Nikola Tesla przybył do Nowego Jorku w 1884 roku. Był nie tylko ojcem AC. To tylko nagłówek. Rzeczywistość jest znacznie bardziej skomplikowana. Był geniuszem, który otrzymał 272 patenty w 25 krajach. W samych Stanach Zjednoczonych wydano 112 z nich. Można by się spodziewać, że będzie bardzo cenił swoje patenty AC. Ale on tego nie zrobił. W 1913 roku Tesla oświadczył, że jego najważniejszym wynalazkiem jest coś zupełnie innego. Turbina Tesli. Znana również jako turbina z warstwą przyścienną lub turbina z płaską tarczą.
Nazwij to turbiną, jeśli chcesz. Technicznie rzecz biorąc, jest to mylące. Standardowe turbiny posiadają łopatki. Pomyśl o łopatkach wentylatora. Woda lub gaz działa na nie, obracając wał. Konstrukcja Tesli nie ma ostrzy. Wykorzystuje stos gładkich równoległych dysków. Znajdują się one w zamkniętej komorze. Ciecz dostaje się do tej komory. Przepływa pomiędzy dyskami. Dyski się kręcą. Wał się obraca.
Instalacja ta może napędzać pompy. Może napędzać maszyny rozdmuchowe. Może napędzać sprężarki. Tesla twierdziła, że może nawet napędzać samochody i samoloty. Powiedział, że to najprostszy silnik rotacyjny, jaki kiedykolwiek stworzono. Twierdził też, że jest to najskuteczniejsze. Jeśli to prawda, dzisiejszy świat wyglądałby inaczej. Dlaczego nie stało się to wszechobecne? Dlaczego nie zastąpił AC jako swojego dziedzictwa? To są proste pytania. Bardziej złożone dotyczą mechaniki. Jak to właściwie działa? Co uczyniło go tak innowacyjnym?
Aby odpowiedzieć na te pytania, musimy przejść do podstaw. Musimy zrozumieć silniki, które zostały stworzone wcześniej. Musimy zobaczyć, jaki problem próbował rozwiązać Tesla. W następnej części szczegółowo omówiono sam silnik.
Silniki mają jedno zadanie: przekształcać paliwo w ruch. Zanim jednak przejdziemy do maszyny, która może wszystko zmienić, musimy przyjrzeć się temu, co było wcześniej. A to, co było wcześniej, było trudne. Złożony. Podatny na awarie.
Na początku XX wieku świat napędzany był dwoma rodzajami energii. Turbiny łopatkowe. Silniki tłokowe. Obydwa typy opierały się na płynach – cieczach lub gazach. Woda. Para. Para benzyny. Jeśli coś płynęło, można było to wykorzystać w pracy. Jednak sprzęt niezbędny do wykorzystania tego przepływu był koszmarem produkcyjnym.
Pomyśl o standardowym tłoku. Jest to metalowy cylinder poruszający się w górę i w dół wewnątrz innego cylindra. Proste, prawda? Zło. Potrzebujesz zaworów. Pięści. Namiar. Uszczelki. Pierścionki. Każda część jest potencjalnym punktem awarii. Razem dodają wagi. Tworzą tarcie. Marnują energię.
Turbiny łopatkowe miały nieco lepszą wydajność, ale gorszą niezawodność. Były ogromne. Ich tolerancje były mikroskopijne. Jeśli nie poradzisz sobie z nimi idealnie, ostrza pękną. Albo zepsuli.
Historia rozwiązania tego problemu przez Nikolę Teslę zaczyna się w stoczni.
„Przypomniałem sobie kosze połamanych łopatek zebranych z obudów turbin pierwszego parowca, który przepłynął ocean, i zdałem sobie sprawę ze znaczenia tego [nowego silnika]”.
To spostrzeżenie utkwiło mu w głowie. Widział odpady. Kruchość. Czysta nieefektywność prób wymuszenia strumienia płynu o dużej prędkości w celu popchnięcia sztywnych metalowych ostrzy.
Chciał czegoś gładszego. Coś, co nie polegało na rozbijaniu się pojedynczych ostrzy.
Mit wynalazcy
Historia popularna lubi przedstawiać Teslę jako samotnego geniusza, który wynalazł bezłopatkową turbinę z powietrza. To jest błędne. Koncepcja już istniała. Patent europejski został zgłoszony już w 1832 roku.
Tesla nie wymyśliła tego pomysłu. Poprawił to. Spędził prawie dekadę na dopracowywaniu fizyki, materiałów i dynamiki płynów. Opatentował więcej niż jedną maszynę. Opatentował trzy różne odmiany, każda bazująca na poprzedniej.
Oto harmonogram innowacji:
- Patent 1,061,142: „Płynny ruch”. Złożony 21 października 1909. Wydany 6 maja 1913. Był to model podstawowy. Konfiguracja pompy lub sprężarki.
- Patent 1,061,206: „Turbina”. Złożony 17 stycznia 1911 r. Wydany 6 maja 1913 r. Tesla zmienił projekt. Zamiast pchać płyn, pozwolił, aby płyn pchał samochód.
- Patent 1,329,559: „Kanał zaworowy”. Złożony 21 lutego 1916. Wydany 3 lutego 1920. Ostatni element. Modyfikacje umożliwiające pracę turbiny jako silnika spalinowego.
Podstawowa konstrukcja pozostała niezmieniona we wszystkich trzech wersjach. Różnica polegała na aplikacji. Pompa. Turbina. Silnik.
Jak faktycznie działa konstrukcja bezłopatkowa
Jeśli nigdy nie widziałeś turbiny Tesli, prawdopodobnie wyobrażasz sobie gładki, pusty cylinder. To jest bliższe prawdy, niż myślisz.
Sercem maszyny jest stos gładkich równoległych dysków. Obracają się na centralnym wale. Brak ostrzy. Żadnych krawędzi, o które można się zaczepić. Brak punktów naprężeń, które mogłyby pęknąć pod ciśnieniem.
Po nałożeniu cieczy – pary, gazu, wody – uderza ona w powierzchnię tych dysków. Wchodzi w grę efekt warstwy granicznej. Płyn przykleja się do gładkiego metalu. Większość pracy wykonuje lepkość. Tarcie pomiędzy cieczą a powierzchnią dysku ciągnie dysk wraz z nim.
To nie magia. To jest hydrodynamika. Ale to jest skuteczne.
Dlaczego jest to ważne dla współczesnych entuzjastów? Ponieważ eliminuje ruch posuwisto-zwrotny, który jest plagą silników tłokowych. Żadnego ruchu w górę i w dół. Brak cykli spalania zwalczających bezwładność mechaniczną. Tylko obrót.
Tesla udowodniła, że można osiągać wysokie obroty bez wibracji, które niszczą tradycyjne silniki. Udowodnił, że można pracować na niemal każdym źródle cieczy. Para. Gazy spalinowe. Nawet wiatr.
Ale jest pewien haczyk.
Krzywa momentu obrotowego jest słaba przy niskich prędkościach. Do obracania dysków potrzebny jest przepływ płynu o dużej prędkości. Kiedy już nabiorą tempa, skuteczność jest niezaprzeczalna. Ale jak osiągnąć taką prędkość? Jest to przeszkoda inżynierska.
Lista części jest krótka. Dyski. Wały. Uszczelki. To wszystko. Mniej ruchomych części oznacza mniej konserwacji. Mniejsza waga. Większy potencjał wydajności.
Znamy teorię. Mamy patenty. Matematyka się sumuje.
Dlaczego więc Twój samochód nie jeździ na takim silniku?
Wady projektowe
Nie wszystko poszło gładko. Efekt warstwy granicznej, choć elegancki, jest wrażliwy. Jeśli szczelina między tarczami nie jest idealna, płyn będzie przepływać przez powierzchnie. Wydajność spada. Moc gwałtownie spada.
Produkcja tych krążków wymagała precyzji, która w XIX wieku była kosztowna i trudna
W porównaniu z mechanicznym chaosem silnika tłokowego lub gwiżdżącą złożonością silników parowych, turbina Tesli jest niemal obraźliwa w swojej prostocie. Sam Nikola Tesla krótko opisał to w wywiadzie dla New York Herald Tribune z 1911 r. : „Wystarczy kilka dysków zamontowanych na wale w niewielkiej odległości od siebie i zamkniętych w obudowie, tak aby ciecz mogła wchodzić w jednym miejscu i wypływać w innym”.
To brzmi jak zabawka. Ale to nieprawda. Jednak koncepcja inżynieryjna jest tak samo prosta, jak sam pomysł. Usuńmy zagadkę z równania i przyjrzyjmy się dwóm głównym elementom: wirnikowi i stojanowi.
Konstrukcja wirnika
Tradycyjne turbiny opierają się na łopatkach. Turbina Tesli całkowicie je porzuca. Zamiast tego używa stosu gładkich dysków. Dokumenty patentowe Tesli nie określają dokładnej liczby dysków. Wystarczy „kilka” dysków o „odpowiedniej średnicy”. W praktyce Tesla nieustannie eksperymentował ze zmiennymi. Rozmiar i liczba dysków zależy całkowicie od konkretnego zastosowania.
Każda tarcza ma otwory wywiercone wokół centralnego wału. To nie tylko elementy dekoracyjne; To są outlety. Umożliwiają ucieczkę cieczy roboczej po przekazaniu jej energii. Aby zapewnić swobodny przepływ płynu pomiędzy tarczami, jako przekładki zastosowano metalowe podkładki.
Nie ma sztywnych reguł dotyczących grubości podkładek. Jednakże odstęp między tarczami wynosi zwykle od 2 do 3 milimetrów. Jeśli powiększysz szczelinę, wydajność spadnie. Zbyt wąskie zwiększa ryzyko zakleszczenia na skutek tarcia.
Nakrętka gwintowana mocuje zespół do wału. Tarcze osadzone są na wale z wpustem, co zapobiega ich ślizganiu. Obrót przenoszony jest bezpośrednio z tarcz na wał. To cały rotor.
Obudowa stojana
Wirnik jest umieszczony wewnątrz cylindrycznego stojana. To jest nieruchoma skorupa. Średnica wewnętrzna powinna być nieco większa niż średnica krążków, aby zapobiec ich stykaniu się ze ściankami. Zgodnie z planem lądowanie powinno być bezpłatne.
Na każdym końcu stojana znajdują się podpory (łożyska) wału. Ale prawdziwa magia dzieje się już przy wejściu. Oryginalny projekt Tesli obejmował dwa wloty. Umożliwiło to turbinę obracanie się w prawo lub w lewo bez żadnych modyfikacji. W te otwory wkładane są dysze, które regulują przepływ.
Sekwencja działań jest następująca:
1. Ciecz pod wysokim ciśnieniem dostaje się do dysz.
2. Ciecz przepływa pomiędzy tarczami wirnika.
3. Stos dysków zaczyna się obracać.
4. Ciecz wypływa środkowymi wylotami.
Dlaczego to jest ważne?
Piękno turbiny Tesli polega na łatwości jej produkcji. Nie potrzebujesz precyzyjnych maszyn ani egzotycznych stopów. Kilka popularnych magazynów opublikowało plany „zrób to sam”. We wrześniu 1955 roku czasopismo „Popular Science” opublikowało przewodnik krok po kroku dotyczący tworzenia sprężarki doładowującej wykonanej w całości z tektury.
Karton. To działa.
Ale w jaki sposób gładkie dyski powodują ruch obrotowy? Nie ma ostrzy, które mogłyby uchwycić przepływ. Nie ma żadnych krawędzi, które mogłyby uderzyć w ciecz. Jeśli zastanawiasz się, w jaki sposób stos monet może generować moment obrotowy, oto prawdziwa tajemnica. Odpowiedź leży w dynamice płynów, a nie interakcji mechanicznej. Przeanalizujemy fizykę procesu w następnej sekcji.
Energia płynu nie wymaga ostrzy do poruszania metalem. Brzmi to jak magia, a może iluzja optyczna. Jeśli kręcisz gładkim dyskiem w wodzie bez kierownic, logika podpowiada, że nic nie powinno się wydarzyć. Płyn po prostu się z niego zsunie.
Ale to się nie zdarza. Turbina Tesli się kręci. Szybko.
Sekret tkwi w dwóch właściwościach wszystkich cieczy: przyczepności i lepkości. Adhezja to zdolność różnych cząsteczek do sklejania się ze sobą. Lepkość to opór przepływu. Razem pracują w turbinie Tesli, przenosząc energię z płynu na wirnik.
Oto mechanika tej skrzyni biegów.
- Cząsteczki cieczy uderzające w metalową powierzchnię ulegają spowolnieniu. Trzymają się.
- Kolejna warstwa cząsteczek zderza się z przylegającymi. On też zwalnia.
- Ta kaskada trwa. Każda warstwa pociąga za sobą następną.
- W większej odległości od powierzchni kolizje stają się rzadsze. Przepływ przyspiesza.
- Siły lepkości przeciwdziałają separacji. Tworzy to siłę ciągnącą.
- Siła ta powoduje obrót dysku w kierunku przepływu płynu.
Ta cienka strefa interakcji nazywana jest warstwą graniczną. Zjawisko to znane jest jako efekt warstwy granicznej. Płyn wyporny porusza się po spiralnej ścieżce wzdłuż przednich powierzchni dysku. Ona przyspiesza. Wychodzi we właściwym momencie.
Brak ostrzy. Brak wiader. Nie ma niszczycielskich sił. Ciecz porusza się po naturalnej drodze najmniejszego oporu. Prędkość i kierunek zmieniają się stopniowo. Tesla twierdziła, że wydajność wynosi 95%. To więcej niż turbiny parowe swojej epoki.
Rzeczywistość była inna. Modele produkcyjne nigdy nie odpowiadały teorii.
Warstwa graniczna: to jest prawdziwy opór
Efekt warstwy granicznej wyjaśnia również opór (opór) skrzydła samolotu. Powietrze jest cieczą. Ma siły przyczepności i lepkości. Kiedy powietrze przylega do skrzydła, stawia ono opór ruchowi do przodu. Samolot zwalnia.
Bariery w komercjalizacji turbiny Tesli
Turbina Tesli nigdy nie przeszła od prototypu do masowej produkcji. Dlaczego? Wartości wydajności na papierze nie zostały przeniesione na halę produkcyjną. Wymagania dotyczące tolerancji produkcyjnej były krytyczne. Szczelina między dyskami musiała być mikroskopijna. Jeśli jest zbyt duża, warstwa graniczna zapada się. Wydajność gwałtownie spada.
Uszczelnienie wlotu wysokiego ciśnienia było kolejnym bólem głowy. Wycieki płynu całkowicie ominęły tarcze. Brak przenoszenia momentu obrotowego. Po prostu strata energii.
Zmęczenie materiału również odegrało pewną rolę. Gładkie tarcze obracające się z dużymi prędkościami są podatne na pęknięcia naprężeniowe. Tesla użył stali. Nowoczesne kompozyty mogą pomóc, ale projekt pozostaje niszowy.
Widzimy przebłyski jego zastosowania w wyspecjalizowanych obszarach. Wymienniki ciepła. Pompowanie cieczy korozyjnych w miejscach, w których ostrza mogłyby korodować. Ale do ogólnej produkcji energii elektrycznej? Trudność w uzyskaniu precyzyjnych odstępów przewyższa korzyści teoretyczne.
Turbina Tesli pozostaje pięknym pomysłem. Dowody dynamiki płynów. Po prostu nigdy nie wygrał wojny z kołem odśrodkowym.
Warstwa graniczna jest rzeczywista. To jest opór. I to właśnie trzymało turbinę Tesli na półce.
Tesla nie był jedynym, który był pewien, że jego turbina będzie przełomem. Logika wydawała się bez zarzutu. Kompaktowy. Łatwy w produkcji. Jedna ruchoma część. Odwracalny. Brzmiało to jak idealny silnik dla świata gotowego porzucić uciążliwy sprzęt przemysłowy.
Zhito, syn długoletniego tokarza Tesli, zbudował wczesne prototypy. Model z 1906 roku był lekki. Mniej niż 10 funtów. Osiem dysków o średnicy sześciu cali. Wytwarzał moc 30 koni mechanicznych. Miała jednak fatalną wadę. Wirnik obracał się tak szybko – 35 000 obrotów na minutę – że metalowe dyski się rozciągały. Luki się zamykały. Tarcie gwałtownie wzrosło. Wydajność spadała.
Tesla nadal nalegał. Wersja 1910 podwoiła średnicę koła do 12 cali. Działał wolniej – 10 000 obr./min – ale wytwarzał 100 koni mechanicznych. W 1911 roku zdecydowali się na koła 9,75 cala. Prędkość 进一步 spadła do 9000 obr./min. Moc wzrosła do 110 koni mechanicznych. Schemat był jasny: rozmiar i prędkość były sprzeczne z integralnością strukturalną.
Potem przyszedł główny test. Tesla powiększyła się do instalacji składającej się z dwóch jednostek przeznaczonych dla elektrowni New York Edison. Każda turbina posiadała tarcze o średnicy 18 cali. Instalacja pracowała liniowo na jednej podstawie. Osiągnął 9000 obr./min. Generował moc 200 koni mechanicznych.
Inżynierowie obserwujący to nie byli pod wrażeniem. Wielu było oddanych dziedzictwu Edisona. Źle zrozumieli, jak działa moment obrotowy w układzie tarczowym. Ogłosili, że to porażka.
Duże koncerny energetyczne zainwestowały już w turbiny łopatkowe. Po co przechodzić na projekt, który wydawał się mieć trudności z podstawowymi pomiarami? Inwestorzy trzymali się z daleka.
Tesla podjęła ostatnią próbę komercyjną. Zatrudnił firmę Allis-Chalmers Company w Milwaukee do budowy trzech kolejnych jednostek. Dwa miały 20 18-calowych szerokich dysków. Obracały się z prędkością 12 000 i 10 000 obr./min. Trzeci był potworem. 15 krążków o średnicy 60 cali. Pracował z prędkością 3600 obr./min i wytwarzał 675 koni mechanicznych.
Inżynierowie Allis-Chalmers byli zaniepokojeni. Obserwowali, jak dyski odkształcają się pod obciążeniem. Wątpili, czy samochód wytrzyma długotrwałe użytkowanie. Konkluzja była ponura. Turbina w końcu ulegnie awarii.
Kilkadziesiąt lat później odtworzenie wydajności Tesli okazało się prawie niemożliwe. Warren Rice, profesor inżynierii na Uniwersytecie Stanowym w Arizonie, zbudował wersję, która osiągnęła 41% wydajności. Krytycy argumentowali, że nie był on dokładnie zgodny ze specyfikacjami Tesli. Jednak przegląd literatury przeprowadzony przez Rice’a na temat badań z lat 90. XX w. wykazał spójny pułap. Żadna nowoczesna wersja nie przekroczyła wydajności 30 do 40 procent.
Ta luka zabiła powszechną adopcję. Nie można zastąpić istniejącej infrastruktury czymś, co jest po prostu „wystarczająco dobre”.
Biuro Badań Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych ująło to bez ogródek. Turbina Parsonsa jest wspierana przez przemysł od dziesięcioleci. Jeśli turbina Tesli nie jest o rząd wielkości lepsza, jest to po prostu strata pieniędzy. Branża nie zamierzała się łatwo poddać.
Więc gdzie teraz jesteśmy? Technologia nie zniknęła. Ona po prostu czekała. Inżynierowie teraz do tego wracają. W następnej sekcji wyjaśniono dlaczego.
Turbina Tesli nigdy nie miała być samodzielnym produktem. Była tylko odskocznią. Prawdziwą obsesją Nikoli Tesli była wymiana silnika tłokowego spalinowego na coś, co nie rozpadłoby się pod wpływem własnej mocy. Dążył do niezawodności. Dążył do efektywności.
Silniki tłokowe osiągały szczytową sprawność cieplną na poziomie około 27–28 procent. To wszystko. Większość paliwa jest po prostu rozpraszana w postaci ciepła. Tesla wierzył, że jego bezłopatkowa konstrukcja może przekroczyć tę liczbę, sięgając nawet 40 proc. Nie tylko teoretyzował na ten temat. Naszkicował na papierze szkic samochodu z turbodoładowaniem. Twierdził, że samochód mógłby przejechać Stany Zjednoczone na jednym zbiorniku paliwa. Logika inżynieryjna była nienaganna. Chronologia wydarzeń – nie.
Współczesne odrodzenie przy użyciu zaawansowanych materiałów
Tesla nie dożył chwili zbudowania swojego samochodu. Ale technologia zaczyna ożywać.
Firma Phoenix Nawigacja i Guidance Inc. (PNGinc) w Mooning w stanie Michigan testuje konfigurację hybrydową, która łączy turbinę dyskową Tesli z silnikiem detonacyjnym impulsowym. Wyniki są imponujące. Silnik obraca się z prędkością 18 000 obr./min. Rozwija moc 130 koni mechanicznych.
Projekt wymaga jubilerskiej precyzji. Wykorzystuje 29 aktywnych dysków o średnicy 10 cali każdy. Znajdują się one pomiędzy dwoma tarczami końcowymi, które zwężają się ku krawędziom. Siła odśrodkowa przy takich prędkościach ma tendencję do rozrywania wszystkiego na strzępy. Zwykła stal nie sprawdzi się tutaj. PNGinc wykorzystuje felgi wzmocnione włóknem węglowym, tworzywem sztucznym z dodatkiem tytanu i kevlarem.
Nauka o materiałach w końcu dogoniła fizykę. Gdyby Kevlar istniał w 1913 r., turbina mogłaby zdominować początek XX wieku. Zamiast tego okazał się maszyną wyprzedzającą swoje czasy.
Tajemnica przebicia strzały z 1931 r
Tesla nigdy nie jeździł samochodem z turbodoładowaniem. Jednak eksperymentował z napędem elektrycznym kilkadziesiąt lat przed utworzeniem Tesla Motors.
Dowody z 1931 roku wskazują, że przerobił samochód Pierce-Arrow. Zastąpił silnik benzynowy silnikiem elektrycznym o mocy 80 koni mechanicznych, obracającym się z prędkością 1800 obr./min. Potem pojawiła się czarna skrzynka.
Była to tajemnicza konstrukcja zbudowana z lamp próżniowych, przewodów i rezystorów. Wystawały z niego dwa pręty. Włóż pręty, a samochód ruszy. Tesla używał go przez tydzień. Prędkość maksymalna: 90 mil na godzinę.
Reakcją publiczności nie był zachwyt, ale strach. Ludzie myśleli, że dotknął niebezpiecznej siły natury. Krytycy nazywali go szaleńcem.
W przypływie złości Tesla wyrwał pudełko z samochodu. Zabrał go do swojego laboratorium. Potem zniknął.
Zasada działania tego elektrycznego samochodu pozostała w historii nienazwana.
Często zadawane pytania dotyczące turbiny Tesli
Kiedy wynaleziono turbinę Tesli?
Został opatentowany w 1913 roku.
Gdzie można zastosować turbinę Tesli?
Pierwotnie został opracowany do przemieszczania lub sprężania cieczy i gazów. Współpracuje ze sprężonym powietrzem, parą, systemami pompowania ścieków, a nawet jako odśrodkowa pompa krwi.
Czy turbina Tesli będzie działać na wodę?
Tak. Skutecznie radzi sobie z wodą.
Dlaczego turbina Tesli nie jest używana?
Wczesne próby wykazały mieszane wyniki. Inwestorzy się przestraszyli. Konkurenci twierdzą, że mają lepszą wydajność. Została przyćmiona przez technologię tłokową.
Czy turbina Tesli może napędzać generator?
Tak. Jest realnym kandydatem do zasilania rezerwowego lub wytwarzania energii poza siecią.
Następna granica
Aby dowiedzieć się więcej o innowacjach elektrycznych Tesli, przejdź do następnej sekcji.
