Турбина тесла - Tesla turbine

Эта статья использование внешняя ссылка может не следовать политикам или рекомендациям Википедии. Пожалуйста улучшить эту статью путем удаления излишний или же неприличный внешние ссылки и преобразование полезных ссылок, где это необходимо, в ссылки на сноски. (Июль 2015 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Турбина Тесла в Музей Николы Теслы

В Турбина тесла безлопастный центростремительный поток турбина запатентованный к Никола Тесла в 1913 г.^[1] Это упоминается как безлопастная турбина. Турбина Тесла также известна как пограничная турбина, турбина когезионного типа, и Турбина со слоем Прандтля (после Людвиг Прандтль ), потому что он использует эффект пограничного слоя а не жидкость, попадающая на лопатки, как в обычной турбине. Исследователи в области биоинженерии назвали его многодисковым центробежный насос.^[2][3] Одним из желаний Tesla по реализации этой турбины было геотермальная энергия, который был описан в Движущая сила нашего будущего.^[4]

Описание

Основная идея разработки турбины Тесла заключается в том, что для достижения максимальной эффективности изменения скорости и направления движения жидкости должны быть как можно более постепенными.^[1] Следовательно, рабочая жидкость турбины Тесла движется естественным путем или по линиям тока наименьшего сопротивления.

Турбина Тесла состоит из набора гладких дисков, с насадки нанесение движущейся жидкости на край диска. Жидкость затягивается по диску с помощью вязкость и адгезия поверхностного слоя жидкости. Когда жидкость замедляется и добавляет энергию дискам, она по спирали попадает в центральный выхлоп. Поскольку ротор не имеет выступов, очень прочный.

Тесла писал: «Эта турбина представляет собой эффективный самозапускающийся первичный двигатель, который может работать как паровая турбина или турбина со смешанной жидкостью по желанию, без изменений конструкции, и поэтому очень удобна. Незначительные отклонения от турбины, которые могут быть продиктованы в зависимости от обстоятельств в каждом конкретном случае, очевидно, напрашиваются сами собой, но если он будет проводиться по этим основным направлениям, он будет сочтен очень прибыльным для владельцев паровой установки, позволяя использовать их старую установку. Однако наилучшие экономические результаты в выработка энергии из пара турбиной Тесла будет получена на установках, специально приспособленных для этой цели ».^[5]

Вид на турбинную систему Тесла

Вид турбины Тесла «безлопаточной» конструкции

Насос

Устройство может работать как помпа, если подобный набор дисков и корпус с эвольвента форма (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 использует адгезию ( Эффект Коанды ) и вязкость вместо. Он использует пограничный слой воздействие на дисковые ножи.

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 меньшего диаметра, значительно улучшили пусковой крутящий момент без снижение эффективности.

Приложения

В патентах Tesla указано, что устройство предназначалось для использования жидкости как движущие силы, 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. А вот насос Тесла коммерчески доступен с 1982 года.^[6] и используется для перекачивания абразивных, вязких, чувствительных к сдвигу жидкостей, содержащих твердые частицы или с которыми иным образом трудно работать с другими насосами. Сам Тесла не получил крупного контракта на производство. Как уже упоминалось, главным недостатком его времени было плохое знание характеристики материалов и поведение на высоком уровне температуры. Самый лучший металлургия дня не могли предотвратить недопустимое перемещение и деформацию дисков турбины во время работы.

Сегодня многие любительские эксперименты в этой области были проведены с использованием турбин Тесла, которые используют сжатый воздух, или же пар как источник энергии (пар, образующийся с теплотой сгорания топлива, от автомобильного турбокомпрессор или из солнечная радиация ). Проблема коробления дисков была частично решена с использованием новых материалов, таких как углеродное волокно.

Одним из предлагаемых текущих приложений для устройства является сливной насос, на заводах и заводах, где обычно флюгер -тип турбина насосы обычно блокируются.

Применение турбины Тесла в качестве многодисковой центробежной кровяной насос дали многообещающие результаты из-за низкого пикового усилия сдвига.^[7]
Биомедицинская инженерия исследования таких приложений были продолжены в 21 веке.^[8]

В 2010, Патент США 7,695,242 был выдан Говарду Фуллеру на ветряная турбина на основе дизайна Tesla.^[9]

Эффективность и расчеты

Эта секция требует внимания эксперта в области технологий. Пожалуйста, добавьте причина или разговаривать в этот шаблон, чтобы объяснить проблему с разделом. Технология WikiProject может помочь нанять эксперта. (Октябрь 2009 г.)

Во времена Теслы эффективность обычных турбин была низкой, потому что турбины использовали систему прямого привода, которая сильно ограничивала потенциальную скорость турбины в зависимости от того, что она приводила. На момент внедрения современные судовые турбины были массивными и включали в себя десятки или даже сотни ступеней турбин, но обеспечивали чрезвычайно низкий КПД из-за своей низкой скорости. Например, турбина на Титаник весил более 400 тонн, работал со скоростью всего 165 об / мин и использовал пар под давлением всего 6 фунтов на квадратный дюйм. Это ограничивалось сбором отработанного пара от главных электростанций - пары поршневых паровых машин.^[10] Турбина Тесла также могла работать на газах с более высокой температурой, чем лопастные турбины того времени, что способствовало ее большей эффективности. Со временем 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 внедрена на большинстве современных военных 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.^[11] 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 Tesla 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 много оборотов. Под нагрузкой количество оборотов уменьшается, и спираль становится все короче.^{[нужна цитата ]} 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.

В КПД турбины газовой турбины Тесла оценивается выше 60, достигая максимума 95 процентов^{[нужна цитата ]}. 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%.^[12] Это отличается от циклического КПД установки или двигателя, который составляет примерно от 25% до 42%, и ограничивается любыми необратимыми факторами ниже допустимого. Цикл Карно эффективность. Тесла утверждал, что паровая версия его устройства обеспечит эффективность около 95 процентов.^[13][14] Фактические испытания паровой турбины Tesla на заводе Westinghouse показали расход пара 38 фунтов на 1 шт. лошадиная сила-час, что соответствует КПД турбины в диапазоне 90%, в то время как современные паровые турбины часто могут достигать КПД более 50%. В термодинамическая эффективность это показатель того, насколько хорошо он работает по сравнению с изэнтропический случай. Это отношение идеального ввода / вывода к фактической работе. КПД турбины определяется как отношение идеального изменения энтальпия к реальной энтальпии при таком же изменении давление.

В 1950-х годах Уоррен Райс попытался воссоздать эксперименты Теслы, но он не провести 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 Теслы).^[15] Рабочей жидкостью экспериментальной одноступенчатой ​​системы Райса был воздух. Тестовые турбины Райса, опубликованные в ранних отчетах, показали общий измеренный КПД 36–41% для одноступенчатый.^[15] 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 несколько дисков турбины. Очень высокие требования к эффективности ротора (в отличие от общей эффективности устройства) для этой конструкции были опубликованы в 1991 году под названием «Tesla Turbomachinery».^[16] В этом документе говорится:

При правильном использовании результатов анализа эффективность ротора при ламинарном потоке 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, поэтому [использование роторов] ламинарный поток имеет тенденцию быть большим и тяжелым 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.^[17]:4

Современное многоэтапный лопаточные турбины обычно достигают КПД 60–70%, в то время как большие паровые турбины на практике часто показывают КПД более 90%. Улитка Роторные машины типа Тесла разумного размера с обычными жидкостями (пар, газ и вода) также, как ожидается, будут демонстрировать КПД около 60–70% и, возможно, выше.^[17]

Простая термодинамическая модель турбины Тесла

В этом разделе тон или стиль могут не отражать энциклопедический тон используется в Википедии. См. Википедию руководство по написанию лучших статей для предложений. (Июнь 2019) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

В насосе радиальное или статическое давление из-за центробежной силы добавляется к тангенциальному или динамическому (давлению), тем самым увеличивая эффективный напор и способствуя вытеснению жидкости. 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 большее 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. .

— Тесла^[18]

Давайте теперь исследуем турбину Тесла (TT), а затем 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 «вихрей» 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 TT, 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, так как 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, происходит замедление, то есть относительная скорость дисков по отношению к (движущейся) жидкости увеличивается, поскольку жидкость, по крайней мере на начальном этапе, 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 не мгновенно, а с течением времени. 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».^{[нужна цитата ]} 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 является наибольшей. 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.

Смотрите также

• Список патентов Tesla
• Радиальная турбина
• Катушка Тесла

Рекомендации

Книги и публикации

• Тесла, Никола, "Доктор Тесла говорит о газовых турбинах". Моторный мир. 18 сентября 1911 г.
• Стокбридж, Фрэнк Паркер (март 1912 г.). «Турбина Тесла: машина размером с шляпу Дерби, вырабатывающая 110 лошадиных сил». Мировая работа: история нашего времени. XXIII: 543–548. Получено 2009-07-10.

Патенты

Тесла

• US1061206 Турбина - Новые и полезные улучшения в роторных двигателях и турбинах.
• US1329559 Клапанный канал - Включает газовую турбину Tesla
• GB186082 Улучшения в конструкции паровых и газовых турбин - Форма ротора
• ГБ186083 Экономическое преобразование энергии пара турбинами - Турбинная система Tesla

Другой

• Патент США 6726442 , Вход дисковой турбины для облегчения самозапуска, Летурно (11 февраля 2002 г.)
• Патент США 6,682,077 , Лабиринтное уплотнение дисковой турбины, Летурно (13 февраля 2002 г.)
• Патент США 6,692,232 , Узел ротора дисковой турбины, Летурно (15 марта 2002 г.)
• Патент США 6,973,792 , Способ и устройство для многоступенчатого двигателя пограничного слоя и технологической ячейки., Хикс (13 декабря 2005 г.)

Фото

• "Турбина тесла ". PBS.

Пограничные слои

• Эффект пограничного слоя из Национальный консультативный комитет по аэронавтике, подразделение НАСА

внешняя ссылка

Наборы

видео

Сайты турбин Tesla