Pedeorelha | Hoe de Tesla-turbine werkt

Vova Krasen
0
2599
103

Een jongen kijkt naar een radiografisch bestuurbare boot in de stad Smiljan, Kroatië, de geboorteplaats van Nikola Tesla. Vlakbij is een bladloze waterradturbine van Tesla's ontwerp. Hetzelfde principe drijft zijn beroemde turbinemotor aan. Hrvoje Polan / AFP / Getty Images

De meeste mensen kennen Nikola Tesla, de excentrieke en briljante man die in 1884 in New York City aankwam, als de vader van wisselstroom, de vorm van elektriciteit die bijna alle huizen en bedrijven van stroom voorziet. Maar Tesla was een wonderbaarlijke uitvinder die zijn genialiteit toepaste op een breed scala aan praktische problemen. Alles bij elkaar had hij 272 patenten in 25 landen, met 112 patenten alleen al in de Verenigde Staten. Je zou kunnen denken dat Tesla, van al dit werk, zijn uitvindingen in de elektrotechniek - die een compleet systeem van generatoren, transformatoren, transmissielijnen, motor en verlichting beschreven - zou hebben gehouden. Maar in 1913 ontving Tesla een patent voor wat hij beschreef als zijn belangrijkste uitvinding. Die uitvinding was een turbine, tegenwoordig bekend als de Tesla-turbine, de grenslaagturbine of de flat-disk turbine.

Interessant genoeg lijkt het gebruik van het woord "turbine" om Tesla's uitvinding te beschrijven een beetje misleidend. Dat komt omdat de meeste mensen denken aan een turbine als een as waaraan bladen - zoals ventilatorbladen - zijn bevestigd. In feite definieert het woordenboek van Webster een turbine als een motor die wordt aangedreven door de kracht van gas of water op ventilatorbladen. Maar de Tesla-turbine heeft geen bladen. Het heeft een reeks dicht opeengepakte parallelle schijven die aan een as zijn bevestigd en in een afgesloten kamer zijn gerangschikt. Wanneer een vloeistof de kamer binnenkomt en tussen de schijven passeert, draaien de schijven, wat op zijn beurt de as draait. Deze roterende beweging kan op verschillende manieren worden gebruikt, van het aandrijven van pompen, ventilatoren en compressoren tot het laten rijden van auto's en vliegtuigen. Tesla beweerde zelfs dat de turbine de meest efficiënte en eenvoudigste rotatiemotor ooit was.

Als dit waar is, waarom wordt de Tesla-turbine dan niet vaker gebruikt? Waarom is het niet zo alomtegenwoordig geworden als Tesla's andere meesterwerk, wisselstroomoverdracht? Dit zijn belangrijke vragen, maar ze zijn ondergeschikt aan meer fundamentele vragen, zoals hoe werkt de Tesla-turbine en wat maakt de technologie zo innovatief? We zullen al deze vragen op de volgende pagina's beantwoorden. Maar eerst moeten we enkele basisprincipes herzien van de verschillende soorten motoren die in de loop der jaren zijn ontwikkeld. Op de volgende pagina krijgen we een beter idee van het specifieke probleem dat Tesla hoopte op te lossen met zijn nieuwe uitvinding.

Inhoud

De Tesla-turbinemotor
Delen van de Tesla-turbine
Tesla Turbine Operation
Belemmeringen voor de commercialisering van Tesla Turbine
De toekomst van de Tesla-turbine

Windturbines, zoals deze in Palm Springs, Californië, zijn voorbeelden van andere turbines die worden gebruikt om elektriciteit op te wekken. In tegenstelling tot het model van Tesla zijn dit turbines met bladen. David McNew / Getty Images

De taak van elke motor is om energie uit een brandstofbron om te zetten in mechanische energie. Of de natuurlijke bron nu lucht, bewegend water, steenkool of aardolie is, de ingevoerde energie is een vloeistof. En met vloeistof bedoelen we iets heel specifieks - het is elke substantie die onder een uitgeoefende spanning stroomt. Zowel gassen als vloeistoffen zijn daarom vloeistoffen, wat kan worden geïllustreerd door water. Wat een ingenieur betreft, functioneren vloeibaar water en gasvormig water of stoom als een vloeistof.

Aan het begin van de 20e eeuw waren twee soorten motoren gebruikelijk: turbines met bladen, aangedreven door bewegend water of stoom gegenereerd uit verwarmd water, en zuigermotoren, aangedreven door gassen die vrijkwamen tijdens de verbranding van benzine. De eerste is een soort rotatiemotor, de laatste een soort zuigermotor. Beide typen motoren waren ingewikkelde machines die moeilijk en tijdrovend waren om te bouwen.

Beschouw een zuiger als voorbeeld. Een zuiger is een cilindrisch stuk metaal dat op en neer beweegt, meestal in een andere cilinder. Naast de zuigers en cilinders zelf, omvatten andere delen van de motor kleppen, nokken, lagers, pakkingen en ringen. Elk van deze onderdelen vertegenwoordigt een kans op mislukking. En samen dragen ze bij aan het gewicht en de inefficiëntie van de motor als geheel.

Turbines met bladen hadden minder bewegende delen, maar ze presenteerden hun eigen problemen. De meeste waren enorme machines met zeer nauwe toleranties. Als ze niet goed zijn gebouwd, kunnen de messen breken of barsten. In feite was het een observatie op een scheepswerf die Tesla inspireerde om iets beters te bedenken: 'Ik herinnerde me de bushels van gebroken bladen die werden verzameld uit de turbinebuizen van het eerste met turbine uitgeruste stoomschip dat de oceaan overstak, en realiseerde me dat het belang van deze [nieuwe motor] "[bron: The New York City Herald Tribune].

Tesla's nieuwe motor was een bladloze turbine, die nog steeds een vloeistof zou gebruiken als het voertuig van energie, maar die veel efficiënter zou zijn in het omzetten van de vloeibare energie in beweging. In tegenstelling tot wat vaak wordt gedacht, heeft hij de bladloze turbine niet uitgevonden, maar hij nam het basisconcept, voor het eerst gepatenteerd in Europa in 1832, en bracht verschillende verbeteringen aan. Hij verfijnde het idee in een tijdsbestek van bijna een decennium en ontving eigenlijk drie patenten met betrekking tot de machine:

Patentnummer 1.061.142, "Fluid Propulsion," ingediend op 21 oktober 1909 en gepatenteerd op 6 mei 1913
Patentnummer 1,061,206, "Turbine", ingediend op 17 januari 1911 en gepatenteerd op 6 mei 1913
Patentnummer 1.329.559, "Valvular Conduit," ingediend op 21 februari 1916, verlengd op 18 juli 1919 en gepatenteerd op 3 februari 1920

In het eerste patent introduceerde Tesla zijn basisontwerp zonder blad, geconfigureerd als een pomp of compressor. In het tweede patent paste Tesla het basisontwerp aan zodat het als een turbine zou werken. En tot slot, met het derde octrooi, bracht hij de nodige wijzigingen aan om de turbine als interne verbrandingsmotor te laten werken.

Het fundamentele ontwerp van de machine is hetzelfde, ongeacht de configuratie. In de volgende sectie zullen we dat ontwerp nader bekijken.

Vergeleken met een zuiger- of stoommachine is de Tesla-turbine de eenvoud zelve. Tesla beschreef het zelfs op deze manier in een interview dat op 15 oktober 1911 in de New York Herald Tribune verscheen: "Het enige wat je nodig hebt, zijn enkele schijven die op een as zijn gemonteerd, op een kleine afstand van elkaar zijn geplaatst en zo zijn ingekapseld dat de vloeistof kan op het ene punt binnengaan en op het andere weer uitgaan. Dit is duidelijk een oversimplificatie, maar niet zozeer. Laten we de twee basisonderdelen van de turbine - de rotor en de stator - in meer detail bekijken.

De rotor

In een traditionele turbine is de rotor een as met daaraan bevestigde bladen. De Tesla-turbine rekent af met de bladen en gebruikt in plaats daarvan een reeks schijven. De grootte en het aantal schijven kan variëren op basis van factoren die verband houden met een bepaalde toepassing. Tesla's octrooipapieren definiëren geen specifiek aantal, maar gebruikt een meer algemene beschrijving, waarbij wordt gezegd dat de rotor een "veelvoud" van schijven met een "geschikte diameter" moet bevatten. Zoals we later zullen zien, heeft Tesla zelf behoorlijk wat geëxperimenteerd met de grootte en het aantal schijven.

Elke schijf is gemaakt met openingen rond de as. Deze openingen fungeren als uitlaatpoorten waardoor de vloeistof naar buiten komt. Om ervoor te zorgen dat de vloeistof vrij tussen de schijven kan passeren, worden metalen ringen gebruikt als verdelers. Nogmaals, de dikte van een ring is niet stevig ingesteld, hoewel de tussenliggende ruimtes meestal niet groter zijn dan 2 tot 3 millimeter.

Een moer met schroefdraad houdt de schijven op hun plaats op de as, het laatste stuk van het rotorsamenstel. Omdat de schijven op de as zijn vastgezet, wordt hun rotatie overgebracht op de as.

De stator

Het rotorsamenstel is ondergebracht in een cilindrische stator, of het stationaire deel van de turbine. Om plaats te bieden aan de rotor, moet de diameter van de binnenkamer van de cilinder iets groter zijn dan de rotorschijven zelf. Elk uiteinde van de stator bevat een lager voor de as. De stator bevat ook een of twee inlaten, waarin mondstukken worden gestoken. Tesla's oorspronkelijke ontwerp vereiste twee inlaten, waardoor de turbine met de klok mee of tegen de klok in kon draaien.

Dit is het basisontwerp. Om de turbine te laten draaien, stroomt een hogedrukvloeistof de spuitmonden bij de statorinlaten binnen. De vloeistof passeert tussen de rotorschijven en zorgt ervoor dat de rotor gaat draaien. Uiteindelijk komt de vloeistof naar buiten via de uitlaatpoorten in het midden van de turbine.

Een van de geweldige dingen aan de Tesla-turbine is de eenvoud. Het kan worden gebouwd met direct beschikbare materialen en de afstand tussen schijven hoeft niet nauwkeurig te worden gecontroleerd. Het is zelfs zo eenvoudig te bouwen dat verschillende reguliere tijdschriften volledige montage-instructies bevatten met behulp van huishoudelijke materialen. In het nummer van Popular Science van september 1955 stond een stappenplan voor het bouwen van een ventilator met een Tesla-turbineontwerp van karton.!

Maar hoe genereert een reeks schijven precies de roterende beweging die we van een turbine gewend zijn? Dat is de vraag die we in de volgende sectie zullen behandelen.

Je vraagt je misschien af hoe de energie van een vloeistof ervoor kan zorgen dat een metalen schijf gaat draaien. Immers, als een schijf perfect glad is en geen bladen, schoepen of emmers heeft om de vloeistof "op te vangen", suggereert logica dat de vloeistof gewoon over de schijf zal stromen, waardoor de schijf onbeweeglijk blijft. Dit is natuurlijk niet wat er gebeurt. Niet alleen draait de rotor van een Tesla-turbine, hij draait ook snel.

-De reden hiervoor is te vinden in twee fundamentele eigenschappen van alle vloeistoffen: adhesie en viscositeit. Hechting is de neiging van ongelijke moleculen om aan elkaar te hechten als gevolg van aantrekkingskrachten. Viscositeit is de weerstand van een stof om te stromen. Deze twee eigenschappen werken samen in de Tesla-turbine om energie over te brengen van de vloeistof naar de rotor of vice versa. Hier is hoe:

Terwijl de vloeistof langs elke schijf beweegt, zorgen adhesiekrachten ervoor dat de vloeistofmoleculen net boven het metalen oppervlak vertragen en blijven plakken.
De moleculen net boven die aan het oppervlak vertragen wanneer ze botsen met de moleculen die aan het oppervlak kleven.
Deze moleculen vertragen op hun beurt de stroom net boven hen.
Hoe verder men zich van het oppervlak verwijdert, hoe minder botsingen door het objectoppervlak worden beïnvloed.
Tegelijkertijd zorgen viskeuze krachten ervoor dat de moleculen van de vloeistof scheiding weerstaan.
Dit genereert een trekkracht die op de schijf wordt overgebracht, waardoor de schijf in de richting van de vloeistof beweegt.

De dunne laag vloeistof die op deze manier in wisselwerking staat met het schijfoppervlak wordt de grenslaag, en de interactie van de vloeistof met het vaste oppervlak wordt de grenslaag effect. Als resultaat van dit effect volgt het voortstuwingsfluïdum een snel versnelde spiraalvormige baan langs de schijfvlakken totdat het een geschikte uitgang bereikt. Omdat het fluïdum zich in natuurlijke paden met de minste weerstand beweegt, vrij van de beperkingen en storende krachten veroorzaakt door schoepen of bladen, ervaart het geleidelijke veranderingen in snelheid en richting. Dit betekent dat er meer energie aan de turbine wordt geleverd. Tesla claimde inderdaad een turbine-efficiëntie van 95 procent, veel hoger dan andere turbines van die tijd.

Maar zoals we in de volgende sectie zullen zien, is de theoretische efficiëntie van de Tesla-turbine niet zo gemakkelijk te realiseren in productiemodellen.

De grenslaag: het is een echte belemmering

Het grenslaageffect legt ook uit hoe weerstand wordt gecreëerd op een vliegtuigvleugel. Lucht die over de vleugel beweegt, gedraagt zich als een vloeistof, wat betekent dat luchtmoleculen zowel adhesieve als stroperige krachten bezitten. Terwijl lucht aan het vleugeloppervlak kleeft, produceert het een kracht die de voorwaartse beweging van het vliegtuig weerstaat.

Nikola Tesla Mansell / Time Life Pictures / Getty Images

Tesla, evenals vele hedendaagse wetenschappers en industriëlen, geloofden dat zijn nieuwe turbine revolutionair was op basis van een aantal attributen. Het was klein en gemakkelijk te vervaardigen. Het had maar één bewegend onderdeel. En het was omkeerbaar.

Om deze voordelen aan te tonen, liet Tesla verschillende machines bouwen. Juilus C. Czito, de zoon van Tesla's oude machinist, heeft verschillende versies gebouwd. De eerste, gebouwd in 1906, had acht schijven met een diameter van elk 15,2 centimeter. De machine woog minder dan 10 pond (4,5 kilogram) en ontwikkelde 30 pk. Het onthulde ook een tekortkoming die de voortdurende ontwikkeling van de machine moeilijk zou maken. De rotor bereikte zulke hoge snelheden - 35.000 omwentelingen per minuut (tpm) - dat de metalen schijven aanzienlijk werden uitgerekt, waardoor de efficiëntie werd belemmerd.

In 1910 bouwden Czito en Tesla een groter model met schijven met een diameter van 12 inch (30,5 centimeter). Het draaide met 10.000 tpm en ontwikkelde 100 pk. Toen, in 1911, bouwde het paar een model met schijven met een diameter van 9,75 inch (24,8 centimeter). Dit verminderde het toerental tot 9.000 tpm, maar verhoogde het vermogen tot 110 pk.

Gesterkt door deze successen op kleine schaal, bouwde Tesla een grotere dubbele eenheid, die hij van plan was om met stoom te testen in de belangrijkste krachtpatser van de New York Edison Company. Elke turbine had een rotorlagerschijven met een diameter van 18 inch (45,7 centimeter). De twee turbines zijn in een rij op een enkele basis geplaatst. Tijdens de test kon Tesla 9.000 tpm halen en 200 pk genereren. Sommige ingenieurs die bij de test aanwezig waren, trouw aan Edison, beweerden echter dat de turbine een storing was op basis van een misverstand over hoe het koppel in de nieuwe machine moest worden gemeten. Deze slechte pers, gecombineerd met het feit dat de grote elektriciteitsbedrijven al zwaar hadden geïnvesteerd in turbines met bladen, maakte het voor Tesla moeilijk om investeerders aan te trekken.

In de laatste poging van Tesla om zijn uitvinding op de markt te brengen, haalde hij de Allis-Chalmers Manufacturing Company in Milwaukee over om drie turbines te bouwen. Twee hadden 20 schijven met een diameter van 18 inch en ontwikkelden snelheden van respectievelijk 12.000 en 10.000 tpm. De derde had 15 schijven met een diameter van 60 inch (1,5 meter) en was ontworpen om te werken bij 3600 tpm en 675 pk te genereren. Tijdens de tests maakten ingenieurs van Allis-Chalmers zich zorgen over zowel de mechanische efficiëntie van de turbines als hun vermogen om langdurig gebruik te doorstaan. Ze ontdekten dat de schijven in hoge mate waren vervormd en concludeerden dat de turbine uiteindelijk zou zijn mislukt.

Zelfs in de jaren zeventig hadden onderzoekers moeite om de resultaten van Tesla te repliceren. Warren Rice, een professor in engineering aan de Arizona State University, creëerde een versie van de Tesla-turbine die werkte met een efficiëntie van 41 procent. Sommigen voerden aan dat het model van Rice afweek van de exacte specificaties van Tesla. Maar Rice, een expert in vloeistofdynamica en de Tesla-turbine, voerde pas in de jaren negentig een literatuuronderzoek uit naar onderzoek en ontdekte dat geen enkele moderne versie van Tesla's uitvinding de efficiëntie van 30 tot 40 procent overschreed..

Dit heeft vooral voorkomen dat de Tesla-turbine op grotere schaal werd gebruikt.

Zoals het Office of Naval Research in Washington, DC, duidelijk verklaarde: "De Parsons-turbine bestaat al een lange tijd met hele industrieën eromheen gebouwd en ondersteunend. Als de Tesla-turbine niet een orde van grootte superieur is, dan zou het geld in het rattenhol storten, want de industrie zal niet zo gemakkelijk omvergeworpen worden ... "[bron: Cheney].

Dus, waar blijft de Tesla-turbine vandaag? Zoals we in de volgende sectie zullen zien, richten ingenieurs en auto-ontwerpers hun aandacht opnieuw op deze 100 jaar oude technologie.

Tesla was altijd een visionair. Hij zag zijn bladloze turbine niet als een doel op zich, maar als een middel om een doel te bereiken. Zijn uiteindelijke doel was om de verbrandingsmotor met zuiger te vervangen door een veel efficiëntere, betrouwbaardere motor op basis van zijn technologie. De meest efficiënte verbrandingsmotoren met zuigers haalden niet meer dan 27 tot 28 procent efficiëntie bij het omzetten van brandstof naar werk. Zelfs bij een efficiëntie van 40 procent zag Tesla zijn turbine als een verbetering. Hij ontwierp zelfs, op papier, een motorwagen met turbines, waarvan hij beweerde dat deze zo efficiënt zou zijn dat hij door de Verenigde Staten zou kunnen rijden op een enkele tank benzine..

Tesla zag de auto nooit geproduceerd, maar hij zou vandaag verheugd kunnen zijn om te zien dat zijn revolutionaire turbine eindelijk wordt opgenomen in een nieuwe generatie schonere, efficiëntere voertuigen. Een bedrijf dat serieuze vooruitgang boekt, is Phoenix Navigation and Guidance Inc. (PNGinc), gevestigd in Munising, Michigan. PNGinc heeft schijfturbinetechnologie gecombineerd met een pulsontploffingsverbrandingsinrichting in een motor die volgens het bedrijf ongekende efficiëntiewinst oplevert. Er zijn 29 actieve schijven, elk 10 inch (25,4 centimeter) in diameter, ingeklemd tussen twee taps toelopende eindschijven. De motor genereert 18.000 tpm en 130 pk. Om de extreme centrifugale krachten die inherent zijn aan de turbine te overwinnen, gebruikt PNGinc een verscheidenheid aan geavanceerde materialen, zoals koolstofvezel, met titanium geïmpregneerd plastic en met Kevlar versterkte schijven.

Het is duidelijk dat deze sterkere, duurzamere materialen van cruciaal belang zijn als de Tesla-turbine enig commercieel succes zal hebben. Als er tijdens het leven van Tesla materialen als Kevlar beschikbaar waren geweest, was de kans groot dat de turbine vaker zou zijn gebruikt. Maar zoals vaak het geval was met het werk van de uitvinder, was de Tesla-turbine een machine die zijn tijd ver vooruit was.

Voor meer informatie over Tesla, elektriciteit en aanverwante onderwerpen, ga je bliksemsnel naar de volgende pagina.

Nikola Tesla's elektrische auto

Hoewel Tesla zijn turbine nooit in een auto heeft getest, heeft hij volgens sommigen in 1931 wel een elektrische auto ontwikkeld. De auto was een Pierce-Arrow, die was geconfigureerd met een 80 pk sterke elektromotor van 1800 tpm in plaats van een gas aangedreven motor. Volgens het verhaal heeft Tesla een mysterieuze zwarte doos samengesteld met vacuümbuizen, draden en weerstanden. Twee staven staken uit de doos. Toen de staven in de bak werden geduwd, kreeg de auto stroom. Tesla reed een week in de auto - tot snelheden van 90 mijl per uur (145 kilometer per uur). Helaas geloofden velen dat hij een onbekende en gevaarlijke natuurkracht had aangeboord. Anderen noemden hem voor gek. Woedend haalde hij de doos uit de auto, bracht hem terug naar zijn laboratorium en hij werd nooit meer gezien. Tot op de dag van vandaag blijven de fundamentele werkingsprincipes van Tesla's elektrische auto een mysterie.

Meer geweldige links

Tesla: Master of Lightning op PBS
De Nikola Tesla Museum-website
De Tesla Foundation of North America
Tesla Engine Builders Association
Disk Turbine / Pump artikelen, patenten en links

Bronnen

Allan, Sterling D. "Tesla Turbine: motor van de 21e eeuw?" Pure Energy Systems Nieuws. 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.
Disk Turbine / Pump artikelen, patenten en 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 Tesla's Disk Turbine" http://www.frank.germano.com/teslaturbine2.htm
Haast, John. "The Cool Scientist: Tesla's Turbine." Saipan Tribune. 13 mei 2005. http://www.saipantribune.com/newsstory.aspx?cat=9&newsID=47147
Laserturbinestroomsystemen. http://www.laserturbinepower.com/index.php?option=com_content&task=view&id=3&Itemid=68
"Nikola Tesla's 'Black Magic' Touring Car." EV Wereld. 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
Wereldboek 2005. "Tesla, Nikola."

Hoe de Tesla-turbine werkt

De rotor

De stator

Gerelateerde artikelen

Meer geweldige links

Bronnen