Hur Tesla-turbinen fungerar

En pojke tittar på en radiostyrd båt i staden Smiljan, Kroatien, Nikola Teslas hemstad. I närheten finns en bladeless vattenhjulsturbin av Teslas design. Samma princip driver sin berömda turbinmotor. Hrvoje Polan / AFP / Getty Images

De flesta känner till Nikola Tesla, den excentriska och lysande mannen som anlände till New York 1884, som far till växelström, formen av el som levererar ström till nästan alla hem och företag. Men Tesla var en underbar uppfinnare som använde sitt geni på ett brett spektrum av praktiska problem. Allt som sagt berättade han om 272 patent i 25 länder, med 112 patent bara i USA. Du kanske tror att Tesla av allt detta arbete skulle ha hållit sina uppfinningar inom elektroteknik - de som beskrev ett komplett system med generatorer, transformatorer, transmissionsledningar, motor och belysning - som är hans hjärta kärast. Men 1913 fick Tesla ett patent för vad han beskrev som sin viktigaste uppfinning. Uppfinningen var en turbin, idag känd som Tesla-turbinen, gränsskiktsturbinen eller plattskivsturbinen.

Det är intressant att använda ordet "turbin" för att beskriva Teslas uppfinning verkar lite missvisande. Det beror på att de flesta tänker på en turbin som en axel med blad - som fläktblad - fästa vid den. I själva verket definierar Websters ordbok en turbin som en motor som vänds av kraft eller gas på fläktbladen. Men Tesla-turbinen har inga blad. Den har en serie tätt packade parallella skivor fästa vid en axel och anordnade i en tätad kammare. När en vätska får komma in i kammaren och passera mellan skivorna, vänder skivorna, som i sin tur roterar axeln. Denna roterande rörelse kan användas på olika sätt, från att driva pumpar, fläktar och kompressorer till löpande bilar och flygplan. Tesla hävdade faktiskt att turbinen var den mest effektiva och den mest enkla designade rotationsmotorn som någonsin har utformats.

Om detta är sant, varför har inte Tesla-turbinen haft mer omfattande användning? Varför har det inte blivit så allestädes närvarande som Teslas andra mästerverk, växelströmstransmission? Det här är viktiga frågor, men de är sekundära till mer grundläggande frågor, till exempel hur fungerar Tesla-turbinen och vad gör tekniken så innovativ? Vi kommer att besvara alla dessa frågor på de kommande sidorna. Men först måste vi se över några grunder om olika typer av motorer som utvecklats under åren. På nästa sida får vi en bättre bild av det specifika problemet som Tesla hoppades kunna lösa med sin nya uppfinning.

Innehåll

1. Tesla Turbine Engine
2. Delar av Tesla-turbinen
3. Tesla-turbindrift
4. Barriärer för Tesla-turbinkommercialisering
5. Framtiden för Tesla-turbinen

Vindkraftverk, som dessa i Palm Springs, Kalifornien, är exempel på att andra turbiner används för att generera el. Till skillnad från Teslas modell är det blad med turbiner. David McNew / Getty Images

Jobbet för varje motor är att konvertera energi från en bränslekälla till mekanisk energi. Oavsett om den naturliga källan är luft, rörligt vatten, kol eller petroleum, är den inmatade energin en vätska. Och med vätska menar vi något mycket specifikt - det är alla ämnen som flyter under en applicerad stress. Både gaser och vätskor är därför vätskor, som kan exemplifieras med vatten. När det gäller en ingenjör fungerar flytande vatten och gasformigt vatten eller ånga som en vätska.

I början av 1900-talet var två typer av motorer vanliga: blad med turbiner, drivna av antingen rörligt vatten eller ånga som genererats från uppvärmt vatten, och kolvmotorer, drivna av gaser producerade under förbränningen av bensin. Den förstnämnda är en typ av rotationsmotor, den senare en typ av fram- och återgående motor. Båda typerna av motorer var komplicerade maskiner som var svåra och tidskrävande att bygga.

Betrakta en kolv som ett exempel. En kolv är ett cylindriskt metallstycke som rör sig upp och ner, vanligtvis inuti en annan cylinder. Förutom själva kolvarna och cylindrarna inkluderar andra delar av motorn ventiler, kammar, lager, packningar och ringar. Var och en av dessa delar representerar en möjlighet till misslyckande. Och tillsammans lägger de till motorns vikt och ineffektivitet som helhet.

Bladturbiner hade färre rörliga delar, men de presenterade sina egna problem. De flesta var enorma maskiner med mycket smala toleranser. Om bladen inte är ordentligt byggd, kan bladen bryta eller spricka. I själva verket var det en observation gjord vid ett varv som inspirerade Tesla att föreställa sig något bättre: "Jag kom ihåg busklarna med trasiga blad som samlades ur turbinhöljen i det första turbinutrustade ångfartyget för att korsa havet och insåg vikten av denna [nya motor] "[källa: The New York City Herald Tribune].

Teslas nya motor var en bladeless turbin, som fortfarande skulle använda en vätska som fordonet för energi, men skulle vara mycket effektivare när det gäller att omvandla fluidenergin till rörelse. I motsats till vad man tror, ​​uppfann han inte den bladelessa turbinen, men han tog det grundläggande konceptet, som först patenterades i Europa 1832 och gjorde flera förbättringar. Han förfinade idén under nästan ett decennium och fick faktiskt tre patent relaterade till maskinen:

• Patentnummer 1 061 142, "Fluid Propulsion", inlämnad 21 oktober 1909, och patenterades den 6 maj 1913
• Patentnummer 1 061 206, "Turbine," inlämnad 17 januari 1911 och patenterade den 6 maj 1913
• Patentnummer 1 329 559, "Valvular Conduit", inlämnad 21 februari 1916, förnyat 18 juli 1919 och patenterat den 3 februari 1920

I det första patentet introducerade Tesla sin grundläggande bladeless design konfigurerad som pump eller kompressor. I det andra patentet ändrade Tesla grundkonstruktionen så att den skulle fungera som en turbin. Och slutligen, med det tredje patentet, gjorde han de ändringar som krävs för att driva turbinen som förbränningsmotor.

Maskinens grundläggande design är densamma oavsett konfiguration. I nästa avsnitt tittar vi närmare på den designen.

Copyright 2008

Jämfört med en kolv eller ångmotor är Tesla-turbinen enkelheten i sig. I själva verket beskrev Tesla det på detta sätt i en intervju som dök upp i New York Herald Tribune den 15 oktober 1911: "Allt man behöver är några skivor monterade på en axel, placerade på lite avstånd från varandra och höljes så att vätskan kan gå in vid en punkt och gå ut vid en annan. " Det är uppenbart att det är en överförenkling, men inte så mycket. Låt oss ta en titt på de två grundläggande delarna av turbinen - rotorn och statorn - mer i detalj.

Rotorn

I en traditionell turbin är rotorn en axel med knivar fästa. Tesla-turbinen tar bort bladen och använder istället en serie skivor. Storleken och antalet diskar kan variera beroende på faktorer relaterade till en viss applikation. Teslas patentpapper definierar inte ett specifikt nummer utan använder en mer allmän beskrivning och säger att rotorn bör innehålla ett "flertal" skivor med en "lämplig diameter." Som vi kommer att se senare experimenterade Tesla själv ganska mycket med storleken och antalet diskar.

Varje skiva är gjord med öppningar som omger axeln. Dessa öppningar fungerar som avgasöppningar genom vilka vätskan kommer ut. För att se till att vätskan kan passera fritt mellan skivorna används metallbrickor som avdelare. Återigen är en brickans tjocklek inte fast inställd, även om mellanrummen vanligtvis inte överstiger 2 till 3 millimeter.

En gängad mutter håller skivorna på plats på axeln, den sista delen av rotorenheten. Eftersom skivorna är anslutna till axeln överförs deras rotation till axeln.

Statoren

Rotoraggregatet är inrymt i en cylindrisk stator eller den stationära delen av turbinen. För att rymma rotorn måste diametern på cylinderns inre kammare vara något större än själva rotorskivorna. Varje ände av statorn innehåller ett lager för axeln. Statorn innehåller också ett eller två inlopp, i vilka munstycken sätts in. Teslas ursprungliga design krävde två inlopp, vilket gjorde det möjligt för turbinen att gå antingen medurs eller moturs.

Detta är den grundläggande designen. För att få turbinen att gå, kommer en högtrycksvätska in i munstyckena vid statorns inlopp. Vätskan passerar mellan rotorskivorna och får rotorn att snurra. Så småningom kommer vätskan ut genom avgasportarna i mitten av turbinen.

En av de fantastiska sakerna med Tesla-turbinen är dess enkelhet. Det kan byggas med lätt tillgängliga material, och avståndet mellan skivorna behöver inte kontrolleras exakt. Det är så enkelt att bygga faktiskt att flera vanliga tidskrifter har inkluderat kompletta monteringsinstruktioner med hushållsmaterial. Populära vetenskapen i september 1955 innehöll en steg-för-steg-plan för att bygga en fläkt med hjälp av en Tesla-turbinkonstruktion tillverkad av kartong!

Men exakt hur genererar en serie skivor den roterande rörelse vi förväntar oss av en turbin? Det är den fråga vi kommer att behandla i nästa avsnitt.

Copyright 2008

Du kanske undrar hur en vätska kan få en metallskiva att snurra. När allt kommer omkring, om en skiva är perfekt slät och inte har några blad, skovlar eller hinkar för att "fånga" vätskan, tyder logiken på att vätskan helt enkelt kommer att flyta över skivan och lämna disken rörlig. Detta är naturligtvis inte vad som händer. Inte bara roterar rotorn på en Tesla-turbin - den snurrar snabbt.

-Anledningen till att det finns två grundläggande egenskaper hos alla vätskor: vidhäftning och viskositet. Vidhäftning är olika molekylers tendens att klamra sig fast på grund av attraktiva krafter. Viskositet är ett ämnes motstånd mot flöde. Dessa två egenskaper fungerar tillsammans i Tesla-turbinen för att överföra energi från vätskan till rotorn eller vice versa. Här är hur:

1. När vätskan rör sig förbi varje skiva orsakar vidhäftningskrafter att fluidmolekylerna precis ovanför metallytan bromsar ner och fastnar.
2. Molekylerna precis ovanför de vid ytan bromsar ner när de kolliderar med molekylerna som fastnar på ytan.
3. Dessa molekyler bromsar i sin tur flödet precis ovanför dem.
4. Ju längre man rör sig bort från ytan, desto färre blir kollisionerna påverkade av objektytan.
5. Samtidigt orsakar viskösa krafter molekylerna i vätskan att motstå separering.
6. Detta genererar en dragkraft som överförs till skivan, vilket får skivan att röra sig i fluidens riktning.

Det tunna vätskeskiktet som interagerar med skivytan på detta sätt kallas gränsskikt, och vätskans interaktion med den fasta ytan kallas gränsskiktseffekt. Som ett resultat av denna effekt följer framdrivningsvätskan en snabbt accelererad spiralväg längs skivans ytor tills den når en lämplig utgång. Eftersom vätskan rör sig i naturliga vägar med minst motstånd, fri från begränsningar och störande krafter orsakade av skovlar eller blad, upplever den gradvisa förändringar i hastighet och riktning. Detta innebär att mer energi levereras till turbinen. Tesla hävdade faktiskt en turbineffektivitet på 95 procent, mycket högre än andra tidens turbiner.

Men som vi kommer att se i nästa avsnitt, har den teoretiska effektiviteten för Tesla-turbinen inte så lätt realiserats i produktionsmodeller.

The Boundary Layer: Det är ett riktigt drag

Gränslagereffekten förklarar också hur drag skapas på en flygvinge. Luft som rör sig över vingen fungerar som en vätska, vilket innebär att luftmolekyler har både vidhäftande och viskösa krafter. När luften fastnar på vingeytan producerar den en kraft som motstår flygets framåtrörelse.

Nikola Tesla Mansell / Time Life Pictures / Getty Images

Tesla liksom många samtida forskare och industrimän trodde att hans nya turbin var revolutionär baserad på ett antal attribut. Den var liten och lätt att tillverka. Det hade bara en rörlig del. Och det var vändbart.

För att visa dessa fördelar hade Tesla flera maskiner byggda. Juilus C. Czito, son till Teslas långvariga maskinist, byggde flera versioner. Den första, byggd 1906, innehöll åtta skivor, vardera sex tum (15,2 centimeter) i diameter. Maskinen vägde mindre än 10 kilo och utvecklade 30 hästkrafter. Det avslöjade också en brist som skulle göra den kontinuerliga utvecklingen av maskinen svår. Rotorn uppnådde så höga hastigheter - 35 000 varv per minut (varv / minut) - att metallskivorna sträckte sig avsevärt och hämmar effektiviteten.

År 1910 byggde Czito och Tesla en större modell med skivor med en diameter på 30 tum (30,5 centimeter). Den roterade med 10 000 varv per minut och utvecklade 100 hästkrafter. 1911 byggde paret en modell med skivor med en diameter på 9,75 tum (24,8 centimeter). Detta reducerade hastigheten till 9 000 varv per minut men ökade effekten till 110 hästkrafter.

Förstärkt av dessa framgångar i liten skala byggde Tesla en större dubbelenhet, som han planerade att testa med ånga i huvudkraften i New York Edison Company. Varje turbin hade en rotorbärande skivor med en diameter på 18 tum (45,7 centimeter). De två turbinerna placerades i en linje på en enda bas. Under testet kunde Tesla uppnå 9 000 varv per minut och generera 200 hästkrafter. Vissa ingenjörer som var närvarande vid testet, lojala mot Edison, hävdade dock att turbinen var ett fel baserat på en missförståelse av hur man mäter vridmoment i den nya maskinen. Den dåliga pressen, i kombination med det faktum att de stora elföretagen redan hade investerat stort i turbiner med blad, gjorde det svårt för Tesla att locka investerare.

I Teslas sista försök att kommersialisera sin uppfinning, övertalade han Allis-Chalmers Manufacturing Company i Milwaukee att bygga tre turbiner. Två hade 20 skivor med en diameter på 18 tum och utvecklade hastigheter på respektive 12.000 och 10.000 varv per minut. Den tredje hade 15 skivor med en diameter på 1,5 tum (1,5 meter) och var utformad för att arbeta med 3 600 varv per minut, vilket genererade 675 hästkrafter. Under testerna blev ingenjörer från Allis-Chalmers bekymrade över både turbinernas mekaniska effektivitet, liksom deras förmåga att uthärda långvarig användning. De fann att diskarna hade snedvriden i stor utsträckning och drog slutsatsen att turbinen så småningom skulle ha misslyckats.

Till och med så sent som på 1970-talet hade forskare svårt att replikera resultaten rapporterade av Tesla. Warren Rice, professor i teknik vid Arizona State University, skapade en version av Tesla-turbinen som fungerade med 41 procent effektivitet. Vissa hävdade att Rices modell avviker från Teslas exakta specifikationer. Men Rice, en expert på vätskedynamik och Tesla-turbinen, genomförde en litteraturöversikt av forskning så sent som på 1990-talet och fann att ingen modern version av Teslas uppfinning överskred 30 till 40 procent effektivitet.

Detta förhindrade mer än någonting att Tesla-turbinen blev mer utbredd.

Som Office of Naval Research i Washington, DC, sade tydligt: ​​"Parsons-turbinen har funnits länge med hela industrier byggda runt den och stödjer den. Om Tesla-turbinen inte är en överordnad storleksordning, skulle den vara att hälla pengar ner i råttahålet eftersom industrin inte kommer att vändas så lätt ... "[källa: Cheney].

Så var lämnar det Tesla-turbinen idag? Som vi kommer att se i nästa avsnitt, vänder ingenjörer och fordonsdesigner återigen uppmärksamheten på denna 100-åriga teknik.

-

Tesla var alltid en visionär. Han såg inte sin bladelessa turbin som ett själva mål, utan som ett medel för ett slut. Hans slutliga mål var att ersätta kolvförbränningsmotorn med en mycket effektivare och mer pålitlig motor baserad på hans teknik. De mest effektiva kolvförbränningsmotorerna uppnådde inte över 27 till 28 procent effektivitet när de konverterade bränsle till arbete. Även vid effektivitetsgrader på 40 procent såg Tesla sin turbin som en förbättring. Han designade till och med på papper en turbinmotorbil, som han hävdade skulle vara så effektiv att den kunde köra över USA på en enda tank bensin.

Tesla såg aldrig bilen tillverkad, men han kanske är glad idag för att se att hans revolutionerande turbin äntligen införlivas i en ny generation renare, effektivare fordon. Ett företag som gör allvarliga framsteg är Phoenix Navigation and Guidance Inc. (PNGinc), beläget i Munising, Michigan. PNGinc har kombinerat skivturbinteknologi med en pulsdetonationsförbränning i en motor som företaget säger ger enastående effektivitet. Det finns 29 aktiva skivor, vardera 10 tum (25,4 centimeter) i diameter, klamrade mellan två avsmalnande ändskivor. Motorn genererar 18 000 rpm och 130 hästkrafter. För att övervinna de extrema centrifugalkrafter som ingår i turbinen använder PNGinc en mängd olika avancerade material, såsom kolfiber, titanimpregnerad plast och Kevlar-förstärkta skivor.

Det är uppenbart att dessa starkare, mer hållbara material är avgörande om Tesla-turbinen kommer att få någon kommersiell framgång. Hade material som Kevlar funnits under Teslas livstid, är det mycket troligt att turbinen skulle ha sett större användning. Men som ofta var fallet med uppfinnarens arbete, Tesla-turbinen var en maskin långt före sin tid.

För mer information om Tesla, el och relaterade ämnen, flytta som blixt till nästa sida.

Nikola Teslas elbil

Även om Tesla aldrig testade sin turbin i en bil, utvecklade han, enligt vissa konton, en elbil 1931. Bilen var en Pierce-Arrow, som hade konfigurerats med en 80-hästkrafter, 1 800 rpm elektrisk motor istället för en gasdriven motor. Enligt berättelsen monterade Tesla en mystisk svart låda innehållande vakuumrör, ledningar och motstånd. Två stavar stickade ut ur lådan. När stavarna pressades in i lådan fick bilen kraft. Tesla körde bilen under en vecka - upp till hastigheter på 90 mil per timme (145 kilometer per timme). Tyvärr trodde många att han hade utnyttjat någon okänd och farlig naturkraft. Andra kallade honom galen. I raseri tog han bort lådan från bilen, tog den tillbaka till sitt labb och den sågs aldrig igen. Fram till idag förblir de grundläggande arbetsprinciperna för Teslas elbil ett mysterium.

Relaterade artiklar

• Hur förändrade Nikola Tesla hur vi använder energi?
• Quiz Corner: Engine Quiz
• Hur Steam-motorer fungerar
• Hur bilmotorer fungerar
• Hur gasturbinmotorer fungerar
• Hur rotationsmotorer fungerar
• Hur Stirling Motorer fungerar
• Den industriella revolutionen

Fler bra länkar

• Tesla: Master of Lightning på PBS
• Nikola Tesla-museets webbplats
• Tesla Foundation of North America
• Tesla Engine Builders Association
• Diskturbin / pumpartiklar, patent och länkar

källor

• Allan, Sterling D. "Tesla Turbine: Engine of the 21st Century?" Pure Energy Systems News. 14 april 2007. http://pesn.com/Radio/Free_Energy_Now/shows/2007/04/14/9700225_KenReili_TeslaTurbine/
• Cheney, Margaret. "Tesla: Man Out of Time" Simon & Schuster. New York. 1981.
• Diskturbin / pumpartiklar, patent och länkar http://www.rexresearch.com/teslatur/teslatur.htm
• Encyclopedia Britannica 2005. "Tesla, Nikola." CD-ROM, 2005.
• Gingery, Vincent R., Gingery, David J. "Building the Tesla Turbine" David J. Gingery Publishing LLC. Missouri. 2004.
• Germano, Frank. "Nikola Teslas diskturbin" http://www.frank.germano.com/teslaturbine2.htm
• Hait, John. "The Cool Scientist: Teslas turbin." Saipan Tribune. 13 maj 2005. http://www.saipantribune.com/newsstory.aspx?cat=9&newsID=47147
• Laserturbinsystem. http://www.laserturbinepower.com/index.php?option=com_content&task=view&id=3&Itemid=68
• "Nikola Teslas turneringsbil 'Black Magic'." EV World. http://www.evworld.com/article.cfm?storyid=1062
• PBS. "Tesla: Master of Lightning." http://www.pbs.org/tesla/
• Phoenix Navigation and Guidance Inc. http://www.phoenixnavigation.com/turbines/index.htm
• Tesla Engine Builders Association http://www.teslaengine.org/main.html
• Twenty First Century Books http://www.tfcbooks.com/default.htm
• Världsbok 2005. "Tesla, Nikola."