Sådan fungerer Tesla-turbinen

En dreng ser en radiostyret båd i byen Smiljan, Kroatien, Nikola Teslas hjemby. I nærheden ligger en bladeløs vandhjulsturbin af Teslas design. Det samme princip driver hans berømte turbinemotor. Hrvoje Polan / AFP / Getty Images

De fleste kender Nikola Tesla, den excentriske og strålende mand, der ankom til New York i 1884, som far til vekselstrøm, formen for elektricitet, der leverer strøm til næsten alle hjem og virksomheder. Men Tesla var en vidunderlig opfinder, der anvendte sit geni til en lang række praktiske problemer. Alt i alt indeholdt han 272 patenter i 25 lande med 112 patenter alene i USA. Du skulle måske tro, at Tesla af alt dette arbejde ville have haft sine opfindelser inden for elektroteknik - dem, der beskrev et komplet system med generatorer, transformatorer, transmissionsledninger, motor og belysning - hans kæreste. Men i 1913 modtog Tesla et patent på det, han beskrev som sin vigtigste opfindelse. Opfindelsen var en turbin, kendt i dag som Tesla-turbinen, grænselaget-turbinen eller fladskive-turbinen.

Det er interessant, at bruge ordet "turbine" til at beskrive Teslas opfindelse virker en smule vildledende. Det skyldes, at de fleste mennesker tænker på en turbin som en skaft med knive - som ventilatorblader - der er fastgjort til den. Faktisk definerer Websters ordbog en turbin som en motor, der drejes af gas- eller vandkraften på ventilatorbladene. Men Tesla-turbinen har ingen knive. Den har en række tæt pakket parallelle skiver fastgjort til en skaft og arrangeret i et forseglet kammer. Når en væske får lov til at komme ind i kammeret og passere mellem skiverne, drejes skiverne, som igen roterer skaftet. Denne roterende bevægelse kan bruges på forskellige måder, fra at pumpe, blæsere og kompressorer til kørende biler og fly. Faktisk hævdede Tesla, at turbinen var den mest effektive og den mest enkelt designede roterende motor nogensinde designet.

Hvis dette er sandt, hvorfor har Tesla-turbinen ikke haft mere udbredt brug? Hvorfor er det ikke blevet så allestedsnærværende som Teslas andet mesterværk, AC-kraftoverførsel? Dette er vigtige spørgsmål, men de er sekundære med mere grundlæggende spørgsmål, som hvordan fungerer Tesla-møllen, og hvad gør teknologien så innovativ? Vi besvarer alle disse spørgsmål på de næste par sider. Men først skal vi gennemgå nogle grundlæggende oplysninger om de forskellige typer motorer, der er udviklet gennem årene. På næste side får vi en bedre idé om det specifikke problem, som Tesla håbede på at løse med sin nye opfindelse.

Indhold

1. Tesla-turbinemotoren
2. Dele af Tesla-turbinen
3. Tesla-turbinedrift
4. Barrierer for kommercialisering af Tesla-turbiner
5. Fremtiden for Tesla-turbinen

Vindmøller, som disse i Palm Springs, Californien, er eksempler på, at andre møller bruges til at generere elektricitet. I modsætning til Teslas model er disse bladerede turbiner. David McNew / Getty Images

Enhver motors job er at konvertere energi fra en brændstofskilde til mekanisk energi. Uanset om den naturlige kilde er luft, bevægende vand, kul eller olie, er indgangsenergien en væske. Og med væske menes vi noget meget specifikt - det er ethvert stof, der flyder under en påført stress. Både gasser og væsker er derfor væsker, der kan eksemplificeres med vand. For så vidt angår en ingeniør, fungerer flydende vand og luftformigt vand eller damp som en væske.

I begyndelsen af ​​det 20. århundrede var der to typer motorer, der var almindelige: bladet turbiner, drevet af enten bevægende vand eller damp frembragt fra opvarmet vand, og stempelmotorer, drevet af gasser produceret under forbrænding af benzin. Den førstnævnte er en type roterende motor, den sidstnævnte en type frem- og tilbagegående motor. Begge typer motorer var komplicerede maskiner, der var vanskelige og tidskrævende at bygge.

Overvej et stempel som et eksempel. Et stempel er et cylindrisk stykke metal, der bevæger sig op og ned, normalt inde i en anden cylinder. Ud over selve stemplerne og cylindrene inkluderer andre dele af motoren ventiler, knaster, lejer, pakninger og ringe. Hver af disse dele repræsenterer en mulighed for fiasko. Og samlet øger de motorens vægt og ineffektivitet som helhed.

Bladede møller havde færre bevægelige dele, men de præsenterede deres egne problemer. De fleste var kæmpe maskiner med meget smalle tolerancer. Hvis kniven ikke er korrekt bygget, kan knivene knække eller revne. Faktisk var det en observation foretaget på et værft, der inspirerede Tesla til at forestille sig noget bedre: ”Jeg huskede busklerne af knækkede klinger, der var samlet ud af turbinkabinettet i det første turbineudstyrede dampskib til at krydse havet og indså vigtigheden af ​​denne [nye motor] "[kilde: New York City Herald Tribune].

Teslas nye motor var en bladeløs turbin, der stadig ville bruge en væske som køretøj for energi, men ville være meget mere effektiv til at konvertere væskenergien i bevægelse. I modsætning til hvad der var almindelig tro, opfandt han ikke den uklare turbin, men han tog det grundlæggende koncept, der først blev patenteret i Europa i 1832 og foretog flere forbedringer. Han forfinede idéen i løbet af næsten et årti og modtog faktisk tre patenter relateret til maskinen:

• Patentnummer 1.061.142, "Fluid Propulsion", indleveret 21. oktober 1909, og patenteret den 6. maj 1913
• Patentnummer 1.061.206, "Turbine," indleveret den 17. januar 1911 og patenteret den 6. maj 1913
• Patentnummer 1.329.559, "Valvular Conduit", indleveret 21. februar 1916, fornyet 18. juli 1919 og patenteret den 3. februar 1920

I det første patent introducerede Tesla sit grundlæggende bladeless design konfigureret som en pumpe eller kompressor. I det andet patent modificerede Tesla det grundlæggende design, så det ville fungere som en turbin. Og til sidst med det tredje patent foretog han de nødvendige ændringer for at betjene turbinen som en forbrændingsmotor.

Den grundlæggende konstruktion af maskinen er den samme, uanset dens konfiguration. I det næste afsnit ser vi nærmere på det design.

Copyright 2008

Sammenlignet med et stempel eller en dampmotor er Tesla-turbinen i sig selv enkelhed. Faktisk beskrev Tesla det på denne måde i et interview, der optrådte i New York Herald Tribune den 15. oktober 1911: "Alt, hvad man behøver, er nogle diske monteret på en skaft, placeret lidt afstand fra hinanden og indkapslet, så væsken kan gå ind på et tidspunkt og gå ud på et andet. " Dette er klart en forenkling, men ikke meget. Lad os se på de to grundlæggende dele af turbinen - rotoren og statoren - mere detaljeret.

Rotoren

I en traditionel turbin er rotoren en skaft med knive monteret. Tesla-turbinen fjerner knivene og bruger i stedet en række skiver. Størrelsen og antallet af diske kan variere baseret på faktorer, der er relateret til en bestemt applikation. Teslas patentpapir definerer ikke et specifikt nummer, men bruger en mere generel beskrivelse og siger, at rotoren skal indeholde en "flerhed" af diske med en "passende diameter." Som vi vil se senere, eksperimenterede Tesla selv temmelig med størrelsen og antallet af diske.

Hver disk er lavet med åbninger omkring skaftet. Disse åbninger fungerer som udstødningsporte, gennem hvilke væsken kommer ud. For at sikre, at væsken kan passere frit mellem skiverne, bruges metalskiver som opdelere. Igen er tykkelsen på en skive ikke fastgjort, selvom de mellemliggende rum typisk ikke overstiger 2 til 3 mm.

En gevindmøtrik holder skiverne på plads på akslen, det endelige stykke af rotorenheden. Da skiverne er fastgjort til skaftet, overføres deres rotation til skaftet.

Statoren

Rotorenheden er indkapslet i en cylindrisk stator eller den stationære del af turbinen. For at rumme rotoren skal diameteren på cylinderens indre kammer være lidt større end rotorskiverne selv. Hver ende af statoren indeholder et leje til skaftet. Statoren indeholder også et eller to indløb, i hvilke dyserne er indsat. Teslas originale design krævede to indgange, der gjorde det muligt for turbinen at køre med uret eller mod uret.

Dette er det grundlæggende design. For at få turbinen til at køre, kommer en højtryksvæske ind i dyserne ved statorindgangene. Væsken passerer mellem rotordiskene og får rotoren til at rotere. Til sidst kommer væsken ud gennem udstødningsportene i midten af ​​turbinen.

En af de store ting ved Tesla-turbinen er dens enkelhed. Det kan bygges med let tilgængelige materialer, og afstanden mellem diske behøver ikke at kontrolleres nøjagtigt. Det er så let at opbygge, at flere mainstream-magasiner har inkluderet komplette monteringsinstruktioner ved hjælp af husholdningsmaterialer. Udgivelsen af ​​Popular Science i september 1955 indeholdt en trinvis plan for at opbygge en blæser ved hjælp af et Tesla-mølledesign lavet af pap!

Men præcist hvordan genererer en række diske den roterende bevægelse, vi kommer til at forvente af en turbin? Det er det spørgsmål, vi vil dække i det næste afsnit.

Copyright 2008

Du spekulerer måske på, hvordan en væskes energi kan få en metalskive til at rotere. Når alt kommer til alt, hvis en disk er perfekt glat og ikke har nogen klinger, vinger eller spande til at "fange" væsken, antyder logik, at væsken blot vil flyde over disken, hvorved disken bliver bevægelig. Dette er naturligvis ikke, hvad der sker. Ikke kun rotoren på en Tesla-turbin roterer - den roterer hurtigt.

-Årsagen til, at der findes to grundlæggende egenskaber ved alle væsker: vedhæftning og viskositet. Adhæsion er forskellige molekylers tendens til at klæbe sammen på grund af attraktive kræfter. Viskositet er et stofs modstand mod strømning. Disse to egenskaber fungerer sammen i Tesla-turbinen for at overføre energi fra væsken til rotoren eller omvendt. Sådan gør du:

1. Når væsken bevæger sig forbi hver disk, får klæbekræfter de fluidmolekyler lige over metaloverfladen til at bremse og klæbe fast.
2. Molekylerne lige over dem på overfladen aftager, når de kolliderer med molekylerne klæber til overfladen.
3. Disse molekyler bremser igen strømmen lige over dem.
4. Jo længere man bevæger sig væk fra overfladen, jo færre er kollisionerne påvirket af genstandens overflade.
5. Samtidig får viskøse kræfter væskemolekylerne til at modstå adskillelse.
6. Dette genererer en trækkraft, der overføres til disken, hvilket får disken til at bevæge sig i fluidets retning.

Det tynde lag væske, der interagerer med diskoverfladen på denne måde kaldes afgrænsningslag, og vekselvirkningen af ​​væsken med den faste overflade kaldes grænselagseffekt. Som et resultat af denne virkning følger drivvæsken en hurtig accelereret spiralbane langs skivefladerne, indtil den når en passende udgang. Da væsken bevæger sig i naturlige veje med mindst modstand, fri for begrænsninger og forstyrrende kræfter forårsaget af vinger eller klinger, oplever den gradvise ændringer i hastighed og retning. Dette betyder, at der leveres mere energi til turbinen. Faktisk hævdede Tesla en turbineffektivitet på 95 procent, langt højere end andre tiders møller.

Men som vi ser i det næste afsnit, er Tesla-møllens teoretiske effektivitet ikke så let realiseret i produktionsmodeller.

The Boundary Layer: Det er et rigtigt træk

Afgrænsningseffekten forklarer også, hvordan træk oprettes på en flyvinge. Luft, der bevæger sig over vingen, opfører sig som en væske, hvilket betyder, at luftmolekyler har både klæbende og tyktflydende kræfter. Når luft klæber til vingeoverfladen, producerer den en styrke, der modstår flyets fremadgående bevægelse.

Nikola Tesla Mansell / Time Life Pictures / Getty Images

Tesla såvel som mange moderne videnskabsmænd og industrialister mente, at hans nye turbin var revolutionerende baseret på en række attributter. Det var lille og let at fremstille. Det havde kun en bevægelig del. Og det var reversibelt.

For at demonstrere disse fordele havde Tesla flere maskiner bygget. Juilus C. Czito, søn af Teslas mangeårige maskinist, byggede flere versioner. Den første, der blev bygget i 1906, indeholdt otte diske, hver med en diameter på seks centimeter (15,2 centimeter). Maskinen vejer mindre end 10 kg (4,5 kg) og udviklede 30 hestekræfter. Det afslørede også en mangel, der ville gøre den løbende udvikling af maskinen vanskelig. Rotoren opnåede så høje hastigheder - 35.000 omdrejninger pr. Minut (omdr./min.) - at metalskiverne strækkede sig betydeligt og hæmmede effektiviteten.

I 1910 byggede Czito og Tesla en større model med diske på 12 tommer (30,5 centimeter) i diameter. Det drejede med 10.000 omdrejninger pr. Minut og udviklede 100 hestekræfter. Derefter, i 1911, bygget parret en model med skiver 9,75 inches (24,8 centimeter) i diameter. Dette reducerede hastigheden til 9.000 o / min, men øgede effekten til 110 hestekræfter.

Forstærket af disse succeser i mindre skala bygde Tesla en større dobbelt enhed, som han planlagde at teste med damp i hovedkraftværket i New York Edison Company. Hver turbin havde en rotorbærende skiver med en diameter på 18 inches (45,7 centimeter). De to turbiner blev anbragt i en linje på en enkelt base. Under testen var Tesla i stand til at opnå 9.000 o / min og generere 200 hestekræfter. Nogle ingeniører, der var til stede ved testen, loyale overfor Edison, hævdede imidlertid, at turbinen var en fiasko, der var baseret på en misforståelse af, hvordan man kunne måle drejningsmoment i den nye maskine. Denne dårlige presse kombineret med det faktum, at de store elselskaber allerede havde investeret stærkt i vindmøller, gjorde det vanskeligt for Tesla at tiltrække investorer.

I Teslas sidste forsøg på at kommercialisere sin opfindelse overtalte han Allis-Chalmers Manufacturing Company i Milwaukee til at bygge tre turbiner. To havde 20 skiver, 18 tommer i diameter og udviklede hastigheder på henholdsvis 12.000 og 10.000 omdrejninger pr. Minut. Den tredje havde 15 diske på 1,5 tommer (1,5 meter) i diameter og var designet til at arbejde med 3.600 o / min, hvilket genererede 675 hestekræfter. Under testene blev ingeniører fra Allis-Chalmers bekymrede over både den mekaniske effektivitet af turbinerne samt deres evne til at udholde langvarig brug. De fandt ud af, at diskene i meget stor grad havde forvrænget og konkluderede, at turbinen i sidste ende ville have slået fejl.

Selv så sent som i 1970'erne havde forskerne svært ved at gentage resultaterne, der blev rapporteret af Tesla. Warren Rice, professor i teknik ved Arizona State University, skabte en version af Tesla-turbinen, der arbejdede med 41 procent effektivitet. Nogle hævdede, at Rice's model afviger fra Teslas nøjagtige specifikationer. Men Rice, en ekspert i væskedynamik og Tesla-turbinen, foretog en litteraturanmeldelse af forskning så sent som i 1990'erne og fandt, at ingen moderne version af Teslas opfindelse oversteg effektiviteten fra 30 til 40 procent.

Dette forhindrede mere end noget andet, at Tesla-turbinen blev mere udbredt.

Som Office of Naval Research i Washington, DC, sagde det klart: "Parsons-turbinen har været i lang tid med hele industrier bygget omkring den og understøtter den. Hvis Tesla-turbinen ikke er en større rækkefølge, ville det hælde penge ned i rottehullet, fordi industrien ikke vil vælte så let ... "[kilde: Cheney].

Så hvor forlader det Tesla-turbinen i dag? Som vi ser i det næste afsnit, vender ingeniører og bildesignere endnu en gang deres opmærksomhed på denne 100-årige teknologi.

-

Tesla var altid en visionær. Han så ikke sin bladeløse turbine som et mål i sig selv, men som et middel til et mål. Hans ultimative mål var at erstatte stempelforbrændingsmotoren med en meget mere effektiv og mere pålidelig motor baseret på hans teknologi. De mest effektive stempelforbrændingsmotorer nåede ikke over 27 til 28 procent effektivitet i deres konvertering af brændstof til arbejde. Selv med effektivitetsgrader på 40 procent så Tesla sin turbin som en forbedring. Han designede endda på papir en turbinebil, som han hævdede ville være så effektiv, at den kunne køre over De Forenede Stater på en enkelt tank benzin.

Tesla så aldrig bilen produceret, men han kunne måske glædes i dag for at se, at hans revolutionerende turbine endelig indgår i en ny generation af renere, mere effektive køretøjer. Et firma, der gør alvorlige fremskridt, er Phoenix Navigation and Guidance Inc. (PNGinc), der ligger i Munising, Michigan. PNGinc har kombineret diskturbinteknologi med en pulsdetonationsforbrænder i en motor, som virksomheden siger, leverer enestående effektivitet. Der er 29 aktive diske, hver 25,4 cm i diameter, som er klemt ind mellem to koniske ende-skiver. Motoren genererer 18.000 o / min og 130 hestekræfter. For at overvinde de ekstreme centrifugalkræfter, der er forbundet med turbinen, bruger PNGinc en række avancerede materialer, såsom kulfiber, titaniumimprægneret plastik og Kevlar-forstærkede skiver.

Det er klart, at disse stærkere, mere holdbare materialer er kritiske, hvis Tesla-turbinen vil nyde enhver kommerciel succes. Havde materialer som Kevlar været tilgængelige i Teslas levetid, er det meget sandsynligt, at turbinen ville have set større anvendelse. Men som ofte var tilfældet med opfindernes arbejde, var Tesla-turbinen en maskine langt foran sin tid.

For mere information om Tesla, elektricitet og relaterede emner, gå som lyn til næste side.

Nikola Teslas elbil

Selvom Tesla aldrig testede sin turbin i en bil, udviklede han efter nogle konti en elbil i 1931. Bilen var en Pierce-Arrow, der var konfigureret med en 80 hestekræfter, 1.800 o / min elektrisk motor i stedet for en gasdrevet motor. Ifølge historien samlet Tesla en mystisk sort kasse indeholdende vakuumrør, ledninger og modstande. To stænger stak ud af kassen. Da stængerne blev skubbet ind i kassen, modtog bilen strøm. Tesla kørte bilen i en uge - op til hastigheder på 90 miles i timen (145 kilometer i timen). Desværre troede mange, at han havde tappet på en ukendt og farlig naturkraft. Andre kaldte ham skør. I raseri fjernede han kassen fra bilen, tog den tilbage til sit laboratorium, og den blev aldrig set igen. Indtil i dag forbliver de grundlæggende arbejdsprincipper for Teslas elbil et mysterium.

Relaterede artikler

• Hvordan ændrede Nikola Tesla den måde, vi bruger energi på?
• Quiz Corner: Engine Quiz
• Sådan fungerer dampmotorer
• Sådan fungerer bilmotorer
• Sådan fungerer gasturbinemaskiner
• Sådan fungerer roterende motorer
• Sådan fungerer motorer
• Den industrielle revolution

Flere gode links

• Tesla: Master of Lightning på PBS
• Nikola Tesla Museums websted
• Tesla-fundet i Nordamerika
• Tesla Engine Builders Association
• Diskturbine / pumpeartikler, patenter og links

Kilder

• Allan, Sterling D. "Tesla Turbine: Motor fra det 21. århundrede?" Pure Energy Systems News. 14. april 2007. http://pesn.com/Radio/Free_Energy_Now/shows/2007/04/14/9700225_KenReili_TeslaTurbine/
• Cheney, Margaret. "Tesla: mand ude af tid" Simon & Schuster. New York. 1981.
• Diskturbine / pumpeartikler, patenter og links 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 disketurbin" http://www.frank.germano.com/teslaturbine2.htm
• Hait, John. "Den seje videnskabsmand: Teslas turbin." Saipan Tribune. 13. maj 2005. http://www.saipantribune.com/newsstory.aspx?cat=9&newsID=47147
• Laserturbinekraftanlæg. http://www.laserturbinepower.com/index.php?option=com_content&task=view&id=3&Itemid=68
• "Nikola Teslas 'Black Magic' turneringsbil." 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
• Verdensbogen 2005. "Tesla, Nikola."