Турбина Тесла

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Турбина Тесла в Музее Николы Теслы.
Турбина Тесла

Турбина Тесла — безлопастная центростремительная турбина, запатентованная Николой Тесла в 1913 году. Её часто называют безлопастной турбиной, поскольку в ней используется эффект пограничного слоя, а не давление жидкости или пара на лопатки, как в традиционной турбине. Турбина Тесла также известна как турбина пограничного слоя и турбина слоя Прандтля (в честь Людвига Прандтля). Учёные-биоинженеры называют её многодисковым центробежным насосом[1][2]. Одним из желаемых применений данной турбины Тесла видел в геотермальной энергетике, описанной в книге «Our Future Motive Power»[3].

Принцип действия, достоинства и недостатки[править | править вики-текст]

Во времена Теслы КПД традиционных турбин был низок, так как не было аэродинамической теории, необходимой для создания эффективных лопаток, а низкое качество материалов для лопаток накладывало серьезные ограничения на рабочие скорости и температуры. КПД традиционной турбины связан с разностью давлений на входе и выходе. Для достижения более высокой разности давлений используются горячие газы, такие, например, как перегретый пар в паровых турбинах и продукты сгорания топлива в газовых, поэтому для достижения высокого КПД необходимы жаропрочные материалы. Если турбина использует газ, который при комнатной температуре становится жидкостью, то можно на выходе использовать конденсатор, чтобы увеличить разность давлений.

Турбина Тесла отличается от традиционной турбины механизмом передачи энергии на вал. Она состоит из набора гладких дисков и форсунок, направляющих рабочий газ к краю диска. Газ вращает диск посредством адгезии пограничного слоя и вязкого трения и замедляется, вращаясь по спирали.

Турбина Тесла не имеет лопаток и возникающих из-за них недостатков: ротор не имеет выступов и потому прочен. Тем не менее, у неё имеются динамические потери и ограничения на скорость потока. Небольшой поток (нагрузка) дает высокий КПД, а сильный поток увеличивает потери в турбине и снижает его, что, однако, характерно не только для турбины Тесла.

Диски должны быть очень тонкими по краям, чтобы не создавать турбулентность в рабочем теле. Это приводит к необходимости увеличения числа дисков при увеличении скорости потока. Максимальный КПД этой системы достигается, когда междисковое расстояние приблизительно равно толщине пограничного слоя. Поскольку толщина пограничного слоя зависит от вязкости и давления, утверждение, что один и тот же проект турбины может эффективно использоваться для различных жидкостей и газов, является некорректным.

Исследования показывают[4], что для поддержания высокого КПД скорость потока между дисками должна поддерживаться на относительно низком уровне. При слабом потоке траектория протекания рабочего тела от входа в турбину к выходу имеет много витков. При сильном потоке число оборотов спирали падает, и она становится короче, что снижает КПД, потому что газ (жидкость) меньше контактирует с дисками, а значит, передает меньше энергии.

КПД газовой турбины Тесла составляет выше 60% и достигает более 95%. Но не стоит путать турбинный КПД с общим КПД двигателя, который использует данную турбину. Осевые турбины, которые сейчас используются в паровых установках и реактивных двигателях, имеют КПД около 60-70% и ограничен величиной КПД соответствующего цикла Карно, а для силовой установки он достигает лишь 25-42%. Тесла утверждал, что паровая версия его турбины может достигать 95%.[5][6] Натурные испытания паровой турбины Тесла на заводах Westinghouse показали паровую мощность в 38 фунтов на лошадиную силу в час, соответствующую КПД турбины в диапазоне 20%.

В 1950-х годах Уоррен Райс попытался повторить эксперименты Тесла, но он проводил их не на турбине, построенной в строгом соответствии с запатентованным Теслой образцом.[7] Райс экспериментировал с однодисковой воздушной системой. Тестируемая турбина Райса показала эффективность 36-41% при использовании одного диска.[7] Более высокая эффективность должна достигаться при использовании дизайна Тесла.

В своей последней работе с турбиной Тесла Райс провел масштабный анализ модели ламинарного потока в многодисковой турбине. Очень сильное утверждение для эффективности турбины (в отличие от эффективности прибора в целом) для этой конструкции был опубликован в 1991 году под названием «Турбомашина Тесла».[8] В статье сказано:

«

При правильном использовании аналитических результатов эффективность турбины при использовании ламинарного потока может быть очень высокой, даже выше 95%. Однако, чтобы добиться высокой эффективности турбины, скорость потока должна быть небольшой, что означает, что большая эффективность турбины достигается за счет использования большого числа дисков и, следовательно, физически большой турбины.[9]

»

Современная многоступенчатая лопастная турбина обычно достигают эффективности 60-70%, в то время как большие паровые турбины часто показывают турбинную эффективность более 90% на практике. Спиральный ротор подходящий для турбины Тесла разумного размера для обычных жидкостей (пара, газа, воды), как ожидается, должен показать эффективность в районе 60-70%, а возможно и выше.[9]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. (1993) «July). Evaluation of a multiple disk centrifugal pump as an artificial ventricle». Artificial Organs 17 (7): 590–592. DOI:10.1111/j.1525-1594.1993.tb00599.x. PMID 8338431.
  2. (1999) «June). Analysis of optimal design configurations for a multiple disk centrifugal blood pump». Artificial Organs 23 (6): 559–565. DOI:10.1046/j.1525-1594.1999.06403.x. PMID 10392285.
  3. Nikola Tesla, "Our Future Motive Power".
  4. источники не указаны
  5. Stearns, E. F., "The Tesla Turbine". Popular Mechanics, December 1911. (Lindsay Publications)
  6. Andrew Lee Aquila, Prahallad Lakshmi Iyengar, and Patrick Hyun Paik, "The Multi-disciplinary Fields of Tesla; bladeless turbine". nuc.berkeley.edu.
  7. 1 2 "Debunking the Debunker, Don Lancaster Again Puts His Foot In", Tesla Engine Builders Association.
  8. "Interesting facts about Tesla" Q&A: I've heard stories about the Tesla turbine that cite a figure of 95% efficiency. Do you have any information regarding this claim? And, why haven't these devices been utilized in the mainstream?. Twenty First Century Books.
  9. 1 2 Rice, Warren, "Tesla Turbomachinery". Conference Proceedings of the IV International Tesla Symposium, September 22–25, 1991. Serbian Academy of Sciences and Arts, Belgrade, Yugoslavia. (PDF)