Войти
Турбина Тесла в Музей Николы Тесла Турбина Тесла представляет собой центростремительный поток без лопастей турбина запатентована Никола Тесла в 1913 году. Она упоминается как безлопастная турбина. Турбина Тесла также известна как турбина пограничного слоя, турбина когезионного типа и турбина слоя Прандтля (после Людвига Прандтля ), потому что в ней используется эффект пограничного слоя, а не жидкость, попадающая на лопатки, как в обычной турбине. Исследователи в области биоинженерии назвали его многодисковым центробежным насосом. Одним из желаний Tesla по реализации этой турбины было геотермальная энергия, которая была описана в Наша будущая движущая сила.
Основная идея при разработке турбины Тесла заключается в том, чтобы Для достижения максимальной эффективности изменения скорости и направления движения жидкости должны быть как можно более постепенными. Следовательно, рабочая жидкость турбины Тесла движется естественным путем или по линиям тока наименьшего сопротивления.
Турбина Тесла состоит из набора гладких дисков с форсунками, подающими движущуюся жидкость на край диска. Жидкость увлекается диском за счет вязкости и адгезии поверхностного слоя жидкости. Когда жидкость замедляется и добавляет энергию дискам, она по спирали попадает в центральный выхлоп. Поскольку ротор не имеет выступов, он очень прочный.
Тесла писал: «Эта турбина представляет собой эффективный самозапускающийся первичный двигатель, который по желанию может работать как паровая или смешанная жидкостная турбина без изменений конструкции, и поэтому она очень удобна. Незначительные отклонения от турбина, что может быть продиктовано обстоятельствами в каждом конкретном случае, очевидно, напрашивается сама собой, но если она будет реализована на этих общих линиях, она будет сочтена очень прибыльной для владельцев паровой установки, при этом разрешая использование их старой установки., наилучшие экономические результаты при выработке энергии из пара с помощью турбины Тесла будут получены на установках, специально адаптированных для этой цели ».
Вид на турбинную систему Тесла 
Вид на турбину Тесла« без лопаток », конструкция Устройство может работать как насос, если используются аналогичный набор дисков и корпус с эвольвентной формой (в отличие от круглой для турбины). В этой конфигурации к валу прикреплен двигатель. Жидкость входит около центра, получает энергию от дисков, а затем выходит на периферии. Турбина Тесла не использует трение в обычном смысле слова; именно он избегает этого и вместо этого использует адгезию (эффект Коанда ) и вязкость. Он использует эффект пограничного слоя на лезвиях диска.
Первоначально предлагались гладкие диски ротора, но они давали плохой пусковой момент. Впоследствии Тесла обнаружил, что гладкие диски ротора с небольшими шайбами, перекрывающими диски в ~ 12–24 местах по периметру 10-дюймового диска, и второе кольцо из 6–12 шайб на меньшем диаметре, значительно улучшили пусковой крутящий момент без снижение эффективности.
В патентах Tesla указано, что устройство было предназначено для использования жидкостей в качестве движущих сил, в отличие от их применения для движения или сжатие жидкостей (хотя устройство можно использовать и для этих целей). По состоянию на 2016 год турбина Tesla не получила широкого коммерческого использования с момента своего изобретения. Однако насос Tesla коммерчески доступен с 1982 года и используется для перекачивания абразивных, вязких, чувствительных к сдвигу жидкостей, содержащих твердые частицы или с которыми трудно работать с другими насосами. Сам Тесла не добился крупного контракта на производство. Как уже упоминалось, главным недостатком в его время было плохое знание характеристик материалов и поведения при высоких температурах. Лучшая металлургия того времени не могла предотвратить недопустимое перемещение и коробление дисков турбины во время работы.
Сегодня многие любительские эксперименты в этой области были проведены с использованием турбин Тесла, которые используют сжатый воздух или пар в качестве источника энергии (пар, генерируемый с помощью тепла от сгорания топлива, от турбокомпрессора транспортного средства или от солнечного излучения ). Проблема коробления дисков была частично решена с использованием новых материалов, таких как углеродное волокно.
Одно из предлагаемых в настоящее время приложений для устройства - это сливной насос на заводах и заводах, где обычно блокируются обычные лопастные -типы турбинные насосы..
Применение турбины Тесла в качестве многодискового центробежного насоса для крови дало многообещающие результаты из-за низкого пикового усилия сдвига.. Биомедицинская инженерия исследования такие приложения были продолжены в 21 веке.
В 2010 году США Патент 7695242 был выдан Говарду Фуллеру на ветряную турбину, основанную на конструкции Теслы.
Во времена Теслы эффективность обычных турбин был низким, потому что в турбинах использовалась система прямого привода, которая сильно ограничивала потенциальную скорость турбины тем, что она двигала. На момент внедрения современные судовые турбины были массивными и включали десятки или даже сотни ступеней турбин, но обеспечивали чрезвычайно низкий КПД из-за своей низкой скорости. Например, турбина на Титанике весила более 400 тонн, работала со скоростью всего 165 об / мин и использовала пар под давлением всего 6 фунтов на квадратный дюйм. Это ограничивалось сбором отработанного пара от главных электростанций - пары поршневых паровых машин. Турбина Тесла также могла работать на газах с более высокой температурой, чем лопастные турбины того времени, что способствовало ее большей эффективности. В конце концов, осевые турбины получили зубчатую передачу, чтобы они могли 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 ступень редукторов была введена на большинстве современных военно-морских кораблей США 1930-х годов. Усовершенствование паровых технологий дало авианосцам ВМС США явное преимущество в скорости над авианосцами как союзников, так и противника, и поэтому проверенные осевые паровые турбины стали предпочтительной формой двигателя до тех пор, пока не было введено нефтяное эмбарго 1973 года. Нефтяной кризис заставил большинство новых гражданских судов перейти на дизельные двигатели. К тому времени эффективность осевых паровых турбин еще не превышала 50%, поэтому гражданские корабли предпочитали использовать дизельные двигатели из-за их превосходной эффективности. К этому времени сравнительно эффективной турбине Тесла исполнилось более 60 лет.
В конструкции Теслы была предпринята попытка обойти ключевые недостатки осевых турбин с лопастями, и даже самые низкие оценки эффективности по-прежнему значительно превосходили эффективность осевых паровых турбин того времени. Однако при тестировании с более современными двигателями эффективность расширения Tesla Turbine была намного ниже, чем у современных паровых турбин, и намного ниже современных поршневых паровых двигателей. Он действительно 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 Тесла заключаются в применении с относительно низким расходом или когда требуются небольшие приложения. Диски должны быть как можно более тонкими по краям, чтобы не создавать турбулентности при выходе жидкости из дисков. Это означает необходимость увеличения количества дисков по мере увеличения скорости потока. Максимальная эффективность достигается в этой системе, когда расстояние между дисками приблизительно равно толщине пограничного слоя, а поскольку толщина пограничного слоя зависит от вязкости и давления, утверждение, что единая конструкция может эффективно использоваться для различных видов топлива и жидкостей, является неверно. Турбина Тесла отличается от обычной турбины только механизмом передачи энергии валу. Различные анализы демонстрируют, что скорость потока между дисками должна быть относительно низкой для поддержания эффективности. Сообщается, что эффективность турбины Tesla падает с увеличением нагрузки. При небольшой нагрузке спираль, принимаемая жидкостью, движущейся от впуска к выпуску, представляет собой плотную спираль, совершающую множество вращений. Под нагрузкой количество оборотов уменьшается, и спираль становится все короче. Это увеличит потери на сдвиг, а также снизит эффективность, поскольку газ контактирует с дисками на меньшем расстоянии.
Эффективность зависит от выходной мощности. Умеренная нагрузка обеспечивает высокую эффективность. Слишком большая нагрузка увеличивает скольжение турбины и снижает КПД; при слишком малой нагрузке на выход подается небольшая мощность, что также снижает КПД (до нуля на холостом ходу). Такое поведение характерно не только для турбин Tesla.
Мощность газовой турбины Тесла оценивается выше 60, достигая максимума 95 процентов. Имейте в виду, что КПД турбины отличается от КПД двигателя, использующего турбину. Осевые турбины, которые сегодня работают в паровых установках или реактивных двигателях, имеют КПД более 90%. Это отличается от КПД цикла установки или двигателя, который составляет приблизительно от 25% до 42%, и ограничен любыми необратимыми факторами, чтобы быть ниже КПД цикла Карно. Тесла утверждал, что паровая версия его устройства обеспечит эффективность около 95 процентов. Фактические испытания паровой турбины Tesla на заводе Westinghouse показали расход пара 38 фунтов на лошадиных сил в час, что соответствует КПД турбины в диапазоне 90%, в то время как современные паровые турбины часто могут достигать КПД турбины. более 50%. термодинамический КПД - это мера того, насколько хорошо он работает по сравнению с изэнтропическим случаем. Это отношение идеального ввода / вывода к фактической работе. Эффективность турбины определяется как отношение идеального изменения энтальпии к реальной энтальпии для того же изменения давления.
В 1950-х годах пытались воссоздать эксперименты Теслы, но он это сделал. не проводить эти ранние испытания на насосе, построенном в строгом соответствии с запатентованной конструкцией Tesla (среди прочего, это не была многоступенчатая турбина Tesla и не было сопла Tesla). Рабочей жидкостью экспериментальной одноступенчатой системы Райса был воздух. Испытательные турбины Райса, опубликованные в ранних отчетах, дали общий измеренный КПД 36–41% для одной ступени. Можно было бы ожидать более высокой эффективности, если бы он был спроектирован так, как изначально предлагал Tesla.
В своей последней работе с турбиной Тесла, опубликованной незадолго до выхода на пенсию, Райс провел анализ объемных параметров модели ламинарного потока в многодисковых турбинах. Очень высокие требования к эффективности ротора (в отличие от общей эффективности устройства) для этой конструкции были опубликованы в 1991 году под названием «Tesla Turbomachinery». В этом документе говорится:
При правильном использовании результатов анализа эффективность ротора при использовании ламинарного потока может быть очень высокой, даже выше 95%. Однако для достижения высокого КПД ротора расход должен быть небольшим, что означает, что высокий КПД ротора достигается за счет использования большого количества дисков и, следовательно, ротора большего размера. Для каждого значения числа расхода существует оптимальное значение числа Рейнольдса для максимальной эффективности. При использовании обычных жидкостей требуемое расстояние между дисками ужасно мало, из-за чего [роторы, использующие] ламинарный поток, как правило, становятся большими и тяжелыми при заданной скорости потока. Были проведены обширные исследования жидкостных насосов типа Тесла с использованием роторов с ламинарным потоком. Было обнаружено, что общий КПД насоса был низким даже при высоком КПД ротора из-за потерь, возникающих на входе и выходе ротора, о которых говорилось ранее.
Современные многоступенчатые лопаточные турбины обычно достигают КПД 60–70%, в то время как большие паровые турбины часто демонстрируют на практике КПД турбины более 90%. Ротор со спиральной головкой, подобранный к машинам типа Тесла разумного размера с обычными жидкостями (пар, газ и вода), также, как ожидается, покажет КПД около 60–70% и, возможно, выше.
В насосе радиальное или статическое давление, обусловленное центробежной силой, добавляется к тангенциальному или динамическому (давлению), таким образом увеличивая эффективный напор и способствуя вытеснению жидкость. В двигателе, напротив, первое указанное давление, противоположное давлению подачи, снижает эффективный напор и скорость радиального потока к центру. Опять же, для движущейся машины всегда желателен большой крутящий момент, для чего требуется увеличенное количество дисков и меньшее расстояние разделения, в то время как в движущей машине по многочисленным экономическим причинам вращательное усилие должно быть наименьшим, а скорость - максимально возможной..
— ТеслаДавайте теперь исследуем турбину Тесла (TT), а вскоре и технически каждую паровую турбину с лопастями (BST) в первую очередь, в отношении 3-го закона Ньютона (N3LM).
В стандартном BST пар должен давить на лопасти, чтобы ротор извлекал энергию из скорости пара из-за разницы между относительной скоростью пара и лопастей. В BST лопатки должны быть тщательно ориентированы в оптимальном режиме работы турбины таким образом, чтобы минимизировать угол атаки пара на площадь поверхности лопаток. По их словам, в оптимальном режиме ориентация лопастей пытается минимизировать угол, под которым пар сталкивается с их площадью поверхности, чтобы создать плавный поток пара, без каких-либо так называемых «завихрений» и попытаться минимизировать турбулентность.. Именно эти водовороты создаются в соответствии с N3LM или в ответ на воздействие пара (хотя угол минимизирован при оптимальной скорости турбины) на поверхность лопастей. В этой динамике, во-первых, водовороты теряют полезную энергию, которая может быть извлечена из системы, а во-вторых, поскольку они находятся в противоположном направлении, они вычитаются из энергии входящего потока пара.
В ТТ, учитывая, что нет лезвий, на которые можно воздействовать, каков механизм материализации этой энергии реакции? Сила противодействия давлению парового напора относительно быстро нарастает в виде «пояса» давления пара по периферии турбины. Эта лента наиболее плотная и находится под давлением на периферии, поскольку ее давление, когда ротор не находится под нагрузкой, будет не намного меньше, чем давление (входящего) пара. В нормальном рабочем режиме это периферийное давление, как заметил Тесла, играет роль BEMF (обратная электродвижущая сила), ограничивая поток входящего потока, и, таким образом, можно сказать, что TT саморегулируется. Когда ротор не находится под нагрузкой, относительные скорости между «спиралями сжатого пара» (SCS, пар, вращающийся по спирали между дисками) и дисками минимальны.
Когда к валу TT прилагается нагрузка, он замедляется, то есть относительная скорость дисков по отношению к (движущейся) жидкости увеличивается, поскольку жидкость, по крайней мере вначале, сохраняет свой собственный импульс. Например, мы можем взять радиус 10 см (3,9 дюйма), где при 9000 об / мин скорость периферийных дисков составляет 90 м / с (300 футов / с), когда на ротор нет нагрузки, диски перемещаются примерно с той же скоростью. скорость с жидкостью, но когда ротор загружен, относительная разность скоростей (между SCS и металлическими дисками) увеличивается, и скорость ротора 45 м / с (150 футов / с) имеет относительную скорость 45 м / с по отношению к SCS. Это динамическая среда, и эти скорости достигают этих значений с течением времени, а не мгновенно. Здесь мы должны отметить, что жидкости начинают вести себя как твердые тела при высоких относительных скоростях, и в случае TT, мы также должны учитывать дополнительное давление. В старой литературе о паровых котлах говорится, что пар с высокой скоростью, возникающий из источника высокого давления, режет сталь, как «нож режет масло». Согласно логике, это давление и относительная скорость по направлению к граням дисков, пар должен начать вести себя как твердое тело (SCS), волочащееся по металлическим поверхностям дисков. Создаваемое «трение» может привести только к генерации дополнительного тепла непосредственно на диске и в SCS, и будет наиболее выражено в периферийном слое, где относительная скорость между металлическими дисками и дисками SCS наиболее высока. Это повышение температуры из-за трения между дисками SCS и дисками турбины будет преобразовано в повышение температуры SCS, что приведет к расширению пара SCS и увеличению давления перпендикулярно к металлическим дискам, а также в радиальном направлении. ось вращения (SCS пытается расшириться, чтобы поглотить дополнительную тепловую энергию), и поэтому эта гидродинамическая модель, по-видимому, является положительной обратной связью для передачи более сильного «затягивания» металлических дисков и, следовательно, увеличения крутящего момента на оси вращения.
Эта динамика, по-видимому, является производной от того, что прокомментировал Тесла, и, хотя он не упоминает об этом, это логичный следующий шаг для довольно упрощенного объяснения термодинамики в системе.
Tesla
Другое
 | На Викискладе есть материалы, связанные с Турбины Tesla. |
