Turbina tesla

Turbina Tesla en el Museo Nikola Tesla

La turbina Tesla es una turbina de flujo centrípeto sin álabes patentada por Nikola Tesla en 1913. Se la conoce como "turbina sin álabes".

La turbina Tesla, también conocida como turbina de capa límite, turbina de tipo cohesión y turbina de capa Prandtl (después de Ludwig Prandtl) porque utiliza el efecto de capa límite y no un fluido que incide sobre las palas como ocurre con una turbina convencional. Los investigadores de bioingeniería se han referido a ella como una bomba centrífuga de discos múltiples.

Uno de los deseos de Tesla para la implementación de esta turbina era para la energía geotérmica, que se describió en Nuestra futura fuerza motriz.

Teoría

En la bomba, la presión radial o estática, debido a la fuerza centrífuga, se añade a la fuerza tangencial o dinámica (presión), aumentando así la cabeza efectiva y ayudando a la expulsión del fluido. En el motor, por el contrario, la primera presión nombrada, en oposición a la del suministro, reduce la cabeza efectiva y la velocidad del flujo radial hacia el centro. De nuevo, la máquina propulsada un gran par es siempre deseable, lo que exige un mayor número de discos y menor distancia de separación, mientras que en la máquina propulsiva, por numerosas razones económicas, el esfuerzo rotatorio debe ser el más pequeño y la velocidad más posible.

—Nikola Tesla

En las turbinas de vapor estándar, el vapor tiene que presionar las palas para que el rotor extraiga energía de la velocidad del vapor, debido a la diferencia entre la velocidad relativa del vapor y las palas. En la turbina de vapor con álabes, los álabes deben orientarse cuidadosamente en el régimen de velocidad óptimo del trabajo de la turbina, para minimizar el ángulo de ataque del vapor al área de la superficie del álabe. En sus palabras, en el régimen óptimo, la orientación de las palas intenta minimizar el ángulo (paso de las palas) con el que el vapor golpea su superficie, para crear un flujo de vapor suave, para tratar de minimizar la turbulencia. Estos remolinos se crean en reacción al impacto del vapor (aunque el ángulo minimizado en la velocidad óptima de la turbina) la superficie de las palas. En esta dinámica, los primeros remolinos pierden la energía útil que se puede extraer del sistema, y los segundos, al estar en direcciones opuestas, restan energía al flujo de vapor entrante.

En la turbina de Tesla, teniendo en cuenta que no hay palas que impactar, la mecánica de las fuerzas de reacción es diferente. La fuerza de reacción, a la presión del cabezal de vapor, en realidad se acumula, con relativa rapidez, como una "cinturón" de presión de vapor. a lo largo de la periferia de la turbina. Esa correa es más densa y presurizada en la periferia, ya que su presión, cuando el rotor no está bajo carga, no será mucho menor que la presión del vapor (entrante). En un modo operativo normal, esa presión periférica, como señaló Tesla, juega un papel de BEMF (Fuerza electromotriz inversa), limitando el flujo de la corriente entrante y, de esta manera, se puede decir que la turbina de Tesla es autónoma. Cuando el rotor no está bajo carga, las velocidades relativas entre las "espirales de vapor comprimido" (SCS, el vapor que gira en espiral entre los discos) y los discos son mínimos.

Cuando se aplica una carga en el eje de la turbina Tesla, se ralentiza, es decir, la velocidad relativa de los discos con respecto al fluido (en movimiento) aumenta a medida que el fluido, al menos inicialmente, conserva su momento angular. Por ejemplo, en un radio de 10 cm (3,9 pulgadas) donde a 9000 RPM las velocidades de los discos periféricos son de 90 m/s (300 pies/s), cuando no hay carga en el rotor, los discos se mueven aproximadamente a la misma velocidad que el fluido, pero cuando se carga el rotor, la diferencia de velocidad relativa (entre el SCS y los discos de metal) aumenta y la velocidad del rotor de 45 m/s (150 pies/s) tiene una velocidad relativa de 45 m/s con respecto al SCS. Este es un entorno dinámico, y estas velocidades alcanzan estos valores a lo largo del tiempo y no instantáneamente. Aquí debemos notar que los fluidos comienzan a comportarse como cuerpos sólidos a altas velocidades relativas, y en el caso de TT, también debemos tener en cuenta la presión adicional. Según la literatura antigua sobre calderas de vapor, se dice que el vapor a alta velocidad, procedente de una fuente de alta presión, corta el acero como un "cuchillo corta mantequilla". Según la lógica, esta presión y velocidad relativa hacia las caras de los discos, el vapor debería comenzar a comportarse como un cuerpo sólido (SCS) arrastrándose sobre las superficies metálicas del disco. La "fricción" creada solo puede conducir a la generación de calor adicional directamente en el disco y en SCS y será más pronunciado en la capa periférica, donde la velocidad relativa entre los discos de metal y los discos SCS es más alta. Este aumento de la temperatura, debido al rozamiento entre los discos del SCS y los discos de la turbina, se traducirá en un aumento de la temperatura del SCS, y eso conducirá a la expansión del vapor del SCS y al aumento de la presión tanto perpendicular a los discos metálicos como radialmente. en el eje de rotación (SCS tratando de expandirse, para absorber energía térmica adicional), por lo que este modelo dinámico de fluidos parece ser una retroalimentación positiva para transmitir un 'arrastre' más fuerte. sobre los discos metálicos y, en consecuencia, aumentando el par en el eje de rotación.

Diseño

View of Tesla turbine system

Vista de Tesla turbina diseño sin cuchillas

La idea rectora para desarrollar la turbina Tesla es el hecho de que para lograr la mayor eficiencia, los cambios en la velocidad y la dirección del movimiento del fluido deben ser lo más graduales posible. Por lo tanto, el fluido propulsor de la turbina Tesla se mueve en caminos naturales o líneas de corriente de menor resistencia.

Una turbina Tesla consta de un conjunto de discos lisos, con boquillas que aplican un fluido en movimiento al borde del disco. El fluido se arrastra sobre el disco a través de la viscosidad y la adherencia de la capa superficial del fluido. A medida que el fluido se ralentiza y agrega energía a los discos, gira en espiral hacia el escape central. Dado que el rotor no tiene proyecciones, es muy resistente.

Tesla escribió: "Esta turbina es un motor primario de arranque automático eficiente que puede operarse como una turbina de vapor o de fluido mixto a voluntad, sin cambios en la construcción y, por lo tanto, es muy conveniente. Se sugerirán desviaciones menores de la turbina, según lo dicten las circunstancias de cada caso, pero si se lleva a cabo de acuerdo con estas líneas generales, será muy rentable para los propietarios de la planta de vapor al tiempo que permite el uso de su antigua instalación. Sin embargo, los mejores resultados económicos en el desarrollo de energía a partir de vapor por parte de la turbina Tesla se obtendrán en plantas especialmente adaptadas para tal fin."

Originalmente se propusieron discos de rotor lisos, pero daban un par de arranque deficiente. Posteriormente, Tesla descubrió que los discos de rotor lisos con arandelas pequeñas que unen los discos en alrededor de 12 a 24 lugares alrededor del perímetro de un disco de 10″ y un segundo anillo de 6 a 12 arandelas en un subdiámetro lograron una mejora significativa en el par de arranque sin comprometer la eficiencia.

Eficiencia y cálculos

Pruebas de una turbina Tesla

En la época de Tesla, la eficiencia de las turbinas convencionales era baja porque las turbinas usaban un sistema de transmisión directa que limitaba severamente la velocidad potencial de una turbina a lo que sea que estuviera impulsando. En el momento de su introducción, las turbinas de los barcos modernos eran enormes e incluían docenas o incluso cientos de etapas de turbinas, pero producían una eficiencia extremadamente baja debido a su baja velocidad. Por ejemplo, la turbina de Olympic y Titanic pesaba más de 400 toneladas, funcionaba a solo 165 rpm y usaba vapor a una presión de solo 6 psi. Esto lo limitó a recolectar vapor residual de las principales plantas de energía, un par de motores de vapor alternativos. La turbina de Tesla también podía funcionar con gases a mayor temperatura que las turbinas de palas de la época, lo que contribuía a su mayor eficiencia. Eventualmente, las turbinas axiales recibieron engranajes para permitirles operar a velocidades más altas, pero la eficiencia de las turbinas axiales permaneció muy baja en comparación con la turbina Tesla.

Con el paso del tiempo, la competencia por las turbinas axiales se volvió mucho más eficiente y potente, y la segunda etapa de engranajes reductores se introdujo en la mayoría de los buques de guerra estadounidenses de vanguardia de la década de 1930. La mejora en la tecnología de vapor dio a los portaaviones de la Marina de los EE. UU. una clara ventaja en velocidad sobre los portaaviones aliados y enemigos, por lo que las turbinas de vapor axial probadas se convirtieron en la forma preferida de propulsión hasta que tuvo lugar la crisis del petróleo de 1973. Condujo a la mayoría de las nuevas embarcaciones civiles a utilizar motores diesel. Las turbinas de vapor axiales aún no habían superado el 50% de eficiencia en ese momento, por lo que los barcos civiles optaron por utilizar motores diésel debido a su eficiencia superior. En ese momento, la turbina Tesla de eficiencia comparable tenía más de 60 años.

El diseño de Tesla intentó eludir los principales inconvenientes de las turbinas axiales de palas, e incluso las estimaciones más bajas de eficiencia superaron considerablemente la eficiencia de las turbinas de vapor axiales de la época. Sin embargo, en las pruebas con motores más modernos, la turbina Tesla tuvo eficiencias de expansión muy por debajo de las turbinas de vapor contemporáneas y muy por debajo de las máquinas de vapor alternativas contemporáneas. Sufre de otros problemas, como pérdidas por cizallamiento y restricciones de flujo, pero esto se compensa parcialmente con la reducción relativamente masiva de peso y volumen. Algunas de las ventajas de la turbina de Tesla radican en aplicaciones de caudal relativamente bajo o cuando se requieren aplicaciones pequeñas. Los discos deben ser lo más delgados posible en los bordes para no introducir turbulencias cuando el fluido sale de los discos. Esto se traduce en la necesidad de aumentar el número de discos a medida que aumenta el caudal. La máxima eficiencia viene en este sistema cuando el espacio entre discos se aproxima al espesor de la capa límite, y dado que el espesor de la capa límite depende de la viscosidad y la presión, la afirmación de que un solo diseño se puede usar de manera eficiente para una variedad de combustibles y fluidos es incorrecto. Una turbina Tesla se diferencia de una turbina convencional solo en el mecanismo utilizado para transferir energía al eje. Varios análisis demuestran que el caudal entre los discos debe mantenerse relativamente bajo para mantener la eficiencia. Según se informa, la eficiencia de la turbina Tesla cae con el aumento de la carga. Bajo una carga ligera, la espiral que toma el fluido que se mueve desde la admisión hasta el escape es una espiral apretada que sufre muchas rotaciones. Bajo carga, el número de rotaciones cae y la espiral se acorta progresivamente. Esto aumentará las pérdidas por cizallamiento y también reducirá la eficiencia porque el gas está en contacto con los discos por menos distancia.

Un hombre con una turbina de Tesla

La eficiencia de la turbina (definida como la relación entre el cambio de entalpía ideal y la entalpía real para el mismo cambio de presión) de la turbina de gas Tesla se estima en más del 60 %. La eficiencia de la turbina es diferente de la eficiencia del ciclo del motor que usa la turbina. Las turbinas axiales que operan hoy en plantas de vapor o motores a reacción tienen eficiencias superiores al 90%. Esto es diferente a las eficiencias de ciclo de la planta o motor, que están entre aproximadamente 25% y 42%, y están limitadas por cualquier irreversibilidad a estar por debajo de la eficiencia del ciclo de Carnot. Tesla afirmó que una versión de vapor de su dispositivo lograría una eficiencia de alrededor del 95%. La eficiencia termodinámica es una medida de qué tan bien funciona en comparación con un caso isoentrópico. Es la relación entre la entrada/salida de trabajo ideal y la real.

En la década de 1950, Warren Rice intentó recrear los experimentos de Tesla, pero no realizó estas primeras pruebas en una bomba construida siguiendo estrictamente el diseño patentado de Tesla (entre otras cosas, era no era una turbina de etapas múltiples de Tesla ni poseía la boquilla de Tesla). El fluido de trabajo del sistema experimental de una sola etapa de Rice era el aire. Las turbinas de prueba de Rice, tal como se publicaron en los primeros informes, produjeron una eficiencia medida general de 36 a 41 % para una etapa única. Se esperaría una mayor eficiencia si se diseñara como propuso originalmente Tesla.

En su trabajo final con la turbina Tesla y publicado justo antes de jubilarse, Rice llevó a cabo un análisis de parámetros masivos del modelo de flujo laminar en turbinas de discos múltiples. En 1991 se publicó una afirmación muy alta sobre la eficiencia del rotor (a diferencia de la eficiencia general del dispositivo) para este diseño, titulada "Tesla Turbomachinery". Este documento dice:

Con el uso adecuado de los resultados analíticos, la eficiencia del rotor mediante el flujo laminar puede ser muy alta, incluso por encima del 95%. Sin embargo, para lograr una alta eficiencia del rotor, el número de caudales debe ser reducido, lo que significa una alta eficiencia del rotor se logra a expensas de utilizar un gran número de discos y por lo tanto un rotor físicamente mayor. Para cada valor del número de caudal hay un valor óptimo del número Reynolds para la máxima eficiencia. Con fluidos comunes, el espaciado de disco requerido es desmestralmente pequeño causando [los rotores usando] flujo laminar para tienden a ser grandes y pesados para una tasa de flujo prescrito.

Se han realizado amplias investigaciones de bombas líquidas tipo Tesla utilizando rotores de flujo laminar. Se encontró que la eficiencia total de la bomba era baja incluso cuando la eficiencia del rotor era alta debido a las pérdidas que ocurrían en la entrada del rotor y la salida antes mencionada.

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Las turbinas de álabes de etapas múltiples modernas suelen alcanzar una eficiencia del 60 al 70 %, mientras que las grandes turbinas de vapor a menudo muestran una eficiencia de turbina de más del 90 % en la práctica. También se esperaría que las máquinas tipo Tesla con rotor de voluta de tamaño razonable con fluidos comunes (vapor, gas y agua) muestren eficiencias cercanas al 60-70% y posiblemente más altas.

Aplicaciones

Una turbina Tesla con la parte superior

Las patentes de Tesla establecen que el dispositivo estaba diseñado para el uso de fluidos como agentes motores, a diferencia de la propulsión o compresión de fluidos (aunque también se puede usar para esos fines). A partir de 2016, la turbina Tesla no ha tenido un uso comercial generalizado. La bomba Tesla, sin embargo, ha estado disponible comercialmente desde 1982 y se usa para bombear fluidos que son abrasivos, viscosos, sensibles al corte, que contienen sólidos o que son difíciles de manejar con otras bombas. El propio Tesla no consiguió un gran contrato de producción. La principal desventaja fue el escaso conocimiento de las características y comportamientos de los materiales a altas temperaturas. Ni la mejor metalurgia de la época pudo evitar que los discos de la turbina se movieran y se deformaran de forma inaceptable durante el funcionamiento.

Se han realizado muchos experimentos de aficionados utilizando turbinas Tesla con aire comprimido o vapor como fuente de energía (el vapor se genera con el calor de la combustión del combustible o la radiación solar). La deformación del disco se ha mejorado mediante el uso de nuevos materiales como la fibra de carbono.

Una aplicación propuesta para el dispositivo es una bomba de residuos, en fábricas y molinos donde las bombas de turbina de paletas normales suelen ensuciarse.

Las aplicaciones de la turbina Tesla como una bomba de sangre centrífuga de discos múltiples han arrojado resultados prometedores debido a la baja fuerza de cizallamiento máxima.
La investigación de ingeniería biomédica en tales aplicaciones ha continuado en el siglo XXI.

El dispositivo funciona como una bomba si se utiliza un conjunto similar de discos y una carcasa con forma envolvente (en lugar de circular para la turbina). En esta configuración, un motor está unido al eje. El fluido entra cerca del centro, es energizado por los discos y luego sale por la periferia. La turbina de Tesla no utiliza la fricción en el sentido convencional; precisamente, lo evita y utiliza en su lugar la adhesión (el efecto Coandă) y la viscosidad. Utiliza el efecto de capa límite en las hojas del disco.