Nikola Tesla přijel do New Yorku v roce 1884. Nebyl jen otcem AC. Toto je jen nadpis. Realita je mnohem složitější. Byl to génius, který získal 272 patentů ve 25 zemích. 112 z nich bylo vydáno jen ve Spojených státech. Dalo by se očekávat, že si své patenty na AC draze udrží. Ale neudělal to. V roce 1913 Tesla prohlásil, že jeho nejdůležitějším vynálezem je něco úplně jiného. Teslova turbína. Také známá jako turbína s mezní vrstvou nebo turbína s plochým diskem.
Pokud chcete, říkejte tomu turbína. Technicky je to zavádějící. Standardní turbíny mají lopatky. Myslete na lopatky ventilátoru. Voda nebo plyn na ně působí a otáčí hřídelí. Konstrukce Tesly nemá lopatky. Používá stoh hladkých paralelních disků. Jsou umístěny uvnitř uzavřené komory. Do této komory vstupuje kapalina. Protéká mezi disky. Disky se točí. Hřídel se otáčí.
Tato instalace může pohánět čerpadla. Může řídit foukací stroje. Může pohánět kompresory. Tesla tvrdila, že může dokonce pohánět auta a letadla. Řekl, že to byl nejjednodušší rotační motor, jaký byl kdy vytvořen. Tvrdil také, že je nejúčinnější. Pokud je to pravda, pak by dnešní svět vypadal jinak. Proč se to nestalo všudypřítomným? Proč nenahradil AC jako své dědictví? To jsou jednoduché otázky. Složitější se týkají mechaniky. Jak to vlastně funguje? Čím to bylo tak inovativní?
Abychom na tyto otázky odpověděli, musíme jít k základům. Musíme pochopit motory, které byly vytvořeny dříve. Musíme vidět, jaký problém se Tesla snažila vyřešit. Další část podrobně zkoumá samotný motor.
Motory mají jeden úkol: přeměnit palivo na pohyb. Než se však přesuneme ke stroji, který by mohl vše změnit, musíme se podívat na to, co bylo před ním. A co bylo před tím, bylo těžké. Komplex. Náchylný k poruchám.
Na úsvitu roku 1900 svět fungoval na dvou typech energie. Lopatkové turbíny. Pístové motory. Oba typy se spoléhaly na tekutiny – kapaliny nebo plyny. Voda. Pára. Benzínová pára. Pokud něco teklo, dalo se to použít v práci. Ale vybavení potřebné k využití tohoto toku bylo produkční noční můrou.
Přemýšlejte o standardním pístu. Je to kovový válec pohybující se nahoru a dolů uvnitř jiného válce. Jednoduché, že? Špatně. Potřebujete ventily. Pěsti. Ložiska. Těsnění. Prsteny. Každá část je potenciálním bodem selhání. Společně přidávají váhu. Vytvářejí tření. Plýtvají energií.
Lopatkové turbíny byly o něco lepší v účinnosti, ale horší ve spolehlivosti. Byly masivní. Jejich tolerance byly mikroskopické. Pokud byste s nimi nemanipulovali dokonale, čepele by praskaly. Nebo se rozbily.
Příběh o tom, jak Nikola Tesla tento problém vyřešil, začíná v loděnici.
“Vzpomněl jsem si na koše zlomených lopatek shromážděných z turbínových skříní prvního parníku, který přeplul oceán, a uvědomil jsem si důležitost tohoto [nového motoru].”
Toto pozorování mu utkvělo v hlavě. Viděl odpad. Křehkost. Naprostá neefektivita při snaze přinutit vysokorychlostní proud tekutiny tlačit tuhé kovové čepele.
Chtěl něco hladšího. Něco, co nespoléhalo na to, že se jednotlivé čepele rozpadnou.
Mýtus o vynálezci
Populární historie ráda zobrazuje Teslu jako osamělého génia, který z ničeho nic vynalezl bezlopatkovou turbínu. To je špatně. Koncept již existoval. Evropský patent byl podán již v roce 1832.
Tesla tento nápad nevymyslela. Vylepšil to. Strávil téměř deset let dolaďováním fyziky, materiálů a dynamiky proudění. Patentoval více než jeden stroj. Patentoval tři různé varianty, z nichž každá navazovala na předchozí.
Zde je časová osa inovací:
- Patent 1 061 142: „Pohyb tekutin.“ Podáno 21. října 1909. Vydáno 6. května 1913. Toto byl základní model. Konfigurace čerpadla nebo kompresoru.
- Patent 1 061 206: „Turbína“. Podáno 17. ledna 1911. Vydáno 6. května 1913. Tesla změnil design. Místo aby tlačil kapalinu, nechal kapalinu tlačit auto.
- Patent 1 329 559: „Ventilový kanál“. Podáno 21. února 1916. Vydáno 3. února 1920. Poslední prvek. Úpravy pro provoz turbíny jako spalovacího motoru.
Základní provedení zůstalo u všech tří verzí nezměněno. Rozdíl byl v aplikaci. Čerpadlo. Turbína. Motor.
Jak ve skutečnosti funguje bezlopatkový design
Pokud jste nikdy neviděli Teslovu turbínu, pravděpodobně si představujete hladký prázdný válec. To je blíže pravdě, než si myslíte.
Srdcem stroje je stoh hladkých paralelních disků. Otáčejí se na centrálním hřídeli. Žádné čepele. Žádné hrany, o které by se dalo zachytit. Žádné napěťové body, které by mohly prasknout pod tlakem.
Když aplikujete kapalinu – páru, plyn, vodu – narazí na povrch těchto disků. Do hry vstupuje efekt hraniční vrstvy. Tekutina ulpívá na hladkém kovu. Viskozita dělá většinu práce. Tření mezi kapalinou a povrchem disku táhne disk spolu s ním.
Není to magie. To je hydrodynamika. Ale je to účinné.
Proč je to důležité pro moderní nadšence? Protože eliminuje vratný pohyb, který sužuje pístové motory. Žádný pohyb nahoru nebo dolů. Žádné spalovací cykly bojující proti mechanické setrvačnosti. Pouze rotace.
Tesla prokázala, že je možné dosáhnout vysokých otáček bez vibrací, které ničí tradiční motory. Dokázal, že je možné pracovat na téměř každém zdroji kapaliny. Pára. Spalovací plyny. Dokonce i vítr.
Má to ale háček.
Křivka točivého momentu je v nízkých otáčkách slabá. K roztočení disků potřebujete vysokorychlostní proud kapaliny. Jakmile se dostanou do tempa, účinnost je nepopiratelná. Jak se ale k této rychlosti dostat? To je technická překážka.
Seznam dílů je krátký. Disky. Hřídele. těsnění. To je vše. Méně pohyblivých částí znamená méně údržby. Menší hmotnost. Vyšší potenciál účinnosti.
Známe teorii. Máme patenty. Matematika se sčítá.
Proč tedy vaše auto na takový motor nejede?
Konstrukční vady
Nebylo to všechno hladké. Efekt hraniční vrstvy, i když je elegantní, je citlivý. Pokud mezera mezi kotouči není ideální, tekutina bude proudit kolem povrchů. Účinnost klesá. Výkon prudce klesá.
Výroba těchto kotoučů vyžadovala přesnost, která byla v 19. letech nákladná a obtížná
Ve srovnání s mechanickým chaosem pístového motoru nebo pískavou složitostí parních strojů Teslova turbína svou jednoduchostí téměř uráží. Sám Nikola Tesla to stručně popsal v roce 1911 v rozhovoru pro New York Herald Tribune : „Vše, co je potřeba, je několik disků namontovaných na hřídeli v krátké vzdálenosti od sebe a uzavřených v pouzdře tak, aby kapalina mohla vstupovat v jednom bodě a vystupovat v jiném.
Zní to jako hračka. Ale to není pravda. Koncepce inženýrství je však stejně přímočará jako myšlenka samotná. Vynechme záhadu z rovnice a podívejme se na dvě hlavní součásti: rotor a stator.
Konstrukce rotoru
Tradiční turbíny spoléhají na lopatky. Teslova turbína je zcela opouští. Místo toho používá hromadu hladkých disků. Patentové dokumenty Tesly neuvádějí přesný počet disků. Vše, co je potřeba, je “množství” disků s “vhodným průměrem”. V praxi Tesla neustále experimentoval s proměnnými. Velikost a počet disků zcela závisí na konkrétní aplikaci.
Každý disk má otvory vyvrtané kolem centrální hřídele. Nejsou to jen dekorativní prvky; Toto jsou vývody. Umožňují únik pracovní tekutiny po předání její energie. Pro zajištění volného pohybu kapaliny mezi kotouči se jako distanční podložky používají kovové podložky.
Neexistuje žádné pevné pravidlo ohledně tloušťky podložek. Mezera mezi kotouči se však obvykle pohybuje mezi 2 a 3 milimetry. Pokud mezeru zvětšíte, účinnost se sníží. Příliš úzký zvyšuje riziko zaseknutí v důsledku tření.
Závitová matice zajišťuje sestavu k hřídeli. Kotouče jsou usazeny na hřídeli s perem, což zabraňuje jejich prokluzování. Rotace se přenáší přímo z kotoučů na hřídel. To je celý rotor.
Pouzdro statoru
Rotor je umístěn uvnitř válcového statoru. Toto je stacionární skořápka. Vnitřní průměr by měl být o něco větší než průměr kotoučů, aby se zabránilo jejich kontaktu se stěnami. Podle plánu by mělo být přistání volné.
Na každém konci statoru jsou podpěry (ložiska) pro hřídel. Ale skutečné kouzlo se odehrává u vchodu. Původní design Tesly zahrnoval dva vstupy. To umožnilo otáčení turbíny ve směru nebo proti směru hodinových ručiček bez jakýchkoli úprav. Do těchto otvorů se vkládají trysky, které usměrňují proudění.
Posloupnost akcí je následující:
1. Vysokotlaká kapalina vstupuje do trysek.
2. Mezi kotouči rotoru prochází kapalina.
3. Stoh disků se začne otáčet.
4. Kapalina vytéká přes středové výstupy.
Proč je to důležité?
Krása Teslovy turbíny spočívá v její snadné výrobě. Nepotřebujete přesné stroje ani exotické slitiny. Několik populárních časopisů zveřejnilo plány pro kutily. V září 1955 vydala Popular Science návod krok za krokem k vytvoření kompresoru vyrobeného výhradně z lepenky.
Lepenka. Funguje to.
Jak ale hladké disky vytvářejí rotační pohyb? Nejsou zde žádné lopatky, které by zachycovaly proudění. Nejsou zde žádné hrany, které by mohly narážet na kapalinu. Pokud vás zajímá, jak může hromádka mincí generovat točivý moment, zde je skutečná záhada. Odpověď spočívá v dynamice tekutin, nikoli v mechanické interakci. V další části budeme analyzovat fyziku procesu.
Energie tekutiny nevyžaduje čepele k pohybu kovu. Zní to jako kouzlo nebo možná optický klam. Pokud roztočíte hladký kotouč ve vodě bez vodicích lopatek, logika velí, že by se nemělo nic stát. Kapalina z něj jednoduše sklouzne.
Ale to se neděje. Teslova turbína se točí. Rychle.
Tajemství spočívá ve dvou vlastnostech všech kapalin: přilnavost a viskozita. Adheze je schopnost odlišných molekul přilnout k sobě. Viskozita je odpor proti proudění. Společně pracují v Teslově turbíně a přenášejí energii z tekutiny do rotoru.
Zde je mechanika této převodovky.
- Molekuly kapaliny narážející na kovový povrch jsou zpomaleny. Drží se.
- Další vrstva molekul se srazí s přilnutými. Také zpomaluje.
- Tato kaskáda pokračuje. Každá vrstva s sebou táhne další.
- Ve větší vzdálenosti od povrchu jsou kolize méně časté. Proud se zrychluje.
- Viskózní síly odolávají oddělení. To vytváří tažnou sílu.
- Tato síla způsobí, že se disk otáčí ve směru proudění tekutiny.
Tato tenká zóna interakce se nazývá mezní vrstva. Tento jev je známý jako efekt hraniční vrstvy. Vznášející se tekutina se pohybuje po spirálové dráze podél předních ploch disku. Zrychluje. Vychází to ve správný okamžik.
Žádné čepele. Žádné kbelíky. Neexistují žádné destruktivní síly. Kapalina se pohybuje po přirozené cestě nejmenšího odporu. Rychlost a směr se postupně mění. Tesla tvrdila 95procentní účinnost. To je vyšší než u parních turbín své éry.
Realita byla jiná. Výrobní modely nikdy neodpovídaly teorii.
Hraniční vrstva: to je skutečný odpor
Efekt hraniční vrstvy také vysvětluje přetažení (přetažení) na křídle letadla. Vzduch je kapalina. Má síly adheze a viskozity. Když se vzduch přilepí na křídlo, brání pohybu vpřed. Letadlo zpomaluje.
Překážky komercializace Teslovy turbíny
Teslova turbína se nikdy nedostala od prototypu k sériové výrobě. Proč? Čísla účinnosti na papíře nebyla přenesena do dílny. Požadavky na výrobní tolerance byly kritické. Mezera mezi disky musela být mikroskopická. Pokud je příliš velká, mezní vrstva se zhroutí. Účinnost prudce klesá.
Další bolestí hlavy bylo utěsnění vysokotlakého vstupu. Úniky kapaliny zcela obešly disky. Žádný přenos točivého momentu. Jen plýtvání energií.
Svou roli sehrála i únava materiálu. Hladké kotouče rotující vysokou rychlostí jsou náchylné k prasklinám způsobeným pnutím. Tesla používal ocel. Moderní kompozity mohou pomoci, ale design zůstává výklenek.
Vidíme záblesky jeho aplikace ve specializovaných oblastech. Výměníky tepla. Čerpání žíravých kapalin tam, kde by lopatky zkorodovaly. Ale pro všeobecnou výrobu elektřiny? Obtížnost výroby přesných vůlí převažuje nad teoretickými výhodami.
Teslova turbína zůstává krásným nápadem. Důkazy dynamiky tekutin. Válku proti odstředivému kolu prostě nikdy nevyhrálo.
Hraniční vrstva je skutečná. To je odpor. A právě to udrželo Teslovu turbínu na polici.
Tesla nebyl jediný, kdo si byl jistý, že jeho turbína bude průlomová. Logika se zdála bezchybná. Kompaktní. Snadná výroba. Jedna pohyblivá část. Reverzibilní. Znělo to jako dokonalý motor pro svět připravený nechat za sebou těžkopádné průmyslové vybavení.
Zhito, syn Teslova dlouholetého soustružníka, postavil první prototypy. Model z roku 1906 byl lehký. Méně než 10 liber. Osm disků o průměru šest palců. Vyráběl 30 koní. Měla ale osudovou chybu. Rotor se točil tak rychle – 35 000 otáček za minutu –, že se kovové kotouče natáhly. Mezery se uzavíraly. Tření prudce vzrostlo. Výkonnost klesala.
Tesla nadále trval na svém. Verze z roku 1910 zdvojnásobila průměr kola na 12 palců. Běžel pomaleji – 10 000 otáček za minutu – ale produkoval 100 koňských sil. V roce 1911 se usadili na 9,75palcových kolech. Rychlost 进一步 snížena na 9 000 ot./min. Výkon vzrostl na 110 koní. Vzor byl jasný: velikost a rychlost byly v rozporu se strukturální integritou.
Pak přišel hlavní test. Tesla se rozrostla na dvoublokovou instalaci určenou pro elektrárnu v New Yorku Edison. Každá turbína měla disky o průměru 18 palců. Instalace fungovala v řadě na jedné základně. Dosahoval 9 000 otáček za minutu. Vyráběl 200 koní.
Inženýři, kteří to sledovali, nebyli ohromeni. Mnozí byli oddáni Edisonovu odkazu. Nepochopili, jak točivý moment funguje v kotoučovém systému. Prohlásili to za neúspěch.
Velké energetické společnosti již investovaly do lopatkových turbín. Proč přejít na design, který vypadal, že má potíže se základními měřeními? Investoři zůstali stranou.
Tesla udělala poslední komerční pokus. Najal Allis-Chalmers Company v Milwaukee, aby postavila další tři jednotky. Dva měly 20 disků o šířce 18 palců. Točily se 12 000 a 10 000 ot./min. Třetí bylo monstrum. 15 disků o průměru 60 palců. Běžel při 3 600 otáčkách za minutu a produkoval 675 koní.
Inženýři Allis-Chalmers byli znepokojeni. Sledovali, jak se disky deformují při zatížení. Pochybovali, že vůz vydrží dlouhodobé používání. Závěr byl ponurý. Turbína nakonec selže.
O desítky let později se ukázalo, že reprodukce výkonu Tesly je téměř nemožná. Warren Rice, profesor inženýrství na Arizonské státní univerzitě, postavil verzi, která dosáhla účinnosti 41 procent. Kritici tvrdili, že to přesně nesplňovalo specifikace Tesly. Ale Riceův literární přehled studií z 90. let ukázal konzistentní strop. Žádná moderní verze nepřesáhla 30 až 40 procent účinnosti.
Tato mezera zabila široké přijetí. Nemůžete nahradit zavedenou infrastrukturu něčím, co je prostě „dost dobré“.
Americký Naval Research Office to řekl na rovinu. Parsonsova turbína je podporována průmyslem po celá desetiletí. Pokud není Teslova turbína o řád lepší, jsou to jen vyhozené peníze. Průmysl se nehodlal vzdát snadno.
Tak kde jsme teď? Technologie nezmizela. Jen čekala. Inženýři se k tomu nyní vracejí. Další část vysvětluje proč.
Teslova turbína nikdy nebyla zamýšlena jako samostatný produkt. Byla jen odrazovým můstkem. Skutečnou posedlostí Nikoly Tesly bylo nahrazení pístového spalovacího motoru něčím, co se nerozpadlo vlastní silou. Snažil se o spolehlivost. Snažil se o efektivitu.
Pístové motory dosáhly vrcholu při tepelné účinnosti asi 27–28 procent. To je vše. Většina paliva se jednoduše rozptýlí jako teplo. Tesla věřil, že jeho bezlopatkový design by toto číslo mohl překonat a dosáhl dokonce 40 procent. Nejen o tom teoretizoval. Načrtl na papír náčrt turbo auta. Tvrdil, že auto může přejet Spojené státy na jednu nádrž plynu. Inženýrská logika byla bezvadná. Chronologie událostí – ne.
Současné oživení pomocí pokročilých materiálů
Tesla se svého vozu nedožil. Technologie ale začínají ožívat.
Phoenix Navigation and Guidance Inc. (PNGinc) v Mooningu v Michiganu testuje hybridní uspořádání, které kombinuje kotoučovou turbínu Tesla s pulzním detonačním motorem. Výsledky jsou působivé. Motor točí 18 000 ot./min. Vyvine 130 koní.
Design vyžaduje šperkařskou přesnost. Využívá 29 aktivních disků o průměru 10 palců každý. Jsou umístěny mezi dvěma koncovými kotouči, které se zužují směrem k okrajům. Odstředivá síla při takových rychlostech má tendenci vše roztrhat. Běžná ocel zde nebude fungovat. PNGinc používá uhlíková vlákna, titanem naplněný plast a ráfky vyztužené kevlarem.
Věda o materiálech konečně dohnala fyziku. Pokud by Kevlar existoval v roce 1913, turbína by mohla dominovat počátku 20. století. Místo toho se ukázalo, že je to stroj, který předběhl dobu.
Záhada Pierce-Arrow z roku 1931
Tesla nikdy nejezdila v autě s turbodmychadlem. S elektrickým pohonem však experimentoval desítky let před vznikem Tesla Motors.
Důkazy z roku 1931 naznačují, že přestavěl auto Pierce-Arrow. Benzinový motor nahradil elektromotorem o výkonu 80 koní točícím se 1800 ot./min. Pak se objevila černá skříňka.
Byla to tajemná struktura vyrobená z elektronek, drátů a rezistorů. Z ní trčely dvě tyče. Vložte tyče a auto se rozjede. Tesla to provozovala týden. Nejvyšší rychlost: 90 mph.
Reakcí publika nebyla radost, ale strach. Lidé si mysleli, že se dotkl nebezpečné přírodní síly. Kritici ho označili za blázna.
Tesla v návalu vzteku vytrhla krabici z auta. Vzal ho do své laboratoře. Poté zmizel.
Principy fungování tohoto elektromobilu zůstaly v historii bezejmenné.
Často kladené otázky o Tesla Turbíně
Kdy byla vynalezena Teslova turbína?
Patentován byl v roce 1913.
Kde lze použít turbínu Tesla?
Původně byl vyvinut k pohybu nebo stlačování kapalin a plynů. Pracuje se stlačeným vzduchem, párou, systémy čerpání odpadu a dokonce i jako odstředivé krevní čerpadlo.
Bude Teslova turbína pracovat s vodou?
Ano. Efektivně zachází s vodou.
Proč se nepoužívá Teslova turbína?
První pokusy ukázaly smíšené výsledky. Investoři dostali strach. Konkurenti tvrdí lepší výkon. Byl zastíněn pístovou technologií.
Může Teslova turbína pohánět generátor?
Ano. Je to životaschopný kandidát na záložní zdroje napájení nebo výrobu energie mimo síť.
Další hranice
Chcete-li se dozvědět více o elektrických inovacích společnosti Tesla, pokračujte další částí.
