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^[1][2]. Одним из желаемых применений данной турбины Тесла видел в геотермальной энергетике, описанной в книге «Our Future Motive Power»^[3].

Описание

Турбина Тесла состоит из набора гладких дисков с форсунками, направляющими газ к краю диска. Газы вращают диск с помощью вязкости и адгезии пограничного слоя. При движении газ замедляется и передаёт энергию дискам, вращаясь по спирали. Так как ротор не имеет никаких выступов, он достаточно прочен.

Эффективность и расчёты

Во время жизни Теслы эффективность традиционных турбин была очень низкой, так как не была построена аэродинамическая теория, необходимая для создания эффективных лопаток, а низкое качество материалов для лопаток накладывало серьезные ограничения на рабочие скорости и температуры. Эффективность традиционной турбины связана к разностью давлений на входе и выходе. Для достижения более высокой разности давлений используются очень горячие жидкости, такие как перегретый пар, поэтому для достижения более высокой эффективности необходимы высокотемпературные материалы. Если турбина использует газ, который при комнатной температуре становится жидкостью, то можно на выходе использовать конденсатор, чтобы увеличить разность давлений.

Дизайн турбины Тесла не имеет лопаток и связанных с ними проблем. Но он имеет другие проблемы, такие как накладные потери и ограничения потока. Некоторые преимущества турбины Тесла заключаются в относительно низкой скорости потока. Диски должны быть очень тонкими по краям, чтобы не создавать турбулентность в проходящей жидкости. Это приводит к необходимости увеличения числа дисков при увеличении скорости потока. Максимальная эффективность этой системы достигается, когда междисковое расстояние приблизительно равно толщине пограничного слоя. А поскольку толщина пограничного слоя зависит от вязкости и давления, утверждение, что один и тот же дизайн турбины может эффективно использоваться для различных видов топлива и жидкостей, является некорректным. Турбина Тесла отличается от традиционной турбины только в механизме передачи энергии на вал. Различные исследования показывают, что для поддержания высокой эффективности скорость потока между дисками должна поддерживаться на относительно низком уровне. Эффективность турбины Тесла падает с повышением скорости потока. При слабом потоке спираль прохождения жидкости от входа в турбину к выходу является сжатой, т.е. имеющей много вращений. При сильном потоке число оборотов спирали падает и она становится короче. Это увеличивает накладные потери и снижает эффективность, потому что газ меньше контактирует с дисками, а значит передает меньше энергии.

Эффективность — это функция выходной мощности. Небольшой поток (нагрузка) дает высокую эффективность, а сильный поток увеличивает потери в турбине и снижает эффективность, однако это характерно не только для турбины Тесла.

Турбинная эффективность (КПД) газовой турбины Тесла составляет выше 60% и достигает более 95%. Но не стоит путать турбинную эффективность с эффективностью двигателя, который использует данную турбину. Осевые турбины, которые сейчас используются в паровых установках и реактивных двигателях, имеют эффективность около 60-70%. Это отличается от эффективности завода или двигателя, которые достигают 25-42% и ограничены быть ниже эффективности цикла Карно. Тесла утверждал, что паровая версия его турбины может достигать эффективности около 95%.^[4][5] Натурные испытания паровой турбины Тесла на заводах Westinghouse показали паровую мощность в 38 фунтов на лошадиную силу в час, соответствующую эффективности турбины в диапазоне 20%, тогда как современные паровые турбины имеют турбинную эффективность свыше 50%. Методика и аппаратура для движения жидкости и термодинамического преобразования энергии были раскрыты в различных патентах.

В 1950-х годах Уоррен Райс попытался повторить эксперименты Тесла, но он проводил их не на турбине, построенной в строгом соответствии с запатентованным дизайном Тесла (среди прочего она не представляла собой многодисковую турбину Тесла и не имела сопло Тесла).^[6] Райс экспериментировал с однодисковой воздушной системой. Тестируемая турбина Райса показала эффективность 36-41% при использовании одного диска.^[6] 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 был опубликован в 1991 году под названием «Турбомашина Тесла».^[7] В статье сказано:

Современная многоступенчатая лопастная турбина обычно достигают 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.^[8]

Примечания