A Tesla turbina egy lapát nélküli centripetális turbina , amelyet Nikola Tesla szabadalmaztatott 1913 - ban . Gyakran lapát nélküli turbinának nevezik, mert a határréteg hatását használja , nem pedig a folyadék- vagy gőznyomást a lapátokon, mint a hagyományos turbináknál. A Tesla-turbinát határréteg- turbinaként és Prandtl-rétegturbinaként is ismerik ( Ludwig Prandtl nyomán ). A biomérnökök többtárcsás centrifugálszivattyúnak nevezik [1] [2] . A Tesla ennek a turbinának az egyik kívánt alkalmazását látta a geotermikus energiában, amelyet az Our Future Motive Power című könyv ismertet.» [3] .
A Tesla idejében a hagyományos turbinák hatásfoka alacsony volt, mivel nem volt szükség aerodinamikai elméletre a hatékony lapátok létrehozásához, a lapátok anyagának rossz minősége pedig komoly korlátozásokat rótt a működési sebességre és hőmérsékletre. A hagyományos turbina hatásfoka a bemeneti és kimeneti nyomáskülönbséggel függ össze. A nagyobb nyomáskülönbség eléréséhez forró gázokat használnak, például a gőzturbinákban túlhevített gőzt, a gázturbinákban pedig égéstermékeket, ezért a nagy hatásfok eléréséhez hőálló anyagokra van szükség. Ha a turbina olyan gázt használ, amely szobahőmérsékleten folyékony lesz, akkor a kimenetnél kondenzátor használható a nyomáskülönbség növelésére.
A Tesla turbina abban különbözik a hagyományos turbinától, hogy az energiát a tengelyre továbbítja. Sima tárcsákból és fúvókákból áll, amelyek a munkagázt a tárcsa szélére irányítják. A gáz megpörgeti a korongot a határréteg tapadásán és a viszkózus súrlódáson keresztül, és lelassul, ahogy spiráloz.
A Tesla turbina nem rendelkezik lapátokkal és az azokból adódó hátrányokkal: a rotornak nincsenek kiemelkedései, ezért strapabíró. Azonban dinamikus veszteségei és áramlási sebességi korlátai vannak. A kis áramlás (terhelés) nagy hatásfokot ad, az erős áramlás pedig növeli és csökkenti a veszteségeket a turbinában, ami azonban nem csak a Tesla turbinára jellemző.
A tárcsák szélein nagyon vékonynak kell lenniük, hogy ne hozzon létre turbulenciát a munkaközegben. Ez azt eredményezi, hogy az adatfolyam sebességének növekedésével növelni kell a lemezek számát. A rendszer maximális hatékonysága akkor érhető el, ha a lemezek közötti távolság megközelítőleg megegyezik a határréteg vastagságával. Mivel a határréteg vastagsága a viszkozitástól és a nyomástól függ, téves az az állítás, hogy ugyanaz a turbinakialakítás hatékonyan alkalmazható különféle folyadékokhoz és gázokhoz.
A kutatások azt mutatják [4] , hogy a nagy hatékonyság fenntartásához a lemezek közötti áramlási sebességet viszonylag alacsonyan kell tartani. Gyenge áramlás esetén a munkafolyadék áramlási pályája a bemenettől a turbináig a kimenetig sok fordulatot tartalmaz. Erős áramlásnál a spirál fordulatszáma leesik, rövidebbé válik, ami csökkenti a hatékonyságot, mert a gáz (folyadék) kevésbé érintkezik a tárcsákkal, így kevesebb energiát ad át.
A Tesla gázturbina hatásfoka 60% felett van, és több mint 95%. De ne keverje össze a turbina hatékonyságát a turbinát használó motor általános hatásfokával. A ma már gőzerőművekben és sugárhajtóművekben használt axiális turbinák hatásfoka körülbelül 60-70%, és a megfelelő Carnot-ciklus hatásfoka korlátozza őket , az erőmű esetében pedig csak a 25-42%-ot. A Tesla azt állította, hogy turbinájának gőz változata elérheti a 95%-ot. [5] [6] A Westinghouse-i Tesla gőzturbina helyszíni tesztelése 38 font/lóerő/óra gőzkibocsátást mutatott ki, ami a turbina 20%-os hatásfokának felel meg.
Az 1950-es években Warren Rice megkísérelte megismételni a Tesla kísérleteit, de nem a Tesla szabadalmaztatott tervei szerint épített turbinán futtatta azokat. [7] Rice egytárcsás levegőrendszerrel kísérletezett. A tesztelt Rice turbina 36-41%-os hatásfokot mutatott egyetlen tárcsa használatával. [7] A Tesla tervezésével nagyobb hatékonyságot kell elérni.
A Tesla turbinával kapcsolatos legújabb munkájában Rice egy lamináris áramlási modell nagyszabású elemzését végzett egy többtárcsás turbinában. 1991-ben Tesla Turbomachine címmel tettek közzé egy nagyon erős állítást a turbina hatékonyságára vonatkozóan (szemben a műszerhatékonysággal általában). [8] A cikk ezt írja:
Az analitikai eredmények megfelelő felhasználásával a lamináris áramlást alkalmazó turbina hatásfoka nagyon magas, akár 95% felett is lehet. A nagy turbina hatásfok eléréséhez azonban az áramlási sebességnek kicsinek kell lennie, ami azt jelenti, hogy nagyobb turbina hatásfok érhető el nagyszámú tárcsa és így fizikailag nagy turbina használatával. [9]
A modern többfokozatú lapátos turbinák jellemzően 60-70%-os hatásfokot érnek el, míg a nagy gőzturbinák a gyakorlatban gyakran 90% feletti turbina hatásfokot mutatnak. A közönséges folyadékok (gőz, gáz, víz) ésszerű méretű Tesla turbinájához alkalmas spirális forgórész várhatóan 60-70%-os, de akár ennél is magasabb hatásfokot mutat. [9]
| Nikola Tesla | ||
|---|---|---|
| Karrier és találmányok |
| |
| Egyéb |
| |
| Kapcsolódó cikkek |
| |