Нікола Тесла прибув до Нью-Йорка в 1884 році. Він був не просто батьком змінного струму. Це лише заголовок. Реальність набагато складніша. Він був генієм, який отримав 272 патенти у 25 країнах світу. 112 з них було видано лише у США. Можна було б очікувати, що він зберігатиме свої патенти на мережу змінного струму як зіницю ока. Але він не став цього робити. У 1913 році Тесла заявив, що його найважливішим винаходом було щось зовсім інше. Турбіна Тесла. Також відома як турбіна прикордонного шару або пласка дискова турбіна.
Назвіть її турбіною, якщо хочете. Технічно це вводить в оману. Стандартні турбіни мають лопаті. Подумайте про лопаті вентилятора. Вода чи газ впливають ними, щоб обертати вал. Конструкція Тесла не має лопатей. Вона використовує стос гладких паралельних дисків. Вони розташовані усередині герметичної камери. Рідина надходить у цю камеру. Вона протікає між дисками. Диски обертаються. Вал обертається.
Таке встановлення може призводити до дії насосів. Вона може приводити в дію дутьові машини. Вона може приводити до дії компресори. Тесла стверджував, що вона може навіть приводити в рух автомобілі та літаки. Він казав, що це найпростіший ротаційний двигун, коли-небудь створений. Він також стверджував, що він є найефективнішим. Якщо це правда, то сьогоднішній світ виглядав би інакше. Чому він не став повсюдним? Чому він не замінив змінний струм як його спадщину? Це найпростіші питання. Більш складні стосуються механіки. Як він насправді працює? Що зробило його таким інноваційним?
Щоб відповісти на ці запитання, нам потрібно звернутись до основ. Нам потрібно зрозуміти двигуни, які було створено раніше. Нам треба побачити, яку проблему намагався вирішити Тесла. У наступному розділі докладно розуміється сам двигун.
У двигунів одне завдання: перетворювати паливо на рух. Але перш ніж перейти до машини, яка могла змінити все, нам потрібно подивитися на те, що було до неї. А те, що було до неї, було важким. Складним. Схильний до поломок.
На зорі 1900-х років світ працював на двох типах енергії. Лопатеві турбіни. Поршневі двигуни. Обидва типи покладалися на рідини – рідини чи гази. води. Пар. Бензинові пари. Якщо щось текло, це можна було використати у роботі. Але обладнання, необхідне використання цього потоку, було кошмаром у плані виробництва.
Подумайте про стандартний поршень. Це металевий циліндр, що рухається вгору та вниз усередині іншого циліндра. Просто, правда? Неправильно. Вам потрібні клапани. Кулачки. Підшипники. Прокладки. Кільця. Кожна деталь – це потенційна точка відмови. Разом вони додають вагу. Вони створюють тертя. Вони витрачають енергію.
Лопатеві турбіни були трохи кращими за ефективністю, але гіршими за надійністю. Вони були потужними. Їхні допуски були мікроскопічними. Якщо ви не обробляли їх ідеально, лопаті тріскали. Або ламалися.
Історія про те, як Нікола Тесла вирішив цю проблему, починається на суднобудівній верфі.
«Я пам’ятав кошики зламаних лопатей, зібраних із корпусів турбін першого пароплава, що перетнув океан, і усвідомив важливість цього [нового двигуна].»
Це спостереження застрягло в голові. Він побачив марнотратство. Крихкість. Чисту неефективність спроб змусити високошвидкісний потік рідини штовхати жорсткі металеві лопаті.
Він хотів чогось плавнішого. Щось, що не покладалося на окремі лопаті, які б могли розбитися.
Міф про винахідника
Популярна історія любить зображати Теслу як самотнього генія, який вигадав безлопаткову турбіну з повітря. Це негаразд. Концепція вже існувала. Європейський патент було подано ще 1832 року.
Тесла не винайшов цієї ідеї. Він її доопрацював. Він витратив майже десять років на налаштування фізики, матеріалів та гідродинаміки потоку. Він запатентував не одну машину. Він запатентував три різні варіанти, кожен з яких спирався на попередній.
Ось хронологія інновацій:
- Патент 1,061,142: «Рідинний рух». Подано 21 жовтня 1909 року. Видано 6 травня 1913 року. То була базова модель. Конфігурація як насос або компресор.
- Патент 1,061,206: «Турбіна». Подано 17 січня 1911 року. Видано 6 травня 1913 року. Тесла перевернув конструкцію. Замість штовхати рідину, він дозволив рідині штовхати машину.
- Патент 1,329,559: “Клапанний канал”. Подано 21 лютого 1916 року. Видано 3 лютого 1920 року. Останній елемент. Модифікації для роботи турбіни як двигун внутрішнього згоряння.
Основна конструкція залишалася незмінною у всіх трьох випадках. Різниця полягала у застосуванні. Насоси. Турбін. Двигун.
Як насправді працює безлопатева конструкція
Якщо ви ніколи не бачили турбіну Тесли, ви, мабуть, уявите собі гладкий порожній циліндр. Це ближче до істини, ніж ви вважаєте.
Серце машини – це стос гладких паралельних дисків. Вони обертаються на центральному валу. Без лопатей. Без країв, за які можна зачепитися. Без точок напруги, які можуть тріснути під тиском.
Коли ви подаєте рідину – пару, газ, воду – вона потрапляє на поверхню цих дисків. У справу входить ефект прикордонного шару. Рідина прилипає до гладкого металу. В’язкість виконує основну роботу. Тертя між рідиною та поверхнею диска тягне диск за собою.
Не магія. Це гідродинаміка. Але це ефективно.
Чому це важливо для сучасного ентузіаста? Тому що це усуває зворотно-поступальний рух, який мучить поршневі двигуни. Жодного руху вгору-вниз. Жодних циклів згоряння, що борються з механічною інерцією. Тільки обертання.
Тесла довів, що можна досягати високих обертів без вібрації, що руйнує традиційні двигуни. Він довів, що можна працювати майже на будь-якому джерелі рідини. Пар. Гази згоряння. Навіть вітер.
Але є каверза.
Крива моменту, що крутить, слабка на низьких швидкостях. Вам потрібен високошвидкісний потік рідини, щоб розкрутити диски. Як тільки вони набирають швидкість, ефективність стає незаперечною. Але як дістатися цієї швидкості? Це інженерна перешкода.
Список деталей короткий. Диски. Вали. Ущільнення. Ось і все. Менше частин, що рухаються, означає менше обслуговування. Найменша вага. Вищий потенціал ефективності.
Ми знаємо теорію. Ми маємо патенти. Математика сходиться.
То чому ваш автомобіль не працює на такому двигуні?
Дефекти конструкції
Було не все гладко. Ефект прикордонного шару, хоч і елегантний, чутливий. Якщо зазор між дисками не ідеальний, рідина проходить повз поверхні. Ефективність падає. Потужність різко знижується.
Виробництво цих дисків вимагало точності, яка була дорогою і складною в 19
У порівнянні з механічним хаосом поршневого двигуна або свистячою складністю парових машин, турбіна Тесла майже ображає своєю простотою. Сам Нікола Тесла коротко описав її в інтерв’ю 1911 року газеті New York Herald Tribune: Все, що потрібно, це кілька дисків, встановлених на валу на невеликій відстані один від одного і ув’язнених в корпус так, щоб рідина могла входити в одній точці і виходити в іншій.
Це звучить як іграшка. Але це негаразд. Проте інженерна концепція так само прямолінійна, як і сама ідея. Давайте відкинемо містику і розглянемо два основні компоненти: ротор та статор.
Конструкція ротора
Традиційні турбіни покладаються на лопатки. Турбіна Тесла повністю від них відмовляється. Натомість вона використовує стос гладких дисків. У патентних документах Тесла не вказано точну кількість дисків. Потрібна лише «множина» дисків з «відповідним діаметром». Насправді Тесла постійно експериментував зі змінними величинами. Розмір та кількість дисків повністю залежать від конкретного застосування.
Кожен диск має отвори, просвердлені навколо центрального валу. Не просто декоративні елементи; це випускні отвори. Вони дозволяють робочій рідині виходити після передачі енергії. Щоб забезпечити вільний рух рідини між дисками, використовуються металеві шайби як розпірки.
Немає жорсткого правила щодо товщини шайб. Однак проміжок між дисками зазвичай становить від 2 до 3 міліметрів. Якщо зробити зазор ширшим, ефективність впаде. Якщо зробити його занадто вузьким, зросте ризик заклинювання через тертя.
Різьбова гайка фіксує складання на валу. Диски посаджені на вал зі шпонкою, що запобігає їх прослизу. Обертання передається безпосередньо від дисків до валу. Ось і весь ротор.
Корпус статора
Ротор знаходиться усередині циліндричного статора. Це нерухома оболонка. Внутрішній діаметр повинен бути трохи більше діаметра дисків, щоб запобігти їхньому дотику зі стінками. За задумом, посадка має бути вільною.
На кожному кінці статора розташовані опори (підшипники) для валу. Але справжня магія відбувається на вході. Оригінальна конструкція Тесла передбачала два вхідні отвори. Це дозволяло турбіні обертатися за годинниковою стрілкою або проти неї без будь-яких модифікацій. У ці отвори вставляються сопла напряму потоку.
Послідовність дій така:
1. Рідина під високим тиском надходить у сопла.
2. Рідина відбувається між дисками ротора.
3. Стопка дисків починає обертатися.
4. Рідина виходить через центральні випускні отвори.
Чому це важливо
Принадність турбіни Тесла полягає в її простоті виготовлення. Вам не потрібні прецизійні верстати чи екзотичні сплави. Декілька популярних журналів публікували креслення для самостійного виготовлення. У вересні 1955 року журнал “Popular Science” опублікував покрокове керівництво зі створення нагнітача, зробленого виключно з картону.
Картон. Це працює.
Але як гладкі диски створюють обертальний рух? Немає лопаток, які б захоплювати потік. Немає кромок, які б впливати на рідину. Якщо ви ставите питання, як стоп монет може генерувати крутний момент, ось у чому справжня загадка. Відповідь криється в гідродинаміці, а не в механічній взаємодії. Ми розберемо фізику процесу у наступному розділі.
Енергія рідини не потребує лопатей для переміщення металу. Це звучить як магія чи, можливо, оптична ілюзія. Якщо обертати гладкий диск у воді без лопатей, логіка підказує, що нічого не повинно статися. Рідина просто зісковзне з нього.
Але це не відбувається. Турбіна Тесла обертається. Швидко.
Секрет криється у двох властивостях усіх рідин: адгезії та в’язкості. Адгезія – це здатність різнорідних молекул прилипати одна до одної. В’язкість – це опір течії. Разом вони працюють у турбіні Тесла, передаючи енергію від рідини до ротора.
Ось механіка цієї передачі.
- Молекули рідини, що ударяються об металеву поверхню, сповільнюються. Вони прилипають.
- Наступний шар молекул стикається з прилиплими. Він також сповільнюється.
- Цей каскад продовжується. Кожен шар тягне наступний.
- На більшій відстані від поверхні зіткнення стають рідше. Потік пришвидшується.
- В’язкі сили пручаються поділу. Це створює силу, що тягне.
- Ця сила змушує диск обертатися у напрямку потоку рідини.
Ця тонка зона взаємодії називається прикордонним шаром. Явище відоме як “ефект прикордонного шару”. Підштовхуюча рідина рухається спіральною траєкторією вздовж лицьових поверхонь диска. Вона пришвидшується. Вона виходить у відповідній точці.
Нема лопатей. Нема ковшів. Немає руйнівних сил. Рідина рухається природними шляхами найменшого опору. Швидкість та напрямок змінюються поступово. Тесла заявляв про ККД 95 відсотків. Це вище, ніж у парових турбін його епохи.
Реальність була іншою. Виробничі моделі ніколи не відповідали теорії.
Прикордонний шар: це справжній опір
Ефект прикордонного шару пояснює також опір (лобовий опір) на крилі літака. Повітря – це рідина. Він володіє силами адгезії та в’язкості. Коли повітря прилипає до крила, воно чинить опір руху вперед. Літак сповільнюється.
Бар’єри на шляху комерціалізації турбіни Тесла
Турбіна Тесла так і не перейшла від прототипу до масового виробництва. Чому? Цифри ефективності на папері не переносилися до цеху. Вимоги до виробничих допусків були критичними. Зазор між дисками мав бути мікроскопічним. Якщо він дуже великий, прикордонний шар руйнується. ККД різко падає.
Герметизація входу високого тиску була ще одним головним болем. Витоку рідини повністю обминали диски. Немає передачі крутного моменту. Просто втрата енергії.
Втома матеріалу також відігравала свою роль. Гладкі диски, що обертаються з високими обертами, схильні до утворення тріщин від напруг. Тесла використовував сталь. Сучасні композити можуть допомогти, але конструкція залишається нішевою.
Ми бачимо проблиски її застосування у спеціалізованих областях. Теплообмінники. Перекачування корозійних рідин, де лопаті зазнали б корозії. Але чи для загального виробництва електроенергії? Складність виробництва точних проміжків переважує теоретичні переваги.
Турбіна Тесла залишається гарною ідеєю. Свідченням динаміки рідини. Вона просто ніколи не виграла війну проти відцентрового колеса.
Прикордонний шар є реальним. Це опір. І саме воно утримувало турбіну Тесли на полиці.
Тесла був не єдиним, хто був упевнений, що його турбіна стане проривом. Логіка здавалася бездоганною. Компактна. Проста у виробництві. Одна частина, що рухається. Реверсивна. Це звучало як ідеальний двигун для світу, готового залишити позаду громіздке промислове обладнання.
Чжито, син давнього токаря Тесли, збудував ранні прототипи. Модель 1906 року була легкою. Менш ніж 10 фунтів. Вісім дисків діаметром шість дюймів. Вона видавала 30 кінських сил. Але вона мала фатальний недолік. Ротор обертався так швидко – 35 000 обертів на хвилину, – що металеві диски розтягувалися. Зазори зачинялися. Тертя різко зростало. Ефективність падала.
Тесла продовжував наполягати. У версії 1910 діаметр дисків подвоївся до 12 дюймів. Вона працювала повільніше — 10 000 оборотів за хвилину, — але видавала 100 кінських сил. До 1911 вони зупинилися на дисках діаметром 9,75 дюйма. Швидкість进一步 знизилася до 9 000 обертів на хвилину. Потужність зросла до 110 кінських сил. Паттерн був зрозумілим: розмір і швидкість суперечили структурній цілісності.
Потім настало головне випробування. Тесла збільшив масштаб до двоблокової установки, призначеної для електростанції New York Edison. Кожна турбіна мала диски діаметром 18 дюймів. Установка працювала у лінію на одній базі. Вона досягала 9000 обертів на хвилину. Вона генерувала 200 кінських сил.
Інженери, які спостерігали за цим, не були вражені. Багато хто був відданий спадщині Едісона. Вони неправильно розуміли, як працює крутний момент у системі з дисками. Вони оголосили це невдачею.
Великі енергетичні компанії вже вклали гроші в лопатеві турбіни. Навіщо переходити на конструкцію, яка, здавалося, зазнавала труднощів з базовими вимірами? Інвестори трималися осторонь.
Тесла зробив останню комерційну спробу. Він найняв компанію Allis-Chalmers у Мілуокі для будівництва ще трьох одиниць. Дві мали 20 дисків завширшки 18 дюймів. Вони оберталися зі швидкістю 12 000 та 10 000 оборотів на хвилину. Третя була монстром. 15 дисків діаметром 60 дюймів. Вона працювала на 3600 оборотів за хвилину і виробляла 675 кінських сил.
Інженери Allis-Chalmers стривожилися. Вони спостерігали, як диски деформуються під навантаженням. Вони сумнівалися, що машина зможе пережити тривалу експлуатацію. Висновок був похмурим. Турбіна зрештою вийде з ладу.
Через десятиліття відтворити показники Тесли виявилося майже неможливо. Уоррен Райс, професор інженерної справи в Університеті штату Арізона, побудував версію, що досягла 41-відсоткової ефективності. Критики стверджували, що він не точно дотримувався специфікацій Тесли. Але літературний огляд Райса досліджень 1990-х років показав постійну стелю. Жодна сучасна версія не перевищила ефективності 30–40 відсотків.
Цей розрив убив широке впровадження. Ви не можете замінити усталену інфраструктуру чимось, що є лише «досить хорошим».
Бюро досліджень ВМС США виразилося прямо. Турбіні Парсонса десятиліттями підтримувала промисловість. Якщо тільки турбіна Тесла не перевершує її на порядок, це просто викидання грошей на вітер. Індустрія не збиралася легко здаватися.
То де ж ми зараз? Технологія не зникла. Вона просто чекала. Інженери зараз повертаються до неї. У наступному розділі пояснюється чому.
Турбіна Тесла ніколи не замислювалася як самостійний продукт. Вона була лише сходинкою. Справжньою одержимістю Нікола Тесла була заміна поршневого двигуна внутрішнього згоряння чимось, що не розвалюється на частини від своєї роботи. Він прагнув надійності. Він прагнув ефективності.
Поршневі двигуни досягли піку теплової ефективності на рівні близько 27-28 відсотків. Ось і все. Більшість палива легко розсіюється як тепла. Тесла вважав, що його безлопатева конструкція зможе перевершити цей показник, досягнувши навіть 40 відсотків. Він не просто теоретизував про це. Він накидав ескіз турбомобіля на папері. Він стверджував, що автомобіль зможе перетнути Сполучені Штати на одному баку бензину. Інженерна логіка була бездоганною. Хронологія подій – ні.
Сучасне відродження з використанням передових матеріалів
Тесла не дожив до побудови свого автомобіля. Але технологія починає оживати.
Компанія Phoenix Navigation and Guidance Inc. (PNGinc) у Мунінгу, штат Мічиган, тестує гібридну установку, що поєднує дискову турбіну Тесла з імпульсним детонаційним двигуном. Результати вражаючі. Двигун обертається зі швидкістю 18 000 обертів за хвилину. Він розвиває потужність 130 кінських сил.
Конструкція потребує ювелірної точності. Тут використовуються 29 активних дисків діаметром 10 дюймів кожен. Вони розташовані між двома кінцевими дисками, що звужуються до країв. Відцентрова сила таких оборотах прагне розірвати усе частини. Звичайна сталь тут не підійде. PNGinc використовує диски з вуглецевого волокна, пластику з додаванням титану та армованого кевларом.
Наука про матеріали нарешті наздогнала фізику. Якби кевлар існував у 1913 році, турбіна, можливо, домінувала б на початку XX століття. Натомість вона виявилася машиною, яка випередила свій час.
Таємниця Pierce-Arrow 1931 року
Тесла так і не водив турбомобіль. Проте він експериментував із електричним приводом за десятиліття до створення Tesla Motors.
Дані 1931 року припускають, що він переобладнав автомобіль Pierce-Arrow. Він замінив бензиновий двигун електричним мотором потужністю 80 кінських сил, що обертається зі швидкістю 1800 оборотів за хвилину. Потім з’явився чорний ящик.
Це була загадкова конструкція із вакуумних ламп, проводів та резисторів. З неї виступали два стрижні. Вставте стрижні і автомобіль поїде. Тесла керував ним протягом тижня. Максимальна швидкість: 90 миль на годину.
Реакція публіки була захопленням, а страхом. Люди думали, що він торкнувся небезпечної сили природи. Критики називали його божевільним.
У пориві гніву Тесла вирвав ящик із автомобіля. Він забрав його до своєї лабораторії. Після цього він зник.
Принципи роботи цього електронного автомобіля залишилися в історії безіменними.
Часті питання про турбіну Тесла
Коли була винайдена турбіна Тесла?
Вона була запатентована у 1913 році.
Де можна використовувати турбіну Тесла?
Спочатку вона була розроблена для переміщення або стиснення рідин та газів. Вона працює зі стисненим повітрям, парою, в системах відкачування відходів і навіть як відцентровий насос для крові.
Чи буде турбіна Тесла працювати з водою?
Так. Вона ефективно справляється із водою.
Чому турбіна Тесла не використовується?
Ранні випробування виявили неоднозначні результати. Інвестори злякалися. Конкуренти заявляли про кращу ефективність. Її затьмарила поршнева технологія.
Чи може турбіна Тесла приводити в дію генератор?
Так. Вона є життєздатним кандидатом для джерел резервного харчування чи автономної генерації енергії.
Наступний рубіж
Щоб дізнатися більше про електричні інновації Тесла, перейдіть до наступного розділу.
