia biomédica sobre tais aplicações foi continuada até o século XXI.

Em 2010, a patente US 7.695.242 foi concedida a Howard Fuller para uma turbina eólica baseada no projeto Tesla.

Eficiência e cálculos
A turbina da Tesla tem um rendimento teórico muito alto, cerca de 92%, mas na verdade existem várias restrições construtivas que competem para reduzir seu desempenho geral. Para esclarecer melhor essas restrições, segue uma breve lista:

O diâmetro do rotor: seu tamanho não deve ser separado das características físicas do fluido que será usado. Esta restrição significa que, teoricamente, é possível determinar um diâmetro ótimo do rotor: na verdade, um rotor muito pequeno não pode efetivamente converter toda a energia cinética presente no fluido injetado. Por outro lado, um rotor muito grande pode gerar um fluxo excessivo para o fluido, com consequente perda de carga. Não só isso, mas um disco muito grande é difícil de construir e, devido às altas forças centrífugas a que está sujeito, a velocidade máxima de rotação será limitada.
O espaço entre as superfícies dos discos que compõem o rotor: por exemplo, para o vapor é necessário um espaçamento de cerca de 0,4 mm, é crucial que os discos tenham uma espessura mínima, isso obviamente pode ser um problema para grandes discos trabalhando em altas velocidades de rotação. De facto, a prevenção da possibilidade de desencadear oscilações nos discos é um dos maiores problemas desta turbina. A dificuldade em conter as oscilações é considerada a causa principal da falha comercial desta invenção. No entanto, apenas nos últimos anos, com as novas tecnologias muitas vezes derivadas do turbojato, é possível fazer discos mais finos e rígidos com um bom acabamento superficial, elementos que podem contribuir para melhorar a eficiência do dispositivo.
Acabamento da superfície dos discos: uma superfície áspera do disco pode gerar facilmente vórtices que reduzem a eficiência da turbina, por isso é importante que sejam feitos com superfícies lisas e muito bem acabadas.
Posicionamento e geometria do bocal de entrada: sendo a turbina Tesla um dispositivo que explora a energia cinética do fluido introduzido nela, as características do bocal que leva o fluido a ter uma alta velocidade e, portanto, energia cinética, são determinantes, realizando tais bicos sem turbulência é particularmente crítica.
A geometria da borda de entrada dos discos: a velocidade do fluido que toca a borda do disco pode ser supersônica e, portanto, nesta área, podem ser criadas ondas de compressão que podem gerar perdas e alterações no caminho do fluido.
O tamanho e a geometria dos tubos de escape iluminam-se: mesmo se na saída da turbina a velocidade do fluido é menor, o projeto do escape é crítico, e mesmo nesta fase, a vorticidade prejudicial pode ocorrer com as perdas consequentes; na verdade, o fluxo é centrípeto (da periferia para o centro do disco) e depois axial (alinhado com o eixo de rotação); Com discos rotativos em alta velocidade, o transporte de um fluido rotativo em um duto axial sem turbulência não é fácil.

No tempo de Tesla, a eficiência das turbinas convencionais era baixa porque as turbinas usavam um sistema de acionamento direto que limitava severamente a velocidade potencial de uma turbina ao que quer que estivesse dirigindo. Na época da introdução, as turbinas de navios modernos eram enormes e incluíam dezenas, ou mesmo centenas de estágios de turbinas, mas ainda assim produziam uma eficiência extremamente baixa devido à sua baixa velocidade. Por exemplo, a turbina no Titanic pesava mais de 400 toneladas, funcionava a apenas 165 rpm e usava vapor a uma pressão de apenas 6 PSI. Isso limitou a colheita de vapor residual das principais usinas de energia, um par de motores a vapor recíprocos. A turbina Tesla também tinha a capacidade de funcionar com gases de temperatura mais alta do que as turbinas de pás do tempo contribuíram para sua maior eficiência. Eventualmente turbinas axiais receberam engrenagens para permitir que operassem em velocidades mais altas, mas a eficiência das turbinas axiais permaneceu muito baixa em comparação com a Turbina Tesla.

Com o passar do tempo, turbinas Axial concorrentes se tornaram drasticamente mais eficientes e poderosas, uma segunda etapa de redução de marchas foi introduzida na maioria dos navios da década de 1930. A melhoria na tecnologia de vapor deu aos porta-aviões da Marinha dos EUA uma clara vantagem em velocidade sobre os porta-aviões aliados e inimigos, e assim as turbinas a vapor axiais comprovadas se tornaram a forma preferida de propulsão até o embargo do petróleo de 1973. A crise do petróleo levou a maioria dos novos navios civis a utilizar motores a diesel. Turbinas a vapor axiais ainda não tinham excedido 50% de eficiência na época, e assim navios civis optaram por utilizar motores a diesel devido à sua eficiência superior. Por esta altura, a turbina Tesla comparativamente eficiente tinha mais de 60 anos.

O projeto da Tesla tentou evitar as principais desvantagens das turbinas axiais com pás, e mesmo as estimativas mais baixas de eficiência ainda superaram drasticamente a eficiência das turbinas a vapor axiais da época. No entanto, em testes contra motores mais modernos, a Turbina Tesla tinha eficiências de expansão muito abaixo das atuais turbinas a vapor e muito abaixo das dos atuais motores a vapor recíprocos. Ela sofre de outros problemas, como perdas por cisalhamento e restrições de fluxo, mas isso é parcialmente compensado pela redução relativamente massiva de peso e volume. Algumas das vantagens da turbina Tesla estão em aplicações de vazão relativamente baixa ou quando são requeridas pequenas aplicações. Os discos precisam ser tão finos quanto possível nas bordas para não introduzir turbulência quando o fluido sai dos discos. Isso se traduz em necessidade de aumentar o número de discos à medida que a taxa de fluxo aumenta. A eficiência máxima vem neste sistema quando o espaçamento entre discos se aproxima da espessura da camada limite, e como a espessura da camada limite é dependente da viscosidade e pressão, a alegação de que um único design pode ser usado eficientemente para uma variedade de combustíveis e fluidos é incorreta. Uma turbina Tesla difere de uma turbina convencional apenas no mecanismo usado para transferir energia para o eixo. Várias análises demonstram que a taxa de fluxo entre os discos deve ser mantida relativamente baixa para manter a eficiência. Alegadamente, a eficiência da turbina Tesla diminui com o aumento da carga. Sob carga leve, a espiral levada pelo fluido que se move da entrada para a exaustão é uma espiral apertada, sofrendo muitas rotações. Sob carga, o número de rotações cai e a espiral fica progressivamente mais curta. Isso aumentará as perdas por cisalhamento e também reduzirá a eficiência, porque o gás está em contato com os discos por uma menor distância.

A eficiência é uma função da saída de energia. Uma carga moderada contribui para alta eficiência. Uma carga muito pesada aumenta o escorregamento na turbina e diminui a eficiência; com uma carga muito leve, pouca energia é fornecida à saída, o que também diminui a eficiência (para zero em marcha lenta). Este comportamento não é exclusivo das turbinas Tesla.

Estima-se que a eficiência da turbina de gás Tesla esteja acima de 60, atingindo um máximo de 95%. Tenha em mente que a eficiência da turbina é diferente da eficiência do ciclo do motor usando a turbina. As turbinas axiais que operam hoje em fábricas de vapor ou motores a jato têm eficiências de cerca de 60-70% (Siemens Turbines Data). Isto é diferente das eficiências de ciclo da fábrica ou do motor, que estão entre aproximadamente 25% e 42%, e são limitadas por quaisquer irreversibilidades abaixo da eficiência do ciclo de Carnot. Tesla alegou que uma versão a vapor de seu dispositivo alcançaria cerca de 95% de eficiência. Testes reais de uma turbina a vapor Tesla nos trabalhos da Westinghouse mostraram uma taxa de vapor de 38 libras por hora de potência, correspondendo a uma eficiência de turbina na faixa de 20%, enquanto as turbinas a vapor contemporâneas podiam alcançar eficiências de turbina acima de 50%. A eficiência termodinâmica é uma medida de quão bem ela se comporta em comparação com um caso isentrópico. É a relação entre o ideal e a entrada / saída real do trabalho. A eficiência da turbina é definida como a relação entre a mudança ideal na entalpia e a entalpia real para a mesma mudança de pressão.

Na década de 1950, Warren Rice tentou recriar os experimentos de Tesla, mas não realizou esses primeiros testes em uma bomba construída estritamente de acordo com o design patenteado da Tesla (entre outras coisas, não era uma turbina de múltiplos estágios da Tesla nem possui o bocal de Tesla). O fluido de trabalho experimental do sistema de estágio único de Rice era ar. As turbinas de teste da Rice, conforme publicadas nos primeiros relatórios, produziram uma eficiência geral medida de 36 a 41% para uma única etapa. Percentuais mais altos seriam esperados se projetados originalmente como proposto por Tesla.

Em seu trabalho final com a turbina Tesla e publicado pouco antes de sua aposentadoria, Rice realizou uma análise de parâmetro em massa do fluxo laminar modelo em múltiplas turbinas de disco. Uma alegação muito alta para a eficiência do rotor (em oposição à eficiência geral do dispositivo) para este projeto foi publicada em 1991, intitulada “Tesla Turbomachinery”. Este artigo declara:

Com o uso adequado dos resultados analíticos, a eficiência do rotor usando fluxo laminar pode ser muito alta, mesmo acima de 95%. No entanto, a fim de obter uma alta eficiência do rotor, o número da vazão deve ser reduzido, o que significa que a alta eficiência do rotor é obtida à custa do uso de um grande número de discos e, portanto, de um rotor fisicamente maior. Para cada valor do número de vazão, existe um valor ótimo de número de Reynolds para máxima eficiência. Com fluidos comuns, o espaçamento necessário entre os discos é insuficientemente pequeno, fazendo com que o fluxo laminar [rotores que usam] tendam a ser grandes e pesados ​​para uma taxa de fluxo prescrita.

Extensas investigações foram feitas de bombas de líquido do tipo Tesla usando rotores de fluxo laminar. Descobriu-se que a eficiência geral da bomba era baixa mesmo quando a eficiência do rotor era alta devido às perdas ocorridas na entrada e na saída do rotor mencionadas anteriormente.

Modernas turbinas de palhetas de múltiplos estágios normalmente atingem 60-70% de eficiência, enquanto grandes turbinas a vapor freqüentemente mostram uma eficiência de turbina de mais de 90% na prática. O rotor de voluta combinado com máquinas do tipo Tesla de tamanho razoável, com fluidos comuns (vapor, gás e água) também poderia mostrar eficiências na vizinhança de 60-70% e possivelmente mais altas.

Curiosidade
Fabricantes de modelos de turbina Tesla podem facilmente construir modelos de turbina usando discos ópticos (CDs ou discos compactos) para compor a roda, obviamente com espaçadores interpostos e um orifício central apropriado, polimetilmetacrilato (Plexiglas) ou uma série de análogos, para o gabinete e o bocal que, entre outras coisas, tem a vantagem de ser transparente e ar comprimido a alta pressão como fluido motor.