Расчет турбины тесла. Безлопастная дисковая турбина, или роторный двигатель Николы Тесла. PS. Некоторые уточнения
Стальной ротор.
Крайние диски турбины Тесла делаются более толстыми, так как проходящяя между дисками струя газа пытается раздвинуть диски, а так же для прижимания остальных дисков друг к другу. Так же крайние диски имеют радиальные выступы над окнами, которые служат в качестве части уплотнения.
Боковой диск турбины Теслы с радиальными выступами.
Ротор помещается в корпус, который имеет входящее сопло и боковые крышки с отверстиями в центре. К крышкам крепятся еще две детали, не знаю как их правильнее назвать, я их назвал «уши», в которых закрепляются подшипники и обеспечивается отвод отработанной среды.
На внутренней поверхности крышек вырезаны радиальные канавки. Их можно разделить на две группы по их назначению. Первая группа канавок располагается ближе к центру, в эти канавки входят радиальные выступы боковых дисков, что обеспечивает хорошее уплотнение. Канавки и выступы, составляющие уплотнение, должны быть тщательно подогнаны друг к другу. Зазоры должны быть минимально возможными, но и не допускающими трение, что требует высокой точности изготовления. Вторая группа канавок прорезается почти по всей оставшейся поверхности и к ним не предъявляется таких жестких требований по точности изготовления. Боковые диски движутся относительно неподвижных крышек корпуса. Чтобы не создавать дополнительное сопротивление, расстояние между дисками и корпусом нужно увеличить. Именно этой цели и служат радиальные канавки второй группы. Так как поток всегда ищет путь наименьшего сопротивления, а в нашем случае – это канавки между крышками и дисками, основная часть потока проходила бы именно этим путем, и лишь незначительная часть проходила бы между остальными дисками ротора. За счет уплотнения, в канавках возникает повышенное давление, что и не дает среде пройти только этим путем, и среда проходит там, где возможно, т.е. между остальными дисками. Можно было бы сделать и одну широкую канавку, однако это бы увеличило утечку. По этому, лучшего результата можно добиться, используя несколько канавок.
Сопло турбины располагается тангенциально, т.е. по касательной к внутренней поверхности корпуса и может быть выполнено в виде прямоугольной щели, или круглого сужающегося отверстия.
Прямоугольное сопло для турбины Тесла.
Зазор по периферии между корпусом и ротором делается минимальным, учитывая небольшое увеличение диаметра ротора, при работе на высоких оборотах.
Теперь, имея примерное представление об устройстве турбины, рассмотрим теоретическую базу и рабочий процесс. Если направить поток жидкости, или газа по плоской поверхности, то этот поток начнет увлекать за собой эту поверхность. Такое поведение обусловлено тем, что самый первый слой молекул, прилегающих к плоскости – неподвижен. Следующий слой движется очень медленно, следующий чуть быстрее и так далее. Ниже приведу небольшую выдержку из аэродинамики.
Важной характеристикой движущейся среды является ее вязкость. Вязкость проявляется через свойство прилипания текучей среды к поверхности, тогда как не вязкая среда свободно скользит вдоль обтекаемой поверхности. Чтобы проиллюстрировать влияние вязкости, порождающей силу, замедляющую течение (силу сопротивления), рассмотрим две большие параллельные друг другу пластины A
и B
(рис. 1), одна из которых движется относительно другой. Вязкая среда прилипает к каждой из пластин. Случайные движения молекул создают эффект «перемешивания», стремящегося выровнять средние скорости течения, скорость которого на пластине B
равна V
, а на пластине A
– нулю. Результирующее распределение скоростей также приведено на рис. 1, где длина стрелок пропорциональна величине скорости в данной точке течения по высоте между пластинами. Таким образом, на движущуюся пластину B
действует сила, тормозящая ее движение. Чтобы обеспечить движение пластины B
при наличии торможения, к ней должна быть приложена противодействующая сила. Такая же сила стремится привести в движение пластину A
У вас возникли проблемы с поиском определенного видеоролика? Тогда эта страничка поможет вам отыскать так необходимый вам ролик. Мы с легкостью обработаем ваши запросы и выдадим вам все результаты. Неважно чем вы интересуетесь и что вы ищете, мы запросто отыщем необходимый ролик, какой бы направленности он не был бы.
Если же у вас интересует современные новости, то мы готовы предложить вам самые актуальные на данный момент новостные сводки во всех направлениях. Результаты футбольных матчей, политические события или же мировые, глобальные проблемы. Вы всегда будете в курсе всех событий, если будете пользоваться нашим замечательным поиском. Информированность предоставляемых нами видеороликов и их качество зависит не от нас, а от тех, кто их залил в интернет просторы. Мы всего лишь снабжаем вас тем, что вы ищете и требуете. В любом случае, пользуясь нашим поиском, вы будете знать все новости в мире.
Впрочем, мировая экономика это тоже довольно интересная тема, которая волнует очень многих. От экономического состояния различных стран зависит довольно многое. Например, импорт и экспорт, каких либо продуктов питания или же техники. Тот же уровень жизни напрямую зависит от состояния страны, как и зарплаты и прочее. Чем же может быть полезна такая информация? Она поможет вам не только адаптироваться к последствиям, но и может предостеречь от поездки в ту или же иную страну. Если вы отъявленный путешественник, то обязательно воспользуйтесь нашим поиском.
Нынче очень сложно разобраться в политических интригах и для понимания ситуации нужно найти и сравнить очень много различной информации. А потому мы запросто найдем для вас различные выступления депутатов ГОСДУМЫ и их заявления за все прошедшие года. Вы сможете с легкостью разобраться в политике и в ситуации на политической арене. Политика различных стран станет вам ясна и вы запросто сможете подготовить себя к грядущим переменам или же адаптироваться уже в наших реалиях.
Впрочем вы можете найти тут не только различные новости всего мира. Вы также запросто сможете подыскать себе киноленту, которую будет приятно посмотреть вечером с бутылкой пива или же попкорна. В нашей поисковой базе существуют фильмы на любой вкус и цвет, вы без особых проблем сможете найти для себя интересную картину. Мы запросто найдем для вас даже самые старые и трудно находимые произведения, как и известную всем классику - например Звездные войны: Империя наносит ответный удар.
Если же вы просто хотите немного отдохнуть и находитесь в поиске смешных роликов, то мы можем утолить и тут вашу жажду. Мы найдем для вас миллион различных развлекательных видеороликов со всей планеты. Короткие приколы запросто поднимут вам настроение и еще целый день будут вас веселить. Пользуясь удобной системой поиска, вы сможете найти именно то, что рассмешит вас.
Как вы уже поняли, мы трудимся не покладая рук, что бы вы всегда получали именно то, что вам необходимо. Мы создали этот замечательный поиск специально для вас, что бы вам удалось найти необходимую информацию в виде видеоролика и посмотреть её на удобном плеере.
Никола Тесла был настолько великим ученым, что по-настоящему оценить масштабы его открытий человечеству еще только предстоит. Большинство его изобретений, о которых и поныне ходят легенды, касается возможности передачи на расстояние. Однако среди патентов, а их намного больше тысячи, которые получил этот выдающийся теоретик и экспериментатор-практик, есть и другие, касающиеся исключительно механических узлов машин. Один из них описывает принцип работы необычной конструкции, преобразующей энергию газового потока во Турбина Тесла - таково название этого механизма.
Каждое изобретение должно быть уникальным, таковы современные правила регистрации патента, такими были они и в 1913 году, когда великий ученый получил очередное авторское свидетельство. Оригинальность изобретения Тесла состоит в отсутствии лопаток, которыми снабжен ротор практически любой турбины. Передача потока воздуха, или любого другого газа, осуществляется не за счет непосредственного давления на поставленные под углом к нему лопасти, а движением пограничного потока среды, окружающей совершенно плоские диски. Турбина Тесла использует такое свойство газов, как их вязкость.
Все изобретения этого необыкновенного человека очень красивы. Турбина Тесла - не исключение. Красота ее в простоте, не в примитивности, а именно в той утонченной лаконичности, которая стала почерком гения. Никому ранее и в голову не приходило раскручивать диск потоком газа, направленным в одной с ним плоскости.
Разумеется, для повышения эффективности всего устройства следовало увеличить количество дисков и максимально уменьшить расстояние между ними, поэтому турбина Тесла представляет собой ротор, закрепленный на ведущем валу, состоящий из множества плоских «тарелок», а статор - пространство, в котором вращается с соплами, направленными тангенциально, то есть перпендикулярно радиусу роторных дисков. Такая конструкция дает огромное преимущество в том случае, если необходимо изменить направление вращения. Для этого достаточно просто переключить входной патрубок на то сопло, что ранее было выходным, и вся турбина начнет вращаться в реверсивном направлении.
Еще одно преимущество - в характере движения газа, он ламинарный, то есть в нем не возникает вихревых потоков, на преодоление которых расходуется полезная энергия, и с которыми так упорно борются конструкторы турбин. Вообще во времена, когда Тесла изобретал свою турбину, у инженеров было много проблем с материалами для изготовления лопаток, вот он и придумал, как без них вовсе обойтись.
Есть у конструкции и свои недостатки. К их числу можно отнести низкую скорость потока газа, при которой турбина Тесла эффективна. Однако это нисколько не умаляет значение этого изобретения, которое может вдруг понадобиться и стать просто незаменимым решением технической задачи, как это бывало и с другими патентами Н. Тесла.
Простота конструкции - очевидное качество, которым обладает турбина Тесла. Своими руками ее изготовить можно, правда, для этого все же потребуется немалая квалификация и высокая точность выполнения всех работ. Ведь квалитет дисков и малый зазор между ними, который должен быть очень равномерным, а также кожух с соплами с помощью простейших инструментов выполнить практически нельзя.
Турбина Тесла в Музее Николы Теслы.
Турбина Тесла - безлопастная центростремительная турбина, запатентованная Николой Тесла в 1913 году. Её часто называют безлопастной турбиной, поскольку в ней используется эффект пограничного слоя, а не давление жидкости или пара на лопатки, как в традиционной турбине. Турбина Тесла также известна как турбина пограничного слоя и турбина слоя Прандтля (в честь Людвига Прандтля). Учёные-биоинженеры называют её многодисковым центробежным насосом. Одним из желаемых применений данной турбины Тесла видел в геотермальной энергетике, описанной в книге «Our Future Motive Power ».
Принцип действия, достоинства и недостатки
Во времена Теслы КПД традиционных турбин был низок, так как не было аэродинамической теории, необходимой для создания эффективных лопаток, а низкое качество материалов для лопаток накладывало серьезные ограничения на рабочие скорости и температуры. КПД традиционной турбины связан с разностью давлений на входе и выходе. Для достижения более высокой разности давлений используются горячие газы, такие, например, как перегретый пар в паровых турбинах и продукты сгорания топлива в газовых, поэтому для достижения высокого КПД необходимы жаропрочные материалы. Если турбина использует газ, который при комнатной температуре становится жидкостью, то можно на выходе использовать конденсатор, чтобы увеличить разность давлений.
Турбина Тесла отличается от традиционной турбины механизмом передачи энергии на вал. Она состоит из набора гладких дисков и форсунок, направляющих рабочий газ к краю диска. Газ вращает диск посредством адгезии пограничного слоя и вязкого трения и замедляется, вращаясь по спирали.
Турбина Тесла не имеет лопаток и возникающих из-за них недостатков: ротор не имеет выступов и потому прочен. Тем не менее, у неё имеются динамические потери и ограничения на скорость потока. Небольшой поток (нагрузка) дает высокий КПД, а сильный поток увеличивает потери в турбине и снижает его, что, однако, характерно не только для турбины Тесла.
Диски должны быть очень тонкими по краям, чтобы не создавать турбулентность в рабочем теле. Это приводит к необходимости увеличения числа дисков при увеличении скорости потока. Максимальный КПД этой системы достигается, когда междисковое расстояние приблизительно равно толщине пограничного слоя. Поскольку толщина пограничного слоя зависит от вязкости и давления, утверждение, что один и тот же проект турбины может эффективно использоваться для различных жидкостей и газов, является некорректным.
Исследования показывают, что для поддержания высокого КПД скорость потока между дисками должна поддерживаться на относительно низком уровне. При слабом потоке траектория протекания рабочего тела от входа в турбину к выходу имеет много витков. При сильном потоке число оборотов спирали падает, и она становится короче, что снижает КПД, потому что газ (жидкость) меньше контактирует с дисками, а значит, передает меньше энергии.
КПД газовой турбины Тесла составляет выше 60% и достигает более 95%. Но не стоит путать турбинный КПД с общим КПД двигателя, который использует данную турбину. Осевые турбины, которые сейчас используются в паровых установках и реактивных двигателях, имеют КПД около 60-70% и ограничен величиной КПД соответствующего цикла Карно, а для силовой установки он достигает лишь 25-42%. Тесла утверждал, что паровая версия его турбины может достигать 95%. Натурные испытания паровой турбины Тесла на заводах Westinghouse показали паровую мощность в 38 фунтов на лошадиную силу в час, соответствующую КПД турбины в диапазоне 20%.
В 1950-х годах Уоррен Райс попытался повторить эксперименты Тесла, но он проводил их не на турбине, построенной в строгом соответствии с запатентованным Теслой образцом. Райс экспериментировал с однодисковой воздушной системой. Тестируемая турбина Райса показала эффективность 36-41% при использовании одного диска. Более высокая эффективность должна достигаться при использовании дизайна Тесла.
В своей последней работе с турбиной Тесла Райс провел масштабный анализ модели ламинарного потока в многодисковой турбине. Очень сильное утверждение для эффективности турбины (в отличие от эффективности прибора в целом) для этой конструкции было опубликовано в 1991 году под названием «Турбомашина Тесла».
В 1913 году . Её часто называют безлопастной турбиной, поскольку в ней используется эффект пограничного слоя , а не давление жидкости или пара на лопатки, как в традиционной турбине. Турбина Тесла также известна как турбина пограничного слоя и турбина слоя Прандтля (в честь Людвига Прандтля). Учёные-биоинженеры называют её многодисковым центробежным насосом . Одним из желаемых применений данной турбины Тесла видел в геотермальной энергетике, описанной в книге «Our Future Motive Power » .
Принцип действия, достоинства и недостатки
Во времена Теслы КПД традиционных турбин был низок, так как не было аэродинамической теории, необходимой для создания эффективных лопаток, а низкое качество материалов для лопаток накладывало серьезные ограничения на рабочие скорости и температуры. КПД традиционной турбины связан с разностью давлений на входе и выходе. Для достижения более высокой разности давлений используются горячие газы, такие, например, как перегретый пар в паровых турбинах и продукты сгорания топлива в газовых, поэтому для достижения высокого КПД необходимы жаропрочные материалы. Если турбина использует газ, который при комнатной температуре становится жидкостью, то можно на выходе использовать конденсатор, чтобы увеличить разность давлений.
Турбина Тесла отличается от традиционной турбины механизмом передачи энергии на вал. Она состоит из набора гладких дисков и форсунок, направляющих рабочий газ к краю диска. Газ вращает диск посредством адгезии пограничного слоя и вязкого трения и замедляется, вращаясь по спирали.
Турбина Тесла не имеет лопаток и возникающих из-за них недостатков: ротор не имеет выступов и потому прочен. Тем не менее, у неё имеются динамические потери и ограничения на скорость потока. Небольшой поток (нагрузка) дает высокий КПД, а сильный поток увеличивает потери в турбине и снижает его, что, однако, характерно не только для турбины Тесла.
Диски должны быть очень тонкими по краям, чтобы не создавать турбулентность в рабочем теле. Это приводит к необходимости увеличения числа дисков при увеличении скорости потока. Максимальный КПД этой системы достигается, когда междисковое расстояние приблизительно равно толщине пограничного слоя. Поскольку толщина пограничного слоя зависит от вязкости и давления, утверждение, что один и тот же проект турбины может эффективно использоваться для различных жидкостей и газов, является некорректным.
Примечания
- Miller, G. E.; Sidhu, A; Fink, R.; Etter, B. D. July). Evaluation of a multiple disk centrifugal pump as an artificial ventricle (неопр.) // Artificial Organs. - 1993. - Т. 17 , № 7 . - С. 590-592 . - DOI :10.1111/j.1525-1594.1993.tb00599.x . - PMID 8338431 .
- Miller, G. E.; Fink, R. June). Analysis of optimal design configurations for a multiple disk centrifugal blood pump (англ.) // Artificial Organs: journal. - 1999. - Vol. 23 , no. 6 . - P. 559-565 . - DOI :10.1046/j.1525-1594.1999.06403.x . - PMID 10392285 .
- Nikola Tesla, "
