Турбина Теслы — это безлопастная центростремительная турбина, изобретенная Николой Теслой в 1913 году. [1] Она функционирует так, как сопла наносят движущуюся жидкость на края набора дисков. Двигатель использует гладкие диски, вращающиеся в камере, для создания вращательного движения за счет обмена импульсом между жидкостью и дисками. Диски расположены в ориентации, похожей на стопку компакт-дисков на оси. [2]
Турбина Теслы использует эффект пограничного слоя вместо метода, применяемого в более традиционных турбинах, где жидкость воздействует на лопатки . Турбину Теслы также называют безлопастной турбиной , турбиной пограничного слоя , турбиной когезионного типа и турбиной слоя Прандтля. Последняя названа в честь Людвига Прандтля . Исследователи биоинженерии дополнительно называют турбину Теслы многодисковым центробежным насосом . [3] [4]
Одной из целей применения этой турбины Теслой было производство геотермальной энергии , которую он описал в своей работе «Наша будущая движущая сила» . [5]
В насосе радиальное или статическое давление, вызванное центробежной силой, добавляется к тангенциальному или динамическому, тем самым увеличивая эффективный напор и способствуя выталкиванию жидкости. В двигателе, напротив, первое названное давление, будучи противоположным давлению подачи, уменьшает эффективный напор и скорость радиального потока к центру. Опять же, в движущейся машине всегда желателен большой крутящий момент, что требует увеличения числа дисков и меньшего расстояния разделения, в то время как в движущей машине, по многочисленным экономическим причинам, вращательное усилие должно быть наименьшим, а скорость - наибольшей осуществимой.
— Никола Тесла [6]
В стандартных паровых турбинах пар должен давить на лопатки, чтобы ротор извлекал энергию из пара; лопатки должны быть тщательно ориентированы, чтобы минимизировать угол атаки к площади поверхности лопатки. Другими словами, в оптимальном режиме ориентация лопаток минимизирует угол (шаг лопаток), под которым пар ударяется о их поверхность, чтобы создать плавный поток пара и минимизировать турбулентность . Эта турбулентность уменьшает количество полезной энергии, которая может быть извлечена из входящего потока пара. [ необходима цитата ]
В турбине Теслы, учитывая, что нет лопаток, которые могли бы быть затронуты, механика сил реакции иная. Сила реакции на давление напора пара нарастает относительно быстро, в форме «пояса» давления пара по периферии турбины. Этот пояс наиболее плотный и нагнетаемый на периферии, поскольку его давление, когда ротор не находится под нагрузкой, будет не намного меньше (входящего) давления пара. В нормальном режиме работы это периферийное давление ограничивает поток входящего потока, и таким образом турбину Теслы можно назвать самоуправляемой. Когда ротор не находится под нагрузкой, относительные скорости между «спиралями сжатого пара» (SCS, пар, спирально вращающийся между дисками) и дисками минимальны. [ требуется цитата ]
Когда к турбине Теслы прикладывается нагрузка, вал замедляется; то есть скорость дисков относительно (движущейся) жидкости увеличивается, поскольку жидкость, по крайней мере изначально, сохраняет свой угловой момент. Например, в радиусе 10 см (3,9 дюйма), где при 9000 об/мин периферийные скорости дисков составляют 90 м/с (300 фут/с), когда на роторе нет нагрузки, диски движутся примерно с той же скоростью, что и жидкость, но когда ротор нагружен, относительная разность скоростей (между SCS и металлическими дисками) увеличивается, и при скорости ротора 45 м/с (150 фут/с) ротор имеет относительную скорость 45 м/с по отношению к SCS. Это динамическая среда, и эти скорости достигают этих значений в течение определенного промежутка времени, а не мгновенно. Здесь мы должны отметить, что жидкости начинают вести себя как твердые тела при высоких относительных скоростях, и в случае турбины Теслы мы также должны принять во внимание дополнительное давление. При этом давлении и относительной скорости по направлению к граням дисков пар должен начать вести себя как твердое тело (SCS), волочащееся по поверхностям дисков. Создаваемое «трение» может привести только к образованию дополнительного тепла непосредственно на диске и в SCS и будет наиболее выражено в периферийном слое, где относительная скорость между металлическими дисками и дисками SCS самая высокая. Это увеличение температуры из-за трения между дисками SCS и дисками турбины будет переведено в увеличение температуры SCS, и это приведет к расширению пара SCS и увеличению давления перпендикулярно металлическим дискам, а также радиально на оси вращения, и поэтому эта гидродинамическая модель, по-видимому, является положительной обратной связью для передачи более сильного «волочения» на металлические диски и, следовательно, увеличения крутящего момента на оси вращения. [ необходима цитата ]
Руководящим принципом разработки турбины Тесла является идея о том, что для достижения наивысшей эффективности изменения скорости и направления движения жидкости должны быть как можно более постепенными. [1] Поэтому движущая жидкость турбины Тесла движется по естественным путям, или линиям тока, наименьшего сопротивления.
Турбина Теслы состоит из набора гладких дисков с соплами , подающими движущуюся жидкость на край диска. Жидкость тянется по диску за счет вязкости и адгезии поверхностного слоя жидкости. По мере того, как жидкость замедляется и добавляет энергию к дискам, она по спирали попадает в центральный выхлоп. Поскольку ротор представляет собой простой диск, он более прочен и прост в изготовлении по сравнению с традиционной лопастной турбиной.
Тесла писал: [7]
Эта турбина является эффективным самозапускающимся первичным двигателем, который может работать как паровая или смешанная турбина по желанию, без изменений в конструкции, и поэтому очень удобен. Незначительные отклонения от турбины, которые могут быть продиктованы обстоятельствами в каждом случае, будут напрашиваться сами собой, но если она будет выполнена в этих общих чертах, то она будет признана весьма выгодной для владельцев паровой установки, позволяя при этом использовать их старую установку. Однако наилучшие экономические результаты при выработке энергии из пара турбиной Теслы будут получены на установках, специально приспособленных для этой цели.
Первоначально предлагались гладкие роторные диски, но они давали плохой пусковой крутящий момент. Впоследствии Тесла обнаружил, что гладкие роторные диски с небольшими шайбами, перекрывающими диски примерно в 12–24 местах по периметру 10-дюймового диска, и второе кольцо из 6–12 шайб на меньшем диаметре обеспечивали значительное улучшение пускового крутящего момента без ущерба для эффективности.
Во времена Теслы эффективность обычных турбин была низкой, поскольку турбины использовали систему прямого привода , которая серьезно ограничивала потенциальную полезную выходную скорость турбины. Во время появления судовые турбины были огромными и включали десятки или даже сотни ступеней турбин, но при этом имели крайне низкую эффективность из-за своей низкой скорости. Например, турбина на «Олимпике» и « Титанике» весила более 400 тонн, работала всего 165 об/мин и использовала пар под давлением всего 6 фунтов на квадратный дюйм . Это ограничивало ее сбором отработанного пара из главных силовых установок, пары поршневых паровых двигателей. [8] Турбина Теслы могла работать на более высокотемпературных газах, чем лопастные турбины того времени, что способствовало ее большей эффективности. В конце концов, осевые турбины получили зубчатую передачу, позволяющую им работать на более высоких скоростях, но эффективность осевых турбин оставалась очень низкой по сравнению с турбиной Теслы.
Дальнейшие усовершенствования привели к значительно более эффективным и мощным осевым турбинам, и вторая ступень редукторов была введена в большинстве передовых военных кораблей США 1930-х годов. Улучшение паровой технологии дало авианосцам ВМС США явное преимущество в скорости над авианосцами как союзников, так и противника, и поэтому проверенные осевые паровые турбины стали предпочтительной формой движения до нефтяного кризиса 1973 года , который заставил большинство новых гражданских судов перейти на дизельные двигатели. К тому времени осевые паровые турбины все еще не превысили 50% эффективности, и поэтому гражданские суда предпочли использовать дизельные двигатели из-за их превосходной эффективности. [9] К этому времени сравнительно эффективной турбине Тесла было уже более 60 лет.
Конструкция Теслы пыталась обойти ключевые недостатки лопастных осевых турбин, и даже самые низкие оценки эффективности все еще значительно превосходили эффективность осевых паровых турбин того времени. Однако при тестировании с более современными двигателями турбина Теслы имела эффективность расширения намного ниже современных паровых турбин и намного ниже современных поршневых паровых двигателей. Она также страдает от других проблем, таких как потери на сдвиг и ограничения потока, но это частично компенсируется относительно значительным уменьшением веса и объема. Некоторые из преимуществ турбины Теслы заключаются в приложениях с относительно низким расходом или когда требуются небольшие размеры. Диски должны быть как можно тоньше по краям, чтобы не вносить турбулентность, когда жидкость покидает диски. Это приводит к необходимости увеличения количества дисков по мере увеличения расхода. Максимальная эффективность достигается в этой системе, когда междисковое расстояние приближается к толщине пограничного слоя , а поскольку толщина пограничного слоя зависит от вязкости и давления, утверждение о том, что одна конструкция может эффективно использоваться для различных видов топлива и жидкостей, неверно. Турбина Тесла отличается от обычной турбины только механизмом, используемым для передачи энергии на вал. Различные анализы показывают, что скорость потока между дисками должна поддерживаться относительно низкой для поддержания эффективности. Как сообщается, эффективность турбины Тесла снижается с увеличением нагрузки. При небольшой нагрузке спираль, принимаемая жидкостью, движущейся от впуска к выпуску, является плотной, претерпевая много оборотов. Под нагрузкой количество оборотов падает, и спираль становится постепенно короче. [ необходима цитата ] Это увеличит потери на сдвиг, а также снизит эффективность, поскольку газ контактирует с дисками на меньшем расстоянии.
Эффективность турбины (определяемая как отношение идеального изменения энтальпии к реальной энтальпии для того же изменения давления [ необходима цитата ] ) газовой турбины Теслы оценивается выше 60%. [ необходима цитата ] Эффективность турбины отличается от эффективности цикла двигателя, использующего турбину. Осевые турбины, которые сегодня работают в паровых установках или реактивных двигателях, имеют эффективность более 90%. [10] Это отличается от эффективности цикла установки или двигателя, которая составляет приблизительно от 25% до 42% и ограничена любой необратимостью, чтобы быть ниже эффективности цикла Карно . Тесла утверждал, что паровая версия его устройства достигнет эффективности около 95%. [11] [12] Термодинамическая эффективность является мерой того, насколько хорошо она работает по сравнению с изоэнтропическим случаем . Это отношение идеальной к фактической работе на входе/выходе.
В 1950-х годах Уоррен Райс попытался воссоздать эксперименты Теслы, но он не проводил эти ранние испытания на насосе, построенном строго в соответствии с запатентованной конструкцией Теслы (он, помимо прочего, не был многоступенчатой турбиной Теслы и не обладал соплом Теслы). [13] Рабочим телом экспериментальной одноступенчатой системы Райса был воздух. Тестовые турбины Райса, как было опубликовано в ранних отчетах, давали общую измеренную эффективность 36–41% для одной ступени . [13] Более высокую эффективность можно было бы ожидать, если бы она была спроектирована так, как изначально предлагал Тесла.
В своей последней работе с турбиной Теслы, опубликованной как раз перед его выходом на пенсию, Райс провел анализ объемных параметров модельного ламинарного потока в многодисковых турбинах. Очень высокое заявление об эффективности ротора (в отличие от общей эффективности устройства) для этой конструкции было опубликовано в 1991 году под названием «Турбомашины Теслы». [14] В этой статье 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 число расхода должно быть сделано малым, что означает, что высокая эффективность ротора достигается за счет использования большого количества дисков и, следовательно, физически большего ротора. Для каждого значения числа расхода существует оптимальное значение числа Рейнольдса для максимальной эффективности. С обычными жидкостями требуемое расстояние между дисками удручающе мало, в результате чего [роторы, использующие] ламинарный поток, имеют тенденцию быть большими и тяжелыми для заданной скорости потока.
Были проведены обширные исследования жидкостных насосов типа Тесла с использованием роторов с ламинарным потоком. Было обнаружено, что общая эффективность насоса была низкой даже при высокой эффективности ротора из-за потерь, возникающих на входе и выходе ротора, о которых упоминалось ранее.
— [15] : 4
Современные многоступенчатые лопастные турбины обычно достигают эффективности 60–70%, в то время как крупные паровые турбины часто показывают эффективность турбины более 90% на практике. Машины типа Тесла с ротором- спиралью разумного размера с обычными жидкостями (пар, газ и вода) также, как ожидается, покажут эффективность около 60–70% и, возможно, выше. [15]
В патентах Теслы указано, что устройство было предназначено для использования жидкостей в качестве движущих агентов, в отличие от движения или сжатия жидкостей (хотя его также можно использовать для этих целей). По состоянию на 2016 год турбина Теслы не получила широкого коммерческого применения. Однако насос Теслы был коммерчески доступен с 1982 года [16] и использовался для перекачивания абразивных, вязких, чувствительных к сдвигу, содержащих твердые частицы или иным образом сложных для обработки другими насосами жидкостей. Сам Тесла не получил крупного контракта на производство. Главным недостатком было плохое знание характеристик материалов и поведения при высоких температурах . Лучшая металлургия того времени не могла предотвратить недопустимое перемещение и деформацию дисков турбины во время работы.
Было проведено множество любительских экспериментов с использованием турбин Тесла с сжатым воздухом или паром в качестве источника энергии . Деформация диска была уменьшена за счет использования новых материалов, таких как углеродное волокно.
Одним из предлагаемых вариантов применения устройства является насос для перекачки отходов на заводах и фабриках, где обычные турбинные насосы лопастного типа обычно засоряются.
Применение турбины Теслы в качестве многодискового центробежного насоса для перекачки крови дало многообещающие результаты благодаря низкому пиковому усилию сдвига. [17] Исследования в области биомедицинской инженерии в таких областях применения продолжаются и в 21 веке. [18]
Устройство функционирует как насос, если используется аналогичный набор дисков и корпус с эвольвентной формой (в отличие от круглой для турбины). В этой конфигурации двигатель прикреплен к валу. Жидкость поступает около центра, возбуждается дисками и выходит на периферии. Турбина Теслы не использует трение в обычном смысле, а вместо этого использует адгезию ( эффект Коанда ) и вязкость . Она использует эффект пограничного слоя на лопатках диска.
Турбина была запатентована Николой Теслой 21 октября 1913 года. [1] Это был его 100-й патент. [19]
