Насос тесла принцип работы
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.
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.
Обратите внимание, ток силой 1 Ампер, вытекающий из лампочки, точно такой же, как и ток силой 1 Ампер, втекающий в нее. Из лампы вытекает такое же количество тока, что и втекает в нее. Следовательно, какое количество тока "расходуется" на выполнение работы в лампочке? Ответ: никакое . Энергия никогда не исчезает, худшее, что с ней может случиться - это преобразование из одного вида в другой.
Почему же тогда батарея не может поддерживать свечение лампочки вечно? Ответ находится в особенности работы батареи. Если ток течет в одном направлении, батарея заряжается, если в другом - разряжается:
Разряд батареи не имеет ничего общего с течением тока через лампочку, батарея разрядится не менее успешно, если лампочку исключить из электрической цепи. Полезная "работа" по созданию света благодаря течению тока через батарейку не "расходует" никакого тока, и, что более важно, не "расходует" никакой энергии. Энергию нельзя "расходовать" - ее можно преобразовывать из одной формы в другую. Это трудно понять, поскольку нас приучили думать, что мы должны постоянно покупать энергию у генерирующих компаний чтобы питать электроприборы. Предположение, что мы как бы покупаем энергию, которая в дальнейшем "расходуется" электроприборами, и мы должны покупать снова и снова, чтобы приборы продолжали работать - ошибочно. Мы же принимаем его потому, что нас к этому приучили. На самом деле это не так.
Ток, протекающий через лампочку может быть направлен на заряд другой батареи. Т.е. один и тот же ток может одновременно вызывать свечение лампочки и заряжать вторую батарею:
На этом рисунке, цепь питается батареей 1, как и прежде, но при этом направлен на заряд второй батареи. Безусловно, первая батарея разряжается, как и прежде, но позитив в том, что вторая батарея постоянно заряжается. В конце мы меняем батареи местами:
теперь, вновь заряженная батарея 2 поддерживает свечение лампочки и перезаряжает батарею 1. Кажется невозможным? Это не так. Никола Тесла демонстрировал подобную систему из 4-х батарей, в которой он применил 4 идентичные батареи в аналогичной схеме:
Благодаря использованию 12-Вольтовых батарей, показанных на рисунке, напряжение на лампочке = те же 12В, что и при использовании 1 батареи, как на первом рисунке, поскольку батареи 1 и 2 включены последовательно (напряжение удваивается в этом случае), в то время как батареи 3 и 4 включены параллельно (напряжение при этом не меняется, т.е. = 12В). Тесла в своей схеме менял местами включение батарей 1-2 с 3-4. В то же время он предпочел делать это несколько иначе, меняя способ подключения (параллель / последовательно) несколько сотен раз в секунду .
Есть еще один важный фактор, участвующий в зарядных цепях, применимый к обычным кислотно-свинцовым батареям, имеющий непосредственное отношение к данному материалу. Процесс зарядки в подобной коммутируемой цепи происходит посредством электронов, бегущих по проводам-проводникам и в батарею. Основной ток внутри батареи осуществляется заряженными ионами в свинцовых пластинах батареи. Эти ионы в сотни тысяч раз "тяжелее" электронов. Что, в принципе, несущественно, как только ионы приходят в движение, но в начальную долю секунды, прежде чем ионы придут в движение, "входящие" электроны скапливаются как машины в пробке. Эта толпа электронов вызывает повышение напряжения на (негативном / противоположном) терминале батареи, намного выше номинального напряжения батареи, и таким образом, зарядка начинается с высоковольтного импульса большого тока, направленного в батарею.
Обычно это не заметно при использовании стандартного зарядного устройства, питаемого от сети, поскольку включение происходит лишь единожды за все время зарядки. В Тесла-свиче же, равно как и в схеме Бедини, это не так. В схеме используется разница в инерции электронов и ионов свинца, и используется многократно, с огромной выгодой. Техника данной схемы состоит в постоянном использовании очень коротких импульсов. Если импульсы достаточно короткие, напряжение и ток, текущий во вторую батарею намного превышают значения, очевидные при поверхностном взгляде на схему. Магия здесь ни при чем, это происходит благодаря известным особенностям материалов, используемых в схеме.
Незнакомому с подобными системами человеку схемы Бедини могут на первый взгляд показаться корявыми, собранными на скорую руку. Трудно себе представить нечто более далекое от истины, чем подобное суждение. Джон зачастую применяет механическую коммутацию, поскольку она обеспечивает резкое включение/выключение. Джон прекрасно разбирается в своей схематике и точно знает, что нужно делать.
Корпорация Electrodyne тестировала схему Тесла с 4-мя батареями на протяжении 3-х лет. Они обнаружили, что в конце тестирования батареи не показали признаков какого-либо чрезвычайного износа. Использовались обычные кислотно-свинцовые батареи. Система питала освещение, обогреватели, телевизоры, небольшие моторы, а также электромотор мощностью 30 л.с. Если батареи разряжались до низкого значения, а потом подключались с нагрузкой, (полная) перезарядка батарей происходила менее чем за 1 минуту. Оставленные без вмешательства, каждая из батарей приобретала заряд до 36 Вольт. Чтобы предотвратить перезаряд, была разработана контрольная схема. Применялись механические коммутаторы, и пришли к выводу, что при частоте коммутации менее 100 Гц схема неэфективна, а свыше 800 Гц может быть опасна.
При этом они не упоминают, почему считают более высокие частоты коммутации опасными. Если мы разберемся, что именно происходит (в схеме), возможно, мы получим ответ. Процесс заряда выглядит следующим образом:
В момент "А" выключатель замкнут, соединяя источник напряжения (батарею, заряженный конденсатор, прочее) с кислотно-свинцовой батареей. Электроны начинают бежать снаружи соединяющего провода. Будучи очень легкими, и не встречая значительного сопротивления, они движутся весьма быстро (внутри провода электроны перемещаются всего на несколько дюймов в час, поскольку движение сквозь проводник затруднено). Все идет хорошо до момента "В", когда электроны достигают свинцовых пластин внутри батареи. Здесь они сталкиваются с проблемой, поскольку течение тока по пластинам осуществляется ионами свинца. Последние отлично справляются со своей задачей, но им из-за большого веса требуется доля секунды чтобы прийти в движение. Эта доля секунды очень важна, поскольку именно она открывает дверь свободной энергии. В эту долю секунды, электроны скапливаются, поскольку продолжают прибывать по соединяющему проводу с огромной скоростью. Следовательно, в момент "С" их скапливается значительное количество.
Скопление большого количества электронов аналогично внезапному подключению источника значительно бόльшего напряжения, способного давать куда больший ток. Эта ситуация весьма непродолжительна, но имеет три очень важных следствия.
Во-первых, в момент "D" в батарею заходит ток, намного превышающий ожидаемое значение от источника.
Во-вторых, (начало псевдонаучной абракадабры) этот эффект изменяет состояние энергетического поля нулевой точки (пространственно-временной континуум), в котором находится электрическая цепь, заставляя бόльшую энергию из окружающего пространства вливаться в контур. Это в некотором роде подобно тому, как солнечный свет вызывает ток в солнечных панелях, с той разницей, что вместо видимого света, поток энергии для нас невидим (конец псевдонаучной абракадабры).
В-третьих, избыточная энергия попадает в батарею, заряжая ее сильнее, чем можно было бы ожидать, и в то же время, часть избыточной энергии течет в нагрузку, выполняя при этом полезную работу. Под нагрузкой мы понимаем лампу, мотор, инвертер, насос, дрель, что угодно.
Итак, избыточная энергия собирается из окружающей среды и используется для выполнения полезной работы и одновременного заряда батарей. Очевидно, нарушается известный афоризм, что нельзя одновременно "и рыбку съесть, и . ", поскольку происходит именно это. Вместо того, чтобы разряжаться, питая нагрузку, батарея заряжается, питая нагрузку! Вот почему данная схема позволяет вращать мотор даже от разряженной батареи. Это становится возможным благодаря тому, что пластины батареи состоят из свинца, который создает "электронную пробку" (пробку из электронов), вынуждая окружающую среду заряжать батарею и одновременно питать нагрузку. Вот откуда "магический фокус" с питанием мотора от разряженной батареи. В принципе, чем более батарея разряжена, тем быстрее она заряжается, поскольку окружающая среда реагирует и предоставляет бόльшую энергию в разряженную батарею. окружающая среда является источником неограниченной мощности, доступной к использованию. Джон Бедини, являющийся несомненным специалистом в данной области, ставил эксперименты, в которых моторы вращались постоянно в течение трех и более (!) лет , при этом батареи совершенно не разряжались, несмотря на выполнение моторами полезной работы. Скажете, замечательная батарея? Нет, замечательная окружающая среда!
Для того, чтобы обеспечить необходимое скопление электронов, закрытие выключателя должно быть очень резким и эффективным. Для этих целей подходит тиристор, или "SCR", поскольку, включившись, он переключается резко и полностью. До сих пор звучит неплохо? Это лишь начало. Я предполагаю, что Тесла-свич из 4-х батарей основан на этом принципе, и работал в диапазоне частот 100 - 800 Гц.
Данную схему можно улучшить еще больше, резко отключая ток электронов от исходного источника напряжения, до того, как процесс скопления электронов завершится (ЭДС самоиндукции ? - прим.перев.), что вызывает внезапное (очень краткое) еще большее увеличение дополнительной мощности, повышающее напряжение еще больше, что, в свою очередь, позволяет увеличить отдачу полезной мощности в нагрузку и усоврить заряд батареи.
Еще большего эффекта можно добиться, если следующий импульс достигает батареи/нагрузки до того, как эффект от предыдущего импульса рассеивается. Предполагаю, что именно это сочли "опасным" во время экспериментов в корпорации Electrodyne на частотах, превышающих 800 Гц ("лавинный эффект" ? - прим. перев.). Я думаю, дело не в том, что батарея либо нагрузка "не готовы" принять избыточную энергию, а, скорее, в использовании компонентов, не рассчитанных на большие токи/напряжения. Они упоминают, что при дальнейшем повышении частоты, некоторые компоненты схемы выходили из строя, так как не были рассчитаны на работу с большими токами/напряжением (обратите внимание, использовавшиеся выходные конденсаторы рассчитаны были на 100 Вольт, что в восемь раз превышает номинальное напряжение батарей). Едва ли это можно назвать проблемой, учитывая, что у них 12-Вольтовые батареи при необходимости отлично могли выдерживать напряжение в 36В. В итоге они добавили схему ограничения по напряжению до удобного уровня.
Подведём итоги. Тесла-свич из 4-х батарей демонстрировал кажущееся невозможным благодаря:
- Перехвату тока от нагрузки и направлению его на заряд второй батареи, вместо того чтобы дать ему рассеяться;
- Использованию инерционности тяжелых ионов свинца с помощью коротких, резких импульсов (коммутирование);
- Привлечению дополнительной энергии из окружающей среды для заряда батарей и одновременного питания нагрузки.
Главное, для работы схемы - это быстрое и качественное переключение, провода, рассчитанный на большой ток. Вот схема Теслы с 4 батареями:
История создания Дискового насоса: от Н. Тесла до наших дней.
Первый "дисковый насосный механизм" Саржента.
Возникновение концепции дискового насоса относится к 1850 году. Насос был изобретен в Соединенных Штатах Саржентом, который, взяв набор из 29 параллельных дисков, располагающихся с интервалом в несколько тысячных дюйма, поместил их в оболочку из металличекой полосы и проделал в этой полосе множество отверстий, позволяющих жидкости проникать в конструкцию и выходить из нее.
Это был первый пример насоса, действующего, исключительно, на основе принципа пограничного слоя / вязкостного сопротивления. Хотя, что касается перекачивания, то шло оно с небольшим успехом.
Фрикционный насос Тесла (Турбина Тесла)
Discpaс с плоскими дисками
Затем, в 70-е годы нашего столетия, Макс Гурт (Max Gurth)- изобретатель из южной Калифорнии вновь обратился к этой концепции. Он обнаружил, что интервал между дисками может быть увеличен вплоть до 500 мм и, вопреки ожиданиям занимающихся насосами экспертов-теоретиков, при этих расстояниях принцип пограничного слоя / вязкостного сопротивления все еще был применим. Более того, поток оставался свободным от пульсаций и ламинарным. Одним из из наиболее интересных открытий изобретателя стало то , что в отличие от других насосов, дисковый насос стал более эффективен при повышенной вязкости, превосходя эффективность аналогичных по размеру центробежных насосов при вязкостях жидкости выше, чем 250 cPs.
Оригинальная конструкция механизма Discpac была запатентована в 1982 году. Она может состоять из двадцати дисков, отстоящих друг от друга на расстоянии от 203 мм до 508 мм.
Высоконапорная конструкция Discpac
В 1988 году было разработано и запатентовано второе поколение механизма Discpac, получившее название “высоконапорная конструкция” (high head Discpac). Она оказалась лучше приспособлена, чем плоские диски, к работе с сильно абразивными жидкостями, насыщенными воздухом жидкостями и к работе в изменяющихся условиях перекачки- таких, как значительные или резкие изменения скорости потока.
На рубеже XIX‑XX веков бензиновые и дизельные двигатели достигли уже такого уровня совершенства, что могли использоваться на сухопутных транспортных средствах. В тот же период были созданы турбины Парсонса и Кертиса для паросиловых установок, а Никола Тесла начинает разработку своего оригинального двигателя.
Поршневая двигательная техника полностью подошла и закрепилась в автомобильной промышленности. Главные производители электротехнической продукции, в том числе для электрических станций, уже вложили крупные инвестиции в разработки Парсонса и Кертиса. Когда Никола Тесла в конце концов сделал предложения автомобильным и электротехническим компаниям, то они уже не были заинтересованы в рассмотрении новой двигательной техники, даже если бы она оказалась лучшей.
Конструкции
Турбина Теслы – замечательный тепловой двигатель: предельно простой по своей конструкции, надежный и, в определенной степени, эффективный при работе. Этот двигатель сегодня может оказаться вполне пригодным для эксплуатации на ТЭС. Однако принцип его действия малоизвестен среди современных инженеров, как и то, насколько хорошо он может работать наряду с лопаточными турбинами общеизвестных конструкций.
По принципу действия лопаточные турбины можно классифицировать на активные и реактивные. Первые преобразуют кинетическую энергию потока газообразного рабочего тела в механическую энергию вращательного движения ротора за счет отклонения этого потока посредством лопаток. В результате их работы происходит снижение скорости движения газа, а его давление остается постоянным поперек лопаток. Характерная особенность функционирования активных турбин – одинаковое давление газа на ведущей и ведомой кромках лопаток.
Вторые снижают скорость и давление газа, что повышает эффективность преобразования энергии. В реактивных турбинах обеспечивается снижение давления газа поперек поверхностей лопаток за счет их соответствующей формы. Как результат возникает реактивная сила в радиальном направлении. Однако разница в величинах давления газа (высокое – на ведущей кромке лопатки, низкое – на ведомой ее кромке) приводит к увеличению аксиальной нагрузки на ротор турбины.
Как это работает?
Диски в турбине Теслы используются для создания аэродинамического поверхностного адгезионного эффекта (эффекта прилипания) за счет их сопротивления потоку газа между пластинами (дисками). Поэтому турбина Теслы является турбиной трения. В ней передача энергии к валу ротора обеспечивается за счет сопротивления трения потока рабочего тела между дисками (Никола Тесла. Утраченные изобретения. – М., 2009; О. Файг. Никола Тесла. Великие изобретения и открытия. – М., 2014).
Возможности
Механизм преобразования энергии в погранично-слоевых турбинах весьма эффективен даже у одноступенчатых конструкций. Весомым же показателем, по которому лопаточные турбины превосходят дисковые турбины Теслы, является удельная мощность на единицу массы. Однако этот недостаток, наверное, может быть устранен за счет улучшений в конструкции турбины Теслы.
Турбина Теслы может быть изготовлена из простых сортаментных материалов – листовой стали, труб, круглых и квадратных балок. Это принципиально позволяет организовать крупносерийный выпуск таких тепловых двигателей для ТЭС при низких производственных затратах.
Если говорить о децентрализованной выработке электрической и тепловой энергии, то наиболее подходящими объектами генерации, на которых могут быть применены турбины Теслы, являются паровые конденсационные мини-ТЭС и когенерационные энергетические установки (мини-ТЭЦ). Разумеется, что внедрению турбин Теслы должны предшествовать обстоятельные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы. Пока же в большинстве своем такие тепловые двигатели разрабатываются, строятся и исследуются силами многочисленных энтузиастов как в нашей стране, так и за рубежом.
Перспективы
При создании и внедрении технических объектов, необычных для сегодняшнего профессионального сообщества, важно понимать, что первые проекты необходимо разрабатывать для малых энергетических установок. Как вариант можно рассматривать создание комбинированной ТЭС с первичным двигателем традиционной конструкции (например, с газопоршневым двигателем мощностью в несколько мегаватт) и турбиной Теслы (к примеру, в паровом варианте для работы от парового котла-утилизатора выхлопных газов газопоршневого двигателя).
Другой путь – разработка и последующая реализация пилотных проектов микромощных ТЭС, то есть с электрическими мощностями до 100 кВт. Такие энергетические установки могут найти применение, например, в дачных и деревенских хозяйствах. Дешевизна и простота турбин Теслы в эксплуатации делает их очень привлекательным тепловым двигателем именно в сельской местности, где всегда есть проблемы с ремонтом энергетического оборудования в части квалификации обслуживающего персонала, которого может не быть вообще.
Нельзя исключать и вариант создания автономной паровой мини-ТЭЦ с турбиной Теслы для снабжения электрической энергией небольшой группы потребителей через однопроводную резонансную линию электропередачи. Ее варианты тоже являются развитием научного наследия Николы Теслы, многократно запатентованы в нашей стране и продолжают разрабатываться во Всероссийском научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) под научным руководством академика РАН Дмитрия Семеновича Стребкова (Д. С. Стребков, А. И. Некрасов. Резонансные методы передачи и применения электрической энергии / Под ред. Д. С. Стребкова. – 4‑е изд., перераб. и доп. – М., 2013). Снабжение потребителей теплом и, при необходимости, холодом от такой мини-ТЭЦ принципиально возможно предусмотреть по непротяженным тепловым сетям. Для аккумулирования электрической и тепловой энергии целесообразно использовать соответствующие накопительные установки.
Таким образом, технология преобразования энергии в таком тепловом двигателе, как турбина Теслы, не нашедшая применения в прошлом, может быть по‑новому реализована на современном этапе развития техники и производства. Сегодня существуют и успешно применяются уникальные технологии компьютерного трехмерного моделирования с последующим численным моделированием физических процессов, происходящих в будущем изделии. Сто лет назад такое невозможно было себе представить. При проектировании турбин Теслы с применением САПР этот процесс будет более продуктивным.
Читайте также: