Cum funcționează turbina Tesla

Un băiat urmărește o barcă controlată radio în orașul Smiljan, Croația, orașul natal al lui Nikola Tesla. În apropiere se află o turbină fără vopsea fără apă, de designul Tesla. Același principiu îi alimentează faimosul motor cu turbină. Hrvoje Polan / AFP / Getty Images

Majoritatea oamenilor îl cunosc pe Nikola Tesla, omul excentric și strălucit care a ajuns în New York în 1884, ca tată al curentului alternativ, forma de electricitate care furnizează energie aproape tuturor caselor și afacerilor. Dar Tesla a fost un inventator prodigios care și-a aplicat geniul într-o gamă largă de probleme practice. Toate spus, el a deținut 272 brevete în 25 de țări, cu 112 brevete numai în Statele Unite. S-ar putea să credeți că, din toată această lucrare, Tesla și-ar fi ținut invențiile în inginerie electrică - cele care au descris un sistem complet de generatoare, transformatoare, linii de transmisie, motor și iluminat - mai dragi pentru inima sa. Dar în 1913, Tesla a primit un brevet pentru ceea ce el a descris drept cea mai importantă invenție a sa. Această invenție a fost o turbină, cunoscută astăzi sub denumirea de turbină Tesla, turbina cu stratul de delimitare sau turbina cu disc plat.

Interesant este faptul că utilizarea cuvântului "turbină" pentru a descrie invenția lui Tesla pare un pic înșelătoare. Acest lucru se datorează faptului că majoritatea oamenilor se gândesc la o turbină ca la un arbore cu lame - cum ar fi lame de ventilator - atașate la ea. De fapt, dicționarul Webster definește o turbină ca un motor rotit de forța gazului sau a apei de pe palele ventilatoarelor. Dar turbina Tesla nu are lame. Are o serie de discuri paralele strâns ambalate, atașate la un arbore și dispuse în interiorul unei camere sigilate. Când un fluid este permis să intre în cameră și să treacă între discuri, discurile se învârtesc, care la rândul lor rotesc arborele. Această mișcare rotativă poate fi utilizată într-o varietate de moduri, de la alimentarea pompelor, a suflantelor și a compresoarelor până la mașini și avioane rulante. De fapt, Tesla a susținut că turbina a fost cel mai eficient și cel mai simplu motor rotativ proiectat vreodată.

Dacă acest lucru este adevărat, de ce turbina Tesla nu s-a bucurat de o utilizare mai răspândită? De ce nu a devenit la fel de omniprezentă cu cealaltă capodoperă a Tesla, transmisia de curent alternativ? Acestea sunt întrebări importante, dar sunt secundare la întrebări mai fundamentale, cum ar fi cum funcționează turbina Tesla și ce face tehnologia atât de inovatoare? Vom răspunde la toate aceste întrebări în următoarele pagini. În primul rând, trebuie să trecem în revistă câteva elemente de bază despre diferitele tipuri de motoare dezvoltate de-a lungul anilor. În pagina următoare, vom avea o idee mai bună despre problema specifică pe care Tesla spera să o rezolve cu noua sa invenție.

cuprins

1. Motorul turbinei Tesla
2. Piese ale turbinei Tesla
3. Operația cu turbină Tesla
4. Bariere în comercializarea turbinei Tesla
5. Viitorul turbinei Tesla

Turbinele eoliene, ca acestea din Palm Springs, California, sunt exemple de alte turbine folosite pentru a genera electricitate. Spre deosebire de modelul Tesla, acestea sunt turbine cu lame. David McNew / Getty Images

Sarcina oricărui motor este de a transforma energia dintr-o sursă de combustibil în energie mecanică. Indiferent dacă sursa naturală este aerul, apa în mișcare, cărbunele sau petrolul, energia de intrare este un fluid. Și prin fluid ne referim la ceva foarte specific - este orice substanță care curge sub un stres aplicat. Atât gazele cât și lichidele sunt, prin urmare, fluide, care pot fi exemplificate prin apă. În ceea ce privește un inginer, apa lichidă și apa gazoasă sau abur funcționează ca un fluid.

La începutul secolului XX, două tipuri de motoare erau obișnuite: turbinele cu palete, antrenate fie de apă în mișcare, fie de abur generat din apă încălzită, și motoare cu piston, acționate de gazele produse în timpul arderii benzinei. Primul este un tip de motor rotativ, cel de-al doilea un tip de motor alternativ. Ambele tipuri de motoare au fost mașini complicate, greu de construit și care necesită mult timp.

Luați în considerare un piston ca exemplu. Un piston este o piesă metalică cilindrică care se deplasează în sus și în jos, de obicei în interiorul altui cilindru. Pe lângă pistoane și cilindrii înșiși, alte părți ale motorului includ supape, came, rulmenți, garnituri și inele. Fiecare dintre aceste părți reprezintă o oportunitate de eșec. Și, colectiv, se adaugă la greutatea și ineficiența întregului motor.

Turbinele cu lame aveau mai puține piese în mișcare, dar și-au prezentat propriile probleme. Majoritatea erau piese uriașe de mașini cu toleranțe foarte înguste. Dacă nu sunt construite în mod corespunzător, lamele s-ar putea sparge sau crăpa. De fapt, a fost o observație făcută la un șantier naval care l-a inspirat pe Tesla să conceapă ceva mai bun: „Mi-am amintit de buchetele de lame rupte care au fost adunate din carcasele de turbină ale primului vapor echipat cu turbină pentru a traversa oceanul și am realizat importanța acestui [nou motor] "[sursa: New York City Herald Tribune].

Noul motor al lui Tesla era o turbină fără cusur, care ar folosi în continuare un fluid ca vehicul al energiei, dar ar fi mult mai eficient în transformarea energiei fluide în mișcare. Contrar credinței populare, el nu a inventat turbina fără cusur, dar a luat conceptul de bază, brevetat pentru prima dată în Europa în 1832 și a făcut mai multe îmbunătățiri. El a perfecționat ideea pe o perioadă de aproape un deceniu și a primit de fapt trei brevete legate de mașină:

• Brevetul nr. 1.061.142, „Propulsia fluidelor”, depus la 21 octombrie 1909 și brevetat la 6 mai 1913
• Brevetul nr. 1.061.206, „Turbina”, depus la 17 ianuarie 1911 și brevetat la 6 mai 1913
• Numărul de brevet 1.329.559, "Conduita valvulară", depus la 21 februarie 1916, reînnoit la 18 iulie 1919 și brevetat la 3 februarie 1920

În primul brevet, Tesla a introdus designul său de bază fără cusur, configurat ca pompă sau compresor. În al doilea brevet, Tesla a modificat designul de bază, astfel încât să funcționeze ca o turbină. Și, în final, cu cel de-al treilea brevet, a făcut modificările necesare funcționării turbinei ca motor cu ardere internă.

Designul fundamental al mașinii este același, indiferent de configurația acestuia. În următoarea secțiune, vom analiza mai atent acest design.

Copyright 2008

Comparativ cu un motor cu piston sau cu abur, turbina Tesla este însăși simplitatea. De fapt, Tesla a descris-o astfel într-un interviu apărut în New York Herald Tribune pe 15 octombrie 1911: „Totul are nevoie de niște discuri montate pe un ax, distanțate la o distanță mică și acoperite astfel încât fluidul să poată intra la un moment dat si iese la altul ". Este clar că este o simplificare, dar nu de mult. Haideți să aruncăm o privire la cele două părți de bază ale turbinei - rotorul și statorul - mai detaliat.

Rotorul

Într-o turbină tradițională, rotorul este un arbore cu lame fixate. Turbina Tesla se elimină cu lamele și folosește în schimb o serie de discuri. Mărimea și numărul discurilor pot varia în funcție de factori legați de o anumită aplicație. Hârtiile brevetului Tesla nu definește un număr specific, ci folosește o descriere mai generală, spunând că rotorul trebuie să conțină o „pluralitate” de discuri cu „diametrul adecvat”. După cum vom vedea mai târziu, Tesla însuși a experimentat destul de mult dimensiunea și numărul de discuri.

Fiecare disc este realizat cu deschideri în jurul arborelui. Aceste deschideri acționează ca orificii de evacuare prin care ies fluidul. Pentru a vă asigura că fluidul poate trece liber între discuri, șaibele metalice sunt utilizate ca divizoare. Din nou, grosimea unei șaibă nu este setată rigid, deși spațiile intervenite nu depășesc de obicei 2 până la 3 milimetri.

O piuliță filetată ține discurile pe poziția arborelui, piesa finală a ansamblului rotorului. Deoarece discurile sunt fixate pe arbore, rotația lor este transferată în ax.

Statorul

Ansamblul rotorului este găzduit într-un stator cilindric sau în partea staționară a turbinei. Pentru a adapta rotorul, diametrul camerei interioare a cilindrului trebuie să fie puțin mai mare decât discurile rotorului. Fiecare capăt al statorului conține un rulment pentru arbore. Statorul conține, de asemenea, una sau două prize, în care sunt introduse duze. Designul original al lui Tesla a cerut două prize, ceea ce a permis turbinei să funcționeze fie în sensul acelor de ceasornic sau în sensul acelor de ceasornic.

Acesta este designul de bază. Pentru a face turbina să funcționeze, un fluid de înaltă presiune intră în duze la intrările statorului. Lichidul trece între discurile rotorului și determină rotirea rotorului. În cele din urmă, lichidul iese prin orificiile de evacuare din centrul turbinei.

Unul dintre lucrurile grozave despre turbina Tesla este simplitatea sa. Poate fi construit cu materiale disponibile, iar distanța dintre discuri nu trebuie controlată cu precizie. De fapt, este atât de ușor de construit, încât mai multe reviste mainstream au inclus instrucțiuni complete de asamblare folosind materiale de uz casnic. Numărul popular din septembrie 1955 a prezentat un plan pas cu pas pentru a construi o suflantă folosind o turbină Tesla proiectată din carton!

Dar exact cum generează o serie de discuri mișcarea rotativă pe care ajungem să o așteptăm de la o turbină? Aceasta este întrebarea pe care o vom aborda în secțiunea următoare.

Copyright 2008

V-ar putea să vă întrebați cum energia unui fluid poate determina rotirea unui disc de metal. La urma urmei, dacă un disc este perfect neted și nu are lame, palete sau găleți pentru a „prinde” fluidul, logica sugerează că fluidul va curge pur și simplu pe disc, lăsând discul nemișcat. Desigur, acest lucru nu se întâmplă. Nu numai rotorul unei turbine Tesla se rotește - ci se învârte rapid.

-Motivul pentru care poate fi găsit în două proprietăți fundamentale ale tuturor fluidelor: aderența și vâscozitatea. Adeziunea este tendința moleculelor diferite să se agațe împreună datorită forțelor atractive. Viscozitatea este rezistența unei substanțe la flux. Aceste două proprietăți lucrează împreună în turbina Tesla pentru a transfera energie de la fluid la rotor sau invers. Iată cum:

1. Pe măsură ce lichidul se deplasează pe lângă fiecare disc, forțele adezive determină încetinirea și lipirea moleculelor de fluid chiar deasupra suprafeței metalului.
2. Moleculele chiar deasupra celor de la suprafață încetinesc atunci când se ciocnesc cu moleculele care se lipesc de suprafață.
3. La rândul lor, aceste molecule încetinesc fluxul chiar deasupra lor.
4. Cu cât se îndepărtează mai mult de suprafață, cu atât sunt mai puține coliziunile afectate de suprafața obiectului.
5. În același timp, forțele vâscoase determină moleculele lichidului să reziste la separare.
6. Aceasta generează o forță de tragere care este transmisă pe disc, determinând deplasarea discului în direcția fluidului.

Stratul subțire de fluid care interacționează cu suprafața discului în acest fel se numește strat limită, iar interacțiunea fluidului cu suprafața solidă se numește efectul stratului de delimitare. Ca urmare a acestui efect, fluidul propulsor urmează o cale spirală accelerată rapid de-a lungul fețelor discului, până ajunge la o ieșire adecvată. Deoarece lichidul se deplasează pe căi naturale cu cea mai mică rezistență, ferite de constrângeri și forțe perturbatoare cauzate de palete sau palete, acesta experimentează modificări treptate ale vitezei și direcției. Aceasta înseamnă că mai multă energie este livrată turbinei. Într-adevăr, Tesla a revendicat o eficiență a turbinei de 95%, mult mai mare decât alte turbine ale timpului.

Dar după cum vom vedea în secțiunea următoare, eficiența teoretică a turbinei Tesla nu a fost realizată atât de ușor în modelele de producție.

Stratul delimitat: este un adevărat drag

Efectul stratului de graniță explică, de asemenea, modul de creare a tragerii pe o aripă a avionului. Aerul care se deplasează peste aripa se comportă ca un fluid, ceea ce înseamnă că moleculele de aer posedă atât forțe adezive, cât și vâscoase. Pe măsură ce aerul se lipește de suprafața aripii, produce o forță care rezistă mișcării înainte a aeronavei.

Nikola Tesla Mansell / Time Life Pictures / Getty Images

Tesla, precum și mulți oameni de știință și industriași contemporani, au crezut că noua sa turbină este revoluționară, bazată pe o serie de atribute. Era mic și ușor de fabricat. Avea doar o parte în mișcare. Și era reversibil.

Pentru a demonstra aceste beneficii, Tesla a construit mai multe utilaje. Juilus C. Czito, fiul mașinistului de lungă durată al lui Tesla, a construit mai multe versiuni. Primul, construit în 1906, conținea opt discuri, fiecare cu diametrul de 15,2 centimetri, fiecare cu șase inci. Mașina cântărea mai puțin de 10 kilograme (4,5 kilograme) și dezvolta 30 de cai putere. De asemenea, a fost dezvăluită o deficiență care ar îngreuna dezvoltarea continuă a mașinii. Rotorul a atins viteze atât de mari - 35.000 de rotații pe minut (rpm) - încât discurile metalice s-au întins considerabil, împiedicând eficiența.

În 1910, Czito și Tesla au construit un model mai mare cu discuri cu diametrul de 30 inci (30,5 centimetri). S-a rotit la 10.000 rpm și a dezvoltat 100 de cai putere. Apoi, în 1911, perechea a construit un model cu discuri cu diametrul de 24,8 centimetri (24,8 centimetri). Aceasta a redus viteza la 9.000 rpm, dar a crescut puterea la 110 cai putere.

Susținut de aceste succese la scară mică, Tesla a construit o unitate dublă mai mare, pe care intenționa să o testeze cu aburi în centrala principală a companiei Edison din New York. Fiecare turbină avea un disc cu rulmenți rotori cu diametru de 45,7 centimetri. Cele două turbine au fost plasate într-o linie pe o singură bază. În timpul testului, Tesla a reușit să obțină 9.000 rpm și să genereze 200 de cai putere. Cu toate acestea, unii ingineri prezenți la test, fideli lui Edison, au susținut că turbina a fost o defecțiune bazată pe o înțelegere greșită a modului de măsurare a cuplului în noua mașină. Această presă proastă, combinată cu faptul că marile companii electrice au investit deja puternic în turbine cu palete, a îngreunat Tesla să atragă investitori.

În încercarea finală a lui Tesla de a-și comercializa invenția, el a convins compania de fabricație Allis-Chalmers din Milwaukee să construiască trei turbine. Doi aveau 20 de discuri cu diametrul de 18 inch și au dezvoltat viteze de 12.000, respectiv 10.000 rpm. Al treilea avea 15 discuri cu diametrul de 1,5 inci și 1,5 cm și a fost proiectat să funcționeze la 3.600 rpm, generând 675 cai putere. În timpul testelor, inginerii de la Allis-Chalmers s-au preocupat atât de eficiența mecanică a turbinelor, cât și de capacitatea lor de a îndura o utilizare prelungită. Au descoperit că discurile au distorsionat într-o mare măsură și au ajuns la concluzia că turbina ar fi eșuat în cele din urmă.

Chiar până în anii '70, cercetătorii au avut dificultăți în a reproduce rezultatele raportate de Tesla. Warren Rice, profesor de inginerie la Universitatea de Stat din Arizona, a creat o versiune a turbinei Tesla care a funcționat cu o eficiență de 41 la sută. Unii au susținut că modelul lui Rice a deviat de la specificațiile exacte ale Tesla. Însă Rice, expert în dinamica fluidelor și a turbinei Tesla, a efectuat o revizuire a literaturii de cercetare încă din anii 90 și a constatat că nicio versiune modernă a invenției Tesla nu depășea 30 - 40% procente.

Acest lucru, mai mult decât orice, a împiedicat folosirea mai largă a turbinei Tesla.

După cum Biroul de Cercetări Navale din Washington, DC, a declarat clar: "Turbina Parsons a fost de mult timp cu întregi industrii construite în jurul ei și care o susțin. Dacă turbina Tesla nu este un ordin de mărime superior, atunci să turnați bani pe gaura șobolanului, deoarece industria nu va fi răsturnată atât de ușor ... "[sursa: Cheney].

Deci, unde pleacă astăzi turbina Tesla? După cum vom vedea în secțiunea următoare, inginerii și proiectanții auto își îndreaptă din nou atenția asupra acestei tehnologii vechi de 100 de ani.

-

Tesla a fost întotdeauna un vizionar. Nu și-a văzut turbina fără cusur ca pe un scop în sine, ci ca un mijloc spre sfârșit. Scopul său final a fost înlocuirea motorului cu ardere cu pistoane cu un motor mult mai eficient, mai fiabil bazat pe tehnologia sa. Cele mai eficiente motoare cu ardere cu pistoane nu au obținut peste 27 până la 28 la sută eficiență în conversia lor de combustibil în funcționare. Chiar și la un procent de eficiență de 40 la sută, Tesla și-a văzut turbina ca pe o îmbunătățire. El a proiectat chiar, pe hârtie, un automobil cu turbină, despre care a susținut că ar fi atât de eficient încât ar putea conduce în Statele Unite pe un singur rezervor de benzină..

Tesla nu a văzut niciodată mașina produsă, dar ar putea fi astăzi încântat să vadă că turbina sa revoluționară este în sfârșit încorporată într-o nouă generație de vehicule mai curate și mai eficiente. O companie care înregistrează progrese serioase este Phoenix Navigation and Guidance Inc. (PNGinc), situată în Munising, Michigan. PNGinc a combinat tehnologia turbinei cu discuri cu un combustor de detonare a impulsurilor într-un motor despre care compania oferă eficiențe fără precedent. Există 29 de discuri active, fiecare cu diametrul de 10,4 inci (25,4 centimetri) diametru, între două discuri de capăt conice. Motorul generează 18.000 rpm și 130 de cai putere. Pentru a depăși forțele centrifuge extreme inerente turbinei, PNGinc folosește o varietate de materiale avansate, cum ar fi fibra de carbon, plastic impregnat cu titan și discuri armate cu Kevlar.

În mod clar, aceste materiale mai puternice și mai durabile sunt esențiale dacă turbina Tesla se va bucura de orice succes comercial. Dacă materiale precum Kevlar ar fi fost disponibile în viața lui Tesla, este foarte probabil ca turbina să fi avut o utilizare mai mare. Dar, cum s-a întâmplat adesea cu lucrările inventatorului, turbina Tesla era o mașină cu mult înaintea timpului său.

Pentru mai multe informații despre Tesla, electricitate și subiecte conexe, treceți ca un fulger la pagina următoare.

Mașina electrică a lui Nikola Tesla

Deși Tesla nu și-a testat niciodată turbina într-o mașină, el a dezvoltat, după anumite conturi, o mașină electrică în 1931. Mașina era o Pierce-Arrow, care fusese configurată cu un motor electric de 80 de cai putere, de 1.800 de rpm în loc de motor cu motor Conform povestirii, Tesla a asamblat o cutie neagră misterioasă care conține tuburi vidate, fire și rezistențe. Două tije au rămas în afara cutiei. Când tijele au fost împinse în cutie, mașina a primit putere. Tesla a condus mașina timp de o săptămână - până la viteze de 90 de mile pe oră (145 de kilometri pe oră). Din nefericire, mulți credeau că s-a apucat de o forță necunoscută și periculoasă a naturii. Alții l-au numit nebun. În furie, a scos cutia din mașină, a dus-o înapoi în laboratorul său și nu a mai fost văzută niciodată. Până în zilele noastre, principiile fundamentale de funcționare ale mașinii electrice Tesla rămân un mister.

Articole similare

• Cum a schimbat Nikola Tesla modul în care folosim energia?
• Corner Quiz: Testul motorului
• Cum funcționează motoarele cu abur
• Cum funcționează motoarele auto
• Cum funcționează motoarele cu turbină pe gaz
• Cum funcționează motoarele rotative
• Cum funcționează motoarele Stirling
• Revoluția industrială

Mai multe legături grozave

• Tesla: Master of Lightning pe PBS
• Site-ul Muzeului Nikola Tesla
• Fundația Tesla din America de Nord
• Asociația Constructorilor de Motoare Tesla
• Articole, brevete și legături cu turbină / discuri

surse

• Allan, Sterling D. "Turbina Tesla: motorul secolului XXI?" Pure Energy Systems News. 14 aprilie 2007. http://pesn.com/Radio/Free_Energy_Now/shows/2007/04/14/9700225_KenReili_TeslaTurbine/
• Cheney, Margaret. "Tesla: Man Out of Time" Simon & Schuster. New York. 1981.
• Articole, brevete și link-uri pentru turbină / discuri http://www.rexresearch.com/teslatur/teslatur.htm
• Enciclopedia Britannica 2005. „Tesla, Nikola”. CD-ROM, 2005.
• Gingery, Vincent R., Gingery, David J. „Construirea turbinei Tesla” David J. Gingery Publishing LLC. Missouri. 2004.
• Germano, Frank. „Turbina de disc a lui Nikola Tesla” http://www.frank.germano.com/teslaturbine2.htm
• Hait, John. "The Cool Scientist: Tesla's turbina". Saipan Tribune. 13 mai 2005. http://www.saipantribune.com/newsstory.aspx?cat=9&newsID=47147
• Sisteme de alimentare cu turbină laser. http://www.laserturbinepower.com/index.php?option=com_content&task=view&id=3&Itemid=68
• "Mașina turistică" Black Magic "a lui Nikola Tesla." EV World. http://www.evworld.com/article.cfm?storyid=1062
• PBS. "Tesla: Stăpânul fulgerului." http://www.pbs.org/tesla/
• Phoenix Navigation and Guidance Inc. http://www.phoenixnavigation.com/turbines/index.htm
• Asociația Constructorilor de Motoare Tesla http://www.teslaengine.org/main.html
• Cărțile douăzeci și unu secole http://www.tfcbooks.com/default.htm
• Cartea Mondială 2005. „Tesla, Nikola”.