La turbina Tesla es una turbina de flujo centrípeto sin aspas patentada por Nikola Tesla en 1913. [1] Se la conoce como turbina sin aspas . La turbina de Tesla también se conoce como la turbina de la capa límite , de tipo cohesión turbina , y la turbina de Prandtl-capa (después de Ludwig Prandtl ), ya que utiliza el efecto de capa límite y no un incidente de fluido sobre las cuchillas como en una turbina convencional. Los investigadores de bioingeniería se han referido a ella como una bomba centrífuga de discos múltiples . [2] [3]Uno de los deseos de Tesla para la implementación de esta turbina era la energía geotérmica , que se describió en Our Future Motive Power . [4]
Descripción
La idea rectora para el desarrollo de la turbina Tesla es el hecho de que, para lograr la mayor eficiencia, los cambios en la velocidad y la dirección del movimiento del fluido deben ser lo más graduales posible. [1] Por lo tanto, el fluido propulsor de la turbina Tesla se mueve en trayectorias naturales o líneas de corriente de menor resistencia.
Una turbina Tesla consta de un conjunto de discos lisos, con boquillas que aplican un fluido en movimiento al borde del disco. El fluido arrastra el disco por medio de la viscosidad y la adherencia de la capa superficial del fluido. A medida que el fluido se ralentiza y agrega energía a los discos, gira en espiral hacia el escape central. Dado que el rotor no tiene proyecciones, es muy resistente.
Tesla escribió: "Esta turbina es un motor primario de arranque automático eficiente que puede operarse como turbina de vapor o de fluidos mixtos a voluntad, sin cambios en la construcción y, por lo tanto, es muy conveniente. Desviaciones menores de la turbina, según se pueda dictar. por las circunstancias de cada caso, obviamente se sugerirán, pero si se lleva a cabo en estas líneas generales resultará altamente rentable para los propietarios de la planta de vapor al tiempo que permite el uso de su antigua instalación. Sin embargo, los mejores resultados económicos en el desarrollo de energía a partir del vapor mediante la turbina Tesla se obtendrá en plantas especialmente adaptadas para este propósito ". [5]
Bomba
El dispositivo puede funcionar como una bomba si se utiliza un conjunto similar de discos y una carcasa con forma evolvente (en lugar de circular para la turbina). En esta configuración, un motor está unido al eje. El fluido entra cerca del centro, recibe energía de los discos y luego sale por la periferia. La turbina Tesla no utiliza la fricción en el sentido convencional; precisamente, lo evita y en su lugar utiliza la adherencia (el efecto Coanda ) y la viscosidad . Utiliza el efecto de capa límite en las hojas del disco.
Originalmente se propusieron discos de rotor lisos, pero estos dieron un par de arranque deficiente. Posteriormente, Tesla descubrió que los discos de rotor lisos con arandelas pequeñas que unían los discos en ~ 12-24 lugares alrededor del perímetro de un disco de 10 ″ y un segundo anillo de 6-12 arandelas en un subdiámetro hicieron una mejora significativa en el par de arranque sin comprometer la eficiencia.
Aplicaciones
Las patentes de Tesla establecen que el dispositivo fue diseñado para el uso de fluidos como agentes motrices, a diferencia de la aplicación del mismo para la propulsión o compresión de fluidos (aunque el dispositivo también se puede utilizar para esos fines). A partir de 2016, la turbina Tesla no ha tenido un uso comercial generalizado desde su invención. Sin embargo, la bomba Tesla ha estado disponible comercialmente desde 1982 [6] y se usa para bombear fluidos que son abrasivos, viscosos, sensibles al cizallamiento, contienen sólidos o son difíciles de manejar con otras bombas. El propio Tesla no adquirió un gran contrato de producción. El principal inconveniente en su época, como se mencionó, fue el escaso conocimiento de las características y comportamientos de los materiales a altas temperaturas . La mejor metalurgia del momento no pudo evitar que los discos de la turbina se movieran y se deformaran de manera inaceptable durante el funcionamiento.
Hoy en día, se han realizado muchos experimentos de aficionados en el campo utilizando turbinas Tesla que utilizan aire comprimido o vapor como fuente de energía (el vapor se genera con el calor de la combustión de combustible o de la radiación solar ). El problema del alabeo de los discos se ha resuelto parcialmente utilizando nuevos materiales como la fibra de carbono.
Una aplicación actual propuesta para el dispositivo es una bomba de residuos , en fábricas y molinos donde las bombas de turbina normales de tipo paleta normalmente se bloquean.
Las aplicaciones de la turbina Tesla como bomba de sangre centrífuga de discos múltiples han arrojado resultados prometedores debido a la baja fuerza de corte máxima. [7] La investigación en
ingeniería biomédica sobre tales aplicaciones ha continuado en el siglo XXI. [8]
Eficiencia y cálculos
En la época de Tesla, la eficiencia de las turbinas convencionales era baja porque las turbinas usaban un sistema de transmisión directa que limitaba severamente la velocidad potencial de una turbina a lo que fuera que condujera. En el momento de su introducción, las turbinas de barcos modernas eran enormes e incluían docenas, o incluso cientos de etapas de turbinas, pero producían una eficiencia extremadamente baja debido a su baja velocidad. Por ejemplo, la turbina del Titanic pesaba más de 400 toneladas, funcionaba a solo 165 rpm y usaba vapor a una presión de solo 6 PSI. Esto lo limitó a recolectar el vapor residual de las principales plantas de energía, un par de máquinas de vapor recíprocas. [9] La turbina Tesla también tenía la capacidad de funcionar con gases de mayor temperatura que las turbinas de palas de la época que contribuían a su mayor eficiencia. Finalmente, a las turbinas axiales se les dio un engranaje para permitirles operar a velocidades más altas, pero la eficiencia de las turbinas axiales se mantuvo muy baja en comparación con la Turbina Tesla.
Con el paso del tiempo, las turbinas axiales de la competencia se volvieron dramáticamente más eficientes y poderosas, se introdujo una segunda etapa de engranajes de reducción en la mayoría de los buques de guerra estadounidenses de vanguardia de la década de 1930. La mejora en la tecnología de vapor dio a los portaaviones de la Armada de los EE. UU. Una clara ventaja en velocidad sobre los portaaviones aliados y enemigos, por lo que las probadas turbinas de vapor axiales se convirtieron en la forma preferida de propulsión hasta que tuvo lugar el embargo de petróleo de 1973. La crisis del petróleo llevó a la mayoría de los nuevos buques civiles a recurrir a motores diésel. Las turbinas de vapor axiales todavía no habían superado el 50% de eficiencia en ese momento, por lo que los barcos civiles optaron por utilizar motores diesel debido a su eficiencia superior. [10] En ese momento, la turbina Tesla de eficiencia comparable tenía más de 60 años.
El diseño de Tesla intentó eludir los inconvenientes clave de las turbinas axiales de palas, e incluso las estimaciones más bajas de eficiencia superaron drásticamente la eficiencia de las turbinas de vapor axiales de la época. Sin embargo, en las pruebas con motores más modernos, la Turbina Tesla tuvo eficiencias de expansión muy por debajo de las turbinas de vapor contemporáneas y muy por debajo de las máquinas de vapor recíprocas contemporáneas. Sufre otros problemas, como pérdidas por cizallamiento y restricciones de flujo, pero esto se compensa parcialmente con la reducción relativamente masiva de peso y volumen. Algunas de las ventajas de las turbinas Tesla se encuentran en aplicaciones de caudal relativamente bajo o cuando se requieren aplicaciones pequeñas. Los discos deben ser lo más delgados posible en los bordes para no introducir turbulencias cuando el fluido abandona los discos. Esto se traduce en la necesidad de aumentar el número de discos a medida que aumenta el caudal. La máxima eficiencia viene en este sistema cuando el espaciado entre discos se aproxima al grosor de la capa límite, y dado que el grosor de la capa límite depende de la viscosidad y la presión, la afirmación de que un solo diseño puede usarse de manera eficiente para una variedad de combustibles y fluidos es incorrecto. Una turbina Tesla se diferencia de una turbina convencional solo en el mecanismo utilizado para transferir energía al eje. Varios análisis demuestran que el caudal entre los discos debe mantenerse relativamente bajo para mantener la eficiencia. Según se informa, la eficiencia de la turbina Tesla disminuye con el aumento de carga. Bajo carga ligera, la espiral que toma el fluido que se mueve desde la entrada al escape es una espiral apretada, que experimenta muchas rotaciones. Bajo carga, el número de rotaciones disminuye y la espiral se acorta progresivamente. [ cita requerida ] Esto aumentará las pérdidas por cizallamiento y también reducirá la eficiencia porque el gas está en contacto con los discos por menos distancia.
La eficiencia es una función de la potencia de salida. Una carga moderada proporciona una alta eficiencia. Una carga demasiado pesada aumenta el deslizamiento en la turbina y reduce la eficiencia; con una carga demasiado liviana, se entrega poca potencia a la salida, lo que también disminuye la eficiencia (a cero en inactivo). Este comportamiento no es exclusivo de las turbinas Tesla.
Se estima que la eficiencia de la turbina de gas Tesla es superior a 60, alcanzando un máximo del 95 por ciento [ cita requerida ] . Tenga en cuenta que la eficiencia de la turbina es diferente de la eficiencia del ciclo del motor que usa la turbina. Las turbinas axiales que funcionan hoy en día en plantas de vapor o motores a reacción tienen eficiencias superiores al 90%. [11] Esto es diferente de las eficiencias de ciclo de la planta o motor, que están entre aproximadamente el 25% y el 42%, y están limitadas por cualquier irreversibilidad a estar por debajo de la eficiencia del ciclo de Carnot . Tesla afirmó que una versión de vapor de su dispositivo alcanzaría alrededor del 95 por ciento de eficiencia. [12] [13] Las pruebas reales de una turbina de vapor Tesla en la fábrica de Westinghouse mostraron una tasa de vapor de 38 libras por caballo de fuerza-hora , lo que corresponde a una eficiencia de la turbina en el rango del 90%, mientras que las turbinas de vapor contemporáneas a menudo pueden lograr eficiencias de turbina. de más del 50%. La eficiencia termodinámica es una medida de qué tan bien se desempeña en comparación con un caso isentrópico . Es la relación entre la entrada / salida de trabajo ideal y la real. La eficiencia de la turbina se define como la relación entre el cambio ideal de entalpía y la entalpía real para el mismo cambio de presión .
En la década de 1950, Warren Rice intentó recrear los experimentos de Tesla, pero no realizó estas primeras pruebas en una bomba construida estrictamente en línea con el diseño patentado de Tesla (entre otras cosas, no era una turbina de múltiples etapas de Tesla ni tampoco lo hizo). posee la boquilla de Tesla). [14] El fluido de trabajo del sistema experimental de una sola etapa de Rice era aire. Las turbinas de prueba de Rice, como se publicaron en los primeros informes, produjeron una eficiencia global medida de 36 a 41% para una sola etapa . [14] Se esperaría una mayor eficiencia si se diseñara como lo propuso originalmente Tesla.
En su trabajo final con la turbina Tesla y publicado justo antes de su retiro, Rice realizó un análisis de parámetros masivos del flujo laminar modelo en turbinas de múltiples discos . En 1991 se publicó una afirmación muy alta sobre la eficiencia del rotor (en contraposición a la eficiencia general del dispositivo) para este diseño, titulada "Turbomaquinaria Tesla". [15] Este documento afirma:
Con el uso adecuado de los resultados analíticos, la eficiencia del rotor usando flujo laminar puede ser muy alta, incluso por encima del 95%. Sin embargo, para lograr una alta eficiencia del rotor, el número de caudal debe hacerse pequeño, lo que significa que se logra una alta eficiencia del rotor a expensas de usar un gran número de discos y, por lo tanto, un rotor físicamente más grande. Para cada valor del número de caudal hay un valor óptimo del número de Reynolds para una máxima eficiencia. Con los fluidos comunes, el espacio de disco requerido es lamentablemente pequeño, lo que hace que los [rotores que usan] flujo laminar tiendan a ser grandes y pesados para una tasa de flujo de paso prescrita. Se han realizado extensas investigaciones sobre bombas de líquido tipo Tesla que utilizan rotores de flujo laminar. Se encontró que la eficiencia general de la bomba era baja incluso cuando la eficiencia del rotor era alta debido a las pérdidas que se producían en la entrada y salida del rotor mencionadas anteriormente. [16] : 4
Las turbinas modernas de palas de múltiples etapas alcanzan típicamente una eficiencia del 60 al 70%, mientras que las grandes turbinas de vapor a menudo muestran una eficiencia de turbina de más del 90% en la práctica. También se esperaría que el rotor de voluta emparejado con máquinas de tipo Tesla de tamaño razonable con fluidos comunes (vapor, gas y agua) muestren eficiencias cercanas al 60-70% y posiblemente más altas. [dieciséis]
Un modelo termodinámico simple para la turbina Tesla
En la bomba, la presión radial o estática, debido a la fuerza centrífuga, se suma a la tangencial o dinámica (presión), aumentando así la altura efectiva y ayudando en la expulsión del fluido. En el motor, por el contrario, la primera presión nombrada, al ser opuesta a la del suministro, reduce la altura efectiva y la velocidad del flujo radial hacia el centro. Una vez más, la máquina propulsada siempre es deseable un gran par, lo que requiere un mayor número de discos y una menor distancia de separación, mientras que en la máquina propulsora, por numerosas razones económicas, el esfuerzo de rotación debe ser el más pequeño y la velocidad la mayor practicable. .
- Tesla [17]
Investiguemos ahora la Turbina Tesla (TT) y, en breve, técnicamente, todas las Turbinas de Vapor Blade (BST) primero, con respecto a la 3 Ley del Movimiento de Newton (N3LM).
En BST estándar, el vapor tiene que presionar las palas para que el rotor extraiga energía de la velocidad del vapor, debido a la diferencia entre la velocidad relativa del vapor y las palas. En BST las palas deben estar cuidadosamente orientadas, en el régimen óptimo de trabajo de la turbina, de manera que se minimice el ángulo de ataque del vapor a la superficie de la pala. En sus palabras, en el régimen óptimo la orientación de las palas está tratando de minimizar el ángulo con el que el vapor golpea su superficie, para crear un flujo de vapor suave, sin los llamados "remolinos" y para tratar de minimizar las turbulencias. . Exactamente estos remolinos se crean de acuerdo con el N3LM, o en reacción al impacto del vapor (aunque el ángulo minimizado en la velocidad óptima de la turbina) la superficie de las palas. En esta dinámica, primero los remolinos son pérdida de la energía útil que se puede extraer del sistema y segundo, al estar en dirección opuesta, restan de la energía de la corriente de vapor entrante.
En TT, considerando que no hay palas a impactar cuál es el mecanismo de esta energía de reacción para materializarse. La fuerza de reacción, a la presión del cabezal de vapor, en realidad se acumula, relativamente rápido, como una “correa” de presión de vapor a lo largo de la periferia de la turbina. Esa correa es más densa, presurizada, en la periferia, ya que su presión, cuando el rotor no está bajo carga, será no mucho menor que la presión del vapor (entrante). En un modo operativo normal, esa presión periférica, como señaló Tesla, juega un papel de BEMF (Back Electro Motive Force), limitando el flujo de la corriente entrante, y de esta manera se puede decir que el TT se autorregula. Cuando el rotor no está bajo carga, las velocidades relativas entre las "espirales comprimidas de vapor" (SCS, el vapor que gira en espiral entre los discos) y los discos es mínima.
Cuando se aplica una carga sobre el eje TT, la velocidad se ralentiza, es decir, la velocidad relativa de los discos al fluido (en movimiento) aumenta a medida que el fluido, al menos inicialmente, conserva su propio impulso. Por ejemplo, podemos tomar un radio de 10 cm (3,9 pulgadas) donde a 9000 RPM las velocidades del disco periférico son 90 m / s (300 pies / s), cuando no hay carga en el rotor, los discos se mueven aproximadamente a la misma velocidad. velocidad con el fluido, pero cuando el rotor está cargado, la diferencia de velocidad relativa (entre el SCS y los discos metálicos) aumenta y la velocidad del rotor de 45 m / s (150 pies / s) tiene una velocidad relativa de 45 m / s respecto al SCS. Este es un entorno dinámico y estas velocidades alcanzan estos valores con el tiempo delta y no instantáneamente. Aquí debemos tener en cuenta que los fluidos comienzan a comportarse como cuerpos sólidos a altas velocidades relativas, y en el caso de TT, también debemos tener en cuenta la presión adicional. Según la literatura antigua sobre calderas de vapor, se dice que el vapor a alta velocidad, resultante de una fuente de alta presión, corta el acero como un "cuchillo corta la mantequilla". [ cita requerida ] De acuerdo con la lógica, esta presión y velocidad relativa hacia las caras de los discos, el vapor debería comenzar a comportarse como un cuerpo sólido (SCS) que se arrastra sobre las superficies metálicas del disco. La "fricción" creada solo puede conducir a la generación de un calor adicional directamente en el disco y en SCS, y será más pronunciada en la capa periférica, donde la velocidad relativa entre los discos de metal y los discos de SCS es la más alta. Este aumento de temperatura, debido a la fricción entre los discos SCS y los discos de la turbina, se traducirá en un aumento de la temperatura del SCS, y eso conducirá a la expansión del vapor del SCS y al aumento de presión perpendicular a los discos metálicos así como radialmente en el eje de rotación (SCS tratando de expandirse, para absorber energía térmica adicional), por lo que este modelo de dinámica de fluidos parece ser una retroalimentación positiva para transmitir un "arrastre" más fuerte en los discos metálicos y, en consecuencia, aumentar el par en el eje de rotación.
Esta dinámica parece ser un derivado de lo que comentó Tesla, y aunque él no la menciona, es un siguiente paso lógico para explicar, de una manera bastante simplista, la termodinámica en el sistema.
Ver también
- Lista de patentes de Tesla
- Turbina radial
- bobina de Tesla
Referencias
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- ^ Miller, GE; Sidhu, A; Fink, R .; Etter, BD (1993). "Julio). Evaluación de una bomba centrífuga de discos múltiples como ventrículo artificial". Órganos artificiales . 17 (7): 590–592. doi : 10.1111 / j.1525-1594.1993.tb00599.x . PMID 8338431 .
- ^ Miller, GE; Fink, R. (1999). "Junio). Análisis de configuraciones de diseño óptimas para una bomba de sangre centrífuga de discos múltiples". Órganos artificiales . 23 (6): 559–565. doi : 10.1046 / j.1525-1594.1999.06403.x . PMID 10392285 .
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- ^ Tecnología de bomba de disco Discflo Archivado el 14 de febrero de 2009 en Wayback Machine.
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- ↑ Titanic: Construyendo el barco más famoso del mundo por Anton Gill, P121
- ^ El diseño de turbinas y turbinas de gas de alta eficiencia, David Gordon Wilson, P.15
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- ^ a b " Desenmascarando al detractor, Don Lancaster vuelve a poner su pie ", Asociación de constructores de motores Tesla.
- ^ Preguntas y respuestas sobre " Datos interesantes sobre Tesla ": He escuchado historias sobre la turbina Tesla que citan una cifra de 95% de eficiencia. ¿Tiene alguna información sobre este reclamo? Y, ¿por qué no se han utilizado estos dispositivos en la corriente principal? . Libros del siglo XXI.
- ^ a b Rice, Warren, " Tesla Turbomaquinaria ". Actas de la conferencia del IV Simposio Internacional de Tesla, 22 al 25 de septiembre de 1991. Academia de Ciencias y Artes de Serbia, Belgrado, Yugoslavia. ( PDF )
- ^ Patente TESLA 1.061.206 Turbina
Libros y publicaciones
- Tesla, Nikola, "Dr. Tesla habla de turbinas de gas" . Motor World. 18 de septiembre de 1911.
- Stockbridge, Frank Parker (marzo de 1912). "La turbina de Tesla: una máquina tan grande como un sombrero de Derby que genera 110 caballos de fuerza" . El trabajo del mundo: una historia de nuestro tiempo . XXIII : 543–548 . Consultado el 10 de julio de 2009 .
Patentes
Tesla
- Turbina US1061206 : mejoras nuevas y útiles en turbinas y motores rotativos
- US1329559 Conducto valvular : incluye la turbina de gas Tesla
- GB186082 Mejoras en la construcción de turbinas de vapor y gas - Forma de rotor
- GB186083 Transformación económica de la energía del vapor mediante turbinas - Sistema de turbina Tesla
Otro
- Patente de Estados Unidos 6.726.442 , Entrada de turbina de disco para ayudar al autoarranque ,Letourneau (11 de febrero de 2002)
- Patente de Estados Unidos 6.682.077 , Sello de laberinto para turbina de disco , Letourneau (13 de febrero de 2002)
- Patente de Estados Unidos 6.692.232 , Conjunto de rotor para turbina de disco , Letourneau (15 de marzo de 2002)
- Patente de Estados Unidos 6,973,792 , Método y aparato para un motor de capa límite de múltiples etapas y celda de proceso , Hicks (13 de diciembre de 2005)
Fotos
- " Turbina de Tesla ". PBS .
Capas límite
- Límites efecto de la capa de Comité Consultivo Nacional para la Aeronáutica , una división de la NASA
enlaces externos
Kits
- Asociación de Constructores de Motores Tesla , de Jeff Hayes en Milwaukee, WI
- Phoenix Turbine Builders Club , de Ken Rieli en Munising, MI
- Turbina modular experimental de metal y turbina Tesla híbrida , Glenn Turner en Gloucester, Inglaterra
- Kit de evaluación reconfigurable Tesla Turbine , de Paolo Rossi en Milán, Italia
- Kit de turbina Tesla , de Paul Flynn Dublín, Irlanda
Video
- YTEngineer, usuario de YouTube de la turbina Tesla de 80.000 RPM
- El ex ingeniero de Rockwell, Jeff Hayes, explica cómo funciona una turbina Tesla
- ¡Turbogenerador Tesla EN VIVO! Ken Rieli prueba su diseño.
- modelo pequeño de la turbina sin cuchillas de Tesla, usuario de YouTube PlasmaStar9
- Turbina de policarbonato y acero inoxidable de 9 "que funciona con aire a 80 psi y luego se conecta a un medidor de potencia
- Turbina de yeso impresa en una sola pieza con cojinetes incluidos
- Construya su propia turbina Tesla Una serie de 6 videos de construcción en YouTube.
Sitios de turbinas Tesla
- Lista de turbinas Tesla .
- Club de constructores de turbinas de Phoenix .
- Asociación de constructores de motores de Tesla (TEBA).
- Turbina Vanderbilt Tesla .
- Turbina de plástico , turbina de metal y turbina de Tesla híbrida de Gyroscope.com.
- Turbina Tesla , de la biblioteca del tío Taz.
- Kit de turbina Tesla, turbogenerador , de OBI Laser Products.
- Turbina Tesla : presenta el trabajo de Ken Rieli y otros ( FreeEnergyNews.com ).
- Construcción de una turbina Tesla con discos duros . (historia) y la página de instrucciones (cómo hacerlo).
- Rice, Warren, " " Tesla Turbomachinery ". Proc. IV Simposio Internacional Nikola Tesla, 23-25 de septiembre de 1991.
- Redmond, Stephen, " Construyendo una turbina de disco ".
- Germano, Frank D., " Turbina y bomba de disco limítrofe sin cuchillas de Tesla ". Turbina y Energía Internacional.
- Swithenbank, Alan, " La turbina de capa límite de Tesla ". 3 de septiembre de 2005.
- Peterson, Gary, Nikola Tesla's Disk Turbine Tomorrow's Gas Engine ". Feed Line No. 7, 21st Century Books .
- Ventiladores de exhalación : turbina Tesla utilizada como ventilador residencial de flujo suave.