Teslova turbina

Teslova turbina brez rezila

Nikola Tesla je bil eden najbolj inovativnih in ekscentričnih izumiteljev na svetu, ki je najbolj znan po tem, da je v svet pripeljal elektriko po sistemu izmeničnega toka. [1] Zahvaljujoč njemu imamo vsi izmenični tok, ki deluje varno v naših domovih in pisarnah s katerim napajamo razne električne naprave.

Med njegovimi manj znanimi izumi je turbina brez rezila – sicer znana kot Teslova turbina, ki jo je patentiral leta 1913. Verjel je, da bo imela turbina ne le višjo učinkovitost, ampak tudi nižje proizvodne stroške v primerjavi z drugimi turbinami, ki so takrat bile na voljo. [2]

Teslina turbina se od tipičnih turbin razlikuje po tem, da namesto ukrivljenih lopatic, kot pri vetrnicah, uporablja gladke, vzporedne diske, ki so enakomerno razporejeni po gredi, na primer CD-je, nameščene vzdolž palice.

Da bo jasno, Nikola Tesla ni izumil turbine brez rezila, ki je v patentni obliki obstajala od leta 1832 v Evropi. Vendar pa je Teslina turbina, poimenovana po slavnem srbsko-ameriškem izumitelju, uspela vnesti razum v to, kar je bil le koncept, nato pa je zgradila več delovnih prototipov.

Rezultat je bila turbina brez rezila, ki je delovala pri visokih hitrostih, je bila reverzibilna in je lahko delovala na več načinov. Lahko bi deloval kot črpalka, kompresor, turbina in celo kot motor z notranjim zgorevanjem. Njegova stopnja učinkovitosti presega teoretično mejo batnih motorjev, vendar ni tako razširjena kot oni.

Teslina turbina prinaša tudi žalostno zgodbo: ustvaril je delujoč prototip, ki je dosegel 9.000 vrtljajev na minuto in ustvaril 200 konjskih moči, kar je bilo preizkušeno v New York Edison Company.

Na žalost so nekateri inženirji, prisotni na preskušanju, trdili, da je šlo za neuspeh, potem ko niso razumeli izuma, velika elektrotehnična podjetja tistega časa pa so že veliko vlagala v lopatice.

Teslova turbina
Slika 1: Teslova turbina

Kako deluje Teslova turbina

Skica teslove turbine
Slika 2: Diagram Teslove turbine: A) Pretok tekočine povzroči vrtenje diskov in gredi, kar ustvarja energijo. B) Začetni tok tekočine je tangenten do diskov. C) Smer spirale tekočine proti sredini med dvema diskoma in izstopa skozi osrednje odzračevalne luknje (osrednje odzračevalne luknje niso prikazane). (Vir: “Wikipedia Commons“.)

Turbine delujejo s pretvorbo kinetične energije tekočine v drugo obliko energije. V vetrni turbini veter povzroči vrtenje lopatic. Rezila nato vrtijo generator, ki pretvarja rotacijsko energijo v električno. V Teslini turbini se gladki diski vrtijo za ustvarjanje energije (slika 2A), v nasprotju z lopaticami v vetrni turbini.

Kar povzroči, da se diski vrtijo, je izmenjava zagona med tekočino in diski. Tok tekočine (zrak, voda itd.) Se tangencialno pošlje med diske (slika 2B). Molekule tekočine, ki je najbližje disku, bodo medsebojno delovale z molekulami kovine in se v bistvu oprijele površine. Tako nastane teoretično stacionarna plast, imenovana mejna plast.

Zgornjo plast (drugo plast) bodo upočasnile molekule mejne plasti (prva plast), tretjo plast pa druga plast itd. Količina upočasnitve se zmanjšuje iz plasti v plast, zato so plasti bližje plošči počasnejše od tistih neposredno med obema ploščama. Tako nastane nekaj, kar se imenuje laminarni tok, pri katerem tekočina teče v vzporednih plasteh brez turbulenc (slika 3).

Hitrejše premikanje višjih plasti ob počasnejšem premikanju spodnjih plasti ustvarja upor viskoznih strižnih sil. To povzroči, da se spodnje plasti vlečejo skupaj s hitrejšimi višjimi plastmi, kar na koncu povzroči vrtenje diskov. Tekočina se spira proti sredini od zunanjega roba diska do osrednjih odprtin za odzračevanje (slika 2C). [3]

Težave

Čeprav je Tesla predvidel do 97% učinkovitost porabe energije z njegovo turbino, je zaradi pomanjkljivosti dejasnka učinkovitosti bila okrog 40%. Warren Rice, zaslužni profesor na državni univerzi v Arizoni, je opravil obsežno delo na turbini Tesla in navedel več težav s turbino. Prvič, “da bi dosegli visoko učinkovitost rotorja, je treba število pretokov zmanjšati, kar pomeni, da je visoka učinkovitost rotorja dosežena na račun uporabe velikega števila diskov in s tem fizično velikega rotorja.” Poleg tega je “pri običajnih tekočinah zahtevani razmik med diski grozljivo majhen, zaradi česar so laminarni rotorji običajno veliki in težki za predpisano stopnjo pretoka.” Izjavil je tudi, da so izgube v toku pretoka tekočine, ki vstopa in izstopa iz rotorja. Tudi če je rotor popolnoma učinkovit, lahko neučinkovitost vstopa in izstopa tekočine ogrozi splošno učinkovitost. [4]

Slika 3: Laminarni tok različnih plasti. Plasti proti dnu so počasnejše od tistih blizu sredine.
Slika 3: Laminarni tok različnih plasti. Plasti proti dnu so počasnejše od tistih blizu sredine.

Možni načini uporabe Teslove turbine v sodobni industriji

Kot je nekoč pojasnil Nikola Tesla, se lahko njegova turbinska zasnova brez lopatic uporablja za črpalke, kompresorje, vetrne turbine in celo kot motorje z notranjim zgorevanjem.

Vsaka aplikacija, ki lahko pošilja tekočino pod tlakom skozi cevi in ​​v ta sistem, lahko uporablja Teslinovo turbino za proizvodnjo električne energije. Lahko deluje obratno, če se napaja, lahko deluje kot učinkovitejša črpalka.

Za razliko od običajnih črpalk lahko Tesla turbina deluje z abrazivnimi tekočinami, pa tudi s tistimi, ki vsebujejo trdne snovi ali so viskozne ali občutljive na striženje.

Z drugimi besedami, lahko deluje v pogojih, zaradi katerih drugih črpalk ni mogoče zanesljivo uporabljati ali pa je zapleteno pri učinkoviti uporabi.

Trenutne aplikacije vključujejo medicinsko področje, kjer je bil koncept za Teslino turbino uspešno preizkušen za centrifugalne krvne črpalke, vendar si ga je Nikola Tesla zamislil zaradi geotermalne energije. Slednji uporablja običajne turbine, vendar bi učinkovita prilagoditev Tesline rešitve lahko prinesla večjo učinkovitost z manj vzdrževanja.

Zaključek

Kljub svoji neučinkovitosti ima turbina Tesla še vedno več prednosti. Stroški proizvodnje diskov so veliko nižji kot pri rezilih, celotna zasnova pa je enostavnejša in lažje izdelana. Poleg tega se turbina lahko uporablja za različne tekočine brez večjih poškodb diskov. Sem spadajo mešanice s trdnimi snovmi, tekočinami in plini, pa tudi viskozne tekočine, ne viskozne tekočine ter newtonske in nenewtonske tekočine. Pretok tekočine v turbini je mogoče spremeniti tudi v črpalko, diski pa ne trpijo zaradi težav s kavitacijo, ki jih imajo pogosto lopatice. [5] Te lastnosti so primerne za potencialno uporabo pri pridobivanju energije iz geotermalne pare in industrijskega plina, obremenjenega z delci. [4] Druge možne uporabe vključujejo krvne črpalke in vetrne turbine. [6,7] Čeprav se Teslina turbina še ni izkazala za učinkovitejšo od tradicionalnih turbin, obstajajo še vedno možne praktične uporabe.

Reference

[1] W. B. Carlson, “Izumitelj sanj”, Scientific American, 21. februar 05.

[2] N. Tesla, “Fluid Propulsion”, ameriški patent 1061142, 6. maj 1913.

[3] J. A. K. Ackroyd, B. P. Axcell in A. I. Ruban, ur., Zgodnji razvoj sodobne aerodinamike (Elsevier, 2001), str.77.

[4] W. Rice, “Tesla Turbomachinery”, v Handbook of Turbomachinery, ur. avtorja E. Logan, Jr. in R. Roy (Marcel Dekker, 2003), str. 861.

[5] A. K. Chattopadhyay, D. N. Roy in G. Biswas, “Radialni tok viskozne tekočine med dvema koaksialno vrtljivim diskom”, indijski J. Technol. 29, 221 (1991).

[6] E. G. Miller, B. D. Etter in J. M. Dorsi, “Centrifugalna črpalka z več diski kot naprava za pretok krvi”, IEEE Trans. Biomed. Inž. 37, 157 (1990).

[7] H. J. Fuller, “Vetrna turbina za proizvodnjo električne energije”, patent ZDA 7695242, 13. april 10.

© Spencer Nam. Avtor dovoljuje kopiranje, distribucijo in prikaz tega dela v nespremenjeni obliki z avtorjevim pripisom samo v nekomercialne namene. Vse druge pravice, vključno s komercialnimi, so pridržane avtorju.

Address
304 North Cardinal St.
Dorchester Center, MA 02124

Work Hours
Monday to Friday: 7AM - 7PM
Weekend: 10AM - 5PM