Jak działa turbina Tesli

  • Rudolf Cole
  • 0
  • 4650
  • 213
Chłopiec obserwuje sterowaną radiowo łódź w mieście Smiljan w Chorwacji, rodzinnym mieście Nikoli Tesli. W pobliżu znajduje się bezłopatkowa turbina z kołem wodnym projektu Tesli. Ta sama zasada napędza jego słynny silnik turbinowy. Hrvoje Polan / AFP / Getty Images

Większość ludzi zna Nikolę Teslę, ekscentrycznego i błyskotliwego człowieka, który przybył do Nowego Jorku w 1884 roku, jako ojca prądu przemiennego, formy energii elektrycznej, która dostarcza energię do prawie wszystkich domów i firm. Ale Tesla był cudownym wynalazcą, który zastosował swój geniusz do szerokiego zakresu praktycznych problemów. W sumie posiadał 272 patenty w 25 krajach, w tym 112 w samych Stanach Zjednoczonych. Można by pomyśleć, że z całej tej pracy Tesla miałby najdroższe jego wynalazki w elektrotechnice - te, które opisywały kompletny system generatorów, transformatorów, linii przesyłowych, silnika i oświetlenia - najdroższe. Ale w 1913 roku Tesla otrzymał patent na to, co opisał jako swój najważniejszy wynalazek. Tym wynalazkiem była turbina, znana dziś jako turbina Tesli, turbina warstwy granicznej lub turbina płaska.

Co ciekawe, użycie słowa „turbina” do opisania wynalazku Tesli wydaje się nieco mylące. Dzieje się tak, ponieważ większość ludzi myśli o turbinie jako wale z przymocowanymi do niej łopatkami - podobnie jak łopatki wentylatora. W rzeczywistości słownik Webstera definiuje turbinę jako silnik napędzany siłą gazu lub wody na łopatkach wentylatora. Ale turbina Tesli nie ma żadnych łopatek. Ma serię ciasno upakowanych równoległych dysków przymocowanych do wału i umieszczonych w szczelnej komorze. Kiedy ciecz może dostać się do komory i przejść między dyskami, dyski obracają się, co z kolei obraca wał. Ten ruch obrotowy może być używany na wiele sposobów, od zasilania pomp, dmuchaw i sprężarek po napędzane samochody i samoloty. W rzeczywistości Tesla stwierdził, że turbina była najbardziej wydajnym i najprostszym silnikiem obrotowym, jaki kiedykolwiek zaprojektowano.

Jeśli to prawda, dlaczego turbina Tesli nie cieszy się szerszym zastosowaniem? Dlaczego nie stało się tak wszechobecne, jak inne arcydzieło Tesli, transmisja prądu zmiennego? Są to ważne pytania, ale są one drugorzędne w stosunku do bardziej fundamentalnych pytań, takich jak jak działa turbina Tesli i co sprawia, że ​​technologia jest tak innowacyjna? Odpowiemy na wszystkie te pytania na kilku następnych stronach. Ale najpierw musimy przejrzeć kilka podstawowych informacji o różnych typach silników opracowanych przez lata. Na następnej stronie uzyskamy lepsze wyobrażenie o konkretnym problemie, który Tesla miał nadzieję rozwiązać za pomocą swojego nowego wynalazku.

Zawartość
  1. Silnik turbinowy Tesli
  2. Części turbiny Tesli
  3. Działanie turbiny Tesli
  4. Bariery w komercjalizacji turbin Tesli
  5. Przyszłość turbiny Tesli
Turbiny wiatrowe, takie jak te w Palm Springs w Kalifornii, to przykłady innych turbin wykorzystywanych do wytwarzania energii elektrycznej. W przeciwieństwie do modelu Tesli są to turbiny łopatkowe. David McNew / Getty Images

Zadaniem każdego silnika jest zamiana energii ze źródła paliwa na energię mechaniczną. Niezależnie od tego, czy naturalnym źródłem jest powietrze, woda w ruchu, węgiel czy ropa naftowa, energia wejściowa jest płynem. Przez płyn rozumiemy coś bardzo specyficznego - jest to każda substancja, która płynie pod przyłożonym naprężeniem. Zatem zarówno gazy, jak i ciecze są płynami, których przykładem może być woda. Z punktu widzenia inżyniera woda w stanie ciekłym i woda gazowa lub para działają jako płyn.

Na początku XX wieku powszechne były dwa typy silników: turbiny łopatkowe, napędzane poruszającą się wodą lub parą wytwarzaną z podgrzanej wody oraz silniki tłokowe, napędzane gazami wytwarzanymi podczas spalania benzyny. Pierwszy to typ silnika rotacyjnego, drugi to typ silnika tłokowego. Oba typy silników były skomplikowanymi maszynami, których budowa była trudna i czasochłonna.

Jako przykład rozważmy tłok. Tłok to cylindryczny kawałek metalu, który porusza się w górę iw dół, zwykle wewnątrz innego cylindra. Oprócz samych tłoków i cylindrów inne części silnika obejmują zawory, krzywki, łożyska, uszczelki i pierścienie. Każda z tych części stanowi okazję do porażki. Razem zwiększają wagę i nieefektywność całego silnika.

Turbiny łopatkowe miały mniej ruchomych części, ale stwarzały własne problemy. Większość z nich była ogromnymi maszynami z bardzo wąskimi tolerancjami. Jeśli nie zostanie prawidłowo zbudowany, ostrza mogą się złamać lub pęknąć. W rzeczywistości była to obserwacja dokonana w stoczni, która zainspirowała Teslę do wymyślenia czegoś lepszego: „Przypomniałem sobie buszle połamanych łopatek, które zostały zebrane z obudów turbin pierwszego parowca wyposażonego w turbinę, aby przepłynąć ocean, i zdałem sobie sprawę, że znaczenie tego [nowego silnika] ”[źródło: The New York City Herald Tribune].

Nowy silnik Tesli był bezłopatkową turbiną, która nadal wykorzystywałaby płyn jako nośnik energii, ale byłaby znacznie wydajniejsza w przekształcaniu energii płynu w ruch. Wbrew powszechnemu przekonaniu nie wynalazł turbiny bezłopatkowej, ale wziął podstawową koncepcję, po raz pierwszy opatentowaną w Europie w 1832 roku, i wprowadził kilka ulepszeń. Dopracował ten pomysł na przestrzeni prawie dekady i faktycznie otrzymał trzy patenty związane z maszyną:

  • Patent numer 1,061,142 „Fluid Propulsion”, zgłoszony 21 października 1909 r. I opatentowany 6 maja 1913 r.
  • Patent numer 1,061,206, „Turbine”, zgłoszony 17 stycznia 1911 r. I opatentowany 6 maja 1913 r.
  • Patent numer 1329,559, „Valvular Conduit”, zgłoszony 21 lutego 1916 r., Odnowiony 18 lipca 1919 r. I opatentowany 3 lutego 1920 r.

W pierwszym patencie Tesla przedstawił swój podstawowy bezłopatkowy projekt skonfigurowany jako pompa lub sprężarka. W drugim patencie Tesla zmodyfikował podstawowy projekt, aby działał jako turbina. I wreszcie trzecim patentem dokonał zmian niezbędnych do pracy turbiny jako silnika spalinowego.

Podstawowa konstrukcja maszyny jest taka sama, niezależnie od jej konfiguracji. W następnej sekcji przyjrzymy się bliżej temu projektowi.

Copyright 2008

W porównaniu z silnikiem tłokowym lub parowym, turbina Tesli jest sama w sobie prostotą. W rzeczywistości Tesla opisał to w ten sposób w wywiadzie, który ukazał się w New York Herald Tribune 15 października 1911 r .: „Wystarczy kilka dysków zamontowanych na wale, rozmieszczonych w niewielkiej odległości od siebie i obudowanych tak, aby płyn mógł wchodzić w jednym miejscu i wychodzić w innym ”. Oczywiście jest to nadmierne uproszczenie, ale niewiele. Przyjrzyjmy się bliżej dwóm podstawowym częściom turbiny - wirnikowi i stojanowi.

Rotor

W tradycyjnej turbinie wirnik jest wałem z zamocowanymi łopatkami. Turbina Tesli pozbywa się ostrzy i zamiast tego wykorzystuje serię dysków. Rozmiar i liczba dysków może się różnić w zależności od czynników związanych z określoną aplikacją. Dokumentacja patentowa Tesli nie definiuje konkretnej liczby, ale używa bardziej ogólnego opisu, mówiącego, że wirnik powinien zawierać „wiele” dysków o „odpowiedniej średnicy”. Jak zobaczymy później, sam Tesla sporo eksperymentował z rozmiarem i liczbą dysków.

Każdy dysk ma otwory otaczające wał. Otwory te działają jak otwory wydechowe, przez które wypływa płyn. Aby upewnić się, że płyn może swobodnie przepływać między dyskami, jako separatory używane są metalowe podkładki. Ponownie, grubość podkładki nie jest sztywno ustawiona, chociaż odstępy między nimi zwykle nie przekraczają 2 do 3 milimetrów.

Gwintowana nakrętka utrzymuje tarcze w odpowiednim położeniu na wale, ostatnim elemencie zespołu wirnika. Ponieważ tarcze są zaklinowane na wale, ich obrót jest przenoszony na wał.

Stator

Zespół wirnika jest umieszczony w cylindrycznym stojanie lub nieruchomej części turbiny. Aby pomieścić wirnik, średnica wewnętrznej komory cylindra musi być nieco większa niż same tarcze wirnika. Na każdym końcu stojana znajduje się łożysko wału. Stojan zawiera również jeden lub dwa wloty, w które wkładane są dysze. Oryginalny projekt Tesli wymagał dwóch wlotów, co umożliwiało turbinę pracę w prawo lub w lewo.

To jest podstawowy projekt. Aby turbina pracowała, płyn pod wysokim ciśnieniem wpływa do dysz przy wlotach stojana. Płyn przepływa między tarczami wirnika i powoduje obracanie się wirnika. Ostatecznie płyn wypływa przez otwory wydechowe w środku turbiny.

Jedną z największych zalet turbiny Tesli jest jej prostota. Można go zbudować z łatwo dostępnych materiałów, a odstępy między dyskami nie muszą być precyzyjnie kontrolowane. W rzeczywistości jest tak łatwy do zbudowania, że ​​kilka popularnych magazynów zawiera kompletne instrukcje montażu przy użyciu materiałów gospodarstwa domowego. W numerze Popular Science z września 1955 r. Przedstawiono krok po kroku plan budowy dmuchawy przy użyciu konstrukcji turbiny Tesli wykonanej z tektury!

Ale dokładnie w jaki sposób seria dysków generuje ruch obrotowy, jakiego oczekujemy od turbiny? To jest pytanie, które omówimy w następnej sekcji.

Copyright 2008

Możesz się zastanawiać, w jaki sposób energia płynu może powodować obracanie się metalowego dysku. W końcu, jeśli dysk jest idealnie gładki i nie ma łopatek, łopatek ani wiader do „wychwytywania” płynu, logika sugeruje, że płyn po prostu przepłynie przez dysk, pozostawiając go nieruchomo. To oczywiście nie jest to, co się dzieje. Wirnik turbiny Tesli nie tylko obraca się, ale również szybko się obraca.

-Powód, dla którego można znaleźć dwie podstawowe właściwości wszystkich płynów: przyczepność i lepkość. Adhezja to tendencja niepodobnych cząsteczek do przylegania do siebie pod wpływem sił przyciągania. Lepkość to opór przepływu substancji. Te dwie właściwości współpracują ze sobą w turbinie Tesli, przenosząc energię z płynu do wirnika lub odwrotnie. Oto jak:

  1. Gdy płyn przechodzi przez każdy dysk, siły adhezyjne powodują, że cząsteczki płynu tuż nad powierzchnią metalu zwalniają i przywierają.
  2. Cząsteczki tuż nad tymi na powierzchni zwalniają, gdy zderzają się z cząsteczkami przylegającymi do powierzchni.
  3. Te cząsteczki z kolei spowalniają przepływ tuż nad nimi.
  4. Im bardziej oddalamy się od powierzchni, tym mniej kolizji ma wpływ powierzchnia obiektu.
  5. Jednocześnie siły lepkości powodują, że cząsteczki płynu opierają się separacji.
  6. To generuje siłę ciągnącą, która jest przenoszona na dysk, powodując ruch dysku w kierunku płynu.

Cienka warstwa płynu, która oddziałuje w ten sposób z powierzchnią dysku, nazywana jest warstwa graniczna, a interakcja płynu z powierzchnią stałą nazywa się efekt warstwy granicznej. W wyniku tego efektu, płyn napędzający podąża szybko przyspieszoną ścieżką spiralną wzdłuż powierzchni dysku, aż dotrze do odpowiedniego wyjścia. Ponieważ płyn porusza się naturalnymi ścieżkami o najmniejszym oporze, bez ograniczeń i sił zakłócających powodowanych przez łopatki lub łopatki, doświadcza stopniowych zmian prędkości i kierunku. Oznacza to, że do turbiny dostarczane jest więcej energii. Rzeczywiście Tesla twierdzi, że sprawność turbiny wynosi 95 procent, znacznie więcej niż inne turbiny tamtych czasów.

Ale jak zobaczymy w następnej sekcji, teoretyczna wydajność turbiny Tesli nie została tak łatwo zrealizowana w modelach produkcyjnych.

Warstwa graniczna: to prawdziwy drag

Efekt warstwy granicznej wyjaśnia również, w jaki sposób powstaje opór na skrzydle samolotu. Powietrze poruszające się nad skrzydłem zachowuje się jak płyn, co oznacza, że ​​cząsteczki powietrza mają zarówno siły adhezyjne, jak i lepkie. Gdy powietrze przykleja się do powierzchni skrzydła, wytwarza siłę, która opiera się ruchowi samolotu do przodu.

Nikola Tesla Mansell / Time Life Pictures / Getty Images

Tesla, podobnie jak wielu współczesnych naukowców i przemysłowców, uważał, że jego nowa turbina jest rewolucyjna ze względu na szereg cech. Był mały i łatwy w produkcji. Miał tylko jedną ruchomą część. I to było odwracalne.

Aby zademonstrować te korzyści, Tesla zbudowała kilka maszyn. Juilus C. Czito, syn wieloletniego mechanika Tesli, zbudował kilka wersji. Pierwsza, zbudowana w 1906 r., Zawierała osiem dysków, każdy o średnicy 15,2 cm (6 cali). Maszyna ważyła mniej niż 10 funtów (4,5 kg) i rozwijała moc 30 koni mechanicznych. Ujawnił również niedostatek, który utrudniałby ciągły rozwój maszyny. Wirnik osiągał tak duże prędkości - 35 000 obrotów na minutę (obr / min) - że metalowe tarcze znacznie się rozciągały, zmniejszając wydajność.

W 1910 roku Czito i Tesla zbudowali większy model z dyskami o średnicy 12 cali (30,5 centymetra). Obracał się z prędkością 10 000 obrotów na minutę i rozwijał moc 100 koni mechanicznych. Następnie, w 1911 roku, para zbudowała model z dyskami o średnicy 24,8 centymetra. Zmniejszyło to prędkość do 9000 obr / min, ale zwiększyło moc wyjściową do 110 koni mechanicznych.

Wzmocniony tymi sukcesami na małą skalę Tesla zbudował większą podwójną jednostkę, którą planował przetestować parą w głównej potęgi nowojorskiej firmy Edison. Każda turbina miała tarcze łożyskowe wirnika o średnicy 18 cali (45,7 cm). Dwie turbiny zostały umieszczone w linii na jednej podstawie. Podczas testu Tesla była w stanie osiągnąć 9000 obrotów na minutę i wygenerować 200 koni mechanicznych. Jednak niektórzy inżynierowie obecni na teście, lojalni wobec Edisona, twierdzili, że turbina była awarią na podstawie niezrozumienia sposobu pomiaru momentu obrotowego w nowej maszynie. Ta zła prasa, w połączeniu z faktem, że główne firmy elektryczne zainwestowały już znaczne środki w turbiny łopatkowe, utrudniły Tesli przyciągnięcie inwestorów..

W ostatniej próbie komercjalizacji swojego wynalazku Tesli przekonał firmę Allis-Chalmers Manufacturing Company w Milwaukee do zbudowania trzech turbin. Dwa miały 20 dysków o średnicy 18 cali i rozwijały prędkości odpowiednio 12 000 i 10 000 obr / min. Trzeci miał 15 dysków o średnicy 60 cali (1,5 metra) i był zaprojektowany do pracy z prędkością 3600 obrotów na minutę, generując 675 koni mechanicznych. Podczas testów inżynierowie z Allis-Chalmers byli zaniepokojeni zarówno wydajnością mechaniczną turbin, jak i ich zdolnością do długotrwałego użytkowania. Odkryli, że dyski uległy znacznemu zniekształceniu i doszli do wniosku, że turbina w końcu uległaby awarii.

Jeszcze w latach siedemdziesiątych naukowcy mieli trudności z odtworzeniem wyników przedstawionych przez Teslę. Warren Rice, profesor inżynierii na Uniwersytecie Stanowym w Arizonie, stworzył wersję turbiny Tesli, która działa z 41-procentową wydajnością. Niektórzy argumentowali, że model Rice'a odbiegał od dokładnych specyfikacji Tesli. Ale Rice, ekspert w dziedzinie dynamiki płynów i turbiny Tesli, przeprowadził przegląd literatury badań dopiero w latach 90. i stwierdził, że żadna nowoczesna wersja wynalazku Tesli nie przekroczyła 30-40 procent wydajności..

To przede wszystkim uniemożliwiło szersze zastosowanie turbiny Tesli.

Jak jasno stwierdziło Biuro Badań Marynarki Wojennej w Waszyngtonie, DC: „Turbina Parsons jest od dawna z całym przemysłem zbudowanym wokół niej i obsługującym ją. Jeśli turbina Tesli nie jest o rząd wielkości lepsza, wylewać pieniądze do szczurzej dziury, ponieważ przemysł nie zostanie tak łatwo obalony… ”[źródło: Cheney].

Więc gdzie to dzisiaj opuszcza turbinę Tesli? Jak zobaczymy w następnej sekcji, inżynierowie i projektanci samochodów po raz kolejny zwracają uwagę na tę 100-letnią technologię.

-

Tesla zawsze był wizjonerem. Nie widział swojej bezłopatkowej turbiny jako celu samego w sobie, ale jako środek do celu. Jego ostatecznym celem było zastąpienie tłokowego silnika spalinowego znacznie wydajniejszym i bardziej niezawodnym silnikiem opartym na jego technologii. Najbardziej wydajne silniki spalinowe tłokowe nie osiągały wydajności powyżej 27 do 28 procent w konwersji paliwa do pracy. Nawet przy współczynniku sprawności 40 procent Tesla uznał swoją turbinę za ulepszenie. Zaprojektował nawet na papierze samochód z turbiną, który, jak twierdził, byłby tak wydajny, że mógłby jeździć po Stanach Zjednoczonych na jednym zbiorniku benzyny..

Tesla nigdy nie widział wyprodukowanego samochodu, ale dziś może być zadowolony, widząc, że jego rewolucyjna turbina jest w końcu włączana do nowej generacji czystszych i bardziej wydajnych pojazdów. Jedną z firm dokonujących poważnych postępów jest Phoenix Navigation and Guidance Inc. (PNGinc) z siedzibą w Munising w stanie Michigan. PNGinc połączył technologię turbin dyskowych z komorą spalania z detonacją impulsową w silniku, który według firmy zapewnia bezprecedensową wydajność. Jest 29 aktywnych dysków, każdy o średnicy 10 cali (25,4 centymetra), umieszczonych pomiędzy dwoma stożkowymi dyskami końcowymi. Silnik generuje 18 000 obr / min i 130 koni mechanicznych. Aby przezwyciężyć ekstremalne siły odśrodkowe właściwe dla turbiny, PNGinc wykorzystuje różnorodne zaawansowane materiały, takie jak włókno węglowe, plastik impregnowany tytanem i tarcze wzmocnione kevlarem..

Oczywiście te mocniejsze, trwalsze materiały mają kluczowe znaczenie, jeśli turbina Tesli ma odnieść komercyjny sukces. Gdyby materiały takie jak Kevlar były dostępne za życia Tesli, jest całkiem prawdopodobne, że turbina znalazłaby większe zastosowanie. Ale jak to często bywa w przypadku pracy wynalazcy, turbina Tesli była maszyną znacznie wyprzedzającą swoje czasy.

Aby uzyskać więcej informacji na temat Tesli, elektryczności i powiązanych tematów, przejdź jak błyskawica na następną stronę.

Samochód elektryczny Nikoli Tesli

Chociaż Tesla nigdy nie testował swojej turbiny w samochodzie, według niektórych opracował samochód elektryczny w 1931 roku. Samochód był Pierce-Arrow, który był wyposażony w 80-konny silnik elektryczny o prędkości 1800 obr./min zamiast silnika elektrycznego. silnik na gaz. Zgodnie z historią Tesla zmontował tajemniczą czarną skrzynkę zawierającą lampy próżniowe, przewody i rezystory. Z pudełka wystawały dwa pręty. Kiedy pręty zostały wepchnięte do skrzyni, samochód otrzymał moc. Tesla prowadził samochód przez tydzień - do prędkości 90 mil na godzinę (145 kilometrów na godzinę). Niestety wielu uważało, że wykorzystał nieznaną i niebezpieczną siłę natury. Inni nazywali go szalonym. Wściekły wyjął pudełko z samochodu, zabrał je z powrotem do swojego laboratorium i nigdy więcej go nie widziano. Do dziś podstawowe zasady działania samochodu elektrycznego Tesli pozostają tajemnicą.

Powiązane artykuły

  • Jak Nikola Tesla zmienił sposób, w jaki korzystamy z energii?
  • Quiz Corner: Engine Quiz
  • Jak działają silniki parowe
  • Jak działają silniki samochodowe
  • Jak działają silniki turbin gazowych
  • Jak działają silniki obrotowe
  • Jak działają silniki Stirlinga
  • Rewolucja przemysłowa

Więcej świetnych linków

  • Tesla: Master of Lightning na PBS
  • Witryna internetowa Muzeum Nikoli Tesli
  • Fundacja Tesli w Ameryce Północnej
  • Stowarzyszenie konstruktorów silników Tesla
  • Artykuły, patenty i linki dotyczące turbin dyskowych / pomp

Źródła

  • Allan, Sterling D. "Turbina Tesli: silnik XXI wieku?" Wiadomości Pure Energy Systems. 14 kwietnia 2007. http://pesn.com/Radio/Free_Energy_Now/shows/2007/04/14/9700225_KenReili_TeslaTurbine/
  • Cheney, Margaret. „Tesla: człowiek spóźniony” Simon & Schuster. Nowy Jork. 1981.
  • Artykuły dotyczące turbin dyskowych / pomp, patenty i linki http://www.rexresearch.com/teslatur/teslatur.htm
  • Encyklopedia Britannica 2005. „Tesla, Nikola”. CD-ROM, 2005.
  • Gingery, Vincent R., Gingery, David J. „Budowa turbiny Tesli” David J. Gingery Publishing LLC. Missouri. 2004.
  • Germano, Frank. „Turbina dyskowa Nikoli Tesli” http://www.frank.germano.com/teslaturbine2.htm
  • Hait, John. „The Cool Scientist: Tesla's Turbine”. Saipan Tribune. 13 maja 2005 r. Http://www.saipantribune.com/newsstory.aspx?cat=9&newsID=47147
  • Laserowe systemy zasilania turbin. http://www.laserturbinepower.com/index.php?option=com_content&task=view&id=3&Itemid=68
  • „Samochód turystyczny„ Czarna magia ”Nikoli Tesli”. Świat pojazdów elektrycznych. http://www.evworld.com/article.cfm?storyid=1062
  • PBS. „Tesla: Mistrz Błyskawic”. http://www.pbs.org/tesla/
  • Phoenix Navigation and Guidance Inc. http://www.phoenixnavigation.com/turbines/index.htm
  • Stowarzyszenie konstruktorów silników Tesla http://www.teslaengine.org/main.html
  • Książki XXI wieku http://www.tfcbooks.com/default.htm
  • World Book 2005. „Tesla, Nikola”.



Jeszcze bez komentarzy

Najciekawsze artykuły o tajemnicach i odkryciach. Wiele przydatnych informacji o wszystkim
Artykuły o nauce, kosmosie, technologii, zdrowiu, środowisku, kulturze i historii. Wyjaśniasz tysiące tematów, abyś wiedział, jak wszystko działa