Die Tesla-Turbine ist eine blattlose Zentripetal-Strömungsturbine, die 1913 von Nikola Tesla patentiert wurde. Sie wird als eine blattlose Turbine bezeichnet. Die Tesla-Turbine wird auch als Grenzschichtturbine, Kohäsionstypturbine und Prandtl-Schichtungsturbine (nach Ludwig Prandtl) bezeichnet, weil sie den Grenzschichteffekt nutzt und nicht wie bei einer konventionellen Turbine ein Fluid auf die Schaufeln auftrifft. Bioengineering-Forscher haben es als eine Mehrscheiben-Zentrifugalpumpe bezeichnet. Einer von Teslas Wünschen für die Implementierung dieser Turbine war die Geothermie, die in Our Future Motive Power beschrieben wurde.

Beschreibung
Der Leitgedanke für die Entwicklung der Tesla-Turbine ist die Tatsache, dass die Änderungen in der Geschwindigkeit und Richtung der Bewegung der Flüssigkeit so langsam wie möglich sein sollten, um die höchste Wirtschaftlichkeit zu erreichen. 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 an den Rand der Scheibe anlegen. Die Flüssigkeit schleift auf der Scheibe durch die Viskosität und die Haftung der Oberflächenschicht der Flüssigkeit. Wenn die Flüssigkeit langsamer wird und den Scheiben Energie hinzufügt, wird sie spiralförmig in den mittleren Auspuff geleitet. Da der Rotor keine Vorsprünge hat, ist er sehr robust.

Tesla schrieb: „Diese Turbine ist eine effiziente selbststartende Kraftmaschine, die nach Belieben als Dampf- oder Mischfluid-Turbine betrieben werden kann, ohne Änderungen in der Konstruktion und ist daher sehr praktisch. Geringe Abweichungen von der Turbine, wie es vorgeschrieben ist Englisch: eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUri…0601: EN: HTML Die Umstände werden sich jedoch in jedem Fall als naheliegend erweisen, aber wenn sie auf diesen allgemeinen Linien durchgeführt wird, wird sie für die Eigentümer der Dampfanlage sehr gewinnbringend sein und gleichzeitig die Nutzung ihrer alten Anlage ermöglichen Die Entwicklung von Strom aus Dampf durch die Tesla-Turbine wird in Anlagen erreicht, die speziell für diesen Zweck ausgelegt sind. “

Diese Turbine kann auch in Kondensationsanlagen mit Hochvakuum eingesetzt werden. In einem solchen Fall wird das Abgasgemisch aufgrund des sehr großen Expansionsverhältnisses eine relativ niedrige Temperatur haben und für den Eintritt in den Kondensator geeignet sein.

Alle Platten und Unterlegscheiben sind an einer Hülse angebracht und verkeilt, die an den Enden mit Gewinde versehen ist und mit Muttern und Krägen zum Zusammenziehen der dicken Endplatten versehen ist, oder die Krägen können einfach auf sie gedrückt und die Enden gestaucht werden. Die Hülse hat ein Loch, das eng an der Welle anliegt, an der sie wie üblich befestigt ist.

Diese Konstruktion erlaubt eine freie Expansion und Kontraktion jeder Platte individuell unter dem variierenden Einfluß von Wärme und Zentrifugalkraft und besitzt eine Anzahl anderer Vorteile, die von beträchtlicher praktischer Bedeutung sind. Eine größere aktive Plattenfläche und folglich mehr Leistung wird für eine gegebene Breite erhalten, wodurch die Effizienz verbessert wird. Verziehungen sind praktisch ausgeschlossen, und kleinere Seitenabstände können verwendet werden, was zu verringerten Leck- und Reibungsverlusten führt. Der Rotor ist besser zum dynamischen Auswuchten geeignet und durch Reibreibung widersteht er störenden Einflüssen und sorgt so für leiser Lauf. Aus diesem Grund und auch weil die Scheiben nicht starr verbunden sind, ist sie gegen Beschädigung geschützt, die anderenfalls durch Vibration oder übermäßige Geschwindigkeit verursacht werden könnte.

Die Tesla-Turbine hat das Merkmal, sich in einer Anlage zu befinden, die normalerweise mit einer Mischung aus Dampf und Verbrennungsprodukten arbeitet und in der die Abwärme zur Bereitstellung von Dampf verwendet wird, der der Turbine zugeführt wird und ein Ventil zur Regelung der Dampfzufuhr bereitstellt dass die Drücke und Temperaturen den optimalen Arbeitsbedingungen angepasst werden können.

Wie dargestellt, ist eine Tesla-Turbinenanlage:

Kann mit Dampf allein beginnen
Ein Scheibentyp, der dafür ausgelegt ist, mit Flüssigkeiten bei hoher Temperatur zu arbeiten.
Eine effiziente Tesla-Turbine benötigt einen engen Abstand der Scheiben. Zum Beispiel muss ein dampfbetriebener Typ einen Abstand zwischen den Platten von 0,4 mm (0,016 Zoll) aufrechterhalten. Die Scheiben müssen extrem glatt sein, um Oberflächen- und Scherverluste zu minimieren. Festplatten müssen auch sehr dünn sein, um Widerstand und Turbulenzen an den Plattenkanten zu vermeiden. Leider war es zu Teslas Zeiten eine große Herausforderung, Festplatten vor Verzerrungen und Verzerrungen zu schützen. Es wird vermutet, dass diese Unfähigkeit, die Verzerrung der Platten zu verhindern, zu dem kommerziellen Versagen der Turbinen beigetragen hat, da die Metallurgietechnologie zu der Zeit nicht in der Lage war, Platten von ausreichender Qualität und Steifigkeit herzustellen.

Pumpe
Die Vorrichtung kann als eine Pumpe funktionieren, wenn ein ähnlicher Satz von Scheiben und ein Gehäuse mit einer Evolventenform (im Vergleich zur Turbine kreisförmig) verwendet werden. In dieser Konfiguration ist ein Motor an der Welle angebracht. Die Flüssigkeit tritt nahe der Mitte ein, wird von den Scheiben mit Energie versorgt und tritt dann an der Peripherie aus. Die Tesla-Turbine verwendet keine Reibung im herkömmlichen Sinne; Genau, es vermeidet es und verwendet stattdessen Adhäsion (der Coandă-Effekt) und Viskosität. Es verwendet den Grenzflächeneffekt auf den Disc-Blades.

Glatte Rotorscheiben wurden ursprünglich vorgeschlagen, diese ergaben jedoch ein schlechtes Startdrehmoment. Tesla entdeckte später, dass glatte Rotorscheiben mit kleinen Unterlegscheiben die Scheiben in ~ 12-24 Stellen um den Umfang einer 10 „Scheibe und einen zweiten Ring von 6-12 Unterlegscheiben bei einem Unterdurchmesser überbrücken, die für eine signifikante Verbesserung des Anlaufdrehmoments ohne hergestellt wurden Kompromisse bei der Effizienz.

Anwendungen
Die Patente von Tesla geben an, dass das Gerät für die Verwendung von Flüssigkeiten als Treibmittel bestimmt war, im Unterschied zu der Anwendung derselben für den Antrieb oder die Kompression von Flüssigkeiten (obwohl das Gerät auch für diese Zwecke verwendet werden kann). Ab 2016 hat die Tesla-Turbine seit ihrer Erfindung keine weitverbreitete kommerzielle Nutzung erfahren. Die Tesla-Pumpe ist jedoch seit 1982 im Handel erhältlich und wird verwendet, um Flüssigkeiten zu pumpen, die abrasiv, viskos, scherempfindlich sind, Feststoffe enthalten oder auf andere Weise schwierig mit anderen Pumpen zu handhaben sind. Tesla selbst hat keinen großen Produktionsauftrag erhalten. Der Hauptnachteil seiner Zeit, wie erwähnt, war das schlechte Wissen über Materialeigenschaften und -verhalten bei hohen Temperaturen. Die beste Metallurgie des Tages konnte die Turbinenscheiben nicht daran hindern, sich während des Betriebs unannehmbar zu bewegen und zu verziehen.

Im Jahr 2003 erwarb Scott O’Hearen ein Patent auf das Radial-Turbinenschaufelsystem. Diese Erfindung verwendet eine Kombination der Konzepte einer glatten Lauffläche für den Reibungskontakt von Arbeitsfluid und derjenigen von Laufschaufeln, die axial von mehreren quer verlaufenden Laufflächen vorstehen.

Heute wurden viele Amateur-Experimente auf dem Gebiet unter Verwendung von Tesla-Turbinen durchgeführt, die komprimierte Luft, Dampf als Energiequelle verwenden (der Dampf wird mit Wärme aus der Verbrennung von Kraftstoff, aus dem Turbolader eines Fahrzeugs oder durch Sonnenstrahlung erzeugt). Das Problem des Verwerfens der Scheiben wurde teilweise mit neuen Materialien wie Kohlefaser gelöst.

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

Tesla-Turbinen sind aus vielen Gründen ideal für netzferne Anlagen, Mini-Dampfturbinen, elektrische Stromerzeugungsstationen und mit etwas Erfahrung können sie ziemlich einfach von Hobby-Technikern konstruiert werden.

Die Anwendungen der Tesla-Turbine als Mehrscheiben-Zentrifugalblutpumpe haben vielversprechende Ergebnisse erbracht.
Die biomedizinische Forschung zu solchen Anwendungen wurde im 21. Jahrhundert fortgesetzt.

Im Jahr 2010 wurde das US-Patent 7,695,242 an Howard Fuller für eine Windkraftanlage auf der Grundlage des Tesla-Designs erteilt.

Effizienz und Berechnungen
Teslas Turbine hat eine sehr hohe theoretische Ausbeute von etwa 92%, aber tatsächlich gibt es mehrere konstruktive Einschränkungen, die um ihre allgemeine Leistung konkurrieren. Um diese Einschränkungen besser zu verdeutlichen, folgt eine kurze Liste:

Der Durchmesser des Rotors: seine Größe darf nicht von den physikalischen Eigenschaften der zu verwendenden Flüssigkeit getrennt sein. Diese Einschränkung bedeutet, dass es theoretisch möglich ist, einen optimalen Durchmesser des Rotors zu bestimmen: tatsächlich kann ein zu kleiner Rotor die gesamte kinetische Energie, die in der injizierten Flüssigkeit vorhanden ist, nicht effektiv umsetzen. Auf der anderen Seite kann ein zu großer Rotor eine übermäßige Strömung für das Fluid mit einem daraus resultierenden Lastverlust erzeugen. Nicht nur das, sondern eine zu große Scheibe ist schwierig zu bauen und aufgrund der hohen Zentrifugalkräfte, denen sie ausgesetzt ist, wird die maximale Rotationsgeschwindigkeit begrenzt.
Der Abstand zwischen den Oberflächen der Scheiben, aus denen der Rotor besteht: zum Beispiel für den Dampf ist ein Abstand von etwa 0,4 mm erforderlich, es ist dann entscheidend, dass die Scheiben eine minimale Dicke haben, dies kann offensichtlich ein Problem für große sein Scheiben arbeiten mit hohen Drehzahlen. In der Tat ist die Verhinderung der Möglichkeit der Auslösung von Schwingungen in den Scheiben eines der Hauptprobleme dieser Turbine. Es wird angenommen, daß die Schwierigkeit, die Schwingungen zu enthalten, der Hauptgrund für das kommerzielle Versagen dieser Erfindung ist. Gerade in den letzten Jahren, mit den neuen Technologien, die oft vom Turbojet herrühren, ist es möglich, dünnere und steife Scheiben mit einer guten Oberflächenbeschaffenheit herzustellen, alle Elemente, die dazu beitragen können, die Effizienz des Geräts zu verbessern.
Oberflächenbeschaffenheit der Scheiben: Eine raue Scheibenoberfläche kann leicht Verwirbelungen erzeugen, die die Turbineneffizienz verringern, daher ist es wichtig, dass diese mit glatten und sehr gut ausgerüsteten Oberflächen hergestellt werden.
Positionierung und Geometrie der Eingangsdüse: Da es sich bei der Tesla-Turbine um eine Vorrichtung handelt, die die kinetische Energie der in sie eingeführten Flüssigkeit ausnutzt, sind die Eigenschaften der Düse, die die Flüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit und damit kinetischer Energie bringt, bestimmend Düsen ohne Turbulenz sind besonders kritisch.
Die Geometrie der Einlaufkante der Scheiben: Die Geschwindigkeit der Flüssigkeit, die den Rand der Scheibe berührt, kann Überschall sein und daher können in diesem Bereich Kompressionswellen erzeugt werden, die Verluste und Veränderungen im Fluidweg erzeugen können.
Die Größe und Geometrie der Auspuffrohre leuchtet: selbst wenn am Ausgang der Turbine die Strömungsgeschwindigkeit niedriger ist, ist die Auslegung des Auspuffs kritisch, und selbst in dieser Phase kann schädliche Verwirbelung mit daraus folgenden Verlusten auftreten; in der Tat ist die Strömung zentripetal (von der Peripherie zur Mitte der Scheibe) und dann axial (ausgerichtet mit der Rotationsachse); Bei rotierenden Scheiben mit hoher Geschwindigkeit ist die Förderung eines rotierenden Fluids in einem axialen Kanal ohne Turbulenzen nicht einfach.

Zu Teslas Zeiten war der Wirkungsgrad konventioneller Turbinen gering, da Turbinen ein Direktantriebssystem verwendeten, das die potenzielle Geschwindigkeit einer Turbine auf das, was sie fuhr, stark einschränkte. Zum Zeitpunkt der Einführung waren moderne Schiffsturbinen massiv und umfassten Dutzende oder sogar Hunderte von Turbinenstufen, produzierten jedoch aufgrund ihrer niedrigen Geschwindigkeit einen extrem niedrigen Wirkungsgrad. Zum Beispiel wog die Turbine auf der Titanic über 400 Tonnen, lief mit nur 165 U / min und verwendete Dampf bei einem Druck von nur 6 PSI. Dies beschränkte sich auf das Sammeln von Abdampf aus den Hauptkraftwerken, ein Paar sich hin- und herbewegender Dampfmaschinen. Die Tesla-Turbine war auch in der Lage, mit höheren Temperaturen als die Turbinen zu laufen, was zu ihrer höheren Effizienz beitrug. Schließlich wurden Axialturbinen mit einem Getriebe versehen, um höhere Geschwindigkeiten zu ermöglichen, aber die Effizienz der Axialturbinen blieb im Vergleich zur Tesla-Turbine sehr niedrig.

Im Laufe der Zeit wurden konkurrierende Axialturbinen dramatisch effizienter und leistungsfähiger, eine zweite Stufe der Reduktionsgetriebe wurde in den meisten modernen US-Marineschiffen der 1930er Jahre eingeführt. Die Verbesserung der Dampftechnik verschaffte den Flugzeugträgern der US Navy einen deutlichen Geschwindigkeitsvorteil gegenüber alliierten und feindlichen Flugzeugträgern, und so wurden die bewährten axialen Dampfturbinen zur bevorzugten Antriebsart, bis das Ölembargo von 1973 stattfand. Die Ölkrise trieb die Mehrzahl der neuen zivilen Schiffe dazu, sich auf Dieselmotoren umzustellen. Axiale Dampfturbinen hatten zu dieser Zeit immer noch nicht die Effizienz von 50% überschritten, und so entschieden sich zivile Schiffe, Dieselmotoren wegen ihrer überlegenen Effizienz zu verwenden. Zu dieser Zeit war die vergleichsweise effiziente Tesla-Turbine über 60 Jahre alt.

Teslas Entwurf versuchte, die Hauptnachteile der mit Schaufeln versehenen Axialturbinen zu umgehen, und sogar die niedrigsten Schätzungen für die Effizienz übertrafen immer noch dramatisch die Effizienz der axialen Dampfturbinen der Zeit. Im Test gegen modernere Motoren hatte die Tesla Turbine jedoch eine Expansionseffizienz weit unter den heutigen Dampfturbinen und weit unter den heutigen Hubkolben-Dampfmaschinen. Es leidet an anderen Problemen wie Scherverlusten und Strömungseinschränkungen, doch wird dies teilweise durch die relativ massive Verringerung von Gewicht und Volumen ausgeglichen. Einige Vorteile der Tesla-Turbine liegen in Anwendungen mit relativ niedrigen Durchflussraten oder wenn kleine Anwendungen erforderlich sind. Die Scheiben müssen an den Kanten so dünn wie möglich sein, um keine Turbulenzen zu verursachen, wenn die Flüssigkeit die Scheiben verläßt. Dies bedeutet, dass die Anzahl der Platten erhöht werden muss, wenn die Durchflussrate zunimmt. Die maximale Effizienz kommt in diesem System zustande, wenn sich der Zwischenscheibenabstand der Dicke der Grenzschicht annähert und da die Grenzschichtdicke von der Viskosität und dem Druck abhängt, ist die Behauptung, dass ein einziges Design effizient für eine Vielzahl von Kraftstoffen und Fluiden verwendet werden kann falsch. Eine Tesla-Turbine unterscheidet sich von einer herkömmlichen Turbine nur in dem Mechanismus, der zum Übertragen von Energie auf die Welle verwendet wird. Verschiedene Analysen zeigen, dass die Strömungsrate zwischen den Scheiben relativ niedrig gehalten werden muss, um die Effizienz aufrechtzuerhalten. Berichten zufolge sinkt die Effizienz der Tesla-Turbine mit erhöhter Belastung. Unter geringer Last ist die Spirale, die von dem Fluid, das sich vom Einlass zum Auslass bewegt, aufgenommen wird, eine enge Spirale, die viele Rotationen durchläuft. Unter Last sinkt die Anzahl der Umdrehungen und die Spirale wird immer kürzer. Dies wird die Scherverluste erhöhen und auch den Wirkungsgrad verringern, da das Gas für eine geringere Entfernung in Kontakt mit den Scheiben ist.

Effizienz ist eine Funktion der Leistungsabgabe. Eine moderate Belastung sorgt für hohe Effizienz. Eine zu hohe Last erhöht den Schlupf in der Turbine und senkt den Wirkungsgrad; Bei zu geringer Last wird dem Ausgang nur wenig Strom zugeführt, was ebenfalls den Wirkungsgrad verringert (im Leerlauf auf Null). Dieses Verhalten ist nicht ausschließlich auf Tesla-Turbinen zurückzuführen.

Der Turbinenwirkungsgrad der Gas-Tesla-Turbine wird auf über 60 geschätzt und erreicht ein Maximum von 95 Prozent. Denken Sie daran, dass sich der Turbinenwirkungsgrad von dem Zykluswirkungsgrad des die Turbine verwendenden Motors unterscheidet. Axialturbinen, die heute in Dampfkraftwerken oder Strahltriebwerken betrieben werden, haben einen Wirkungsgrad von etwa 60-70% (Siemens Turbines Data). Dies unterscheidet sich von den Zykluswirkungsgraden der Anlage oder des Motors, die zwischen ungefähr 25% und 42% liegen und durch Irreversibilitäten begrenzt sind, um unter der Carnot-Zykluseffizienz zu liegen. Tesla behauptete, dass eine Dampfversion seines Geräts eine Effizienz von etwa 95 Prozent erreichen würde. Aktuelle Tests einer Tesla-Dampfturbine im Werk Westinghouse zeigten eine Dampfrate von 38 Pfund pro Stunde, was einem Turbinenwirkungsgrad von 20% entspricht, während moderne Dampfturbinen oft Turbinenwirkungsgrade von weit über 50% erreichen konnten. Die thermodynamische Effizienz ist ein Maß dafür, wie gut sie im Vergleich zu einem isentropischen Fall funktioniert. Es ist das Verhältnis des Idealen zum tatsächlichen Arbeitseingang / -ausgang. Die Turbineneffizienz ist definiert als das Verhältnis der idealen Änderung der Enthalpie zur realen Enthalpie bei gleicher Druckänderung.

In den 1950er Jahren versuchte Warren Rice Teslas Experimente neu zu erstellen, aber er führte diese frühen Tests nicht an einer Pumpe durch, die streng in Übereinstimmung mit dem patentierten Design des Tesla gebaut war (es war unter anderem auch keine Tesla-Turbine mit mehreren Stufen) es besitzt Teslas Düse). Rice’s experimentelles Einstufen-System-Arbeitsfluid war Luft. Die Testturbinen von Rice, wie sie in früheren Berichten veröffentlicht wurden, ergaben einen gesamten gemessenen Wirkungsgrad von 36-41% für eine einzige Stufe. Höhere Prozentsätze wären zu erwarten, wenn sie ursprünglich von Tesla entworfen würden.

In seiner letzten Arbeit mit der Tesla-Turbine, die kurz vor seiner Pensionierung veröffentlicht wurde, führte Rice eine Bulk-Parameter-Analyse der laminaren Modellströmung in Mehrscheiben-Turbinen durch. Ein sehr hoher Anspruch für die Rotoreffizienz (im Gegensatz zur Gesamtgeräteeffizienz) für dieses Design wurde 1991 unter dem Titel „Tesla Turbomachinery“ veröffentlicht. In diesem Papier heißt es:

Bei richtiger Verwendung der Analyseergebnisse kann der Rotorwirkungsgrad unter Verwendung einer laminaren Strömung sehr hoch sein, sogar über 95%. Um jedoch eine hohe Rotoreffizienz zu erreichen, muss die Strömungsratenzahl klein gemacht werden, was bedeutet, dass eine hohe Rotoreffizienz auf Kosten der Verwendung einer großen Anzahl von Scheiben und somit eines physikalisch größeren Rotors erreicht wird. Für jeden Wert der Durchflussrate gibt es einen optimalen Wert der Reynolds-Zahl für maximale Effizienz. Bei herkömmlichen Fluiden ist der erforderliche Scheibenabstand sehr klein, was dazu führt, dass die laminare Strömung der Rotoren dazu neigt, für eine vorgeschriebene Durchflussrate groß und schwer zu sein.

Es wurden umfangreiche Untersuchungen von Flüssigkeitspumpen vom Tesla-Typ unter Verwendung von Laminarströmungsrotoren durchgeführt. Es wurde gefunden, dass der Gesamtpumpenwirkungsgrad niedrig war, selbst wenn der Rotorwirkungsgrad aufgrund der Verluste, die an dem Rotoreingang und -ausgang auftreten, hoch war.

Moderne mehrstufig beschaufelte Turbinen erreichen typischerweise einen Wirkungsgrad von 60-70%, während große Dampfturbinen in der Praxis oft einen Turbinenwirkungsgrad von über 90% aufweisen. Es wird erwartet, dass Spiralrotor-angepasste Tesla-Maschinen mit einer angemessenen Größe mit herkömmlichen Fluiden (Dampf, Gas und Wasser) ebenfalls Wirkungsgrade in der Nähe von 60-70% und möglicherweise höher zeigen.

Neugierde
Tesla-Turbinenmodellbauer können leicht Turbinenmodelle unter Verwendung von optischen Scheiben (CDs oder CDs) zum Zusammensetzen des Rades bauen, offensichtlich mit dazwischen angeordneten Abstandshaltern und einem geeigneten zentralen Loch, Polymethylmethacrylat (Plexiglas) oder einer ganzen Reihe von Analoga für das Gehäuse und die Düse , die unter anderem den Vorteil haben, transparent zu sein, und Druckluft mit hohem Druck als Motorflüssigkeit.