Jak funguje turbína Tesla

  • Paul Sparks
  • 26
  • 4716
  • 81
Chlapec sledoval rádiem řízenou loď ve městě Smiljan v Chorvatsku v rodném městě Nikola Tesly. Nedaleko je bezpatinová turbína s turbodmychadlem s Teslovým designem. Stejný princip pohání jeho slavný turbínový motor. Hrvoje Polan / AFP / Getty Images

Většina lidí zná Nikolaho Teslu, výstředního a brilantního muže, který přijel do New Yorku v roce 1884, jako otec střídavého proudu, což je forma elektřiny, která dodává energii téměř všem domům a podnikům. Ale Tesla byl úžasný vynálezce, který uplatnil svého génia na celou řadu praktických problémů. Všichni říkali, že vlastnil 272 patentů ve 25 zemích, 112 patentů pouze ve Spojených státech. Možná si myslíte, že ze všech těchto prací by Tesla držel své vynálezy v elektrotechnice - ty, které popisovaly kompletní systém generátorů, transformátorů, přenosových vedení, motoru a osvětlení - k jeho srdci nejdražší. V roce 1913 však Tesla získal patent na to, co popsal jako svůj nejdůležitější vynález. Tímto vynálezem byla turbína, dnes známá jako Teslaova turbína, turbína mezní vrstvy nebo turbína s plochým diskem.

Je zajímavé, že použití slova „turbína“ k popisu Teslova vynálezu se zdá trochu zavádějící. Je to proto, že většina lidí myslí na turbínu jako hřídel s připojenými lopatkami - jako jsou lopatky ventilátoru. Ve skutečnosti Websterův slovník definuje turbínu jako motor otáčený silou plynu nebo vody na lopatkách ventilátoru. Ale Teslaova turbína nemá žádné lopatky. Má řadu těsně zabalených paralelních disků připojených k hřídeli a uspořádaných uvnitř utěsněné komory. Když tekutina nechá vstoupit do komory a projít mezi disky, kotouče se otočí, což zase otáčí hřídelí. Tento rotační pohyb lze použít různými způsoby, od pohonných čerpadel, dmychadel a kompresorů po běžící auta a letadla. Ve skutečnosti Tesla tvrdil, že turbína byla nejúčinnějším a nejjednodušším způsobem navrženým rotačním motorem, který byl kdy navržen.

Pokud je to pravda, proč se Teslova turbína těšila rozšířenému použití? Proč to nebylo tak všudypřítomné jako Teslovo další mistrovské dílo, přenos střídavého proudu? Jsou to důležité otázky, ale jsou sekundárními k zásadnějším otázkám, například jak funguje turbína Tesla a proč je technologie tak inovativní? Odpovíme na všechny tyto otázky na několika následujících stránkách. Nejprve však musíme přehodnotit některé základní informace o různých typech motorů vyvinutých v průběhu let. Na další stránce si ukážeme konkrétní problém, který Tesla doufal, že vyřeší svým novým vynálezem.

Obsah
  1. Turbínový motor Tesla
  2. Díly Tesla turbíny
  3. Provoz turbíny Tesla
  4. Překážky komercializace Tesla Turbine
  5. Budoucnost turbíny Tesla
Větrné turbíny, jako jsou tyto v Palm Springs v Kalifornii, jsou příklady dalších turbín používaných k výrobě elektřiny. Na rozdíl od Teslova modelu se jedná o lopatkové turbíny. David McNew / Getty Images

Úkolem jakéhokoli motoru je přeměnit energii ze zdroje paliva na mechanickou energii. Ať už je přírodním zdrojem vzduch, pohybující se voda, uhlí nebo ropa, je vstupní energií tekutina. A tekutinou máme na mysli něco velmi specifického - je to jakákoli látka, která teče pod aplikovaným stresem. Jak plyny, tak kapaliny jsou tedy tekutinami, které mohou být doloženy vodou. Pokud jde o inženýra, kapalná voda a plynná voda nebo pára fungují jako kapalina.

Na začátku 20. století byly běžné dva typy motorů: lopatkové turbíny poháněné buď pohybující se vodou nebo párou generovanou z ohřáté vody, a pístové motory poháněné plyny produkovanými při spalování benzínu. První je typ rotačního motoru, druhý typ pístového motoru. Oba typy motorů byly složité stroje, které bylo obtížné a časově náročné stavět.

Vezměme si za příklad píst. Píst je válcový kus kovu, který se pohybuje nahoru a dolů, obvykle uvnitř jiného válce. Kromě samotných pístů a válců zahrnují další části motoru ventily, vačky, ložiska, těsnění a kroužky. Každá z těchto částí představuje příležitost k selhání. Společně zvyšují hmotnost a neefektivnost motoru jako celku.

Lopatkové turbíny měly méně pohyblivých částí, ale představovaly své vlastní problémy. Většinou to byly obrovské kusy strojů s velmi úzkými tolerancemi. Pokud není správně postaven, mohou se nože rozbít nebo prasknout. Ve skutečnosti to bylo pozorování na loděnici, které inspirovalo Teslu, aby počala něco lepšího: „Vzpomněl jsem si na bušly rozbitých lopatek, které byly shromážděny z pláště turbíny první parní lodi vybavené turbínou, aby překročily oceán, a uvědomil si význam tohoto [nového motoru] “[zdroj: New York City Herald Tribune].

Teslovův nový motor byl turbína bez lopatek, která by stále používala tekutinu jako prostředek energie, ale byla by mnohem účinnější při přeměně tekutinové energie do pohybu. Na rozdíl od všeobecného přesvědčení nevynalezl bezbrannou turbínu, ale vzal základní koncept, poprvé patentovaný v Evropě v roce 1832, a provedl několik vylepšení. On zdokonalil myšlenku přes rozpětí téměř deset let a vlastně dostal tři patenty vztahující se ke stroji:

  • Patent číslo 1 061 142, "Fluid Propulsion", podaný 21. října 1909 a patentovaný 6. května 1913
  • Patent číslo 1 061 206, "Turbína", podaný 17. ledna 1911 a patentovaný 6. května 1913
  • Patent číslo 1 329 559, „Valvular Conduit“, podané 21. února 1916, obnoveno 18. července 1919 a patentováno 3. února 1920

V prvním patentu Tesla představil svůj základní bezpatkový design konfigurovaný jako čerpadlo nebo kompresor. Ve druhém patentu Tesla upravil základní design tak, aby fungoval jako turbína. A konečně, s třetím patentem, provedl změny nezbytné pro provoz turbíny jako spalovacího motoru.

Základní konstrukce stroje je stejná, bez ohledu na její konfiguraci. V další části se na tento návrh podíváme podrobněji.

Copyright 2008

Ve srovnání s pístovým nebo parním motorem je Teslaova turbína sama o sobě jednoduchá. Ve skutečnosti to Tesla popsal v rozhovoru, který se objevil v New York Herald Tribune 15. října 1911: „Vše, co potřebujete, jsou některé disky namontované na hřídeli, rozmístěné v malé vzdálenosti od sebe a umístěny tak, aby tekutina mohla zadejte v jednom bodě a jděte ven v jiném. “ Je zřejmé, že se jedná o přílišné zjednodušení, ale ne o mnoho. Podívejme se podrobněji na dvě základní části turbíny - rotor a stator.

Rotor

V tradiční turbíně je rotor hřídel s připojenými lopatkami. Turbina Tesla odstraňuje lopatky a místo toho používá řadu disků. Velikost a počet disků se může lišit v závislosti na faktorech souvisejících s konkrétní aplikací. Teslaův patentový papír nedefinuje konkrétní číslo, ale používá obecnější popis s tím, že rotor by měl obsahovat „množinu“ disků s „vhodným průměrem“. Jak uvidíme později, Tesla sám experimentoval docela dost s velikostí a počtem disků.

Každý disk je vyroben s otvory obklopující hřídel. Tyto otvory fungují jako výfukové otvory, kterými prochází tekutina. Aby se zajistilo, že tekutina může volně procházet mezi disky, používají se jako děliče kovové podložky. Tloušťka podložky není opět pevně nastavena, ačkoli mezery obvykle nepřekračují 2 až 3 milimetry.

Matice se závitem drží disky v poloze na hřídeli, posledním kusu sestavy rotoru. Protože disky jsou klíčeny k hřídeli, je jejich rotace přenášena na hřídel.

Stator

Sestava rotoru je uložena uvnitř válcového statoru nebo stacionární části turbíny. Pro uložení rotoru musí být průměr vnitřní komory válce o něco větší než samotné kotouče rotoru. Každý konec statoru obsahuje ložisko pro hřídel. Stator také obsahuje jeden nebo dva vstupy, do kterých jsou vloženy trysky. Teslova původní konstrukce vyžadovala dva vstupy, které umožnily turbíně běžet buď ve směru nebo proti směru hodinových ručiček.

Toto je základní design. Aby se turbína rozběhla, vstoupí vysokotlaká kapalina do trysek na vstupech statoru. Kapalina prochází mezi kotouči rotoru a způsobuje rotaci rotoru. Nakonec tekutina opouští výfukové otvory ve středu turbíny.

Jednou z velkých věcí na Teslově turbíně je její jednoduchost. Může být postaven z snadno dostupných materiálů a rozestupy mezi disky nemusí být přesně kontrolovány. Ve skutečnosti je tak snadné vytvořit, že několik tradičních časopisů obsahovalo kompletní montážní pokyny s použitím domácích materiálů. V září 1955 se v časopisu Popular Science představil postupný plán na vybudování dmychadla s použitím turbínového designu Tesla vyrobeného z kartonu!

Jak přesně ale generuje řada disků rotační pohyb, který očekáváme od turbíny? To je otázka, kterou se budeme věnovat v následující sekci.

Copyright 2008

Možná se divíte, jak může energie kapaliny způsobit rotaci kovového disku. Nakonec, pokud je disk dokonale hladký a nemá žádné lopatky, lopatky nebo kbelíky, které by „zachytily“ tekutinu, logika naznačuje, že tekutina jednoduše proteče přes disk a ponechá disk nehybný. To samozřejmě není to, co se děje. Rotor turbíny Tesla se nejen točí, ale rychle se točí.

-Důvod, proč lze nalézt ve dvou základních vlastnostech všech tekutin: adheze a viskozita. Adheze je tendence odlišných molekul ulpívat společně díky přitažlivým silám. Viskozita je odolnost látky vůči proudění. Tyto dvě vlastnosti spolupracují v Teslově turbíně a přenášejí energii z tekutiny na rotor nebo naopak. Zde je návod:

  1. Jak se tekutina pohybuje kolem každého disku, adhezivní síly způsobí, že molekuly tekutiny těsně nad kovovým povrchem zpomalí a přilepí se.
  2. Molekuly těsně nad těmi na povrchu se zpomalí, když se srazí s molekulami, které se drží na povrchu.
  3. Tyto molekuly zase zpomalují tok těsně nad nimi.
  4. Čím dále se člověk pohybuje od povrchu, tím méně kolizí je ovlivněno povrchem objektu.
  5. Současně viskózní síly způsobují, že molekuly tekutiny odolávají separaci.
  6. To vytváří tažnou sílu, která je přenášena na disk, což způsobuje, že se disk pohybuje ve směru tekutiny.

Tenká vrstva tekutiny, která tímto způsobem interaguje s povrchem disku, se nazývá mezní vrstva, a interakce tekutiny s pevným povrchem se nazývá efekt mezní vrstvy. V důsledku tohoto účinku hnací kapalina sleduje rychle zrychlenou spirálovou cestu podél čelních ploch disku, dokud nedosáhne vhodného výstupu. Protože se tekutina pohybuje přirozenými cestami s nejmenším odporem, bez omezení a rušivých sil způsobených lopatkami nebo lopatkami, dochází k postupným změnám rychlosti a směru. To znamená, že do turbíny je dodáno více energie. Opravdu, Tesla tvrdil, že účinnost turbíny je 95 procent, mnohem vyšší než jiné turbíny té doby.

Jak ale uvidíme v další části, teoretická účinnost turbíny Tesla nebyla ve výrobních modelech tak snadno realizována.

Hraniční vrstva: Je to skutečný tah

Efekt mezní vrstvy také vysvětluje, jak je vytvářen odpor na křídle letadla. Vzduch pohybující se po křídle se chová jako tekutina, což znamená, že molekuly vzduchu mají jak adhezivní, tak viskózní síly. Když se vzduch přilne k povrchu křídla, vytváří sílu, která odolává dopřednému pohybu letadla.

Nikola Tesla Mansell / Time Life Pictures / Getty Images

Tesla, stejně jako mnoho současných vědců a průmyslníků, věřil, že jeho nová turbína je revoluční na základě řady atributů. Výroba byla malá a snadno vyrobitelná. Měl pouze jednu pohyblivou část. A bylo to reverzibilní.

Aby demonstroval tyto výhody, Tesla nechal postavit několik strojů. Juilus C. Czito, syn Teslova dlouholetého strojníka, postavil několik verzí. První, postavený v roce 1906, měl osm disků, každý o průměru 6 palců (15,2 centimetrů). Stroj vážil méně než 10 liber (4,5 kg) a vyvinul 30 koňských sil. Také odhalil nedostatek, který by ztěžoval pokračující vývoj stroje. Rotor dosáhl tak vysokých rychlostí - 35 000 otáček za minutu (rpm) - že se kovové disky značně protáhly, což brzdilo účinnost.

V roce 1910 postavili Czito a Tesla větší model s disky o průměru 30 palců (30,5 centimetrů). Otáčel se rychlostí 10 000 ot / min a vyvinul 100 koňských sil. Poté, v roce 1911, postavil pár model s disky o průměru 9,75 palce (24,8 centimetrů). Tím se snížila rychlost na 9 000 ot / min, ale zvýšil se výkon na 110 koňských sil.

Na základě těchto úspěchů v malém měřítku postavil Tesla větší dvojitou jednotku, kterou plánoval otestovat parou v hlavní budově společnosti New York Edison Company. Každá turbína měla kotouče nesoucí rotor o průměru 18 palců (45,7 centimetrů). Obě turbíny byly umístěny v řadě na jedné základně. Během testu byla Tesla schopna dosáhnout 9 000 ot / min a generovat 200 koňských sil. Někteří technici přítomní při testu, loajální vůči Edisonovi, však tvrdili, že turbína byla porucha založená na nedorozumění, jak měřit točivý moment v novém stroji. Tento špatný tisk v kombinaci se skutečností, že hlavní elektrické společnosti již investovaly velké prostředky do lopatkových turbín, ztěžovaly Teslu přilákání investorů.

V Teslově posledním pokusu o komercializaci svého vynálezu přesvědčil Allis-Chalmers Manufacturing Company v Milwaukee, aby postavil tři turbíny. Dva měly 20 disků o průměru 18 palců a vyvinuly rychlosti 12 000 a 10 000 ot / min. Třetí měl 15 disků o průměru 60 palců (1,5 metru) v průměru a byl navržen tak, aby pracoval při 3 600 ot / min, což generovalo 675 koňských sil. Během testů se inženýři z Allis-Chalmers začali obávat jak mechanické účinnosti turbín, tak jejich schopnosti vydržet dlouhodobé používání. Zjistili, že disky se do značné míry zdeformovaly a dospěly k závěru, že turbína by nakonec selhala.

Ještě v sedmdesátých letech měli vědci potíže s replikací výsledků, které oznámila Tesla. Warren Rice, profesor inženýrství na Arizonské státní univerzitě, vytvořil verzi turbíny Tesla, která fungovala s účinností 41 procent. Někteří argumentovali, že Riceův model se odchýlil od Teslových přesných specifikací. Rice, odborník na dynamiku tekutin a Teslovu turbínu, však provedla literární rešerši výzkumu až v 90. letech a zjistila, že žádná moderní verze Teslovy vynálezy nepřekročila účinnost 30 až 40 procent..

To více než cokoli jiného zabránilo tomu, aby se Teslaova turbína stala více používanou.

Jako Úřad pro námořní výzkum ve Washingtonu, DC, jasně uvedl: „Parsonova turbína byla již dlouhou dobu a celá průmyslová odvětví byla postavena kolem ní a podporovala ji. Pokud turbína Tesla není řádem nadřazeného řádu, pak by to bylo vylévejte peníze po díře krysy, protože průmysl nebude tak snadno převrácen… “[zdroj: Cheney].

Kam tedy dnes opouští Teslovu turbínu? Jak uvidíme v další části, inženýři a automobiloví konstruktéři se opět zaměřují na tuto 100letou technologii.

-

Tesla byl vždy vizionář. Neviděl svou bezlistou turbínu jako cíl sám o sobě, ale jako prostředek k dosažení cíle. Jeho konečným cílem bylo nahradit pístový spalovací motor mnohem účinnějším a spolehlivějším motorem založeným na jeho technologii. Nejúčinnější pístové spalovací motory nedosáhly vyšší účinnosti než 27 až 28 procent při přeměně paliva na práci. I při míře účinnosti 40 procent viděl Tesla svou turbínu jako zlepšení. Dokonce na papíře navrhl turbínový motorový vůz, který by prohlásil, že by byl tak účinný, aby mohl projet USA po jediné nádrži benzínu..

Tesla nikdy neviděl vyrobené auto, ale dnes by mohl být potěšen, že jeho revoluční turbína je konečně začleněna do nové generace čistších a efektivnějších vozidel. Jednou společností, která dosahuje vážného pokroku, je společnost Phoenix Navigation and Guidance Inc. (PNGinc) se sídlem v Munising v Michiganu. Společnost PNGinc má v motoru kombinovanou technologii diskové turbíny s pulzním detonačním spalovačem. Společnost uvádí, že přináší bezprecedentní účinnost. Existuje 29 aktivních disků, každý o průměru 10 palců (25,4 centimetrů), vložených mezi dva zúžené koncové disky. Motor generuje 18 000 ot / min a 130 koní. K překonání extrémních odstředivých sil, které jsou vlastní turbíně, používá PNGinc celou řadu pokročilých materiálů, jako jsou uhlíkové vlákno, titanem impregnovaný plast a disky Kevlar..

Je zřejmé, že tyto pevnější a odolnější materiály jsou rozhodující, pokud se Teslaova turbína bude těšit z jakéhokoli komerčního úspěchu. Kdyby byly materiály jako Kevlar dostupné v Teslově životě, je docela pravděpodobné, že by turbína viděla větší využití. Ale jak se často stalo s prací vynálezce, Teslova turbína byla strojem daleko před svou dobou.

Pro více informací o Tesle, elektřině a souvisejících tématech přejděte jako blesk na další stránku.

Elektrické auto Nikola Tesly

Ačkoli Tesla nikdy testoval jeho turbínu v autě, on dělal, podle některých účtů, vyvinout elektrický vůz v 1931. Auto bylo Pierce-Arrow, který byl konfigurován s 80-koňská síla, 1800-rpm elektrický motor místo toho plynový motor. Podle příběhu sestavil Tesla tajemnou černou skříňku obsahující vakuové trubice, dráty a odpory. Dva pruty vyčnívaly z krabice. Když byly pruty zatlačeny do krabice, auto dostalo energii. Tesla řídil auto po celý týden - až do rychlosti 90 mil za hodinu (145 kilometrů za hodinu). Mnozí bohužel věřili, že se napojil na neznámou a nebezpečnou přírodní sílu. Jiní ho nazývali bláznivým. V zuřivosti vytáhl krabici z auta, vzal ji zpět do své laboratoře a už to nikdy nebylo vidět. Dodnes zůstávají základní pracovní principy Teslova elektrického vozu záhadou.

Související články

  • Jak Nikola Tesla změnil způsob, jakým využíváme energii?
  • Kvízový roh: Kvíz motoru
  • Jak fungují parní motory
  • Jak fungují automobilové motory
  • Jak fungují motory s plynovou turbínou
  • Jak rotační motory fungují
  • Jak fungují motory Stirling
  • Průmyslová revoluce

Další skvělé odkazy

  • Tesla: Master of Lightning na PBS
  • Webové stránky muzea Nikola Tesly
  • Nadace Tesla v Severní Americe
  • Asociace výrobců motorů Tesla
  • Diskové turbíny / čerpadla, patenty a odkazy

Prameny

  • Allan, Sterling D. "Tesla Turbína: Motor 21. století?" Pure Energy Systems News. 14. dubna 2007. http://pesn.com/Radio/Free_Energy_Now/shows/2007/04/14/9700225_KenReili_TeslaTurbine/
  • Cheney, Margaret. „Tesla: Muž mimo čas“ Simon & Schuster. New York. 1981.
  • Disková turbína / články o pumpách, patenty a odkazy http://www.rexresearch.com/teslatur/teslatur.htm
  • Encyklopedie Britannica 2005. "Tesla, Nikola." CD-ROM, 2005.
  • Gingery, Vincent R., Gingery, David J. "Stavba Tesla Turbine" David J. Gingery Publishing LLC. Missouri. 2004.
  • Germano, Franku. “Turbína disku Nikola Tesly” http://www.frank.germano.com/teslaturbine2.htm
  • Haite, Johne. "Chladný vědec: Teslova turbína." Saipan Tribune. 13. května 2005. http://www.saipantribune.com/newsstory.aspx?cat=9&newsID=47147
  • Energetické systémy pro laserové turbíny. http://www.laserturbinepower.com/index.php?option=com_content&task=view&id=3&Itemid=68
  • "Nikola Tesla je" Black Magic "Touring Car." EV World. http://www.evworld.com/article.cfm?storyid=1062
  • PBS. "Tesla: Mistr Blesku." http://www.pbs.org/tesla/
  • Phoenix Navigation and Guidance Inc. http://www.phoenixnavigation.com/turbines/index.htm
  • Svaz konstruktérů společnosti Tesla http://www.teslaengine.org/main.html
  • Dvacet knih prvního století http://www.tfcbooks.com/default.htm
  • World Book 2005. "Tesla, Nikola."



iqusizanag ([email protected])
25.10.22 18:24
http://slkjfdf.net/ - Odikuyan <a href="http://slkjfdf.net/">Ehoxenoiw</a> six.efxv.cs.pedeorelha.com.vbz.nf http://slkjfdf.net/
25.10.22 18:05
http://slkjfdf.net/ - Ahepipen <a href="http://slkjfdf.net/">Alasru</a> nbx.grub.cs.pedeorelha.com.hxe.sv http://slkjfdf.net/
25.10.22 15:10
http://slkjfdf.net/ - Uqahadako <a href="http://slkjfdf.net/">Ozefor</a> nmr.ljok.cs.pedeorelha.com.rih.cc http://slkjfdf.net/
ogecobibebena ([email protected])
25.10.22 08:26
http://slkjfdf.net/ - Gahurao <a href="http://slkjfdf.net/">Uheham</a> ccc.jpvv.cs.pedeorelha.com.jki.mu http://slkjfdf.net/
idijubaqoc ([email protected])
25.10.22 08:03
http://slkjfdf.net/ - Ekuloqaqh <a href="http://slkjfdf.net/">Adiobiyea</a> lrl.ltcc.cs.pedeorelha.com.cfg.vn http://slkjfdf.net/
Nejzajímavější články o tajemstvích a objevech. Spousta užitečných informací o všem
Články o vědě, prostoru, technologii, zdraví, životním prostředí, kultuře a historii. Vysvětlete tisíce témat, abyste věděli, jak všechno funguje