Турбина Тесла

Турбина Tesla представляет собой бесступенчатую центростремительную проточную турбину, запатентованную Никола Теслой в 1913 году. Она называется бесплодной турбиной. Турбина Tesla известна также как турбина турбины пограничного слоя, турбина сплошного типа и турбина турбины Прандтль (после Людвига Прандтля), поскольку она использует эффект пограничного слоя, а не жидкость, падающую на лопасти, как в обычной турбине. Исследователи биоинженерии назвали его многоцентровым центробежным насосом. Одним из желаний Теслы для реализации этой турбины было использование геотермальной энергии, которая была описана в «Нашей будущей движущей силе».

Описание
Руководящей идеей разработки турбины Тесла является тот факт, что для достижения наивысшей экономики изменения скорости и направления движения жидкости должны быть как можно более постепенными. Поэтому движущая жидкость турбины Тесла движется по естественным путям или линиям тока наименьшего сопротивления.

Турбина Tesla состоит из набора гладких дисков, при этом сопла применяют движущуюся жидкость к краю диска. Жидкость перемещается на диск посредством вязкости и адгезии поверхностного слоя жидкости. По мере того как жидкость замедляется и добавляет энергию к дискам, она вращается в центр выхлопа. Поскольку у ротора нет выступов, он очень прочный.

Тесла писал: «Эта турбина представляет собой эффективный самонаводящийся первичный двигатель, который может управляться как паровая или смешанная флюидная турбина по желанию без изменений в конструкции и на этом счет очень удобна. Небольшие отклонения от турбины, которые могут быть продиктованы по обстоятельствам в каждом случае, очевидно, будут предлагать сами, но если они будут выполняться по этим общим линиям, они будут признаны высокоприбыльными владельцам паровой установки, позволяя использовать их старую установку. Однако лучшие экономические результаты в развитие мощности от пара турбиной Тесла будет достигнуто на специально предназначенных для этой цели установках ».

Эта турбина также может быть применена к конденсационным установкам, работающим с высоким вакуумом. В этом случае из-за очень большого коэффициента расширения выхлопная смесь будет находиться при относительно низкой температуре и пригодна для поступления в конденсатор.

Все пластины и шайбы установлены и прикреплены к рукаву, навинчиваемому на концах, и снабжены гайками и хомутами для соединения толстых концевых пластин вместе, или хомуты могут быть просто вынуждены на него, а концы опрокинуты. Втулка плотно прилегает к валу, к которому она прикрепляется, как обычно.

Эта конструкция позволяет свободно расширять и сокращать каждую пластину индивидуально под воздействием тепловой и центробежной силы и обладает рядом других преимуществ, которые имеют практическое значение. Более высокая площадь активной пластины и, следовательно, больше мощности получается для заданной ширины, что повышает эффективность. Деформирование практически устраняется, и могут использоваться меньшие боковые зазоры, что приводит к уменьшению потерь утечки и трения. Ротор лучше приспособлен для динамической балансировки, а трение трения сопротивляется нарушающим воздействиям, тем самым обеспечивая более тихую работу. По этой причине, а также потому, что диски не жестко соединены, они защищены от повреждений, которые могут быть вызваны вибрацией или чрезмерной скоростью.

Турбина Tesla имеет свойство находиться в установке, обычно работающей со смесью пара и продуктов сгорания, и в которой выхлопное тепло используется для подачи пара, который подается в турбину, обеспечивая клапан, регулирующий подачу пара, таким образом что давления и температуры можно настроить на оптимальные условия работы.

Как показано на рисунке, турбинная установка Tesla:

Возможность запускать только пар
Тип диска, приспособленный для работы с жидкостями при высокой температуре.
Эффективная турбина Tesla требует близкого расстояния между дисками. Например, тип с паровым питанием должен поддерживать междисковое расстояние 0,4 мм (0,016 дюйма). Диски должны быть чрезвычайно гладкими, чтобы минимизировать потери поверхности и сдвига. Диски также должны быть очень тонкими, чтобы предотвратить перетаскивание и турбулентность на краях диска. К сожалению, предотвращение деформаций и искажений дисков было серьезной проблемой во времена Теслы. Считается, что эта неспособность предотвратить искажение дисков способствовала коммерческому провалу турбин, потому что металлургические технологии в то время не могли производить диски достаточного качества и жесткости.

насос
Устройство может работать как насос, если используется аналогичный набор дисков и корпус с эвольвентной формой (по сравнению с циркуляром для турбины). В этой конфигурации двигатель прикреплен к валу. Жидкость входит в центр, дается энергия дисками, а затем выходит на периферию. Турбина Tesla не использует трение в обычном смысле; именно он избегает этого и использует адгезию (эффект Coandă) и вязкость. Он использует эффект пограничного слоя на дисковых лезвиях.

Гладкие роторные диски были первоначально предложены, но они дали плохой пусковой момент. Тесла впоследствии обнаружил, что гладкие роторные диски с небольшими шайбами, соединяющими диски в ~ 12-24 местах по периметру 10-дюймового диска, и второе кольцо из 6-12 шайб на поддиапазоне, сделанное для значительного улучшения пускового момента без компрометирующая эффективность.

Приложения
Патенты Tesla заявляют, что устройство предназначено для использования жидкостей в качестве движущих агентов, в отличие от их применения для движения или сжатия жидкостей (хотя устройство также может использоваться для этих целей). По состоянию на 2016 год турбина Тесла не имела широкого коммерческого использования с момента ее изобретения. Тем не менее, насос Tesla был коммерчески доступен с 1982 года и используется для перекачивания жидкостей, которые являются абразивными, вязкими, чувствительными к сдвигу, содержат твердые вещества или иным образом трудно обрабатывать другими насосами. Сам Тесла не получил крупного контракта на производство. Главным недостатком его времени, как уже упоминалось, было плохое знание характеристик материалов и поведения при высоких температурах. Лучшая металлургия в тот день не могла предотвратить перемещение турбинных дисков и деформирование во время эксплуатации.

В 2003 году Скотт О’Хирэн получил патент на систему радиальных турбинных лопаток. Данное изобретение использует комбинацию понятий гладкой поверхности бегуна для фрикционного контакта рабочей текучей среды и лопастей, выступающих в осевом направлении из множества поперечных направляющих поверхностей.

Сегодня многие любительские эксперименты в полевых условиях были проведены с использованием турбин Tesla, которые используют сжатый воздух, пар в качестве источника энергии (пар, образующийся при нагревании от сжигания топлива, от турбонагнетателя транспортного средства или от солнечного излучения). Вопрос о деформации дисков был частично решен с использованием новых материалов, таких как углеродное волокно.

Одной из предложенных текущих приложений для устройства является отработанный насос, на заводах и мельницах, где обычно блокируются обычные лопастные турбинные насосы.

Турбины Тесла являются идеальными, по многим причинам, для вне сети, мини-паровой турбины, электрических станций генерации домашних животных и с некоторым опытом, могут быть довольно легко спроектированы любителями.

Применение турбины Тесла в качестве центробежного насоса с несколькими дисками принесло многообещающие результаты.
Биомедицинские инженерные исследования таких применений были продолжены в XXI веке.

В 2010 году американский патент 7,695,242 был выпущен Говарду Фуллеру для ветровой турбины на основе конструкции Tesla.

Эффективность и расчеты
Турбина Tesla имеет очень высокий теоретический урожай, около 92%, но на самом деле существует несколько конструктивных ограничений, которые конкурируют за снижение их общей производительности. Чтобы лучше прояснить эти ограничения, ниже приводится краткий список:

Диаметр ротора: его размер не должен быть отделен от физических характеристик жидкости, которая будет использоваться. Это ограничение означает, что теоретически можно определить оптимальный диаметр ротора: на самом деле слишком маленький ротор не может эффективно преобразовать всю кинетическую энергию, присутствующую во впрыскиваемой жидкости. С другой стороны, слишком большой ротор может создавать чрезмерный поток жидкости, что приводит к потере нагрузки. Не только это, но слишком большой диск трудно построить, и из-за высоких центробежных сил, которым он подвергается, максимальная скорость вращения будет ограничена.
Пространство между поверхностями дисков, составляющих ротор: например, для пара необходимо расстояние около 0,4 мм, тогда важно, чтобы диски имели минимальную толщину, это, очевидно, может быть проблемой для больших дисков, работающих при высоких скоростях вращения. На самом деле предотвращение возможности запуска колебаний в дисках является одной из основных проблем этой турбины. Считается, что трудность в сдерживании колебаний является основной причиной коммерческого отказа этого изобретения. Однако только в последние годы с новыми технологиями, которые часто производятся от турбореактивного двигателя, можно сделать более тонкие и жесткие диски с хорошей поверхностью, все элементы, которые могут способствовать повышению эффективности устройства.
Поверхностная обработка дисков: грубая поверхность диска может легко создавать вихри, снижающие эффективность турбины, поэтому важно, чтобы они были выполнены с гладкой и очень хорошо обработанной поверхностью.
Позиционирование и геометрия входного сопла: будучи турбиной Тесла — устройством, которое использует кинетическую энергию вводимой в него жидкости, характеристики сопла, которые приводят к высокой скорости и, следовательно, кинетической энергии, являются детерминантами, реализующими такие сопла без турбулентности особенно важны.
Геометрия входной кромки дисков: скорость жидкости, которая касается края диска, может быть сверхзвуковой, и поэтому в этой области могут быть созданы волны сжатия, которые могут генерировать потери и изменения в пути прохождения жидкости.
Размеры и геометрия выхлопных труб светятся: даже если на выходе из турбины скорость жидкости ниже, конструкция выхлопа имеет решающее значение, и даже на этой фазе может произойти вредная завихренность с последующими потерями; фактически поток является центростремительным (от периферии до центра диска), а затем осевым (выровненным с осью вращения); с вращающимися дисками на высокой скорости, перемещение вращающейся жидкости в осевом канале без турбулентности непросто.

Во времена Теслы эффективность обычных турбин была низкой, потому что турбины использовали систему прямого привода, которая сильно ограничивала потенциальную скорость турбины до того, что она двигала. Во время внедрения современные судовые турбины были массивными и включали в себя десятки или даже сотни этапов турбин, но при этом обеспечивали крайне низкую эффективность из-за их низкой скорости. Например, турбина на «Титанике» весила более 400 тонн, работала всего 165 оборотов в минуту и ​​использовала пар под давлением всего 6 фунтов на квадратный дюйм. Это ограничивало его уборку отработанного пара от основных электростанций, пару возвратно-поступательных паровых двигателей. Турбина Tesla также имела возможность работать на высокотемпературных газах, чем лопастные турбины того времени, что способствовало ее большей эффективности. В конце концов осевые турбины получили передачу, позволяющую им работать на более высоких скоростях, но эффективность осевых турбин оставалась очень низкой по сравнению с турбиной Тесла.

Со временем конкурирующие осевые турбины стали значительно более эффективными и мощными, вторая стадия редукторов была введена на большинстве ультрасовременных морских кораблей США 1930-х годов. Улучшение паровой технологии дало авианосцам ВМС США явное преимущество в скорости по сравнению с союзными и вражескими авианосцами, и поэтому доказанные осевые паровые турбины стали предпочтительной формой движения до тех пор, пока не произойдет эмбарго на нефть 1973 года. Нефтяной кризис заставил большинство новых гражданских судов превратиться в дизельные двигатели. К тому времени осевые паровые турбины по-прежнему не превышали 50% эффективности, поэтому гражданские суда решили использовать дизельные двигатели из-за их превосходной эффективности. К этому времени сравнительно эффективная турбина Тесла была старше 60 лет.

Конструкция Теслы попыталась обойти основные недостатки лопастных осевых турбин, и даже самые низкие оценки эффективности все же значительно превзошли эффективность осевых паровых турбин в день. Тем не менее, при испытаниях на более современные двигатели, Tesla Turbine имела эффективность расширения намного ниже современных паровых турбин и значительно ниже современных поршневых паровых двигателей. Он страдает от других проблем, таких как потери сдвига и ограничения потока, но это частично компенсируется относительно массовым снижением веса и объема. Некоторые из преимуществ турбины Tesla заключаются в относительно низких расходах или когда требуются небольшие приложения. Диски должны быть как можно меньше на краях, чтобы не создавать турбулентность, так как жидкость выходит из дисков. Это приводит к необходимости увеличения количества дисков при увеличении скорости потока. Максимальная эффективность достигается в этой системе, когда междисковое расстояние приближается к толщине пограничного слоя, а так как толщина пограничного слоя зависит от вязкости и давления, утверждение о том, что единая конструкция может эффективно использоваться для различных видов топлива и жидкостей, неверен. Турбина Тесла отличается от обычной турбины только механизмом, используемым для передачи энергии на вал. Различные анализы показывают, что скорость потока между дисками должна быть относительно низкой для поддержания эффективности. Сообщается, что эффективность турбины Тесла снижается с увеличением нагрузки. При легкой нагрузке спираль, перемещаемая жидкостью, движущейся от впуска к выхлопному трубопроводу, является плотной спиралью, подвергающейся большому количеству оборотов. При нагрузке число вращений падает, и спираль становится все короче. Это увеличит потери на сдвиг, а также уменьшит эффективность, потому что газ находится в контакте с дисками для меньшего расстояния.

Эффективность — это функция выходной мощности. Умеренная нагрузка обеспечивает высокую эффективность. Слишком тяжелая нагрузка увеличивает проскальзывание в турбине и снижает эффективность; при слишком малой нагрузке на выход подается небольшая мощность, что также снижает эффективность (до нуля на холостом ходу). Такое поведение не относится к турбинам Tesla.

Эффективность турбины газовой турбины Тесла оценивается выше 60, достигая максимума 95 процентов. Имейте в виду, что эффективность турбины отличается от эффективности цикла двигателя с использованием турбины. Осевые турбины, которые работают сегодня на паровых установках или реактивных двигателях, имеют эффективность около 60-70% (данные Siemens Turbines Data). Это отличается от эффективности цикла установки или двигателя, которые составляют приблизительно от 25% до 42%, и ограничены какой-либо необратимостью ниже эффективности цикла Карно. Тесла утверждал, что паровая версия его устройства достигнет 95-процентной эффективности. Фактические испытания паровой турбины Tesla на заводах Westinghouse показали скорость пара в 38 фунтов на лошадиную силу в час, что соответствует эффективности турбины в диапазоне 20%, в то время как современные паровые турбины часто могут обеспечить эффективность турбины более чем на 50%. Термодинамическая эффективность является мерой того, насколько хорошо она выполняется по сравнению с изоэнтропическим случаем. Это отношение идеального к фактическому рабочему вводу / выводу. Эффективность турбины определяется как отношение идеального изменения энтальпии к реальной энтальпии при одинаковом изменении давления.

В 1950-х годах Уоррен Райс попытался воссоздать эксперименты Теслы, но он не выполнял эти ранние тесты на насосе, построенном строго в соответствии с запатентованным дизайном Tesla (он, помимо прочего, не был многоступенчатой ​​турбиной Tesla, он имеет сопло Теслы). Рабочая жидкость экспериментальной одноступенчатой ​​системы Райса была воздухом. Испытательные турбины Райса, опубликованные в ранних отчетах, дали общую измеренную эффективность 36-41% за один этап. Ожидаются более высокие проценты, если они разработаны, как первоначально было предложено Tesla.

В своей заключительной работе с турбиной Тесла и опубликованной незадолго до его выхода на пенсию, Райс провела масштабный анализ модельного ламинарного потока в нескольких дисковых турбинах. Очень высокая претензия на эффективность ротора (в отличие от общей эффективности устройства) для этой конструкции была опубликована в 1991 году под названием «Tesla Turbomachinery». В этом документе говорится:

При правильном использовании аналитических результатов эффективность ротора с использованием ламинарного потока может быть очень высокой, даже выше 95%. Однако для достижения высокой эффективности ротора номер расхода должен быть малым, что означает, что эффективность высокого ротора достигается за счет использования большого количества дисков и, следовательно, физически большего ротора. Для каждого значения номера скорости потока оптимальное значение числа Рейнольдса для максимальной эффективности. При использовании обычных жидкостей требуемое расстояние между дисками является незначительным, что приводит к тому, что [роторы, использующие] ламинарный поток имеют тенденцию быть большими и тяжелыми для заданной скорости потока.

Были проведены обширные исследования жидких насосов типа Тесла с использованием роторов с ламинарным потоком. Было обнаружено, что общий КПД насоса был низким, даже когда эффективность ротора была высокой из-за потерь, возникающих на входе ротора и выше, упомянутого выше.

Современные многоступенчатые лопастные турбины обычно достигают 60-70% эффективности, в то время как большие паровые турбины часто демонстрируют эффективность турбины более 90% на практике. Также можно ожидать, что аналогичные роторные машины типа Tesla разумного размера с обычными жидкостями (пар, газ и вода) продемонстрируют эффективность вблизи 60-70% и, возможно, выше.

Любопытство
Модели турбины Tesla могут легко создавать модели турбин с использованием оптических дисков (компакт-дисков или компакт-дисков) для создания колеса, очевидно, с помощью вставленных прокладок и соответствующего центрального отверстия, полиметилметакрилата (плексигласа) или целой серии аналогов для корпуса и сопла , которые, среди прочего, имеют преимущество прозрачности и сжатый воздух под высоким давлением в качестве моторной жидкости.