Tesla-Turbine – Wikipedia

Das Tesla-Turbine ist eine schaufellose Zentripetalströmungsturbine, die 1913 von Nikola Tesla patentiert wurde.^[1] Es wird als bezeichnet schaufellose Turbine. Die Tesla-Turbine ist auch als bekannt Grenzschichtturbine, Kohäsionsturbine, und Prandtl-Schichtturbine (nach Ludwig Prandtl) weil es das benutzt Grenzschichteffekt und keine Flüssigkeit, die wie bei einer herkömmlichen Turbine auf die Schaufeln auftrifft. Bioengineering-Forscher haben es als Mehrscheiben-Kreiselpumpe bezeichnet.^[2][3] Einer von Teslas Wünschen für die Implementierung dieser Turbine war die Geothermie, die in beschrieben wurde Unsere zukünftige Antriebskraft.^[4]

Beschreibung[edit]

Die Leitidee für die Entwicklung einer Tesla-Turbine ist die Tatsache, dass die Änderungen der Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung des Fluids so allmählich wie möglich erfolgen sollten, um den höchsten Wirkungsgrad zu erzielen.^[1] Daher bewegt sich die Antriebsflüssigkeit der Tesla-Turbine auf natürlichen Wegen oder Stromlinien mit dem geringsten Widerstand.

Eine Tesla-Turbine besteht aus einem Satz glatter Scheiben, wobei Düsen eine sich bewegende Flüssigkeit auf den Rand der Scheibe auftragen. Die Flüssigkeit schleppt sich mittels Viskosität und der Haftung der Oberflächenschicht der Flüssigkeit auf der Scheibe. Wenn die Flüssigkeit langsamer wird und den Scheiben Energie hinzufügt, wandelt sie sich in den mittleren Auspuff. Da der Rotor keine Vorsprünge hat, ist er sehr robust.

Tesla schrieb: “Diese Turbine ist eine effiziente selbststartende Antriebsmaschine, die nach Belieben als Dampf- oder Mischfluidturbine ohne Konstruktionsänderungen betrieben werden kann und aus diesem Grund sehr praktisch ist. Geringfügige Abweichungen von der Turbine, wie vorgeschrieben durch die Umstände in jedem Fall wird sich offensichtlich anbieten, aber wenn es auf diesen allgemeinen Linien durchgeführt wird, wird es für die Eigentümer der Dampfanlage als hochprofitabel befunden, während die Verwendung ihrer alten Anlage erlaubt wird. Die besten wirtschaftlichen Ergebnisse in Die Entwicklung von Dampfkraft durch die Tesla-Turbine wird in speziell für diesen Zweck angepassten Anlagen erfolgen. “^[5]

Das Gerät kann als Pumpe fungieren, wenn ein ähnlicher Satz von Scheiben und ein Gehäuse mit Evolventenform (gegenüber kreisförmig für die Turbine) verwendet werden. In dieser Konfiguration ist ein Motor an der Welle angebracht. Die Flüssigkeit tritt in der Nähe des Zentrums ein, erhält Energie von den Scheiben und tritt dann an der Peripherie aus. Die Tesla-Turbine verwendet keine Reibung im herkömmlichen Sinne. Genau genommen vermeidet es dies und verwendet stattdessen Adhäsion (Coandă-Effekt) und Viskosität. Es nutzt den Grenzschichteffekt auf den Disc-Blades.

Ursprünglich wurden glatte Rotorscheiben vorgeschlagen, die jedoch ein schlechtes Anlaufdrehmoment ergaben. Tesla entdeckte anschließend, dass glatte Rotorscheiben mit kleinen Unterlegscheiben, die die Scheiben an ~ 12–24 Stellen um den Umfang einer 10-Zoll-Scheibe überbrücken, und ein zweiter Ring von 6–12 Unterlegscheiben mit einem Unterdurchmesser zu einer signifikanten Verbesserung des Anlaufdrehmoments ohne Effizienz beeinträchtigen.

Anwendungen[edit]

Teslas Patente besagen, dass die Vorrichtung für die Verwendung von Flüssigkeiten als Motivationsmittel bestimmt war, im Unterschied zu deren Anwendung für den Antrieb oder die Kompression von Flüssigkeiten (obwohl die Vorrichtung auch für diese Zwecke verwendet werden kann). Seit 2016 hat die Tesla-Turbine seit ihrer Erfindung keine weit verbreitete kommerzielle Verwendung gefunden. Die Tesla-Pumpe ist jedoch seit 1982 im Handel erhältlich^[6] und wird verwendet, um Flüssigkeiten zu pumpen, die abrasiv, viskos, scherempfindlich sind, Feststoffe enthalten oder auf andere Weise mit anderen Pumpen schwer zu handhaben sind. Tesla selbst hat keinen großen Produktionsauftrag erhalten. Der Hauptnachteil seiner Zeit war, wie erwähnt, die schlechte Kenntnis der Materialeigenschaften und des Verhaltens bei hohen Temperaturen. Die beste Metallurgie des Tages konnte nicht verhindern, dass sich die Turbinenscheiben während des Betriebs unannehmbar bewegten und verzogen.

Heutzutage wurden viele Amateurversuche auf diesem Gebiet mit Tesla-Turbinen durchgeführt, die Druckluft oder Dampf als Stromquelle verwenden (der Dampf wird mit Wärme aus der Kraftstoffverbrennung, aus dem Turbolader eines Fahrzeugs oder aus Sonnenstrahlung erzeugt). Das Problem des Verziehens der Scheiben wurde teilweise mit neuen Materialien wie Kohlefaser gelöst.

Eine vorgeschlagene aktuelle Anwendung für die Vorrichtung ist eine Abfallpumpe in Fabriken und Mühlen, in denen normale Flügelzellen-Turbinenpumpen typischerweise blockiert werden.

Anwendungen der Tesla-Turbine als Mehrscheiben-Zentrifugalblutpumpe haben aufgrund der geringen Spitzenscherkraft vielversprechende Ergebnisse erbracht.^[7]
Die biomedizinische Forschung zu solchen Anwendungen wurde bis ins 21. Jahrhundert fortgesetzt.^[8]

In 2010, US-Patent 7,695,242 wurde Howard Fuller für eine Windkraftanlage nach dem Tesla-Design ausgestellt.^[9]

Effizienz und Berechnungen[edit]

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Zu Teslas Zeiten war der Wirkungsgrad herkömmlicher Turbinen gering, da Turbinen ein Direktantriebssystem verwendeten, das die potenzielle Drehzahl einer Turbine auf das, was sie antreibt, stark einschränkte. Zum Zeitpunkt der Einführung waren moderne Schiffsturbinen massiv und umfassten Dutzende oder sogar Hunderte von Turbinenstufen, erzielten jedoch aufgrund ihrer geringen Drehzahl einen äußerst geringen Wirkungsgrad. Zum Beispiel wog die Turbine der Titanic über 400 Tonnen, lief mit nur 165 U / min und verbrauchte Dampf mit einem Druck von nur 6 PSI. Dies beschränkte sich auf die Ernte von Abgasdampf aus den Hauptkraftwerken, einem Paar Hubkolben-Dampfmaschinen.^[10] Die Tesla-Turbine hatte auch die Fähigkeit, mit Gasen mit höherer Temperatur zu arbeiten, als die Schaufelturbinen der damaligen Zeit zu ihrem höheren Wirkungsgrad beitrugen. Schließlich erhielten Axialturbinen ein Getriebe, um bei höheren Drehzahlen arbeiten zu können, aber der Wirkungsgrad von Axialturbinen blieb im Vergleich zur Tesla-Turbine sehr niedrig.

Im Laufe der Zeit wurden konkurrierende Axialturbinen dramatisch effizienter und leistungsfähiger. In den meisten hochmodernen US-Marineschiffen der 1930er Jahre wurde eine zweite Stufe von Untersetzungsgetrieben eingeführt. Die Verbesserung der Dampftechnologie verschaffte den Flugzeugträgern der US Navy einen deutlichen Geschwindigkeitsvorteil gegenüber alliierten und feindlichen Flugzeugträgern, und so wurden die bewährten axialen Dampfturbinen bis zum Ölembargo von 1973 zur bevorzugten Antriebsform. Die Ölkrise veranlasste die Mehrheit der neuen Zivilschiffe, sich Dieselmotoren zuzuwenden. Axiale Dampfturbinen hatten zu diesem Zeitpunkt noch einen Wirkungsgrad von 50% nicht überschritten, und so entschieden sich zivile Schiffe aufgrund ihres überlegenen Wirkungsgrads für den Einsatz von Dieselmotoren.^[11] Zu diesem Zeitpunkt war die vergleichsweise effiziente Tesla-Turbine über 60 Jahre alt.

Teslas Entwurf versuchte, die Hauptnachteile der Schaufel-Axialturbinen zu umgehen, und selbst die niedrigsten Schätzungen für den Wirkungsgrad übertrafen den Wirkungsgrad der Axialdampfturbinen des Tages immer noch dramatisch. Bei Tests mit moderneren Motoren hatte die Tesla-Turbine jedoch Expansionswirkungsgrade, die weit unter den heutigen Dampfturbinen und weit unter den heutigen Hubkolben-Dampfmaschinen lagen. Es leidet unter anderen Problemen wie Scherverlusten und Strömungsbeschränkungen, was jedoch teilweise durch die relativ massive Verringerung von Gewicht und Volumen ausgeglichen wird. Einige der Vorteile der Tesla-Turbine liegen in Anwendungen mit relativ geringer Durchflussrate oder wenn kleine Anwendungen erforderlich sind. Die Scheiben müssen an den Rändern so dünn wie möglich sein, um keine Turbulenzen zu verursachen, wenn die Flüssigkeit die Scheiben verlässt. Dies bedeutet, dass die Anzahl der Festplatten mit zunehmender Durchflussrate erhöht werden muss. Maximale Effizienz ergibt sich aus diesem System, wenn der Abstand zwischen den Scheiben der Dicke der Grenzschicht nahekommt. Da die Dicke der Grenzschicht von Viskosität und Druck abhängt, besteht die Behauptung, dass eine einzige Konstruktion für eine Vielzahl von Kraftstoffen und Flüssigkeiten effizient verwendet werden kann falsch. Eine Tesla-Turbine unterscheidet sich von einer herkömmlichen Turbine nur durch den Mechanismus, der zur Energieübertragung auf die Welle verwendet wird. Verschiedene Analysen zeigen, dass die Durchflussrate zwischen den Scheiben relativ niedrig gehalten werden muss, um die Effizienz aufrechtzuerhalten. Berichten zufolge sinkt der Wirkungsgrad der Tesla-Turbine mit zunehmender Last. Unter leichter Last ist die Spirale, die von der Flüssigkeit aufgenommen wird, die sich vom Einlass zum Auslass bewegt, eine enge Spirale, die viele Umdrehungen durchläuft. Unter Last nimmt die Anzahl der Umdrehungen ab und die Spirale wird zunehmend kürzer.^{[citation needed]} Dies erhöht die Scherverluste und verringert auch den Wirkungsgrad, da das Gas für eine geringere Entfernung mit den Scheiben in Kontakt ist.

Der Wirkungsgrad ist eine Funktion der Leistungsabgabe. Eine moderate Belastung sorgt für einen hohen Wirkungsgrad. Eine zu schwere Last erhöht den Schlupf in der Turbine und senkt den Wirkungsgrad. Bei zu geringer Last wird wenig Leistung an den Ausgang abgegeben, was auch den Wirkungsgrad verringert (im Leerlauf auf Null). Dieses Verhalten gilt nicht nur für Tesla-Turbinen.

Der Turbinenwirkungsgrad der Gasturbine Tesla wird auf über 60 geschätzt und erreicht ein Maximum von 95 Prozent^{[citation needed]}. Beachten Sie, dass sich der Turbinenwirkungsgrad vom Zykluswirkungsgrad des Motors unterscheidet, der die Turbine verwendet. Axialturbinen, die heute in Dampfanlagen oder Strahltriebwerken betrieben werden, haben Wirkungsgrade von über 90%.^[12] Dies unterscheidet sich von den Zykluswirkungsgraden der Anlage oder des Motors, die zwischen ungefähr 25% und 42% liegen und durch Irreversibilitäten begrenzt sind, die unter dem Wirkungsgrad des Carnot-Zyklus liegen. Tesla behauptete, dass eine Steam-Version seines Geräts einen Wirkungsgrad von rund 95 Prozent erreichen würde.^[13][14] Tatsächliche Tests einer Tesla-Dampfturbine im Werk Westinghouse ergaben eine Dampfgeschwindigkeit von 38 Pfund pro PS-Stunde, was einem Turbinenwirkungsgrad im Bereich von 90% entspricht, während moderne Dampfturbinen häufig Turbinenwirkungsgrade von weit über 50% erreichen konnten. Der thermodynamische Wirkungsgrad ist ein Maß für die Leistung im Vergleich zu einem isentropischen Fall. Es ist das Verhältnis des Ideals zum tatsächlichen Arbeitseinsatz / -ausgang. Der Turbinenwirkungsgrad ist definiert als das Verhältnis der idealen Enthalpieänderung zur realen Enthalpie bei gleicher Druckänderung.

In den 1950er Jahren versuchte Warren Rice, Teslas Experimente nachzubilden, aber er nicht Führen Sie diese frühen Tests an einer Pumpe durch, die streng nach dem patentierten Design des Tesla gebaut wurde (es war unter anderem keine mehrstufige Tesla-Turbine und besaß auch keine Tesla-Düse).^[15] Das Arbeitsmedium des experimentellen einstufigen Systems von Rice war Luft. Die in frühen Berichten veröffentlichten Testturbinen von Rice ergaben einen gemessenen Gesamtwirkungsgrad von 36–41% für a einstufig.^[15] Eine höhere Effizienz wäre zu erwarten, wenn sie wie ursprünglich von Tesla vorgeschlagen ausgelegt wäre.

In seiner letzten Arbeit mit der Tesla-Turbine, die kurz vor seiner Pensionierung veröffentlicht wurde, führte Rice eine Bulk-Parameter-Analyse der Modell-Laminar-Strömung in durch mehrere Festplatten Turbinen. Ein sehr hoher Anspruch auf Rotoreffizienz (im Gegensatz zur Gesamtvorrichtungseffizienz) für diese Konstruktion wurde 1991 mit dem Titel “Tesla Turbomachinery” veröffentlicht.^[16] In diesem Papier heißt es:

Bei richtiger Verwendung der Analyseergebnisse kann der Rotorwirkungsgrad bei Verwendung von Laminar Flow sehr hoch sein, sogar über 95%. Um jedoch einen hohen Rotorwirkungsgrad zu erreichen, muss die Durchflusszahl klein gemacht werden, was bedeutet, dass ein hoher Rotorwirkungsgrad auf Kosten der Verwendung einer großen Anzahl von Scheiben und damit eines physikalisch größeren Rotors erreicht wird. Für jeden Wert der Durchflusszahl gibt es einen optimalen Wert der Reynolds-Zahl für maximale Effizienz. Bei herkömmlichen Flüssigkeiten ist der erforderliche Plattenabstand sehr gering, was zu einer geringen Ursache führt [rotors using] Die laminare Strömung ist bei einer vorgeschriebenen Durchflussrate tendenziell groß und schwer.
Es wurden umfangreiche Untersuchungen an Tesla-Flüssigkeitspumpen mit Laminar-Flow-Rotoren durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass der Gesamtwirkungsgrad der Pumpe selbst bei hohem Rotorwirkungsgrad aufgrund der zuvor erwähnten Verluste am Rotoreingang und -ausgang gering war.^[17]::4

Modern mehrstufig Schaufelturbinen erreichen typischerweise einen Wirkungsgrad von 60–70%, während große Dampfturbinen in der Praxis häufig einen Turbinenwirkungsgrad von über 90% aufweisen. Es wird auch erwartet, dass mit dem Spiralrotor übereinstimmende Tesla-Maschinen von angemessener Größe mit üblichen Flüssigkeiten (Dampf, Gas und Wasser) Wirkungsgrade in der Nähe von 60–70% und möglicherweise höher aufweisen.^[17]

Ein einfaches Thermodynamikmodell für die Tesla-Turbine[edit]

In der Pumpe wird der radiale oder statische Druck aufgrund der Zentrifugalkraft zum tangentialen oder dynamischen (Druck) addiert, wodurch die effektive Förderhöhe erhöht und das Ausstoßen des Fluids unterstützt wird. Im Motor hingegen verringert der zuerst genannte Druck, der dem der Versorgung entgegengesetzt ist, die effektive Förderhöhe und die Geschwindigkeit der radialen Strömung zur Mitte hin. Auch hier ist für die angetriebene Maschine immer ein großes Drehmoment wünschenswert, was eine erhöhte Anzahl von Scheiben und einen geringeren Abstand erfordert, während bei der angetriebenen Maschine aus zahlreichen wirtschaftlichen Gründen die Drehkraft die kleinste und die Geschwindigkeit die größte praktikable sein sollte .

Lassen Sie uns nun zunächst die Tesla-Turbine (TT) und in Kürze technisch jede Schaufeldampfturbine (BST) in Bezug auf das Newtonsche 3-Bewegungsgesetz (N3LM) untersuchen.

In der Standard-BST muss der Dampf auf die Schaufeln drücken, damit der Rotor aufgrund der Differenz zwischen der relativen Geschwindigkeit des Dampfes und der Schaufeln Energie aus der Geschwindigkeit des Dampfes extrahieren kann. Bei BST müssen die Schaufeln im optimalen Arbeitsbereich der Turbine sorgfältig so ausgerichtet werden, dass der Winkel des Dampfangriffs auf die Schaufeloberfläche minimiert wird. In ihren Worten versucht die Ausrichtung der Schaufeln im optimalen Bereich, den Winkel, mit dem der Dampf auf ihre Oberfläche trifft, zu minimieren, um einen gleichmäßigen Dampfstrom ohne sogenannte „Wirbel“ zu erzeugen und die Turbulenzen zu minimieren . Genau diese Wirbel werden gemäß N3LM oder als Reaktion auf den Dampf erzeugt, der auf die Oberfläche der Schaufeln auftrifft (obwohl der Winkel bei der optimalen Turbinendrehzahl minimiert ist). In dieser Dynamik verlieren die Wirbel erstens an der nutzbaren Energie, die aus dem System extrahiert werden kann, und zweitens subtrahieren sie, da sie sich in entgegengesetzter Richtung befinden, von der Energie des einströmenden Dampfstroms.

In Anbetracht der Tatsache, dass keine Klingen beeinflusst werden müssen, ist der Mechanismus dieser Reaktionsenergie zu materialisieren. Die Reaktionskraft auf den Dampfkopfdruck baut sich relativ schnell als Dampfdruckband entlang des Umfangs der Turbine auf. Dieser Riemen ist am Umfang am dichtesten und unter Druck gesetzt, da sein Druck, wenn der Rotor nicht unter Last steht, nicht viel geringer ist als der (ankommende) Dampfdruck. In einem normalen Betriebsmodus spielt dieser periphere Druck, wie Tesla bemerkte, eine Rolle der BEMF (Back Electro Motive Force), die den Fluss des ankommenden Stroms begrenzt, und auf diese Weise kann der TT als selbstregulierend bezeichnet werden. Wenn der Rotor nicht unter Last steht, sind die relativen Geschwindigkeiten zwischen den “dampfkomprimierten Spiralen” (SCS, der zwischen den Scheiben spiralförmig rotierende Dampf) und den Scheiben minimal.

Wenn eine Last auf die TT-Welle ausgeübt wird, verlangsamt sich die Geschwindigkeit, dh die relative Geschwindigkeit der Scheiben zur (sich bewegenden) Flüssigkeit nimmt zu, wenn die Flüssigkeit zumindest anfänglich ihren eigenen Impuls beibehält. Zum Beispiel können wir einen Radius von 10 cm (3,9 in) nehmen, bei dem bei 9000 U / min die Geschwindigkeit der Peripheriescheibe 90 m / s (300 ft / s) beträgt. Wenn der Rotor nicht belastet wird, bewegen sich die Scheiben ungefähr gleich Drehzahl mit der Flüssigkeit, aber wenn der Rotor belastet ist, nimmt die Relativgeschwindigkeitsdifferenz (zwischen dem SCS und den Metallscheiben) zu und die Rotordrehzahl von 45 m / s (150 ft / s) hat eine Relativdrehzahl von 45 m / s zur SCS. Dies ist eine dynamische Umgebung, und diese Geschwindigkeiten erreichen diese Werte über das Zeitdelta und nicht sofort. Hier ist zu beachten, dass sich Flüssigkeiten bei hohen Relativgeschwindigkeiten wie feste Körper verhalten, und im TT-Fall müssen wir auch den zusätzlichen Druck berücksichtigen. Nach der alten Literatur über Dampfkessel wird gesagt, dass Dampf mit hoher Geschwindigkeit, der aus einer Hochdruckquelle resultiert, Stahl schneidet, während ein “Messer Butter schneidet”.^{[citation needed]} Gemäß der Logik, diesem Druck und dieser Relativgeschwindigkeit zu den Flächen der Scheiben sollte sich der Dampf wie ein Festkörper (SCS) verhalten, der auf Scheibenmetalloberflächen zieht. Die erzeugte „Reibung“ kann nur zur Erzeugung einer zusätzlichen Wärme direkt auf der Scheibe und in SCS führen und ist in der peripheren Schicht am stärksten ausgeprägt, wo die Relativgeschwindigkeit zwischen den Metallscheiben und den SCS-Scheiben am höchsten ist. Dieser Temperaturanstieg aufgrund der Reibung zwischen den SCS-Scheiben und den Turbinenscheiben führt zu einem Anstieg der SCS-Temperatur, und dies führt zu einer SCS-Dampfexpansion und einem Druckanstieg senkrecht zu den Metallscheiben sowie radial auf Die Rotationsachse (SCS versucht sich auszudehnen, um zusätzliche Wärmeenergie zu absorbieren). Daher scheint dieses fluiddynamische Modell eine positive Rückkopplung zu sein, um ein stärkeres „Ziehen“ auf die Metallscheiben zu übertragen und folglich das Drehmoment an der Achse zu erhöhen der Rotation.

Diese Dynamik scheint eine Ableitung dessen zu sein, was Tesla kommentierte, und obwohl sie von ihm nicht erwähnt wird, ist es ein logischer nächster Schritt, die Thermodynamik im System auf ziemlich vereinfachte Weise zu erklären.

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

Bücher und Veröffentlichungen[edit]

Patente[edit]

Tesla

Andere

• US-Patent 6,726,442 , Scheibenturbineneinlass zur Unterstützung des Selbststarts, Letourneau (11. Februar 2002)
• US-Patent 6,682,077 , Labyrinthdichtung für Scheibenturbine, Letourneau (13. Februar 2002)
• US-Patent 6,692,232 , Rotorbaugruppe für Scheibenturbine, Letourneau (15. März 2002)
• US-Patent 6,973,792 , Verfahren und Vorrichtung für eine mehrstufige Grenzschichtmaschine und Prozesszelle, Hicks (13. Dezember 2005)

Fotos[edit]

Grenzschichten[edit]

Externe Links[edit]

Kits[edit]

Video[edit]

Tesla-Turbinenstandorte[edit]