Безлопастная турбина для тэс, как изобретение николы теслы. Турбина Тесла своими руками из старых HDD Физические процессы внутри турбины тесла

"Турбина Тесла" - безлопастная центростремительная турбина, запатентованная Николой Тесла в 1913 году.

Её часто называют безлопастной турбиной, поскольку в ней используется эффект пограничного слоя, а не давление жидкости или пара на лопатки, как в традиционной турбине. Турбина Тесла так же известна, как турбина пограничного слоя и турбина слоя Прандтля (в честь Людвига Прандтля).

Учёные - биоинженеры называют её многодисковым центробежным насосом. Одним из желаемых применений данной турбины, - Тесла видел в геотермальной энергетике, описанной в книге « Our Future Motive Power »"

Действующая модель турбины Тесла.

Нужно ли говорить, что начало ХХ - века, было очень богато на открытия и изобретения. Индустриализация промышленности, которой требовались новые мощные моторы, и генераторы энергии не могли остаться в стороне от пристального внимания ведущих мировых апологетов науки и изобретательства.

Одним из таких изобретений, - является турбина Тесла.

Примечательно, что рабочую модель он построил еще, будучи ребенком. Толчком к возвращению к старой идеи послужил низкий КПД традиционных турбин и сложностей, связанных с их производством. Не хватало фундаментальных знаний в области аэродинамики, низкие прочностные характеристики металлов для эффективных лопаток, - это всё накладывало ограничения на рабочие температуры и скорости вращения турбин. Традиционная турбина работает на разнице давлений на входе и выходе и в качестве рабочего тела используются горячие газы, например, - перегретый пар, который через форсунки подается на лопатки турбины, придавая валу вращательное движение.

Турбина Тесла - отличается от традиционных решений механизмом передачи энергии на рабочий вал. Турбина Тесла не имеет лопаток и недостатков, возникающих при таком техническом решении. Турбина состоит из набора гладких дисков и форсунок направляющих рабочий газ к краю диска. Газ вращает диск посредством адгезии пограничного слоя и вязкого трения, замедляется, вращаясь по спирали. Такая турбина не имеет лопаток, ротор не имеет выступов и потому более прочен в сравнении с традиционными роторами с лопатками. Турбина Тесла имеет некоторые недостатки, компенсируемые высоким КПД, газовая турбина могла достигать 60 и более процентов коэффициента полезного действия, что очень значительно, учитывая год получения патента изобретения, патент был получен в 1913 году. "

Небольшой поток (нагрузка) дает высокий КПД, а сильный поток увеличивает потери в турбине и снижает его, что, однако, характерно не только для турбины Тесла" ©.

Рабочий макет турбины Тесла

Диски рабочего вала турбины должны быть очень тонкими по краям, что бы ни создавать турбулентность в рабочем теле. Это особенность приводит к увеличению количества дисков, при увеличении скорости потока. Максимальный КПД турбины этого типа достигается, когда междисковое расстояние приблизительно равно толщине пограничного слоя.

"Осевые турбины, которые сейчас используются в паровых установках и реактивных двигателях, имеют КПД около 60–70% и ограничены величиной КПД соответствующего цикла Карно , а для силовой установки он достигает лишь 25–42%. Тесла утверждал, что паровая версия его турбины может достигать 95%. Натурные испытания паровой турбины Тесла на заводах Westinghouse показали паровую мощность в 38 фунтов на лошадиную силу в час, соответствующую КПД турбины в диапазоне 20%." ©

В пятидесятых годах прошлого века Уоррен Райс пытался повторить эксперименты Тесла, но проводил их не на турбине построенной в строгом соответствии с запатентованным Теслой образцом. Уоррен Райс проводил эксперименты с одно дисковой системой. Не удивительно, что такая турбина показала эффективность в пределах 40%, и это при использовании одного диска. В своих последних работах с турбиной Тесла, - Уоррен Райс провел всесторонний анализ ламинарного потока в многодисковой турбине:

" При правильном использовании аналитических результатов эффективность турбины при использовании ламинарного потока может быть очень высокой, даже выше 95%. Однако, чтобы добиться высокой эффективности турбины, скорость потока должна быть небольшой, что означает, что большая эффективность турбины достигается за счет использования большого числа дисков и, следовательно, физически большой турбины " ©

Современная многоступенчатая лопастная турбина обычно достигает эффективности 60–70%, в то время как большие паровые турбины часто показывают турбинную эффективность более 90% на практике. Спиральный ротор, подходящий для турбины Тесла разумного размера для обычных жидкостей(пара, газа, воды), как ожидается, должен показать эффективность в районе 60–70%, а возможно и выше.

По материалам открытого интернета.

Оригинальная модель турбины Тесла

Турбина Тесла в Музее Николы Теслы.

Турбина Тесла - безлопастная центростремительная турбина, запатентованная Николой Тесла в 1913 году. Её часто называют безлопастной турбиной, поскольку в ней используется эффект пограничного слоя, а не давление жидкости или пара на лопатки, как в традиционной турбине. Турбина Тесла также известна как турбина пограничного слоя и турбина слоя Прандтля (в честь Людвига Прандтля). Учёные-биоинженеры называют её многодисковым центробежным насосом. Одним из желаемых применений данной турбины Тесла видел в геотермальной энергетике, описанной в книге «Our Future Motive Power ».

Принцип действия, достоинства и недостатки

Во времена Теслы КПД традиционных турбин был низок, так как не было аэродинамической теории, необходимой для создания эффективных лопаток, а низкое качество материалов для лопаток накладывало серьезные ограничения на рабочие скорости и температуры. КПД традиционной турбины связан с разностью давлений на входе и выходе. Для достижения более высокой разности давлений используются горячие газы, такие, например, как перегретый пар в паровых турбинах и продукты сгорания топлива в газовых, поэтому для достижения высокого КПД необходимы жаропрочные материалы. Если турбина использует газ, который при комнатной температуре становится жидкостью, то можно на выходе использовать конденсатор, чтобы увеличить разность давлений.

Турбина Тесла отличается от традиционной турбины механизмом передачи энергии на вал. Она состоит из набора гладких дисков и форсунок, направляющих рабочий газ к краю диска. Газ вращает диск посредством адгезии пограничного слоя и вязкого трения и замедляется, вращаясь по спирали.

Турбина Тесла не имеет лопаток и возникающих из-за них недостатков: ротор не имеет выступов и потому прочен. Тем не менее, у неё имеются динамические потери и ограничения на скорость потока. Небольшой поток (нагрузка) дает высокий КПД, а сильный поток увеличивает потери в турбине и снижает его, что, однако, характерно не только для турбины Тесла.

Диски должны быть очень тонкими по краям, чтобы не создавать турбулентность в рабочем теле. Это приводит к необходимости увеличения числа дисков при увеличении скорости потока. Максимальный КПД этой системы достигается, когда междисковое расстояние приблизительно равно толщине пограничного слоя. Поскольку толщина пограничного слоя зависит от вязкости и давления, утверждение, что один и тот же проект турбины может эффективно использоваться для различных жидкостей и газов, является некорректным.

Исследования показывают, что для поддержания высокого КПД скорость потока между дисками должна поддерживаться на относительно низком уровне. При слабом потоке траектория протекания рабочего тела от входа в турбину к выходу имеет много витков. При сильном потоке число оборотов спирали падает, и она становится короче, что снижает КПД, потому что газ (жидкость) меньше контактирует с дисками, а значит, передает меньше энергии.

КПД газовой турбины Тесла составляет выше 60% и достигает более 95%. Но не стоит путать турбинный КПД с общим КПД двигателя, который использует данную турбину. Осевые турбины, которые сейчас используются в паровых установках и реактивных двигателях, имеют КПД около 60-70% и ограничен величиной КПД соответствующего цикла Карно, а для силовой установки он достигает лишь 25-42%. Тесла утверждал, что паровая версия его турбины может достигать 95%. Натурные испытания паровой турбины Тесла на заводах Westinghouse показали паровую мощность в 38 фунтов на лошадиную силу в час, соответствующую КПД турбины в диапазоне 20%.

В 1950-х годах Уоррен Райс попытался повторить эксперименты Тесла, но он проводил их не на турбине, построенной в строгом соответствии с запатентованным Теслой образцом. Райс экспериментировал с однодисковой воздушной системой. Тестируемая турбина Райса показала эффективность 36-41% при использовании одного диска. Более высокая эффективность должна достигаться при использовании дизайна Тесла.

В своей последней работе с турбиной Тесла Райс провел масштабный анализ модели ламинарного потока в многодисковой турбине. Очень сильное утверждение для эффективности турбины (в отличие от эффективности прибора в целом) для этой конструкции было опубликовано в 1991 году под названием «Турбомашина Тесла».

Никола Тесла был настолько великим ученым, что по-настоящему оценить масштабы его открытий человечеству еще только предстоит. Большинство его изобретений, о которых и поныне ходят легенды, касается возможности передачи на расстояние. Однако среди патентов, а их намного больше тысячи, которые получил этот выдающийся теоретик и экспериментатор-практик, есть и другие, касающиеся исключительно механических узлов машин. Один из них описывает принцип работы необычной конструкции, преобразующей энергию газового потока во Турбина Тесла - таково название этого механизма.

Каждое изобретение должно быть уникальным, таковы современные правила регистрации патента, такими были они и в 1913 году, когда великий ученый получил очередное авторское свидетельство. Оригинальность изобретения Тесла состоит в отсутствии лопаток, которыми снабжен ротор практически любой турбины. Передача потока воздуха, или любого другого газа, осуществляется не за счет непосредственного давления на поставленные под углом к нему лопасти, а движением пограничного потока среды, окружающей совершенно плоские диски. Турбина Тесла использует такое свойство газов, как их вязкость.

Все изобретения этого необыкновенного человека очень красивы. Турбина Тесла - не исключение. Красота ее в простоте, не в примитивности, а именно в той утонченной лаконичности, которая стала почерком гения. Никому ранее и в голову не приходило раскручивать диск потоком газа, направленным в одной с ним плоскости.

Разумеется, для повышения эффективности всего устройства следовало увеличить количество дисков и максимально уменьшить расстояние между ними, поэтому турбина Тесла представляет собой ротор, закрепленный на ведущем валу, состоящий из множества плоских «тарелок», а статор - пространство, в котором вращается с соплами, направленными тангенциально, то есть перпендикулярно радиусу роторных дисков. Такая конструкция дает огромное преимущество в том случае, если необходимо изменить направление вращения. Для этого достаточно просто переключить входной патрубок на то сопло, что ранее было выходным, и вся турбина начнет вращаться в реверсивном направлении.

Еще одно преимущество - в характере движения газа, он ламинарный, то есть в нем не возникает вихревых потоков, на преодоление которых расходуется полезная энергия, и с которыми так упорно борются конструкторы турбин. Вообще во времена, когда Тесла изобретал свою турбину, у инженеров было много проблем с материалами для изготовления лопаток, вот он и придумал, как без них вовсе обойтись.

Есть у конструкции и свои недостатки. К их числу можно отнести низкую скорость потока газа, при которой турбина Тесла эффективна. Однако это нисколько не умаляет значение этого изобретения, которое может вдруг понадобиться и стать просто незаменимым решением технической задачи, как это бывало и с другими патентами Н. Тесла.

Простота конструкции - очевидное качество, которым обладает турбина Тесла. Своими руками ее изготовить можно, правда, для этого все же потребуется немалая квалификация и высокая точность выполнения всех работ. Ведь квалитет дисков и малый зазор между ними, который должен быть очень равномерным, а также кожух с соплами с помощью простейших инструментов выполнить практически нельзя.

Стальной ротор.

Крайние диски турбины Тесла делаются более толстыми, так как проходящяя между дисками струя газа пытается раздвинуть диски, а так же для прижимания остальных дисков друг к другу. Так же крайние диски имеют радиальные выступы над окнами, которые служат в качестве части уплотнения.

Боковой диск турбины Теслы с радиальными выступами.

Ротор помещается в корпус, который имеет входящее сопло и боковые крышки с отверстиями в центре. К крышкам крепятся еще две детали, не знаю как их правильнее назвать, я их назвал «уши», в которых закрепляются подшипники и обеспечивается отвод отработанной среды.

На внутренней поверхности крышек вырезаны радиальные канавки. Их можно разделить на две группы по их назначению. Первая группа канавок располагается ближе к центру, в эти канавки входят радиальные выступы боковых дисков, что обеспечивает хорошее уплотнение. Канавки и выступы, составляющие уплотнение, должны быть тщательно подогнаны друг к другу. Зазоры должны быть минимально возможными, но и не допускающими трение, что требует высокой точности изготовления. Вторая группа канавок прорезается почти по всей оставшейся поверхности и к ним не предъявляется таких жестких требований по точности изготовления. Боковые диски движутся относительно неподвижных крышек корпуса. Чтобы не создавать дополнительное сопротивление, расстояние между дисками и корпусом нужно увеличить. Именно этой цели и служат радиальные канавки второй группы. Так как поток всегда ищет путь наименьшего сопротивления, а в нашем случае – это канавки между крышками и дисками, основная часть потока проходила бы именно этим путем, и лишь незначительная часть проходила бы между остальными дисками ротора. За счет уплотнения, в канавках возникает повышенное давление, что и не дает среде пройти только этим путем, и среда проходит там, где возможно, т.е. между остальными дисками. Можно было бы сделать и одну широкую канавку, однако это бы увеличило утечку. По этому, лучшего результата можно добиться, используя несколько канавок.

Сопло турбины располагается тангенциально, т.е. по касательной к внутренней поверхности корпуса и может быть выполнено в виде прямоугольной щели, или круглого сужающегося отверстия.

Прямоугольное сопло для турбины Тесла.

Зазор по периферии между корпусом и ротором делается минимальным, учитывая небольшое увеличение диаметра ротора, при работе на высоких оборотах.

Теперь, имея примерное представление об устройстве турбины, рассмотрим теоретическую базу и рабочий процесс. Если направить поток жидкости, или газа по плоской поверхности, то этот поток начнет увлекать за собой эту поверхность. Такое поведение обусловлено тем, что самый первый слой молекул, прилегающих к плоскости – неподвижен. Следующий слой движется очень медленно, следующий чуть быстрее и так далее. Ниже приведу небольшую выдержку из аэродинамики.

Важной характеристикой движущейся среды является ее вязкость. Вязкость проявляется через свойство прилипания текучей среды к поверхности, тогда как не вязкая среда свободно скользит вдоль обтекаемой поверхности. Чтобы проиллюстрировать влияние вязкости, порождающей силу, замедляющую течение (силу сопротивления), рассмотрим две большие параллельные друг другу пластины A и B (рис. 1), одна из которых движется относительно другой. Вязкая среда прилипает к каждой из пластин. Случайные движения молекул создают эффект «перемешивания», стремящегося выровнять средние скорости течения, скорость которого на пластине B равна V , а на пластине A – нулю. Результирующее распределение скоростей также приведено на рис. 1, где длина стрелок пропорциональна величине скорости в данной точке течения по высоте между пластинами. Таким образом, на движущуюся пластину B действует сила, тормозящая ее движение. Чтобы обеспечить движение пластины B при наличии торможения, к ней должна быть приложена противодействующая сила. Такая же сила стремится привести в движение пластину A

Гениальное, но не признанное в своё время из за ограничения технологии, изобретение Теслы. Гидродинамическая турбина без лопастей, поршней, лопаток и прочих, возмущающих среду, элементов конструкции. Используются обычные диски.

Всем, кого это может касаться:

Да будет известно, что я, Никола Тесла, гражданин США, проживающий в Нью-Йорке, изобрёл новое и полезное усовершенствование в Роторных двигателях и Турбинах, которое описываю ниже.

В практическом применении механической энергии, основанном на использовании жидкости как среде передающей энергию было замечено, что для достижения большей экономии, изменения в скорости и направлении движения жидкости должны быть как можно более постепенными. В существующих формах и аппаратах резкие изменения, вибрации, заторы неизбежны. Кроме того, гидравлические устройства такие как поршни, лопасти, вёсла, лопатки имеют различные дефекты и дороги в изготовлении и обслуживании.

Цель моего изобретения - победить отрицательные эффекты передачи и преобразования механической энергии посредством жидкости более экономичным и простым способом. Я выполнил это найдя способ движения жидкости натуральным путём с минимальным сопротивлением, свободным от возмущений, которые возникают в лопатках и лопастях подобных устройств, и способом изменения скорости и направления движения без потерь, пока жидкость передаёт энергию.

Известно, что жидкость имеет, кроме прочих, два важнейших свойства - вязкость и текучесть.

Из-за этого имеют место такие понятия, как внутреннее и пограничное трение, проявляемые при движении жидкости относительно поверхности в которой она течёт, и трение между молекулами самой жидкости. Эти ффекты наблюдаются в повседневной жизни, но мне кажется, что я первый, кто применил их практически как движительный агент.

Принципы применительны и к воздуху, как движительной среде. Т.е. эти среды, если будут применены по описанному принципу способны передавать энергию.

В приложенных чертежах я отразил только форму аппарата, приспособленного для термодинамического преобразования энергии; границы, в которых применение принципа наиболее значимое.

Рис. 1. Боковое сечение рторного движителя, или турбины.

Рис. 2. Вертикальное сечение.

Аппарат состоит из серии плоских, жёстких дисков 13, закреплённых на валу 16 посредством гаек 11 и промежуточных шайб 17 на выступах 12. Диски имеют окна 14 и спицы 15. Изображены несколько таких дисков с окнами. Ротор расположен в корпусе 19 в подшипниках с уплотнениями 21 с обоих сторон. Корпус имеет выходные окна 20. Концы корпуса соединены центральным кольцом 22, расточенным немного большим диаметром чем диски, и имеют фланцы 23 и входы 24, в которых размещаются сопла 25. Радиальные канавки 26 и лабиринтовые уплотнения 27 установлены на концах ротора. Подающие трубы 28 с клапанами 29 подсоединены к фланцам центрального кольца; один из клапанов нормально закрыт.

Для лучшего понимания рассмотрим ситуацию, когда вал и диски вращаются по часовой стрелке. Жидкость поступает через входные окна 20 и вступает в контакт с дисками 13 под действии двух сил - касательной и центробежной. Комбинация этих сил движет жидкость спиралеобразно с нарастающей скоростью, пока она не достигнет периферии, откуда и выходит. Такое спиралеобразное, свободное и ровное движение жидкости позволяет саморегулировать естественный поток.

Во время движения в полости, где расположен ротор, частицы жидкости совершают несколько оборотов в зависимости от скорости жидкости и размеров дисков. Я выяснил, что кол-во жидкости прокачиваемое таким образом, при прочих равных условиях, пропорцианально рабочей поверхности ротора и его скорости. Поэтому совершенство машины зависит от её размеров и скорости вращения ротора. Размерения дисков и интервалов между ними будет зависеть от требований и условий к аппарату. Зависимость между растояниями между дисками, их диаметром, длинной пути, вязкостью жидкости - прямопропорциональна.

В общем, расстояние должно быть таким, чтобы общая масса жидкости, прежде, чем выйти, разогналась до постоянной скорости, почти до скорости периферии дисков, при нормальных рабочих условиях, и частицы двигались равномерно по окружности, если выходной клапан закрыть.

Теперь рассмотрим наоборот, что жидкость под давлением проходит чрез клапан по указанной стрелке; тогда ротор начнёт вращаться по часовой стрелке, а жидкость двигаться спиралеобразно с замедлением, пока не достигнет отверстий 14 и 20, через которые и выйдет. Если-бы ротор был способен вращаться в подшипниках без трения, его наружный обод достиг-бы скорости максимальной той, которая соответствует движущейся жидкости при её почти круговом движении. При приложении нагрузки на ротор, его скорость падает, движение жидкости замедляется, вращение частиц сокращается и путь укорачивается.

Можно с определённой точностью предположить, что крутящий момент прямо пропорцианален квадрату скорости жидкости относительно ротора и площади дисков, и обратнопропорционален расстоянию между ними.

Аппарат способен совершать максимальную работу когда скорость ротора равна половине скорости жидкости, но для достижения максимальной экономии относительная скорость (или скольжение) должна быть как можно меньше. Степень регулировки достигается размерами дисков и расстоянием между ними.

Очевидно, что передаваемая энергия от вала к другому механизму и желаемое соотношение скоростей достигается посредством подбора дисков. Например, в насосе, радиальное, или статическое давление в результате центобежных сил добавляется к касательному, или динамическому, что ведёт к увеличеню столба жидкости.

В моторе, наоборот, статическое давление, противодействующее давлению подачи, снижает давление столба и скорость радиального потока к центру. Т.е. в движительной машине всегда требуется большой крутящий момент, что требует увеличения дисков и уменьшения расстояния между ними, в то время как в двигательной машине, в целях экономии, вращательный эффект должен быть меньше, а скорость больше. Возможны другие конструктивные нюансы, но процессы должны происходить как описано.

Предположим, что движительная среда попадает в отверстия с постоянной скоростью. В этом случае машина будет работать как роторный двигатель, и жидкость выходить из своего кругового движения через центральный выход. При этом имеет место расширение, из-за спирального вращательного движения, т.к. распространение внутрь противостоит центробежным стилам и сопротивлению радиальному движению.

Замечено, что сопротивление движению жидкости между плоскостями пропорцианально квадрату относительной скорости, которая максимальна в направлении центра и равна полной касательной скорости жидкости. Теперь, предположим, что жидкость вошла в камеру не через окна, а через сопло, усиливающее соотношение скорость-энергия. Когда расширение в сопле закончено, давление жидкости на периферии небольшое; но когда сопло увеличивается в диаметре, давление растёт, так-же как и подача. Но переход от импульсного к расширитльному действию приводит к небольшим изменениям в скорости в сопле.

Раннее мы предпложили, что давление подачи постоянное, но понятно, что мало что изменится, если давление будет несколько менятся в результате внутренних процессов в ней.

На Рис.1. отражены особенности при реверсировании. Если правый клапан закрыт и жидкость поступает через вторую трубу, ротор вращается в направлении стрелки пунктиром, при этом качество процесса не меняется. Тот-же результат может быть достигнут многими другими путями посредством специально спроектированных клапанов, сопел.

Понятно, что количество входных окон по периферии может варьировать, так-же как и другие конструктивные особенности конструкции. Всё-же другая качественная сторона описанного принципа должна быть освещена. Когда машина работает в холостом режиме, центробежное давление, действующее против движения жидкости, должно быть равно давлению подачи. Если впускные окна больше, то небольшие изменения в скорости произведут большие изменения в потоке и, соответственно, в длине спиралеобразного пути. А т.к. центробежные силы растут пропорцианально квадрату скорости, то при наличии современных материалов, можно увеличить размеры ротора для получения лучших результатов.

Данная концепция легче реализуется для больших устройств, также как и с использованием современных технологий. Для небольших, компактных машин требуется высокая точность изготовления при малых зазорах.

Понятно, что на данном принципе конструкции могут варьировать в большом диапазоне для различных целей. В данной моей работе я описал главные, принципиальные аспекты применения принципа, и мне кажется я первый, кто понял это и предлжил к полезному использованию.

Я заявляю:

1. Машина, приводимая в действие жидкостью, состоит из корпуса с входными и выходными окнами на периферии и в центральной части, соответственно; ротора с плоскими плоскостями, расположенными с интервалами, таким образом, что жидкость может течь между ними естественным спиральным потоком, и посредством свойств вязкости и текучести передавать энергию вращения ротору.

2. Машина, приводимая в действие жидкостью, состоит из ротора, включающего плоские диски, закреплённые на валу, находящемся в корпусе с входными и выходными окнами.

3. Роторный двигатель, приводимый в действие свойствами текучести и вязкости движущейся жидкости состоит из корпуса, образующего камеру с касательными к периферии входами и выходами в центральной части; ротора состоящего из дисков, закреплённых на валу.

4. Машина, приводимая в действие жидкостью, состоит из дисков, закреплённых на валу, расположенном в корпусе с входными и выходными окнами, через которые может течь жидкость под действием радиальных и касательных сил естественным спиралеобразным потоком от периферии к центру, и передавать энергию посредством свойств вязкости и текучести.

5. Машина, приводимая в действие жидкостью, состоит из дисков, имеющих плоскую форму и зазор, между которым проходит жидкость от периферии к центру.

6. Машина, приводимая в действие жидкостью, состоит из ротора, включающего в себя плоские диски с зазорами, закреплёнными на валу имеющим выходное окно в центральной части, позволяющим вытекать жидкости, прокачиваемой через эти зазоры.

7. Термодинамический конвертер состоит из серии соосно закреплённых плоских дисков, расположенных в корпусе с входными окнами на периферии и выходными окнами в центральной части.

8. Термодинамический конвертер состоит из серии соосно закреплённых плоских дисков, имеющих окна в центральной части; корпуса с входными окнами на периферии и выходными окнами идущими от центральной части.