Tesla-turbinen er en bladløs centripetalturbine , patenteret af Nikola Tesla i 1913 . Den omtales ofte som en vingeløs turbine, fordi den bruger grænselagseffekten frem for væske- eller damptryk på vingerne som i en traditionel turbine. Tesla-turbinen er også kendt som grænselagsturbinen og Prandtl-lagturbinen (efter Ludwig Prandtl ). Bioingeniører kalder det en multi-disc centrifugalpumpe [1] [2] . Tesla så en af de ønskede anvendelser af denne turbine i geotermisk energi, beskrevet i bogen " Our Future Motive Power " [3] .
På Teslas tid var effektiviteten af traditionelle turbiner lav, da der ikke var nogen aerodynamisk teori nødvendig for at skabe effektive vinger, og den dårlige kvalitet af materialer til vingerne pålagde alvorlige begrænsninger for driftshastigheder og temperaturer. Effektiviteten af en traditionel turbine er relateret til trykforskellen mellem indløb og udløb. For at opnå en højere trykforskel bruges varme gasser, såsom overhedet damp i dampturbiner og forbrændingsprodukter i gasturbiner, hvorfor varmebestandige materialer er nødvendige for at opnå høj effektivitet. Hvis turbinen bruger en gas, der bliver til væske ved stuetemperatur, kan en kondensator bruges ved udløbet for at øge trykforskellen.
Tesla-turbinen adskiller sig fra den traditionelle turbine i mekanismen til at overføre energi til akslen. Den består af et sæt glatte skiver og dyser, der leder arbejdsgassen til kanten af skiven. Gassen roterer skiven gennem grænselagsadhæsion og viskøs friktion og sænker farten, når den spiraler.
Tesla-turbinen har ikke vinger og de ulemper, der følger af dem: Rotoren har ingen fremspring og er derfor holdbar. Det har dog dynamiske tab og strømningshastighedsbegrænsninger. Et lille flow (belastning) giver en høj virkningsgrad, og et stærkt flow øger tabene i møllen og reducerer det, hvilket dog ikke er unikt for Tesla-møllen.
Skiverne skal være meget tynde i kanterne for ikke at skabe turbulens i arbejdsvæsken. Dette resulterer i behovet for at øge antallet af diske, efterhånden som streamhastigheden stiger. Den maksimale effektivitet af dette system opnås, når afstanden mellem skiverne er omtrent lig med tykkelsen af grænselaget. Da tykkelsen af grænselaget afhænger af viskositeten og trykket, er udsagnet om, at det samme turbinedesign effektivt kan bruges til forskellige væsker og gasser, forkert.
Forskning viser [4] , at for at opretholde høj effektivitet skal flowhastigheden mellem skiver holdes relativt lav. Med en svag strømning har banen for strømmen af arbejdsfluidet fra indløbet til turbinen til udløbet mange drejninger. Ved et stærkt flow falder spiralens omdrejningstal, og det bliver kortere, hvilket reducerer effektiviteten, fordi gassen (væsken) har mindre kontakt med skiverne, hvilket betyder, at den overfører mindre energi.
Tesla gasturbine effektivitet er over 60% og når mere end 95%. Men forveksle ikke turbineeffektivitet med den samlede effektivitet af motoren, der bruger denne turbine. Aksiale turbiner, som nu bruges i dampanlæg og jetmotorer, har en effektivitet på omkring 60-70% og er begrænset af effektiviteten af den tilsvarende Carnot-cyklus , og for kraftværket når den kun 25-42%. Tesla hævdede, at dampversionen af hans turbine kunne nå 95%. [5] [6] Felttest af Tesla-dampturbinen ved Westinghouse fandt en dampydelse på 38 pund per hestekræfter i timen, svarende til turbineeffektivitet i 20 %-området.
I 1950'erne forsøgte Warren Rice at replikere Teslas eksperimenter, men han kørte dem ikke på en turbine bygget nøjagtigt efter Teslas patenterede design. [7] Ris eksperimenterede med et enkelt skive luftsystem. Den testede Rice-turbine viste en effektivitet på 36-41% ved brug af en enkelt skive. [7] Højere effektivitet bør opnås ved at bruge Teslas design.
I sit seneste arbejde med Tesla-turbinen udførte Rice en storstilet analyse af en laminær strømningsmodel i en multidisk-turbine. En meget stærk påstand om turbineeffektivitet (i modsætning til instrumenteffektivitet generelt) for dette design blev offentliggjort i 1991 under titlen Tesla Turbomachine. [8] Artiklen siger:
Med den rigtige brug af analyseresultater kan turbineeffektiviteten ved brug af laminar flow være meget høj, selv over 95%. Men for at opnå høj møllevirkningsgrad skal strømningshastigheden være lille, hvilket betyder, at der opnås større møllevirkningsgrad ved at bruge et stort antal skiver og dermed en fysisk stor mølle. [9]
Moderne flertrins vingeturbiner opnår typisk 60-70% virkningsgrad, mens store dampturbiner ofte viser turbinevirkningsgrader på over 90% i praksis. En spiralformet rotor, der er egnet til en rimelig størrelse Tesla-turbine til almindelige væsker (damp, gas, vand) forventes at vise en effektivitet i området 60-70% og muligvis højere. [9]
| Nikola Tesla | ||
|---|---|---|
| Karriere og opfindelser |
| |
| Andet |
| |
| Relaterede artikler |
| |