Кпд турбины тесла. Безлопастная дисковая турбина, или роторный двигатель Николы Тесла. Всем, кого это может касаться

Турбина Тесла в Музее Николы Теслы.

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. Одним из желаемых применений данной турбины Тесла видел в геотермальной энергетике, описанной в книге «Our Future Motive Power ».

Принцип действия, достоинства и недостатки

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, 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%. 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. Райс экспериментировал с однодисковой воздушной системой. Тестируемая турбина Райса показала эффективность 36-41% при использовании одного диска. 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 было опубликовано в 1991 году под названием «Турбомашина Тесла».

). Учёные-биоинженеры называют её многодисковым центробежным насосом . Одним из желаемых применений данной турбины Тесла видел в геотермальной энергетике, описанной в книге «Our Future Motive Power » .

Принцип действия, достоинства и недостатки

Современные многоступенчатые лопастные турбины 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.

Напишите отзыв о статье "Турбина Тесла"

Примечания

Отрывок, характеризующий Турбина Тесла

После двух таких походов, в одном из которых из двадцати ушедших ребят вернулись двое (и папа оказался одним из этих двоих), он до полусмерти напился и на следующий день написал заявление, в котором категорически отказывался от дальнейшего участия в любых подобного рода «мероприятиях». Первой, последовавшей после такого заявления «приятностью» оказалась потеря работы, которая в то время была ему «позарез» нужна. Но так как папа был по-настоящему талантливым журналистом, ему сразу же предложила работу другая газета – «Каунасская Правда» – из соседнего городка. Но долго задержаться там, к сожалению, тоже не пришлось, по такой простой причине, как коротенький звонок «сверху»... который вмиг лишил папу только что полученной им новой работы. И папа в очередной раз был вежливо выпровожен за дверь. Так началась его долголетняя война за свободу своей личности, которую прекрасно помнила уже даже и я.
Вначале он был секретарём комсомола, из коего несколько раз уходил «по собственному желанию» и возвращался уже по желанию чужому. Позже, был членом коммунистической партии, из которой также с «большим звоном» вышвыривался и тут же забирался обратно, так как, опять же, немного находилось в то время в Литве такого уровня русскоговорящих, великолепно образованных людей. А папа, как я уже упоминала ранее, был великолепным лектором и его с удовольствием приглашали в разные города. Только там, вдали от своих «работодателей», он уже опять читал лекции не совсем о том, о чём они хотели, и получал за это всё те же самые проблемы, с которых началась вся эта «канитель»...
Я помню как в одно время (во времена правления Андропова), когда я уже была молодой женщиной, у нас мужчинам категорически запрещалось носить длинные волосы, что считалось «капиталистической провокацией» и (как бы дико сегодня это не звучало!) милиция получила право задерживать прямо на улице и насильно стричь носящих длинные волосы людей. Это случилось после того, как один молодой парень (его звали Каланта) сжёг себя живьём на центральной площади города Каунас, второго по величине города Литвы (именно там тогда уже работали мои родители). Это был его протест против зажима свободы личности, который перепугал тогда коммунистическое руководство, и оно приняло «усиленные меры» по борьбе с «терроризмом», среди которых были и «меры» глупейшие, которые только усилили недовольство живущих в то время в Литовской республике нормальных людей...
Мой папа, как свободный художник, которым, поменяв несколько раз за это время свою профессию, он тогда являлся, приходил на партсобрания с длиннющими волосами (которые, надо отдать должное, у него были просто шикарные!), чем взбесил своё партийное начальство, и в третий раз был вышвырнут из партии, в которую, через какое-то время, опять же, не по своей воле, обратно «угодил»... Свидетелем этому была я сама, и когда я спросила папу, зачем он постоянно «нарывается на неприятности», он спокойно ответил:
– Это – моя жизнь, и она принадлежит мне. И только я отвечаю за то, как я хочу её прожить. И никто на этой земле не имеет права насильно навязывать мне убеждения, которым я не верю и верить не хочу, так как считаю их ложью.
Именно таким я запомнила своего отца. И именно эта его убеждённость в своём полном праве на собственную жизнь, тысячи раз помогала мне выжить в самых трудных для меня жизненных обстоятельствах. Он безумно, как-то даже маниакально, любил жизнь! И, тем не менее, никогда бы не согласился сделать подлость, даже если та же самая его жизнь от этого зависела бы.
Вот так, с одной стороны борясь за свою «свободу», а с другой – сочиняя прекрасные стихи и мечтая о «подвигах» (до самой своей смерти мой папа был в душе неисправимым романтиком!), проходили в Литве дни молодого Василия Серёгина... который всё ещё понятия не имел, кем он был на самом деле, и, если не считать «кусачих» действий со стороны местных «органов власти», был почти полностью счастливым молодым человеком. «Дамы сердца» у него пока ещё не было, что, наверное, можно было объяснить полностью загруженными работой днями или отсутствием той «единственной и настоящей», которую папе пока что не удалось найти...
Но вот, наконец-то, судьба видимо решила, что хватит ему «холостятничать» и повернула колесо его жизни в сторону «женского очарования», которое и оказалось тем «настоящим и единственным», которого папа так упорно ждал.

Её звали Анна (или по-литовски – Она), и оказалась она сестрой папиного лучшего в то время друга, Ионаса (по-русски – Иван) Жукаускаса, к которому в тот «роковой» день папа был приглашён на пасхальный завтрак. У своего друга в гостях папа бывал несколько раз, но, по странному капризу судьбы, с его сестрой пока что не пересекался. И уж наверняка никак не ожидал, что в это весеннее пасхальное утро там его будет ждать такой ошеломляющий сюрприз...
Дверь ему открыла кареглазая черноволосая девушка, которая за один этот коротенький миг сумела покорить папино романтическое сердце на всю его оставшуюся жизнь...

Звёздочка
Снег и холод там, где я родился,
Синь озёр, в краю, где ты росла...
Я мальчишкой в звёздочку влюбился,
Светлую, как ранняя роса.
Может быть в дни горя-непогоды,
Рассказав ей девичьи мечты,
Как свою подружку-одногодку
Полюбила звёздочку и ты?..
Дождь ли лил, мела ли в поле вьюга,
Вечерами поздними с тобой,
Ничего не зная друг о друге,
Любовались мы своей звездой.
Лучше всех была она на небе,
Ярче всех, светлее и ясней...
Что бы я не делал, где бы не был,
Никогда не забывал о ней.
Всюду огонёк её лучистый
Согревал надеждой мою кровь.
Молодой, нетронутой и чистой
Нёс тебе я всю свою любовь...
О тебе звезда мне песни пела,
Днём и ночью в даль меня звала...
А весенним вечером, в апреле,
К твоему окошку привела.
Я тебя тихонько взял за плечи,
И сказал, улыбку не тая:
«Значит я не зря ждал этой встречи,
Звёздочка любимая моя»...

Маму полностью покорили папины стихи... А он писал их ей очень много и приносил каждый день к ней на работу вместе с огромными, его же рукой рисованными плакатами (папа великолепно рисовал), которые он разворачивал прямо на её рабочем столе, и на которых, среди всевозможных нарисованных цветов, было большими буквами написано: «Аннушка, моя звёздочка, я тебя люблю!». Естественно, какая женщина могла долго такое выдержать и не сдаться?.. Они больше не расставались... Используя каждую свободную минуту, чтобы провести её вместе, как будто кто-то мог это у них отнять. Вместе ходили в кино, на танцы (что оба очень любили), гуляли в очаровательном Алитусском городском парке, пока в один прекрасный день решили, что хватит свиданий и что пора уже взглянуть на жизнь чуточку серьёзнее. Вскоре они поженились. Но об этом знал только папин друг (мамин младший брат) Ионас, так как ни со стороны маминой, ни со стороны папиной родни этот союз большого восторга не вызывал... Мамины родители прочили ей в женихи богатого соседа-учителя, который им очень нравился и, по их понятию, маме прекрасно «подходил», а в папиной семье в то время было не до женитьбы, так как дедушку в то время упрятали в тюрьму, как «пособника благородных» (чем, наверняка, пытались «сломать» упрямо сопротивлявшегося папу), а бабушка от нервного потрясения попала в больницу и была очень больна. Папа остался с маленьким братишкой на руках и должен был теперь вести всё хозяйство в одиночку, что было весьма непросто, так как Серёгины в то время жили в большом двухэтажном доме (в котором позже жила и я), с огромнейшим старым садом вокруг. И, естественно, такое хозяйство требовало хорошего ухода...

"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 так же известна, как турбина пограничного слоя и турбина слоя Прандтля (в честь Людвига Прандтля).

Учёные - биоинженеры называют её многодисковым центробежным насосом. Одним из желаемых применений данной турбины, - Тесла видел в геотермальной энергетике, описанной в книге « Our Future Motive Power »"

Действующая модель турбины Тесла.

Нужно ли говорить, что начало ХХ - века, было очень богато на открытия и изобретения. Индустриализация промышленности, которой требовались новые мощные моторы, и генераторы энергии не могли остаться в стороне от пристального внимания ведущих мировых апологетов науки и изобретательства.

Одним из таких изобретений, - является турбина Тесла.

Примечательно, что рабочую модель он построил еще, будучи ребенком. Толчком к возвращению к старой идеи послужил низкий КПД традиционных турбин и сложностей, связанных с их производством. Не хватало фундаментальных знаний в области аэродинамики, низкие прочностные характеристики металлов для эффективных лопаток, - это всё накладывало ограничения на рабочие температуры и скорости вращения турбин. Традиционная турбина работает на разнице давлений на входе и выходе и в качестве рабочего тела используются горячие газы, например, - перегретый пар, который через форсунки подается на лопатки турбины, придавая валу вращательное движение.

Турбина Тесла - отличается от традиционных решений механизмом передачи энергии на рабочий вал. Турбина Тесла не имеет лопаток и недостатков, возникающих при таком техническом решении. Турбина состоит из набора гладких дисков и форсунок направляющих рабочий газ к краю диска. Газ вращает диск посредством адгезии пограничного слоя и вязкого трения, замедляется, вращаясь по спирали. Такая турбина не имеет лопаток, ротор не имеет выступов и потому более прочен в сравнении с традиционными роторами с лопатками. Турбина Тесла имеет некоторые недостатки, компенсируемые высоким КПД, газовая турбина могла достигать 60 и более процентов коэффициента полезного действия, что очень значительно, учитывая год получения патента изобретения, патент был получен в 1913 году. "

Небольшой поток (нагрузка) дает высокий КПД, а сильный поток увеличивает потери в турбине и снижает его, что, однако, характерно не только для турбины Тесла" ©.

Рабочий макет турбины Тесла

Диски рабочего вала турбины должны быть очень тонкими по краям, что бы ни создавать турбулентность в рабочем теле. Это особенность приводит к увеличению количества дисков, при увеличении скорости потока. Максимальный КПД турбины этого типа достигается, когда междисковое расстояние приблизительно равно толщине пограничного слоя.

"Осевые турбины, которые сейчас используются в паровых установках и реактивных двигателях, имеют КПД около 60–70% и ограничены величиной КПД соответствующего цикла Карно , а для силовой установки он достигает лишь 25–42%. Тесла утверждал, что паровая версия его турбины может достигать 95%. 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 пятидесятых годах прошлого века Уоррен Райс пытался повторить эксперименты Тесла, но проводил их не на турбине построенной в строгом соответствии с запатентованным Теслой образцом. Уоррен Райс проводил эксперименты с одно дисковой системой. Не удивительно, что такая турбина показала эффективность в пределах 40%, и это при использовании одного диска. В своих последних работах с турбиной Тесла, - Уоррен Райс провел всесторонний анализ ламинарного потока в многодисковой турбине:

" 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 " ©

Современная многоступенчатая лопастная турбина обычно достигает 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.

По материалам открытого интернета.

Оригинальная модель турбины Тесла

Никола Тесла был настолько великим ученым, что по-настоящему оценить масштабы его открытий человечеству еще только предстоит. Большинство его изобретений, о которых и поныне ходят легенды, касается возможности передачи на расстояние. Однако среди патентов, а их намного больше тысячи, которые получил этот выдающийся теоретик и экспериментатор-практик, есть и другие, касающиеся исключительно механических узлов машин. Один из них описывает принцип работы необычной конструкции, преобразующей энергию газового потока во Турбина Тесла - таково название этого механизма.

Каждое изобретение должно быть уникальным, таковы современные правила регистрации патента, такими были они и в 1913 году, когда великий ученый получил очередное авторское свидетельство. Оригинальность изобретения Тесла состоит в отсутствии лопаток, которыми снабжен ротор практически любой турбины. Передача потока воздуха, или любого другого газа, осуществляется не за счет непосредственного давления на поставленные под углом к нему лопасти, а движением пограничного потока среды, окружающей совершенно плоские диски. Турбина Тесла использует такое свойство газов, как их вязкость.

Все изобретения этого необыкновенного человека очень красивы. Турбина Тесла - не исключение. Красота ее в простоте, не в примитивности, а именно в той утонченной лаконичности, которая стала почерком гения. Никому ранее и в голову не приходило раскручивать диск потоком газа, направленным в одной с ним плоскости.

Разумеется, для повышения эффективности всего устройства следовало увеличить количество дисков и максимально уменьшить расстояние между ними, поэтому турбина Тесла представляет собой ротор, закрепленный на ведущем валу, состоящий из множества плоских «тарелок», а статор - пространство, в котором вращается с соплами, направленными тангенциально, то есть перпендикулярно радиусу роторных дисков. Такая конструкция дает огромное преимущество в том случае, если необходимо изменить направление вращения. Для этого достаточно просто переключить входной патрубок на то сопло, что ранее было выходным, и вся турбина начнет вращаться в реверсивном направлении.

Еще одно преимущество - в характере движения газа, он ламинарный, то есть в нем не возникает вихревых потоков, на преодоление которых расходуется полезная энергия, и с которыми так упорно борются конструкторы турбин. Вообще во времена, когда Тесла изобретал свою турбину, у инженеров было много проблем с материалами для изготовления лопаток, вот он и придумал, как без них вовсе обойтись.

Есть у конструкции и свои недостатки. К их числу можно отнести низкую скорость потока газа, при которой турбина Тесла эффективна. Однако это нисколько не умаляет значение этого изобретения, которое может вдруг понадобиться и стать просто незаменимым решением технической задачи, как это бывало и с другими патентами Н. Тесла.

Простота конструкции - очевидное качество, которым обладает турбина Тесла. Своими руками ее изготовить можно, правда, для этого все же потребуется немалая квалификация и высокая точность выполнения всех работ. Ведь квалитет дисков и малый зазор между ними, который должен быть очень равномерным, а также кожух с соплами с помощью простейших инструментов выполнить практически нельзя.

Стальной ротор.

Крайние диски турбины Тесла делаются более толстыми, так как проходящяя между дисками струя газа пытается раздвинуть диски, а так же для прижимания остальных дисков друг к другу. Так же крайние диски имеют радиальные выступы над окнами, которые служат в качестве части уплотнения.

Боковой диск турбины Теслы с радиальными выступами.

Ротор помещается в корпус, который имеет входящее сопло и боковые крышки с отверстиями в центре. К крышкам крепятся еще две детали, не знаю как их правильнее назвать, я их назвал «уши», в которых закрепляются подшипники и обеспечивается отвод отработанной среды.

На внутренней поверхности крышек вырезаны радиальные канавки. Их можно разделить на две группы по их назначению. Первая группа канавок располагается ближе к центру, в эти канавки входят радиальные выступы боковых дисков, что обеспечивает хорошее уплотнение. Канавки и выступы, составляющие уплотнение, должны быть тщательно подогнаны друг к другу. Зазоры должны быть минимально возможными, но и не допускающими трение, что требует высокой точности изготовления. Вторая группа канавок прорезается почти по всей оставшейся поверхности и к ним не предъявляется таких жестких требований по точности изготовления. Боковые диски движутся относительно неподвижных крышек корпуса. Чтобы не создавать дополнительное сопротивление, расстояние между дисками и корпусом нужно увеличить. Именно этой цели и служат радиальные канавки второй группы. Так как поток всегда ищет путь наименьшего сопротивления, а в нашем случае – это канавки между крышками и дисками, основная часть потока проходила бы именно этим путем, и лишь незначительная часть проходила бы между остальными дисками ротора. За счет уплотнения, в канавках возникает повышенное давление, что и не дает среде пройти только этим путем, и среда проходит там, где возможно, т.е. между остальными дисками. Можно было бы сделать и одну широкую канавку, однако это бы увеличило утечку. По этому, лучшего результата можно добиться, используя несколько канавок.

Сопло турбины располагается тангенциально, т.е. по касательной к внутренней поверхности корпуса и может быть выполнено в виде прямоугольной щели, или круглого сужающегося отверстия.

Прямоугольное сопло для турбины Тесла.

Зазор по периферии между корпусом и ротором делается минимальным, учитывая небольшое увеличение диаметра ротора, при работе на высоких оборотах.

Теперь, имея примерное представление об устройстве турбины, рассмотрим теоретическую базу и рабочий процесс. Если направить поток жидкости, или газа по плоской поверхности, то этот поток начнет увлекать за собой эту поверхность. Такое поведение обусловлено тем, что самый первый слой молекул, прилегающих к плоскости – неподвижен. Следующий слой движется очень медленно, следующий чуть быстрее и так далее. Ниже приведу небольшую выдержку из аэродинамики.

Важной характеристикой движущейся среды является ее вязкость. Вязкость проявляется через свойство прилипания текучей среды к поверхности, тогда как не вязкая среда свободно скользит вдоль обтекаемой поверхности. Чтобы проиллюстрировать влияние вязкости, порождающей силу, замедляющую течение (силу сопротивления), рассмотрим две большие параллельные друг другу пластины A и B (рис. 1), одна из которых движется относительно другой. Вязкая среда прилипает к каждой из пластин. Случайные движения молекул создают эффект «перемешивания», стремящегося выровнять средние скорости течения, скорость которого на пластине B равна V , а на пластине A – нулю. Результирующее распределение скоростей также приведено на рис. 1, где длина стрелок пропорциональна величине скорости в данной точке течения по высоте между пластинами. Таким образом, на движущуюся пластину B действует сила, тормозящая ее движение. Чтобы обеспечить движение пластины B при наличии торможения, к ней должна быть приложена противодействующая сила. Такая же сила стремится привести в движение пластину A