Teslova turbína je bezlopatková dostředivá turbína patentovaná Nikolou Teslou v roce 1913 . Často se o ní mluví jako o bezlopatkové turbíně, protože využívá spíše efekt mezní vrstvy než tlak kapaliny nebo páry na lopatky jako u tradiční turbíny. Teslova turbína je také známá jako turbína mezní vrstvy a turbína Prandtlovy vrstvy (podle Ludwiga Prandtla ). Bioinženýři tomu říkají vícekotoučové odstředivé čerpadlo [1] [2] . Tesla viděl jednu z požadovaných aplikací této turbíny v geotermální energii, popsanou v knize „ Our Future Motive Power “ [3] .
V Teslově době byla účinnost tradičních turbín nízká, protože neexistovala žádná aerodynamická teorie nutná k vytvoření účinných lopatek a špatná kvalita materiálů pro lopatky ukládala vážná omezení provozních rychlostí a teplot. Účinnost tradiční turbíny souvisí s tlakovým rozdílem mezi vstupem a výstupem. Pro dosažení vyššího tlakového rozdílu se používají horké plyny, jako je přehřátá pára v parních turbínách a zplodiny spalování v plynových turbínách, takže pro dosažení vysoké účinnosti jsou potřeba tepelně odolné materiály. Pokud turbína používá plyn, který se při pokojové teplotě stává kapalným, lze na výstupu použít kondenzátor pro zvýšení tlakového rozdílu.
Teslova turbína se od tradiční turbíny liší mechanismem přenosu energie na hřídel. Skládá se ze sady hladkých kotoučů a trysek, které usměrňují pracovní plyn na okraj kotouče. Plyn roztáčí disk přes adhezi mezní vrstvy a viskózní tření a zpomaluje, když se spirálovitě zpomaluje.
Teslova turbína nemá lopatky a z nich plynoucí nevýhody: rotor nemá žádné výstupky a je tedy odolný. Má však dynamické ztráty a omezení průtoku. Malý průtok (zátěž) dává vysokou účinnost a silný průtok zvyšuje ztráty v turbíně a snižuje je, což však není ojedinělé u Teslovy turbíny.
Kotouče musí být na okrajích velmi tenké, aby nevytvářely turbulence v pracovní kapalině. To má za následek nutnost navyšovat počet disků se zvyšující se rychlostí streamu. Maximální účinnosti tohoto systému je dosaženo, když je mezidisková vzdálenost přibližně rovna tloušťce mezní vrstvy. Protože tloušťka mezní vrstvy závisí na viskozitě a tlaku, tvrzení, že stejnou konstrukci turbíny lze efektivně použít pro různé kapaliny a plyny, je nesprávné.
Výzkumy ukazují [4] , že pro udržení vysoké účinnosti musí být průtok mezi disky udržován relativně nízký. Při slabém průtoku má trajektorie toku pracovní tekutiny od vstupu do turbíny k výstupu mnoho závitů. Při silném proudění klesá počet otáček spirály a ta se zkracuje, což snižuje účinnost, protože plyn (kapalina) má menší kontakt s disky, takže přenáší méně energie.
Účinnost plynové turbíny Tesla je nad 60 % a dosahuje více než 95 %. Nepleťte si ale účinnost turbíny s celkovou účinností motoru, který tuto turbínu využívá. Axiální turbíny, které se dnes používají v parních zařízeních a proudových motorech, mají účinnost asi 60-70% a jsou omezeny účinností odpovídajícího Carnotova cyklu a pro elektrárnu dosahuje pouze 25-42%. Tesla tvrdil, že parní verze jeho turbíny může dosáhnout 95 %. [5] [6] Testování Teslovy parní turbíny v terénu ve Westinghouse zjistilo výkon páry 38 liber na koňskou sílu za hodinu, což odpovídá účinnosti turbíny v rozsahu 20 %.
V 50. letech se Warren Rice pokusil zopakovat Teslovy experimenty, ale neprovozoval je na turbíně postavené přesně podle Teslovy patentované konstrukce. [7] Rice experimentoval se vzduchovým systémem s jedním diskem. Testovaná Riceova turbína vykázala účinnost 36-41 % při použití jediného disku. [7] Vyšší účinnosti by mělo být dosaženo pomocí Teslovy konstrukce.
Ve své nejnovější práci na Teslově turbíně provedl Rice rozsáhlou analýzu modelu laminárního proudění ve vícediskové turbíně. Velmi silný požadavek na účinnost turbíny (na rozdíl od účinnosti přístroje obecně) pro tuto konstrukci byl publikován v roce 1991 pod názvem Tesla Turbomachine. [8] V článku se píše:
Při správném použití analytických výsledků může být účinnost turbíny využívající laminární proudění velmi vysoká, dokonce i nad 95 %. Aby se však dosáhlo vysoké účinnosti turbíny, musí být rychlost proudění malá, což znamená, že větší účinnosti turbíny se dosáhne použitím velkého počtu disků a tedy i fyzicky velké turbíny. [9]
Moderní vícestupňové lopatkové turbíny obvykle dosahují účinnosti 60-70 %, zatímco velké parní turbíny často v praxi vykazují účinnost turbíny přes 90 %. U spirálového rotoru vhodného pro přiměřeně dimenzovanou Teslovu turbínu na běžné kapaliny (pára, plyn, voda) se očekává účinnost v oblasti 60-70 % a možná i vyšší. [9]
| Nikola Tesla | ||
|---|---|---|
| Kariéra a vynálezy |
| |
| jiný |
| |
| Související články |
| |