Tesla-turbinen uppfanns av Nikola Tesla år 1909. Det är en speciell kategori av turbiner som inte har några blad. Till skillnad från andra turbiner som Kaplan etc har denna turbin begränsade och specifika applikationer. Men på grund av dess designhänsyn är det en av de mångsidiga turbinerna. Dess uppfinning har lett till många stora tekniska tillämpningar. Det fungerar på principen om gränsskiktseffekt, där turbinen roterar på grund av luftflöde. Den bästa delen av denna turbin är att den kan uppnå en verkningsgrad på upp till 80%. Hastighetsområdet kan nås upp till 80 000 rpm för maskiner med mindre märkning. Specifikt, denna turbin kan inte användas i kraftverk operationer men kan användas för allmänna applikationer som pumpar etc.
Tesla turbindiagram
Den grundläggande strukturen för Tesla-turbinen visas i figuren. Den består av en bladfri turbin som har inmatning genom ett luftrörsmunstycke. Turbinens kropp har två utlopp, den ena är för luftens inkommande och den andra för luftens utgående. Bortsett från det består den roterande skivan av 3 till 4 lager som är sammanfogade. Det finns ett tunt luftgap mellan skikten där luften passerar i mycket hög hastighet.
Tesla Turbine
Den roterande skivan har två ytor, ytan och baksidan. I båda aspekterna finns det inget utrymme för luften att flöda utanför turbinkroppen. Luften kan bara komma in genom inloppsröret och släppa ut genom utloppsröret. Turbinkroppen består av flera skivrotorer som är sammanfogade. Alla rotorskivor är sammanfogade på en gemensam axel där skivan kan rotera.
Det finns ytterhölje för skivorna som ska placeras. Skivorna är vanligtvis anslutna via bultar. Den främre och bakre delen har avgasutgångar genom vilka luften kan komma ut ur turbinkroppen. Placeringen av hålen görs så att en virvel av inloppsluft skapas.
Tesla Turbine Theory
Ingången till rotorbladen är luft vid högt tryck. Använd en luftslang som är ansluten till inloppet på turbin , kommer luften in i kroppen som består av rotorskivor som är placerade på axeln och som lätt kan roteras. När luften kommer in i turbinhuset tvingas den att skapa en virvel på grund av turbinens form.
Vortex betyder en virvlande luftmassa som i en bubbelpool eller virvelvind. På grund av skapandet av en virvel kan luften rotera i mycket höga hastigheter. Bildandet av en virvel är grundläggande på grund av turbinens design. Turbinens typsnitt och bakre kåpan är placerad så att luften måste gå ut genom hålen i de främre och bakre kåpan.
Luftutgången i denna natur skapar en virvel av luft. Och får turbinen att rotera. När luftmolekylerna passerar skivan skapar de ett drag på skivan. Detta drag drar ner turbinen och får den att rotera. Det kan noteras att turbinen kan rotera i båda riktningarna. Det beror bara på vilket inloppsrör som används för inmatning av luft.
Tesla Turbine Design
Konstruktionen består av två inloppsrör, varav ett är anslutet till luftslangröret. Av de två inloppen kan vem som helst användas som ingång. Inuti kroppen placeras rotorskivorna som förenas med hjälp av bultar. Alla skivor är placerade på en gemensam axel som är ansluten till den yttre kroppen.
Till exempel, om den används som pump, är axeln ansluten till motorn. Det finns ett tunt luftgap mellan skivorna, där luften strömmar och får skivorna att rotera. På grund av luftspalten kan luftmolekylerna skapa ett drag på skivan. Den främre och bakre kåpan har 4-5 hål genom vilka inloppsluften kan ledas till atmosfären. Hålen är placerade så att en virvel skapas och luften kan rotera med mycket hög hastighet.
Turbindesign
På grund av denna höghastighetsluft utövar den ett höghastighetsdrag på skivan och får skivan att rotera i mycket höga hastigheter. Skivgapet är en av de kritiska parametrarna för turbinens design och effektivitet. Den optimala mellanrumsstorlek som krävs för att upprätthålla gaplagret beror på perifer hastighet på skivan.
Beräkningar av turbindesign
Många designaspekter är viktiga för att uppnå hög effektivitet. Några av de viktigaste designberäkningarna är
Arbetsvätskan eller tilluftsluften måste ha ett minimalt tryck. Om det är vatten förväntas trycket vara minst 1000 kg per meter kub. Den perifera hastigheten måste vara 10e-6 meter kvadrat per sekund.
Gapet mellan skivan beräknas baserat på skivans vinkelhastighet och periferihastighet. Det beror på pollhausen-parametern som ständigt baseras på hastigheter. Flödeshastigheten för varje skiva beräknas som en produkt av tvärsnittsarean för varje skiva och hastighet. Baserat på uppgifterna uppskattas antalet skivor. Återigen är skivans diameter också viktig för att ha god effektivitet.
Tesla turbineffektivitet
Effektiviteten ges av förhållandet mellan utgående axeleffekt och ingående axeleffekt Dess uttrycks som
Effektiviteten beror på många faktorer såsom axeldiametern, knivarnas hastighet, antalet knivar, belastningen ansluten till axeln etc. Generellt är turbineffektiviteten hög jämfört med andra konventionella turbiner. För små applikationer kan effektiviteten till och med nå upp till 97%.
Hur fungerar turbin?
Tesla-turbinen arbetar med begreppet gränsskikt. Den består av två inlopp. I allmänhet används luftvattnet som inlopp till turbinen. Turbinkroppen består av rotorskivor som sammanfogas med hjälp av bultar. Alla skivor placeras på en gemensam axel. Turbinkroppen består av två höljen, det främre höljet och det bakre höljet. I varje hölje finns det 4 till 4 hål. Alla dessa faktorer som antal skivor, skivdiameter etc. spelar en viktig roll för att utvärdera turbinens effektivitet.
Turbin arbetar
När luften får strömma genom slangröret kommer den in i turbinkroppen. Inuti turbinkroppen placeras skivor som är anslutna till varandra. Det finns ett tunt luftgap mellan skivorna. När luftmolekylerna kommer in i turbinkroppen utövar de ett skott på skivorna. På grund av detta drag börjar skivorna att rotera.
De främre och bakre höljena består av hål så att när luft kommer in kommer det ut genom dessa hål. Hålen är placerade så att en virvel av luft eller vatten etableras i skivkroppen. Vilket gör att luften utövar mer drag på skivorna. Detta får skivorna att rotera med mycket hög hastighet.
Kontaktområdet mellan virveln och skivorna är lågt vid låga hastigheter. Men när luften ökar hastigheten ökar denna kontakt, vilket gör att skivorna kan rotera med mycket hög hastighet. Skivornas centrifugalkraft försöker trycka luften utåt. Men luften har ingen bana utom hålen på de främre och bakre höljena. Detta gör att luften går ut och virveln blir starkare. Skivornas hastighet är nästan lika med luftflödets hastighet.
Fördelar och nackdelar med Tesla Turbine
Fördelarna är
- Mycket hög effektivitet
- Produktionskostnaden är lägre
- Enkel design
- Kan roteras i båda riktningarna
Nackdelarna är
- Inte möjligt för applikationer med hög effekt
- För hög effektivitet måste flödeshastigheten vara liten
- Effektiviteten beror på in- och utflödet av arbetsvätskorna.
Applikationer
Teslas turbin på grund av dess uteffekt och specifikationer har begränsade tillämpningar. Några av dem nämns nedan.
- Kompression av vätskor
- Pumps
- Vindturbintillämpningar
- Blodpumpar
Därför har vi sett konstruktionsaspekterna, arbetsprincipen, designen och tillämpningarna av Tesla-turbiner. Dess största nackdel är att den är kompakt och liten i storlek och har begränsade tillämpningar jämfört med konventionella turbiner som Kaplan-turbinen. Eftersom dess effektivitet är mycket hög, måste man tänka att hur Tesla-turbiner kan göras för att ha stora applikationer som i kraftverk. Det skulle vara ett stort lyft för de lågeffektiva anläggningarna.
