Hvordan Tesla-turbinen fungerer

En gutt ser på en radiostyrt båt i byen Smiljan, Kroatia, Nikola Teslas hjemby. I nærheten ligger en bladeløs vannhjulsturbin av Teslas design. Det samme prinsippet styrker den berømte turbinmotoren. Hrvoje Polan / AFP / Getty Images

De fleste kjenner Nikola Tesla, den eksentriske og geniale mannen som ankom New York City i 1884, som far til vekselstrøm, formen for elektrisitet som leverer strøm til nesten alle hjem og bedrifter. Men Tesla var en vidunderlig oppfinner som brukte genialiteten sin til en lang rekke praktiske problemer. Alt i alt hadde han 272 patenter i 25 land, med 112 patenter bare i USA. Du tenker kanskje at Tesla av alt dette arbeidet ville ha holdt sine oppfinnelser innen elektroteknikk - de som beskrev et komplett system med generatorer, transformatorer, transmisjonslinjer, motor og belysning - han var hjertelig kjæreste. Men i 1913 fikk Tesla patent på det han beskrev som sin viktigste oppfinnelse. Oppfinnelsen var en turbin, kjent i dag som Tesla-turbinen, grenselaget-turbinen eller flat-disk-turbinen.

Interessant nok, å bruke ordet "turbin" for å beskrive Teslas oppfinnelse virker litt misvisende. Det er fordi de fleste tenker på en turbin som en sjakt med kniver - som vifteblad - festet til den. Faktisk definerer Websters ordbok en turbin som en motor dreid av kraft eller gass på viftebladene. Men Tesla-turbinen har ingen kniver. Den har en serie tettpakete parallelle skiver festet til en sjakt og anordnet i et forseglet kammer. Når en væske får komme inn i kammeret og passere mellom skivene, snur skivene, som igjen roterer skaftet. Denne roterende bevegelsen kan brukes på forskjellige måter, fra å drive pumper, blåsere og kompressorer til kjørende biler og fly. Faktisk hevdet Tesla at turbinen var den mest effektive og den mest enkle designet roterende motoren som noen gang er designet.

Hvis dette er sant, hvorfor har ikke Tesla-turbinen hatt mer utbredt bruk? Hvorfor har det ikke blitt så allestedsnærværende som Teslas andre mesterverk, AC kraftoverføring? Dette er viktige spørsmål, men de er sekundære til mer grunnleggende spørsmål, for eksempel hvordan fungerer Tesla-turbinen og hva gjør teknologien så nyskapende? Vi svarer på alle disse spørsmålene på de neste sidene. Men først må vi gjennomgå noen grunnleggende om de forskjellige typene motorer som er utviklet gjennom årene. På neste side får vi et bedre inntrykk av det spesifikke problemet Tesla håpet å løse med sin nye oppfinnelse.

innhold

1. Tesla-turbinmotoren
2. Deler av Tesla-turbinen
3. Tesla-turbinedrift
4. Barrierer for Tesla turbin kommersialisering
5. Future of the Tesla Turbin

Vindmøller, som disse i Palm Springs, California, er eksempler på at andre turbiner brukes til å generere strøm. I motsetning til Teslas modell er dette bladerede turbiner. David McNew / Getty Images

Jobben til enhver motor er å konvertere energi fra en drivstoffkilde til mekanisk energi. Enten den naturlige kilden er luft, flyttende vann, kull eller petroleum, er tilførselsenergien en væske. Og med væske mener vi noe veldig spesifikt - det er ethvert stoff som flyter under et påført stress. Både gasser og væsker er derfor væsker, som kan eksemplifiseres med vann. For en ingeniør fungerer flytende vann og gassformet vann, eller damp, som en væske.

På begynnelsen av 1900-tallet var to typer motorer vanlige: bladet turbiner, drevet av enten bevegelig vann eller damp generert fra oppvarmet vann, og stempelmotorer, drevet av gasser produsert under forbrenning av bensin. Førstnevnte er en type rotasjonsmotor, sistnevnte en type frem- og tilbakegående motor. Begge typer motorer var kompliserte maskiner som var vanskelige og tidkrevende å bygge.

Tenk på et stempel som et eksempel. Et stempel er et sylindrisk stykke metall som beveger seg opp og ned, vanligvis inne i en annen sylinder. I tillegg til selve stemplene og sylindrene inkluderer andre deler av motoren ventiler, kammer, lagre, pakninger og ringer. Hver av disse delene representerer en mulighet for å mislykkes. Og til sammen legger de vekt og ineffektivitet til motoren som helhet.

Bladede turbiner hadde færre bevegelige deler, men de presenterte sine egne problemer. De fleste var enorme maskiner med veldig smale toleranser. Hvis ikke de er bygget ordentlig, kan knivene knekke eller sprekke. Det var faktisk en observasjon som ble gjort på et verft som inspirerte Tesla til å bli gravid om noe bedre: "Jeg husket busklene til knuste blader som var samlet ut av turbinhylsene til det første turbinutstyrte dampskipet for å krysse havet, og innså viktigheten av denne [nye motoren] "[kilde: New York City Herald Tribune].

Teslas nye motor var en bladeless turbin, som fortsatt ville bruke en væske som kjøretøy for energi, men ville være mye mer effektiv når det gjelder å konvertere væskenergien i bevegelse. I motsetning til den vanlige troen, oppfant han ikke den bladeless turbinen, men han tok det grunnleggende konseptet, først patentert i Europa i 1832, og gjorde flere forbedringer. Han foredlet ideen i løpet av nesten et tiår og fikk faktisk tre patenter relatert til maskinen:

• Patentnummer 1.061.142, "Fluid Propulsion", innlevert 21. oktober 1909, og patentert 6. mai 1913
• Patentnummer 1.061.206, "Turbine", innlevert 17. januar 1911, og patentert 6. mai 1913
• Patent nummer 1 329 559, "Valvular Conduit", innlevert 21. februar 1916, fornyet 18. juli 1919, og patentert 3. februar 1920

I det første patentet introduserte Tesla sitt grunnleggende bladeless design konfigurert som en pumpe eller kompressor. I det andre patentet modifiserte Tesla den grunnleggende designen slik at den ville fungere som en turbin. Og til slutt, med det tredje patentet, gjorde han endringene som var nødvendige for å betjene turbinen som en forbrenningsmotor.

Den grunnleggende utformingen av maskinen er den samme, uansett konfigurasjon. I neste avsnitt skal vi se nærmere på det designet.

Copyright 2008

Sammenlignet med et stempel eller en dampmotor er Tesla-turbinen enkelheten i seg selv. Faktisk beskrev Tesla det på denne måten i et intervju som dukket opp i New York Herald Tribune 15. oktober 1911: "Alt man trenger er noen skiver montert på en skaft, plassert et lite stykke fra hverandre og innkapslet slik at væsken kan gå inn på et tidspunkt og gå ut på et annet. " Det er klart dette er en forenkling, men ikke så mye. La oss se nærmere på de to grunnleggende delene av turbinen - rotoren og statoren - mer detaljert.

Rotoren

I en tradisjonell turbin er rotoren en skaft med kniver festet. Tesla-turbinen gjør unna bladene og bruker en rekke disker i stedet. Størrelsen og antallet på diskene kan variere basert på faktorer relatert til en bestemt applikasjon. Teslas patentpapir definerer ikke et spesifikt nummer, men bruker en mer generell beskrivelse og sier at rotoren skal inneholde et "flertall" av disker med en "passende diameter." Som vi vil se senere, eksperimenterte Tesla selv ganske mye med størrelse og antall disker.

Hver disk er laget med åpninger rundt skaftet. Disse åpningene fungerer som eksosåpninger gjennom hvilke væsken kommer ut. For å sikre at væsken kan passere fritt mellom skivene, brukes metallskiver som skillelinjer. Igjen er tykkelsen på en skive ikke stiv innstilt, selv om de mellomliggende mellomrom vanligvis ikke overstiger 2 til 3 millimeter.

En gjenget mutter holder skivene på plass på akselen, det endelige stykket av rotorenheten. Fordi skivene er festet til akselen, overføres deres rotasjon til akselen.

Statoren

Rotorenheten er plassert i en sylindrisk stator, eller den stasjonære delen av turbinen. For å få plass til rotoren, må diameteren på sylinderens indre kammer være litt større enn rotorskivene selv. Hver ende av statoren inneholder et lager for skaftet. Statoren inneholder også ett eller to innløp, inn i dysene. Teslas originale design etterlyste to innløp, som gjorde at turbinen kunne løpe enten med klokken eller mot klokken.

Dette er den grunnleggende designen. For å få turbinen til å gå, kommer et høytrykksfluid inn i dysene ved statorinntakene. Væsken passerer mellom rotordiskene og får rotoren til å snurre seg. Etter hvert kommer væsken ut gjennom eksosportene i midten av turbinen.

Noe av det flotte med Tesla-turbinen er enkelheten. Den kan bygges med lett tilgjengelige materialer, og avstanden mellom disker trenger ikke å kontrolleres nøyaktig. Det er så enkelt å bygge opp at flere mainstream-magasiner har inkludert komplette monteringsinstruksjoner ved bruk av husholdningsmaterialer. Utgaven av Popular Science fra september 1955 inneholdt en trinnvis plan for å bygge en vifte med en Tesla-turbindesign laget av papp!

Men nøyaktig hvordan genererer en serie med disker den roterende bevegelsen vi kommer til å forvente fra en turbin? Det er spørsmålet vi vil dekke i neste avsnitt.

Copyright 2008

Du lurer kanskje på hvordan energien til en væske kan føre til at en metallskive spinner. Tross alt, hvis en disk er perfekt glatt og ikke har noen kniver, skovler eller bøtter for å "fange" væsken, antyder logikk at væsken ganske enkelt vil strømme over disken, slik at disken blir ubevegelig. Dette er selvfølgelig ikke det som skjer. Ikke bare roterer rotoren til en Tesla-turbin - den snurrer raskt.

-Årsaken til at vi finner to grunnleggende egenskaper for alle væsker: vedheft og viskositet. Adhesjon er tendensen til at forskjellige molekyler klamrer seg sammen på grunn av attraktive krefter. Viskositet er et stoffs motstand mot å strømme. Disse to egenskapene fungerer sammen i Tesla-turbinen for å overføre energi fra væsken til rotoren eller omvendt. Dette er hvordan:

1. Når væsken beveger seg forbi hver plate, får limkreftene fluidmolekylene rett over metalloverflaten til å sakke ned og feste seg.
2. Molekylene like over de ved overflaten bremser opp når de kolliderer med molekylene som fester seg til overflaten.
3. Disse molekylene i sin tur bremser strømmen rett over dem.
4. Jo lenger en beveger seg fra overflaten, jo færre blir kollisjonene påvirket av gjenstandens overflate.
5. Samtidig fører viskøse krefter til at molekylene i væsken motstår separasjon.
6. Dette genererer en trekkraft som overføres til disken, og får disken til å bevege seg i fluidretningen.

Det tynne laget med væske som samvirker med skiveoverflaten på denne måten kalles Grense lag, og samspillet mellom væsken og den faste overflaten kalles grenselag effekt. Som et resultat av denne effekten følger fremdriftsfluidet en raskt akselerert spiralbane langs skivenes vender til den når en passende utgang. Fordi væsken beveger seg i naturlige baner med minst motstand, fri for begrensningene og forstyrrende kreftene forårsaket av vinger eller kniver, opplever den gradvise endringer i hastighet og retning. Dette betyr at mer energi blir levert til turbinen. Faktisk hevdet Tesla en turbineffektivitet på 95 prosent, langt høyere enn andre tiders turbiner.

Men som vi vil se i neste avsnitt, den teoretiske effektiviteten til Tesla-turbinen er ikke så lett blitt realisert i produksjonsmodeller.

The Boundary Layer: Det er et skikkelig drag

Grenselagseffekten forklarer også hvordan dra opprettes på en flyvinge. Luft som beveger seg over vingen oppfører seg som en væske, noe som betyr at luftmolekyler har både klebende og tyktflytende krefter. Når luft fester seg til vingeoverflaten, produserer den en styrke som motstår flyets fremre bevegelse.

Nikola Tesla Mansell / Time Life Pictures / Getty Images

Tesla, så vel som mange moderne forskere og industrimenn, mente den nye turbinen hans var revolusjonerende basert på en rekke attributter. Den var liten og enkel å produsere. Den hadde bare en bevegelig del. Og det var reversibelt.

For å demonstrere disse fordelene hadde Tesla flere maskiner bygget. Juilus C. Czito, sønn av Teslas mangeårige maskinist, bygde flere versjoner. Den første, bygd i 1906, inneholdt åtte disker, hver seks tommer (15,2 centimeter) i diameter. Maskinen veide under 4,5 kilo og utviklet 30 hestekrefter. Det avslørte også en mangel som ville vanskeliggjøre kontinuerlig utvikling av maskinen. Rotoren oppnådde så høye hastigheter - 35 000 omdreininger per minutt (rpm) - at metallskivene strakk seg betydelig, og hindret effektiviteten.

I 1910 bygde Czito og Tesla en større modell med skiver med en diameter på 30,5 centimeter. Den roterte med 10.000 o / min og utviklet 100 hestekrefter. I 1911 bygde paret en modell med skiver med en diameter på 24,75 cm. Dette reduserte hastigheten til 9000 o / min, men økte effekten til 110 hestekrefter.

Forsterket av disse suksessene i liten skala, Tesla bygde en større dobbel enhet, som han planla å teste med damp i hovedkraftverket til New York Edison Company. Hver turbin hadde en rotorbærende skive med en diameter på 18 inches (45,7 centimeter). De to turbinene ble plassert i en linje på en enkelt base. Under testen var Tesla i stand til å oppnå 9000 o / min og generere 200 hestekrefter. Imidlertid hevdet noen ingeniører som var til stede ved testen, lojale mot Edison, at turbinen var en svikt basert på en misforståelse av hvordan man måler dreiemoment i den nye maskinen. Denne dårlige pressen, kombinert med at de store elselskapene allerede hadde investert mye i turbiner med blad, gjorde det vanskelig for Tesla å tiltrekke seg investorer.

I Teslas siste forsøk på å kommersialisere oppfinnelsen hans, overtalte han Allis-Chalmers Manufacturing Company i Milwaukee til å bygge tre turbiner. To hadde 20 disker med en diameter på 18 inches og utviklet hastigheter på henholdsvis 12.000 og 10.000 o / min. Den tredje hadde 15 disker med en diameter på 1,5 tommer og var designet for å operere ved 3600 omdreininger per minutt, og genererte 675 hestekrefter. Under testene ble ingeniører fra Allis-Chalmers bekymret for både den mekaniske effektiviteten til turbinene, så vel som deres evne til å tåle langvarig bruk. De fant ut at diskene hadde forvrengt i stor grad og konkluderte med at turbinen til slutt ville ha sviktet.

Selv så sent som på 1970-tallet hadde forskere problemer med å gjenskape resultatene rapportert av Tesla. Warren Rice, professor i ingeniørfag ved Arizona State University, opprettet en versjon av Tesla-turbinen som opererte med 41 prosent effektivitet. Noen hevdet at Rises modell avviket fra Teslas eksakte spesifikasjoner. Men Rice, en ekspert på væskedynamikk og Tesla-turbinen, gjennomførte en litteraturgjennomgang av forskning så sent som på 1990-tallet og fant at ingen moderne versjon av Teslas oppfinnelse overskred 30 til 40 prosent effektivitet.

Dette, mer enn noe, forhindret Tesla-turbinen fra å bli mer utbredt.

Som Office of Naval Research i Washington, DC, sa det klart: "Parsons-turbinen har eksistert i lang tid med hele bransjer bygget rundt den og støttet den. Hvis Tesla-turbinen ikke er en større størrelsesorden, ville den være å helle penger ned rottehullet fordi industrien ikke kommer til å velte så lett ... "[kilde: Cheney].

Så hvor forlater det Tesla-turbinen i dag? Som vi vil se i neste seksjon, vender ingeniører og bildesignere nok en gang oppmerksomheten mot denne 100 år gamle teknologien.

-

Tesla var alltid en visjonær. Han så ikke sin bladeløse turbin som et mål i seg selv, men som et middel til et slutt. Hans endelige mål var å erstatte stempelforbrenningsmotoren med en mye mer effektiv og mer pålitelig motor basert på hans teknologi. De mest effektive stempelforbrenningsmotorene oppnådde ikke over 27 til 28 prosent effektivitet når de konverterte drivstoff til arbeid. Selv med effektivitetsgrader på 40 prosent, så Tesla turbinen sin som en forbedring. Han tegnet til og med på papir en turbinmotorbil, som han hevdet ville være så effektiv at den kunne kjøre over USA på en enkelt tank bensin.

Tesla så aldri bilen produsert, men han kan være fornøyd med å se at hans revolusjonerende turbin endelig blir integrert i en ny generasjon renere og mer effektive kjøretøy. Et selskap som gjør alvorlige fremskritt er Phoenix Navigation and Guidance Inc. (PNGinc), som ligger i Munising, Michigan. PNGinc har kombinert disketurbinteknologi med en pulsdetoneringsforbrenning i en motor som selskapet sier leverer enestående effektivitet. Det er 29 aktive disker, hver 25,4 centimeter i diameter, klistret mellom to avsmalnende endeskiver. Motoren genererer 18.000 o / min og 130 hestekrefter. For å overvinne de ekstreme sentrifugalkreftene som ligger i turbinen, bruker PNGinc en rekke avanserte materialer, som karbonfiber, titanimpregnert plast og Kevlar-forsterkede plater.

Disse sterkere, mer holdbare materialene er helt klart avgjørende hvis Tesla-turbinen kommer til å glede seg over kommersiell suksess. Hadde materialer som Kevlar vært tilgjengelige i Teslas levetid, er det ganske sannsynlig at turbinen ville hatt større bruk. Men som ofte var tilfellet med oppfinnerens arbeid, Tesla-turbinen var en maskin langt foran sin tid.

For mer informasjon om Tesla, strøm og relaterte emner, gå som lyn til neste side.

Nikola Teslas elbil

Selv om Tesla aldri testet turbinen sin i en bil, utviklet han etter noen kontoer en elbil i 1931. Bilen var en Pierce-Arrow, som hadde blitt konfigurert med en 80 hestekrefter, 1800 omdreininger elektrisk motor i stedet for en bensindrevet motor. I følge historien samlet Tesla en mystisk svart boks som inneholder vakuumrør, ledninger og motstander. To stenger stakk ut av boksen. Da stavene ble dyttet inn i kassen, fikk bilen strøm. Tesla kjørte bilen i en uke - opp til hastigheter på 90 mil i timen (145 kilometer i timen). Dessverre trodde mange at han hadde benyttet seg av en ukjent og farlig naturkraft. Andre kalte ham gal. I raseri fjernet han kassen fra bilen, tok den med tilbake til laboratoriet, og den ble aldri sett igjen. Frem til i dag er de grunnleggende arbeidsprinsippene for Teslas elbil fortsatt et mysterium.

Relaterte artikler

• Hvordan endret Nikola Tesla måten vi bruker energi på?
• Quiz Corner: Engine Quiz
• Hvordan dampmotorer fungerer
• Hvordan bilmotorer fungerer
• Hvordan gassturbinmotorer fungerer
• Hvordan roterende motorer fungerer
• Hvordan virvlende motorer fungerer
• Den industrielle revolusjonen

Flere gode lenker

• Tesla: Master of Lightning på PBS
• Nikola Tesla museums nettsted
• Tesla-stiftelsen i Nord-Amerika
• Tesla Engine Builders Association
• Diskturbin / pumpeartikler, patenter og lenker

kilder

• 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 / pumpeartikler, patenter og lenker 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 Disk Turbine" http://www.frank.germano.com/teslaturbine2.htm
• Hait, John. "Den kule forskeren: Teslas turbin." Saipan Tribune. 13. mai 2005. http://www.saipantribune.com/newsstory.aspx?cat=9&newsID=47147
• Laser turbin kraftsystemer. 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
• Verdensbok 2005. "Tesla, Nikola."