Турбина тесла принцип работы
Турбина Теслы. В чем ее преимущества?
Это статья не про автомобиль Тесла. Хотя, это слово сейчас все больше ассоциируется с производителем электромобилей. В электромобилях нет турбин. Речь пойдет про еще один патент, изобретение Николы Тесла – турбину уникальной, но простой конструкции:
Детали турбины явно отлиты и не похожи на кустарный опытный образец. Может быть, были даже серийные образцы. Патент был получен в мае 1913 г. Посмотрим конструкцию:
Ротор турбины Теслы не имеет лопаток, в которые под давлением через форсунки подается пар или жидкость. Ротор состоит из пластин с промежутками между ними. Работа турбины основа на так называемом эффекте пограничного слоя: жидкость (или газ), подается под давлением по касательной в прорези. Попадая между пластинами, начинает свое круговое движение и за счет трения о них, проворачивают ротор. Потом, передав всю энергию ротору, замедлив скорость – выходит из центрально-осевой части турбины. Схематично это можно изобразить так:
Скорость потока должна быть не высокой, иначе возникает турбулентность при трении о диски и КПД уменьшается. Вероятно, для этого Тесла придумал и гидравлический редуктор-клапан. Про него была статья здесь: Как работает клапан Теслы? И где его можно применить
С его помощью можно регулировать (уменьшать) скорость потока жидкости в системе без задвижек. Возможно, он даже гасит любую скорость до той, под какую рассчитана его конструкция протоков.
Демонстрация работы турбины от напора водопроводной воды:
Лопастная турбина таких размеров от такого же напора тоже бы вращалась. Но ротор лопастной турбины более сложен в изготовлении. И работает он на высоких скоростях, а оптимальные КПД достигаются только при больших габаритах установки. Характеристики же турбины Тесла до конца не изучены. Может быть, эта конструкция как раз из тех, которые позволяют в компактных размерах установки получить такие же большие КПД как у огромных современных паровых турбин.
Какие преимущества у этой конструкции? Я вижу простоту в изготовлении при возможно высоком КПД (нужно проверять). Думаю, на это тогда и полагался Н.Тесла. Т.к. грамотно рассчитывать и производить лопастные турбины тогда еще не умели. Как думаете, где можно применить эту турбину?
Движение жидкости по спирали внутри турбины мне напомнило принцип движителей в установках В.Шаубергера.
В.Шаубергер был исследователем спиралевидного движения воды в турбинах.
Вообще, с именем Н.Теслы связано мнение о существовании сверхединичных установках (КПД>1). Что он научился получать электричество из атмосферы и передавать его. Что катушки Тесла – это лишь часть его исследований. И что он даже катался на электромобиле с подобной установкой. А вот радиоуправление лодочной моделью – у него точно было. Об этом – как-нибудь в следующей статье…
Турбина тесла принцип работы
Турбина Tesla представляет собой бесступенчатую центростремительную проточную турбину, запатентованную Никола Теслой в 1913 году. Она называется бесплодной турбиной. Турбина Tesla известна также как турбина турбины пограничного слоя, турбина сплошного типа и турбина турбины Прандтль (после Людвига Прандтля), поскольку она использует эффект пограничного слоя, а не жидкость, падающую на лопасти, как в обычной турбине. Исследователи биоинженерии назвали его многоцентровым центробежным насосом. Одним из желаний Теслы для реализации этой турбины было использование геотермальной энергии, которая была описана в «Нашей будущей движущей силе».
Описание
Руководящей идеей разработки турбины Тесла является тот факт, что для достижения наивысшей экономики изменения скорости и направления движения жидкости должны быть как можно более постепенными. Поэтому движущая жидкость турбины Тесла движется по естественным путям или линиям тока наименьшего сопротивления.
Турбина Tesla состоит из набора гладких дисков, при этом сопла применяют движущуюся жидкость к краю диска. Жидкость перемещается на диск посредством вязкости и адгезии поверхностного слоя жидкости. По мере того как жидкость замедляется и добавляет энергию к дискам, она вращается в центр выхлопа. Поскольку у ротора нет выступов, он очень прочный.
Тесла писал: «Эта турбина представляет собой эффективный самонаводящийся первичный двигатель, который может управляться как паровая или смешанная флюидная турбина по желанию без изменений в конструкции и на этом счет очень удобна. Небольшие отклонения от турбины, которые могут быть продиктованы по обстоятельствам в каждом случае, очевидно, будут предлагать сами, но если они будут выполняться по этим общим линиям, они будут признаны высокоприбыльными владельцам паровой установки, позволяя использовать их старую установку. Однако лучшие экономические результаты в развитие мощности от пара турбиной Тесла будет достигнуто на специально предназначенных для этой цели установках ».
Эта турбина также может быть применена к конденсационным установкам, работающим с высоким вакуумом. В этом случае из-за очень большого коэффициента расширения выхлопная смесь будет находиться при относительно низкой температуре и пригодна для поступления в конденсатор.
Все пластины и шайбы установлены и прикреплены к рукаву, навинчиваемому на концах, и снабжены гайками и хомутами для соединения толстых концевых пластин вместе, или хомуты могут быть просто вынуждены на него, а концы опрокинуты. Втулка плотно прилегает к валу, к которому она прикрепляется, как обычно.
Эта конструкция позволяет свободно расширять и сокращать каждую пластину индивидуально под воздействием тепловой и центробежной силы и обладает рядом других преимуществ, которые имеют практическое значение. Более высокая площадь активной пластины и, следовательно, больше мощности получается для заданной ширины, что повышает эффективность. Деформирование практически устраняется, и могут использоваться меньшие боковые зазоры, что приводит к уменьшению потерь утечки и трения. Ротор лучше приспособлен для динамической балансировки, а трение трения сопротивляется нарушающим воздействиям, тем самым обеспечивая более тихую работу. По этой причине, а также потому, что диски не жестко соединены, они защищены от повреждений, которые могут быть вызваны вибрацией или чрезмерной скоростью.
Турбина Tesla имеет свойство находиться в установке, обычно работающей со смесью пара и продуктов сгорания, и в которой выхлопное тепло используется для подачи пара, который подается в турбину, обеспечивая клапан, регулирующий подачу пара, таким образом что давления и температуры можно настроить на оптимальные условия работы.
Как показано на рисунке, турбинная установка Tesla:
Возможность запускать только пар
Тип диска, приспособленный для работы с жидкостями при высокой температуре.
Эффективная турбина Tesla требует близкого расстояния между дисками. Например, тип с паровым питанием должен поддерживать междисковое расстояние 0,4 мм (0,016 дюйма). Диски должны быть чрезвычайно гладкими, чтобы минимизировать потери поверхности и сдвига. Диски также должны быть очень тонкими, чтобы предотвратить перетаскивание и турбулентность на краях диска. К сожалению, предотвращение деформаций и искажений дисков было серьезной проблемой во времена Теслы. Считается, что эта неспособность предотвратить искажение дисков способствовала коммерческому провалу турбин, потому что металлургические технологии в то время не могли производить диски достаточного качества и жесткости.
насос
Устройство может работать как насос, если используется аналогичный набор дисков и корпус с эвольвентной формой (по сравнению с циркуляром для турбины). В этой конфигурации двигатель прикреплен к валу. Жидкость входит в центр, дается энергия дисками, а затем выходит на периферию. Турбина Tesla не использует трение в обычном смысле; именно он избегает этого и использует адгезию (эффект Coandă) и вязкость. Он использует эффект пограничного слоя на дисковых лезвиях.
Гладкие роторные диски были первоначально предложены, но они дали плохой пусковой момент. Тесла впоследствии обнаружил, что гладкие роторные диски с небольшими шайбами, соединяющими диски в
12-24 местах по периметру 10-дюймового диска, и второе кольцо из 6-12 шайб на поддиапазоне, сделанное для значительного улучшения пускового момента без компрометирующая эффективность.
Приложения
Патенты Tesla заявляют, что устройство предназначено для использования жидкостей в качестве движущих агентов, в отличие от их применения для движения или сжатия жидкостей (хотя устройство также может использоваться для этих целей). По состоянию на 2016 год турбина Тесла не имела широкого коммерческого использования с момента ее изобретения. Тем не менее, насос Tesla был коммерчески доступен с 1982 года и используется для перекачивания жидкостей, которые являются абразивными, вязкими, чувствительными к сдвигу, содержат твердые вещества или иным образом трудно обрабатывать другими насосами. Сам Тесла не получил крупного контракта на производство. Главным недостатком его времени, как уже упоминалось, было плохое знание характеристик материалов и поведения при высоких температурах. Лучшая металлургия в тот день не могла предотвратить перемещение турбинных дисков и деформирование во время эксплуатации.
Сегодня многие любительские эксперименты в полевых условиях были проведены с использованием турбин Tesla, которые используют сжатый воздух, пар в качестве источника энергии (пар, образующийся при нагревании от сжигания топлива, от турбонагнетателя транспортного средства или от солнечного излучения). Вопрос о деформации дисков был частично решен с использованием новых материалов, таких как углеродное волокно.
Одной из предложенных текущих приложений для устройства является отработанный насос, на заводах и мельницах, где обычно блокируются обычные лопастные турбинные насосы.
Турбины Тесла являются идеальными, по многим причинам, для вне сети, мини-паровой турбины, электрических станций генерации домашних животных и с некоторым опытом, могут быть довольно легко спроектированы любителями.
Применение турбины Тесла в качестве центробежного насоса с несколькими дисками принесло многообещающие результаты.
Биомедицинские инженерные исследования таких применений были продолжены в XXI веке.
В 2010 году американский патент 7,695,242 был выпущен Говарду Фуллеру для ветровой турбины на основе конструкции Tesla.
Эффективность и расчеты
Турбина Tesla имеет очень высокий теоретический урожай, около 92%, но на самом деле существует несколько конструктивных ограничений, которые конкурируют за снижение их общей производительности. Чтобы лучше прояснить эти ограничения, ниже приводится краткий список:
Во времена Теслы эффективность обычных турбин была низкой, потому что турбины использовали систему прямого привода, которая сильно ограничивала потенциальную скорость турбины до того, что она двигала. Во время внедрения современные судовые турбины были массивными и включали в себя десятки или даже сотни этапов турбин, но при этом обеспечивали крайне низкую эффективность из-за их низкой скорости. Например, турбина на «Титанике» весила более 400 тонн, работала всего 165 оборотов в минуту и использовала пар под давлением всего 6 фунтов на квадратный дюйм. Это ограничивало его уборку отработанного пара от основных электростанций, пару возвратно-поступательных паровых двигателей. Турбина Tesla также имела возможность работать на высокотемпературных газах, чем лопастные турбины того времени, что способствовало ее большей эффективности. В конце концов осевые турбины получили передачу, позволяющую им работать на более высоких скоростях, но эффективность осевых турбин оставалась очень низкой по сравнению с турбиной Тесла.
Со временем конкурирующие осевые турбины стали значительно более эффективными и мощными, вторая стадия редукторов была введена на большинстве ультрасовременных морских кораблей США 1930-х годов. Улучшение паровой технологии дало авианосцам ВМС США явное преимущество в скорости по сравнению с союзными и вражескими авианосцами, и поэтому доказанные осевые паровые турбины стали предпочтительной формой движения до тех пор, пока не произойдет эмбарго на нефть 1973 года. Нефтяной кризис заставил большинство новых гражданских судов превратиться в дизельные двигатели. К тому времени осевые паровые турбины по-прежнему не превышали 50% эффективности, поэтому гражданские суда решили использовать дизельные двигатели из-за их превосходной эффективности. К этому времени сравнительно эффективная турбина Тесла была старше 60 лет.
Конструкция Теслы попыталась обойти основные недостатки лопастных осевых турбин, и даже самые низкие оценки эффективности все же значительно превзошли эффективность осевых паровых турбин в день. Тем не менее, при испытаниях на более современные двигатели, Tesla Turbine имела эффективность расширения намного ниже современных паровых турбин и значительно ниже современных поршневых паровых двигателей. Он страдает от других проблем, таких как потери сдвига и ограничения потока, но это частично компенсируется относительно массовым снижением веса и объема. Некоторые из преимуществ турбины Tesla заключаются в относительно низких расходах или когда требуются небольшие приложения. Диски должны быть как можно меньше на краях, чтобы не создавать турбулентность, так как жидкость выходит из дисков. Это приводит к необходимости увеличения количества дисков при увеличении скорости потока. Максимальная эффективность достигается в этой системе, когда междисковое расстояние приближается к толщине пограничного слоя, а так как толщина пограничного слоя зависит от вязкости и давления, утверждение о том, что единая конструкция может эффективно использоваться для различных видов топлива и жидкостей, неверен. Турбина Тесла отличается от обычной турбины только механизмом, используемым для передачи энергии на вал. Различные анализы показывают, что скорость потока между дисками должна быть относительно низкой для поддержания эффективности. Сообщается, что эффективность турбины Тесла снижается с увеличением нагрузки. При легкой нагрузке спираль, перемещаемая жидкостью, движущейся от впуска к выхлопному трубопроводу, является плотной спиралью, подвергающейся большому количеству оборотов. При нагрузке число вращений падает, и спираль становится все короче. Это увеличит потери на сдвиг, а также уменьшит эффективность, потому что газ находится в контакте с дисками для меньшего расстояния.
Эффективность турбины газовой турбины Тесла оценивается выше 60, достигая максимума 95 процентов. Имейте в виду, что эффективность турбины отличается от эффективности цикла двигателя с использованием турбины. Осевые турбины, которые работают сегодня на паровых установках или реактивных двигателях, имеют эффективность около 60-70% (данные Siemens Turbines Data). Это отличается от эффективности цикла установки или двигателя, которые составляют приблизительно от 25% до 42%, и ограничены какой-либо необратимостью ниже эффективности цикла Карно. Тесла утверждал, что паровая версия его устройства достигнет 95-процентной эффективности. Фактические испытания паровой турбины Tesla на заводах Westinghouse показали скорость пара в 38 фунтов на лошадиную силу в час, что соответствует эффективности турбины в диапазоне 20%, в то время как современные паровые турбины часто могут обеспечить эффективность турбины более чем на 50%. Термодинамическая эффективность является мерой того, насколько хорошо она выполняется по сравнению с изоэнтропическим случаем. Это отношение идеального к фактическому рабочему вводу / выводу. Эффективность турбины определяется как отношение идеального изменения энтальпии к реальной энтальпии при одинаковом изменении давления.
В 1950-х годах Уоррен Райс попытался воссоздать эксперименты Теслы, но он не выполнял эти ранние тесты на насосе, построенном строго в соответствии с запатентованным дизайном Tesla (он, помимо прочего, не был многоступенчатой турбиной Tesla, он имеет сопло Теслы). Рабочая жидкость экспериментальной одноступенчатой системы Райса была воздухом. Испытательные турбины Райса, опубликованные в ранних отчетах, дали общую измеренную эффективность 36-41% за один этап. Ожидаются более высокие проценты, если они разработаны, как первоначально было предложено Tesla.
В своей заключительной работе с турбиной Тесла и опубликованной незадолго до его выхода на пенсию, Райс провела масштабный анализ модельного ламинарного потока в нескольких дисковых турбинах. Очень высокая претензия на эффективность ротора (в отличие от общей эффективности устройства) для этой конструкции была опубликована в 1991 году под названием «Tesla Turbomachinery». В этом документе говорится:
При правильном использовании аналитических результатов эффективность ротора с использованием ламинарного потока может быть очень высокой, даже выше 95%. Однако для достижения высокой эффективности ротора номер расхода должен быть малым, что означает, что эффективность высокого ротора достигается за счет использования большого количества дисков и, следовательно, физически большего ротора. Для каждого значения номера скорости потока оптимальное значение числа Рейнольдса для максимальной эффективности. При использовании обычных жидкостей требуемое расстояние между дисками является незначительным, что приводит к тому, что [роторы, использующие] ламинарный поток имеют тенденцию быть большими и тяжелыми для заданной скорости потока.
Были проведены обширные исследования жидких насосов типа Тесла с использованием роторов с ламинарным потоком. Было обнаружено, что общий КПД насоса был низким, даже когда эффективность ротора была высокой из-за потерь, возникающих на входе ротора и выше, упомянутого выше.
Современные многоступенчатые лопастные турбины обычно достигают 60-70% эффективности, в то время как большие паровые турбины часто демонстрируют эффективность турбины более 90% на практике. Также можно ожидать, что аналогичные роторные машины типа Tesla разумного размера с обычными жидкостями (пар, газ и вода) продемонстрируют эффективность вблизи 60-70% и, возможно, выше.
Любопытство
Модели турбины Tesla могут легко создавать модели турбин с использованием оптических дисков (компакт-дисков или компакт-дисков) для создания колеса, очевидно, с помощью вставленных прокладок и соответствующего центрального отверстия, полиметилметакрилата (плексигласа) или целой серии аналогов для корпуса и сопла , которые, среди прочего, имеют преимущество прозрачности и сжатый воздух под высоким давлением в качестве моторной жидкости.
Турбина Тесла - Tesla turbine
Турбина Тесла представляет собой безлопастная центростремительный поток турбина запатентовала от Никола Тесла в 1913 году упоминаются как безлопастная турбина . Турбина Тесла также известна как пограничный слой турбина , когезии типа турбины и Прандтль слой турбина (после Прандтль ) , поскольку он использует эффект пограничного слоя , а не набегающих жидкость на лопасть , как в обычной турбине. Исследователи в области биоинженерии назвали его многодисковым центробежным насосом . Одним из желаний Tesla по реализации этой турбины была геотермальная энергия , о которой говорилось в книге «Наша будущая движущая сила» .
СОДЕРЖАНИЕ
Описание
Основная идея разработки турбины Тесла заключается в том, что для достижения максимальной эффективности изменения скорости и направления движения жидкости должны быть как можно более постепенными. Следовательно, рабочая жидкость турбины Тесла движется естественными путями или линиями тока с наименьшим сопротивлением.
Турбина Тесла состоит из набора гладких дисков с соплами, подающими движущуюся жидкость к краю диска. Жидкость тянется по диску за счет вязкости и адгезии поверхностного слоя жидкости. Когда жидкость замедляется и добавляет энергию дискам, она по спирали попадает в центральную выхлопную трубу. Поскольку ротор не имеет выступов, он очень прочный.
Тесла писал: «Эта турбина представляет собой эффективный самозапускающийся первичный двигатель, который может работать как паровая или смешанная жидкостная турбина по желанию, без изменений конструкции, и поэтому она очень удобна. Незначительные отклонения от турбины, которые могут быть продиктованы. в зависимости от обстоятельств в каждом конкретном случае, очевидно, напрашиваются сами собой, но если он будет проводиться по этим основным направлениям, он будет сочтен очень выгодным для владельцев паровой установки, позволяя использовать их старую установку. Однако наилучшие экономические результаты в выработка энергии из пара турбиной Тесла будет получена на установках, специально приспособленных для этой цели ».
Насос
Устройство может работать как насос при использовании аналогичного набора дисков и корпуса с эвольвентной формой (в отличие от круглой для турбины). В этой конфигурации к валу прикреплен двигатель. Жидкость входит около центра, получает энергию от дисков, а затем выходит на периферии. Турбина Тесла не использует трение в общепринятом смысле; точнее, он избегает этого и вместо этого использует адгезию ( эффект Коанды ) и вязкость . Он использует эффект пограничного слоя на лезвиях диска.
Первоначально предлагались гладкие диски ротора, но они давали плохой пусковой момент. Впоследствии Тесла обнаружил, что гладкие диски ротора с небольшими шайбами, перекрывающими диски в
12-24 местах по периметру 10-дюймового диска, и второе кольцо из 6-12 шайб меньшего диаметра, значительно улучшили пусковой крутящий момент без снижение эффективности.
Приложения
В патентах Теслы утверждается, что устройство предназначалось для использования жидкостей в качестве движущих сил , в отличие от их применения для приведения в движение или сжатия жидкостей (хотя устройство также можно использовать для этих целей). По состоянию на 2016 год турбина Tesla не получила широкого коммерческого использования с момента своего изобретения. Однако насос Tesla коммерчески доступен с 1982 года и используется для перекачивания абразивных, вязких, чувствительных к сдвигу жидкостей, содержащих твердые частицы или с которыми трудно работать с другими насосами. Сам Тесла не заключил крупного контракта на производство. Как уже упоминалось, главным недостатком его времени было плохое знание характеристик материалов и их поведения при высоких температурах . Лучшая металлургия того времени не могла предотвратить недопустимое перемещение и деформацию дисков турбины во время работы.
Сегодня многие любительские эксперименты в этой области были проведены с использованием турбин Тесла, в которых в качестве источника энергии используется сжатый воздух или пар (пар генерируется за счет тепла от сгорания топлива или солнечного излучения ). Проблема коробления дисков была частично решена с использованием новых материалов, таких как углеродное волокно.
Одно из предложенных приложением тока для устройства является тратой насос , на заводах и фабриках , где нормальная лопастного типа турбины насосы , как правило , блокируются.
Применение турбины Тесла в качестве многодискового центробежного насоса для крови дало многообещающие результаты из-за низкого пикового усилия сдвига.
Биомедицинские инженерные исследования таких приложений продолжаются в 21 веке.
Эффективность и расчеты
Во времена Теслы эффективность обычных турбин была низкой, потому что турбины использовали систему прямого привода, которая сильно ограничивала потенциальную скорость турбины в зависимости от того, что она приводила. На момент внедрения современные судовые турбины были массивными и включали в себя десятки или даже сотни ступеней турбин, но обеспечивали чрезвычайно низкий КПД из-за своей низкой скорости. Например, турбина на « Титанике» весила более 400 тонн, работала со скоростью всего 165 об / мин и использовала пар под давлением всего 6 фунтов на квадратный дюйм. Это ограничивалось сбором отработанного пара от главных электростанций - пары поршневых паровых двигателей. Турбина Тесла также могла работать на газах с более высокой температурой, чем лопастные турбины того времени, что способствовало ее большей эффективности. В конце концов, осевые турбины получили зубчатую передачу, чтобы они могли работать на более высоких скоростях, но эффективность осевых турбин оставалась очень низкой по сравнению с турбиной Тесла.
Со временем конкурирующие осевые турбины стали значительно более эффективными и мощными, вторая ступень редукторов была введена на большинстве современных военно-морских кораблей США 1930-х годов. Усовершенствование паровой технологии дало авианосцам ВМС США явное преимущество в скорости над авианосцами как союзников, так и противника, и поэтому проверенные осевые паровые турбины стали предпочтительной формой двигателя до тех пор, пока не было введено нефтяное эмбарго 1973 года. Нефтяной кризис заставил большинство новых гражданских судов перейти на дизельные двигатели. К тому времени эффективность осевых паровых турбин еще не превышала 50%, поэтому гражданские корабли предпочитали использовать дизельные двигатели из-за их превосходного КПД. К этому времени сравнительно эффективной турбине Тесла исполнилось более 60 лет.
В конструкции Теслы была предпринята попытка обойти ключевые недостатки осевых турбин с лопастями, и даже самые низкие оценки эффективности по-прежнему значительно превосходили эффективность осевых паровых турбин того времени. Однако при тестировании с более современными двигателями эффективность расширения Tesla Turbine была намного ниже, чем у современных паровых турбин и намного ниже современных поршневых паровых двигателей. Он действительно страдает от других проблем, таких как потери на сдвиг и ограничения потока, но это частично компенсируется относительно значительным уменьшением веса и объема. Некоторые из преимуществ турбины Tesla заключаются в применении с относительно низким расходом или когда требуются небольшие приложения. Диски должны быть как можно более тонкими по краям, чтобы не создавать турбулентности, когда жидкость покидает диски. Это означает необходимость увеличения количества дисков по мере увеличения скорости потока. Максимальная эффективность достигается в этой системе, когда расстояние между дисками приблизительно равно толщине пограничного слоя, а поскольку толщина пограничного слоя зависит от вязкости и давления, утверждение о том, что единая конструкция может эффективно использоваться для различных видов топлива и жидкостей, является неверно. Турбина Тесла отличается от обычной турбины только механизмом передачи энергии валу. Различные анализы показывают, что скорость потока между дисками должна быть относительно низкой для поддержания эффективности. Сообщается, что эффективность турбины Tesla падает с увеличением нагрузки. При небольшой нагрузке спираль, принимаемая жидкостью, движущейся от впуска к выпуску, представляет собой плотную спираль, совершающую множество вращений. Под нагрузкой количество оборотов уменьшается, и спираль становится все короче. Это увеличит потери на сдвиг, а также снизит эффективность, поскольку газ контактирует с дисками на меньшем расстоянии.
Эффективность - это функция выходной мощности. Умеренная нагрузка обеспечивает высокий КПД. Слишком большая нагрузка увеличивает скольжение турбины и снижает КПД; при слишком малой нагрузке на выход подается небольшая мощность, что также снижает КПД (до нуля на холостом ходу). Такое поведение характерно не только для турбин Tesla.
КПД турбины газовой турбины Тесла, по оценкам, свыше 60 процентов. КПД турбины отличается от КПД двигателя, использующего турбину. Осевые турбины, которые сегодня работают в паровых установках или реактивных двигателях, имеют КПД более 90%. Это отличается от КПД цикла установки или двигателя, который составляет примерно от 25% до 42%, и ограничен любыми необратимыми факторами, чтобы быть ниже КПД цикла Карно . Тесла утверждал, что паровая версия его устройства обеспечит эффективность около 95 процентов. Термодинамической эффективности является мерой того , насколько хорошо он выполняет по сравнению с изэнтропической случае . Это отношение идеального ввода / вывода к фактической работе. КПД турбины определяется как отношение идеального изменения энтальпии к реальной энтальпии при таком же изменении давления .
В 1950-х годах Уоррен Райс попытался воссоздать эксперименты Теслы, но он не проводил эти ранние испытания на насосе, построенном строго в соответствии с запатентованной конструкцией Теслы (среди прочего, это не была многоступенчатая турбина Тесла и не выполнялась. у него есть сопло Теслы). Рабочей жидкостью экспериментальной одноступенчатой системы Райса был воздух. Тестовые турбины Райса, опубликованные в ранних отчетах, дали общий измеренный КПД 36–41% для одной ступени . Можно было бы ожидать более высокой эффективности, если бы он был спроектирован так, как изначально предлагал Tesla.
В своей последней работе с турбиной Тесла, опубликованной незадолго до выхода на пенсию, Райс провел анализ объемных параметров модели ламинарного потока в многодисковых турбинах. Очень высокие требования к эффективности ротора (в отличие от общей эффективности устройства) для этой конструкции были опубликованы в 1991 году под названием «Tesla Turbomachinery». В этом документе говорится:
При правильном использовании результатов анализа эффективность ротора при ламинарном потоке может быть очень высокой, даже выше 95%. Однако для достижения высокого КПД ротора расход должен быть небольшим, что означает, что высокий КПД ротора достигается за счет использования большого количества дисков и, следовательно, ротора большего размера. Для каждого значения числа расхода существует оптимальное значение числа Рейнольдса для максимальной эффективности. При использовании обычных жидкостей требуемое расстояние между дисками ужасно мало, из-за чего [роторы, использующие] ламинарный поток, как правило, становятся большими и тяжелыми при заданной скорости потока. Были проведены обширные исследования жидкостных насосов типа Тесла с использованием роторов с ламинарным потоком. Было обнаружено, что общий КПД насоса был низким даже при высоком КПД ротора из-за потерь, возникающих на входе и выходе ротора, о которых говорилось ранее.
Современные многоступенчатые лопаточные турбины обычно достигают КПД 60–70%, в то время как большие паровые турбины на практике часто показывают КПД более 90%. Ротор со спиральным ротором, соответствующий машинам типа Тесла разумного размера с обычными жидкостями (пар, газ и вода), также, как ожидается, покажет КПД в районе 60–70% и, возможно, выше.
Теория
В насосе радиальное или статическое давление из-за центробежной силы добавляется к тангенциальному или динамическому (давлению), таким образом увеличивая эффективный напор и способствуя вытеснению жидкости. В двигателе, напротив, первое указанное давление, противоположное давлению подачи, снижает эффективный напор и скорость радиального потока к центру. Опять же, для движущейся машины всегда желателен большой крутящий момент, для чего требуется увеличенное количество дисков и меньшее расстояние разделения, в то время как в движущей машине по многочисленным экономическим причинам вращательное усилие должно быть наименьшим, а скорость - максимально возможной. .
В стандартной паровой турбине пар должен давить на лопасти, чтобы ротор извлекал энергию из скорости пара из-за разницы между относительной скоростью пара и лопастей. В паровой турбине с лопастями лопатки должны быть тщательно сориентированы в оптимальном скоростном режиме работы турбины таким образом, чтобы минимизировать угол атаки пара на поверхность лопатки. По их словам, в оптимальном режиме ориентация лопастей стараются минимизировать угол (шаг лопастей), с которым пар сталкивается с их площадью поверхности, чтобы создать плавный поток пара, чтобы попытаться минимизировать турбулентность. Эти водовороты создаются в результате воздействия пара (хотя угол минимизирован при оптимальной скорости вращения турбины) на поверхность лопастей. В этой динамике первые водовороты являются потерей полезной энергии, которая может быть извлечена из системы, а вторые, поскольку они находятся в противоположном направлении, они вычитаются из энергии входящего потока пара.
В турбине Тесла, учитывая, что нет лопастей, на которые можно воздействовать, механика сил реакции иная. Сила противодействия давлению парового напора относительно быстро нарастает в виде «пояса» давления пара по периферии турбины. Эта лента наиболее плотная и находится под давлением на периферии, так как ее давление, когда ротор не находится под нагрузкой, будет не намного меньше, чем давление (входящего) пара. В нормальном рабочем режиме это периферийное давление, как заметил Тесла, играет роль BEMF (обратная электродвижущая сила), ограничивая поток входящего потока, и, таким образом, турбина Тесла может считаться самоуправляемой. Когда ротор не находится под нагрузкой, относительные скорости между «спиралями сжатого пара» (SCS, пар, вращающийся по спирали между дисками) и дисками минимальны.
Когда нагрузка прикладывается к валу турбины Тесла, он замедляется, то есть относительная скорость дисков по отношению к (движущейся) жидкости увеличивается, поскольку жидкость, по крайней мере на начальном этапе, сохраняет свой собственный угловой момент. Например, мы можем взять радиус 10 см (3,9 дюйма), где в 9000 PM скорость периферийных дисков составляет 90 м / с (300 футов / с), когда на ротор нет нагрузки, диски перемещаются примерно с той же скоростью. скорости с жидкостью, но когда ротор загружен, относительная разность скоростей (между SCS и металлическими дисками) увеличивается, и скорость ротора 45 м / с (150 футов / с) имеет относительную скорость 45 м / с по отношению к SCS. Это динамическая среда, и эти скорости достигают этих значений с течением времени, а не мгновенно. Здесь мы должны отметить, что жидкости начинают вести себя как твердые тела при высоких относительных скоростях, и в случае TT, мы также должны учитывать дополнительное давление. В старой литературе о паровых котлах говорится, что пар с высокой скоростью, возникающий из источника высокого давления, режет сталь, как «нож режет масло». Согласно логике, это давление и относительная скорость по направлению к граням дисков, пар должен начать вести себя как твердое тело (SCS), волочащееся по металлическим поверхностям дисков. Создаваемое «трение» может привести только к генерации дополнительного тепла непосредственно на диске и в SCS и будет наиболее выражено в периферийном слое, где относительная скорость между металлическими дисками и дисками SCS наиболее высока. Это повышение температуры из-за трения между дисками SCS и дисками турбины будет преобразовано в повышение температуры SCS, что приведет к расширению пара SCS и увеличению давления перпендикулярно металлическим дискам, а также в радиальном направлении. оси вращения (SCS пытается расшириться, чтобы поглотить дополнительную тепловую энергию), и поэтому эта гидродинамическая модель, по-видимому, является положительной обратной связью для передачи более сильного «затягивания» металлических дисков и, следовательно, увеличения крутящего момента на оси вращения.
Неизвестное изобретение Никола Тесла
Непревзойденное открытие гениального ученого по имени Никола.
За свою жизнь Никола Тесла изобрел немало технических устройств, которые считаются революционными и по сей день. Одно из них – безлопастная турбина. Такое название она получила благодаря своей уникальной конструкции. В ее основу был заложен не традиционный эффект давления жидкости либо пара, как в привычной всем турбине, она функционирует совершенно иным образом, используя потенциал пограничного слоя. Именно поэтому это изобретение Николы Тесла по другому еще называется турбиной пограничного слоя.
Современные биоинженеры именуют данную турбину Тесла многодисковым центробежным насосом. С точки зрения архитектуры строения этого устройства подобное определение выглядит более корректным. Дело в том, что турбина пограничного слоя оснащена специальными дисками, причем их количество не регламентировано. Чем и пользуются современные изобретатели, которые не устают перекраивать на свое усмотрение великое творение Тесла.
В духе эпохи
В начале прошлого века было сделано столь много открытий и изобретений, что некоторые из них оказались просто незамеченными и были незаслуженно забыты на определенное время. Тем не менее, крупные компании, занимавшиеся индустриализацией промышленности, не проходили мимо новых мощных моторов, а также генераторов энергии. Обратили они внимание и на изобретение Тесла.
Мало кто знает, что первую рабочую модель своего будущего устройства Тесла соорудил еще в детстве. Но будучи человеком творческого склада ума, в голове которого постоянно возникают новые идеи, он вскоре забыл о своем изобретении и переключился на новые.
Новое – это хорошо забытое старое
О своем старом творении Тесла вспомнил под давлением обстоятельств. В противном случае оно так бы и осталось одной из его детских «поделок». В общем, великому изобретателю пришлось отыскать свою установку и протереть ее от пыли в те годы, когда традиционные турбины с низким КПД перестали соответствовать требованиям времени. Тогда весь мир остро нуждался в революционных идеях, которые смогли бы совершить настоящий прорыв в производстве — низкая скорость вращения старых турбин тормозила прогресс.
Обычная турбина тех времен работала на контрасте давления, которое образовывалось на входе и на выходе. Что же касается рабочего тела, то в его качестве она использовала горячий газ. Им мог быть и перегретый газ, через специальные форсунки он поступал к лопаткам турбины и приводил вал в движение.
А вот турбина Тесла сильно отличалась от стандартных устройств. Во-первых, в ее конструкции не было предусмотрено лопаток, которые сами по себе имели много недостатков. Во-вторых, она комплектовалась совершенно гладкими дисками, а также форсунками, направляющими горячий газ к самому краю диска.
Несмотря на то, что турбине Тесла были присущи некоторые недостатки, их с лихвой компенсировала высокая мощность. Благодаря уникальной конструкции она имела совершенно феноменальные характеристики. В частности, КПД турбины мог доходить до 60%. Безусловно, такое открытие не могло остаться незамеченным, и в 1913 г. Тесла получил патент на свое изобретение.
Нюансы работы турбины
Чтобы в рабочем теле не создавался эффект турбулентности, у дисков вала турбины Тесла должна быть особая конструкция. Их края необходимо было сделать предельно тонкими. В таком случае увеличивалась скорость потока. Также самого максимально КПД при таком устройстве турбины можно было достичь, если расстояние между дисками будет сопоставимо с толщиной пограничного слоя.
Современные осевые турбины, которыми в наше время оснащаются паровые установки и реактивные двигатели, могут достичь КПД в пределах 60-70%. Но если речь идет о силовой установке, то они способны вытянуть только от 25% до 42%. Казалось бы, увеличить эти показатели нереально, так как в современных установках используются самые передовые технологии.
Однако, в свое время Тесла сделал интригующее заявление. Он сказал, что одна из паровых версий его турбины может повысить КПД до целых 95%. К сожалению, тогда он не подкрепил свои слова доказательствами. Правда, не исключено, что его заявление носило лишь рекламный характер, как выразились бы в наше время маркетологи. А, возможно, он знал что-то, чего не знаем мы. Вот только ему не хватило времени подкрепить свои слова доказательной базой.
Но как бы там ни было, в свое время на заводах "Westinghouse" была проведена серия испытаний паровой версии турбины Тесла. Согласно им, был получен следующий результат. Устройство великого изобретателя показало паровую мощность равную 38 фунтам на 1 л. с. в час. Этот показатель соответствует КПД турбины в пределах 20%.
Иначе говоря, громкое заявление Тесла не нашло своего подтверждения. При этом его поклонники не исключают, что их кумир просто не раскрыл всех секретов своей турбины и унес с собой тайну в могилу. Что ж, и такую версию нельзя списывать со счетов, учитывая неординарную личность изобретателя.
Удачный эксперимент
В середине ХХ в. Уоррен Райс решил воспроизвести эксперименты Тесла. При этом он взял за основу не ту турбину, сконструированную согласно образцу, который официально запатентовал великий изобретатель. Для исследования ему потребовалась лишь однодисковая установка. Невероятно, но факт – эта турбина продемонстрировала немалую эффективность достигнув КПД в районе 40%. Столь потрясающий результат выглядит еще более необычным, если учесть то, что Уоррен Райс использовал турбину, которая была оснащена всего одним диском.
Но останавливаться на достигнутом Райс не стал. Вскоре он провел эксперимент и с многодисковой турбиной. Он выяснил, что при корректном применении так называемого ламинированного потока КПД такой установки может достигать 95% и более. Тем не менее, для этого необходимо задействовать множество дисков.
Примечательно, что все современные многоступенчатые лопастные турбины способны выдавать КПД не более 70%. А вот огромные турбины на пару, как показала практика, достигают и вовсе 90%.
Противостояние гениев
Считается, что в каждое столетие рождается по одному гению. Но так получилось, что XIX и XX века подарили истории много неординарных личностей. Так, в одно время с Тесла жил и другой не менее известный изобретатель — Томас Эдисон.
Когда в конце XIX в. Тесла покинул Европу и перебрался в Нью-Йорк, у него практически не было денег. Чтобы заработать на жизнь он устроился на работу к успешному предпринимателю и изобретателю Эдисону. Последний с радостью трудоустроил одаренного юношу. Однако должность Тесле досталась далеко не самая престижная. Он стал инженером в обязанности которого входил ремонт электрических двигателей, а также генераторов постоянного тока.
Поначалу ничего не предвещало беды. Но со временем между Тесла и Эдисоном стали возникать разногласия. Они не могли найти общий язык не только в подходе к работе, но и в понимании самих физических процессов. Оно и неудивительно, так как Эдисон был в первую очередь бизнесменом. На первое место он всегда ставил экономическую выгоду от того или иного проекта. Тесла же был типичным творческим человеком, в котором отсутствовала предпринимательская жилка.
Тесла и Эдисон проработали вместе около года, после чего разорвали всякие отношения. Одним словом, они окончательно и бесповоротно рассорились. Это пошло изобретателю уникальной турбины на пользу — вскоре он открыл свою компанию, которая называлась «Тесла Эрк Лайт Компани».
Дела Теслы сразу же пошли в гору. При этом он развернул масштабную агитацию против Эдисона и стал активно критиковать пропагандируемый им постоянный ток. Причем сам он был приверженцем переменного тока. Безусловно, бывший работодатель Тесла не мог ему уступить. В связи с чем между ними разгорелось настоящее противостояние, которое вошло в историю, как «война токов».
В итоге Тесла оказался прав. Благодаря его многочисленным изобретениям мир стал таким, каким он есть сейчас.
К великому изобретателю Тесле можно относиться по-разному. Но его заслуги перед наукой неоспоримы. К тому же множество его открытий до сих пор будоражат умы ученых. Кто знает, что было бы, если бы он прожил дольше и смог бы воплотить в жизнь еще несколько своих идей. Однако история не любит сослагательного наклонения. Тесла и так много сделал для человечества и за это люди должны быть ему благодарны.
"Двадцать лошадиных сил на фунт веса". Газовая турбина. Причины неудач Николы Теслы.
Лаборатория на Варденклифе была закрыта, штат ее распущен, охрана снята. От Теслы ушел даже Шерф, поступивший на службу в компанию по добыче серы. Раз в неделю без особого за то вознаграждения приходил он к Тесле и следил за тем, чтобы дела его не запутались окончательно. Две секретарши по-прежнему служили у Теслы, однако переписка с фирмами прекратилась, и помощь их была не нужна. Теперь деньги и всякое напоминание о них еще более раздражали Теслу. Он терпеть не мог держать их в руках, уверяя, что абсолютно не нуждается в них и согласен полностью отказаться от всех своих привычек, только бы иметь возможность продолжать работы по созданию "Мировой системы". Только бы закончить строительство башни, лаборатории, доказать применимость своих открытий!
Крах надежд на окончание сооружения "Мировой системы" все же вынудил Теслу заняться разработкой одной из многих идей, пришедших ему в голову еще в далекие юношеские годы. Позднее он снова вернулся к ней и наутро сказал Шерфу:
- Я скоро создам небольшую паровую машину - это будет силовая станция, свободно умещающаяся в шляпе.
В 1906 году Тесла создал паровую турбину оригинальной конструкции. При мощности в 30 лошадиных сил она весила всего лишь 10 фунтов. 3 лошадиные силы на 1 фунт веса - этого теплотехника еще не знала! Но Тесла не остановился на достигнутом и выдвинул девиз: "20 лошадиных сил на 1 фунт веса". Он даже поместил его на своих личных бланках.
На мысль о такой машине его навело воспоминание о времени, проведенном в горах Велебита, когда он фантазировал, заготавливая идеи впрок. Мечта о создании почтовой связи Европы с Америкой через трубопровод, расположенный на дне океана с посылкой почты в шаре, движимом паром, оказалась неосуществимой из-за трения пара о стенки трубы. Это и навело Теслу на мысль использовать трение пара в создаваемой им паровой турбине.
В его устройствах было использовано не только расширение пара между лопатками, но также и сила трения пара. Тесла построил несколько моделей и опытных образцов таких турбин. Одна из них мощностью в 500 киловатт при 3600 оборотах в минуту с 15 дисками диаметром в 60 дюймов была практически испытана и показала достаточно большой коэффициент полезного действия. Однако эта турбина требовала высокого начального и конечного давления пара и была предложена как одна из ступеней многоступенчатой установки. Таким образом, можно считать, что Тесла изобрел то, что теперь носит название "предвключенной" турбины, или форшальттурбины. Использованием таких турбин повышается общий коэффициент полезного действия установки, и поэтому они применяются и в настоящее время.
Вместе с тем Тесла разработал проект турбины, работающей не за счет расширения водяного пара, а за счет сгорания в самой турбине различных газов. Таким образом, первый из возможных типов газовой турбины - этой наиболее прогрессивной конструкции энергетического оборудования, открывающей огромные перспективы применения подземной газификации угля, - был создан Николой Теслой.
Весь этот круг вопросов занимал Теслу в течение довольно длительного периода - от времени прекращения работ в Варденклифе до 1914 года, когда предвоенная обстановка потребовала перехода к работе над другими проектами. Снова к разработке конструкций энергетического оборудования Тесла смог вернуться лишь в 1925 году. Но за эти шесть-восемь лет (1906-1914 гг.) Тесла выполнил ряд серьезных работ, получил несколько патентов и обогатил теплоэнергетику многими новыми и оригинальными мыслями.
Сын одного из старейших сотрудников Теслы, Юлиус Чито, механик отеля "Уолдорф-Астория" изготовил в 1906 году первую модель паровой турбины по проекту Теслы, затем он дважды делал их вновь в 1911 и в 1925 годах. С последней моделью Тесла экспериментировал вплоть до 1929 года.
Почему же, однако, эти изобретения Теслы не нашли большого распространения? Во-первых, потому, что мысли, возникшие у Теслы еще в конце 80-х годов прошлого столетия и представлявшие для того времени открытие огромной важности, к началу XX века, когда появились и широко применялись паровые турбины Лаваля и Парсонса, уже не имели большого значения.
Второй и, пожалуй, более важной причиной было то, что конструктивный талант Теслы был значительно ниже его экспериментального мастерства. К тому же Тесла по складу своего характера не мог и не умел работать в коллективе, не привлекал к совместной работе талантливых конструкторов, чтобы общими усилиями разрабатывать конкретные, практически применимые типы оборудования, которые могли бы пойти в производство. Между тем давно прошли уже те времена, когда изобретатель-одиночка мог плодотворно разрабатывать свои идеи. Бурное развитие науки и техники XX века исключало возможность создания промышленных конструкций вне коллектива. Тесла, смотревший вперед, видевший едва намечавшиеся контуры будущего в науке, сам оставался типичным изобретателем 80-х годов прошлого века.
Однако справедливость требует указания на то, что такое одиночество отчасти может быть объяснено органическим нежеланием Теслы служить обогащению монополий, без чего нельзя было найти средства для работы в большом коллективе. Это было своеобразной формой протеста против общественного строя, обогащавшего кучку ненавистных Тесле магнатов.
Трагедия Теслы - трагедия большого ученого, не пожелавшего склонить свою голову перед "чудовищем Уолл-стрита", не пожелавшего стать слугою морганов, рокфеллеров и дюпонов. Творить не для их обогащения, а для народа, для всего человечества, для целей мира, а не войны - таково истинное стремление Теслы.
Читайте также: