Лаборатория на Варденклифе была закрыта, штат ее распущен, охрана снята. От Теслы ушел даже Шерф, поступивший на службу в компанию по добыче серы. Раз в неделю без особого за то вознаграждения приходил он к Тесле и следил за тем, чтобы дела его не запутались окончательно. Две секретарши по-прежнему служили у Теслы, однако переписка с фирмами прекратилась, и помощь их была не нужна. Теперь деньги и всякое напоминание о них еще более раздражали Теслу. Он терпеть не мог держать их в руках, уверяя, что абсолютно не нуждается в них и согласен полностью отказаться от всех своих привычек, только бы иметь возможность продолжать работы по созданию "Мировой системы". Только бы закончить строительство башни, лаборатории, доказать применимость своих открытий!
Крах надежд на окончание сооружения "Мировой системы" все же вынудил Теслу заняться разработкой одной из многих идей, пришедших ему в голову еще в далекие юношеские годы. Позднее он снова вернулся к ней и наутро сказал Шерфу:
Я скоро создам небольшую паровую машину - это будет силовая станция, свободно умещающаяся в шляпе.
В 1906 году Тесла создал паровую турбину оригинальной конструкции. При мощности в 30 лошадиных сил она весила всего лишь 10 фунтов. 3 лошадиные силы на 1 фунт веса - этого теплотехника еще не знала! Но Тесла не остановился на достигнутом и выдвинул девиз: "20 лошадиных сил на 1 фунт веса". Он даже поместил его на своих личных бланках.
На мысль о такой машине его навело воспоминание о времени, проведенном в горах Велебита, когда он фантазировал, заготавливая идеи впрок. Мечта о создании почтовой связи Европы с Америкой через трубопровод, расположенный на дне океана с посылкой почты в шаре, движимом паром, оказалась неосуществимой из-за трения пара о стенки трубы. Это и навело Теслу на мысль использовать трение пара в создаваемой им паровой турбине.
В его устройствах было использовано не только расширение пара между лопатками, но также и сила трения пара. Тесла построил несколько моделей и опытных образцов таких турбин. Одна из них мощностью в 500 киловатт при 3600 оборотах в минуту с 15 дисками диаметром в 60 дюймов была практически испытана и показала достаточно большой коэффициент полезного действия. Однако эта турбина требовала высокого начального и конечного давления пара и была предложена как одна из ступеней многоступенчатой установки. Таким образом, можно считать, что Тесла изобрел то, что теперь носит название "предвключенной" турбины, или форшальттурбины. Использованием таких турбин повышается общий коэффициент полезного действия установки, и поэтому они применяются и в настоящее время.
Вместе с тем Тесла разработал проект турбины, работающей не за счет расширения водяного пара, а за счет сгорания в самой турбине различных газов. Таким образом, первый из возможных типов газовой турбины - этой наиболее прогрессивной конструкции энергетического оборудования, открывающей огромные перспективы применения подземной газификации угля, - был создан Николой Теслой.
Весь этот круг вопросов занимал Теслу в течение довольно длительного периода - от времени прекращения работ в Варденклифе до 1914 года, когда предвоенная обстановка потребовала перехода к работе над другими проектами. Снова к разработке конструкций энергетического оборудования Тесла смог вернуться лишь в 1925 году. Но за эти шесть-восемь лет (1906-1914 гг.) Тесла выполнил ряд серьезных работ, получил несколько патентов и обогатил теплоэнергетику многими новыми и оригинальными мыслями.
Сын одного из старейших сотрудников Теслы, Юлиус Чито, механик отеля "Уолдорф-Астория" изготовил в 1906 году первую модель паровой турбины по проекту Теслы, затем он дважды делал их вновь в 1911 и в 1925 годах. С последней моделью Тесла экспериментировал вплоть до 1929 года.
Почему же, однако, эти изобретения Теслы не нашли большого распространения? Во-первых, потому, что мысли, возникшие у Теслы еще в конце 80-х годов прошлого столетия и представлявшие для того времени открытие огромной важности, к началу XX века, когда появились и широко применялись паровые турбины Лаваля и Парсонса, уже не имели большого значения.
Второй и, пожалуй, более важной причиной было то, что конструктивный талант Теслы был значительно ниже его экспериментального мастерства. К тому же Тесла по складу своего характера не мог и не умел работать в коллективе, не привлекал к совместной работе талантливых конструкторов, чтобы общими усилиями разрабатывать конкретные, практически применимые типы оборудования, которые могли бы пойти в производство. Между тем давно прошли уже те времена, когда изобретатель-одиночка мог плодотворно разрабатывать свои идеи. Бурное развитие науки и техники XX века исключало возможность создания промышленных конструкций вне коллектива. Тесла, смотревший вперед, видевший едва намечавшиеся контуры будущего в науке, сам оставался типичным изобретателем 80-х годов прошлого века.
Однако справедливость требует указания на то, что такое одиночество отчасти может быть объяснено органическим нежеланием Теслы служить обогащению монополий, без чего нельзя было найти средства для работы в большом коллективе. Это было своеобразной формой протеста против общественного строя, обогащавшего кучку ненавистных Тесле магнатов.
Трагедия Теслы - трагедия большого ученого, не пожелавшего склонить свою голову перед "чудовищем Уолл-стрита", не пожелавшего стать слугою морганов, рокфеллеров и дюпонов. Творить не для их обогащения, а для народа, для всего человечества, для целей мира, а не войны - таково истинное стремление Теслы.
Турбина Тесла в Музее Николы Теслы.
Турбина Тесла - безлопастная центростремительная турбина, запатентованная Николой Тесла в 1913 году. Её часто называют безлопастной турбиной, поскольку в ней используется эффект пограничного слоя, а не давление жидкости или пара на лопатки, как в традиционной турбине. Турбина Тесла также известна как турбина пограничного слоя и турбина слоя Прандтля (в честь Людвига Прандтля). Учёные-биоинженеры называют её многодисковым центробежным насосом. Одним из желаемых применений данной турбины Тесла видел в геотермальной энергетике, описанной в книге «Our Future Motive Power ».
Принцип действия, достоинства и недостатки
Во времена Теслы КПД традиционных турбин был низок, так как не было аэродинамической теории, необходимой для создания эффективных лопаток, а низкое качество материалов для лопаток накладывало серьезные ограничения на рабочие скорости и температуры. КПД традиционной турбины связан с разностью давлений на входе и выходе. Для достижения более высокой разности давлений используются горячие газы, такие, например, как перегретый пар в паровых турбинах и продукты сгорания топлива в газовых, поэтому для достижения высокого КПД необходимы жаропрочные материалы. Если турбина использует газ, который при комнатной температуре становится жидкостью, то можно на выходе использовать конденсатор, чтобы увеличить разность давлений.
Турбина Тесла отличается от традиционной турбины механизмом передачи энергии на вал. Она состоит из набора гладких дисков и форсунок, направляющих рабочий газ к краю диска. Газ вращает диск посредством адгезии пограничного слоя и вязкого трения и замедляется, вращаясь по спирали.
Турбина Тесла не имеет лопаток и возникающих из-за них недостатков: ротор не имеет выступов и потому прочен. Тем не менее, у неё имеются динамические потери и ограничения на скорость потока. Небольшой поток (нагрузка) дает высокий КПД, а сильный поток увеличивает потери в турбине и снижает его, что, однако, характерно не только для турбины Тесла.
Диски должны быть очень тонкими по краям, чтобы не создавать турбулентность в рабочем теле. Это приводит к необходимости увеличения числа дисков при увеличении скорости потока. Максимальный КПД этой системы достигается, когда междисковое расстояние приблизительно равно толщине пограничного слоя. Поскольку толщина пограничного слоя зависит от вязкости и давления, утверждение, что один и тот же проект турбины может эффективно использоваться для различных жидкостей и газов, является некорректным.
Исследования показывают, что для поддержания высокого КПД скорость потока между дисками должна поддерживаться на относительно низком уровне. При слабом потоке траектория протекания рабочего тела от входа в турбину к выходу имеет много витков. При сильном потоке число оборотов спирали падает, и она становится короче, что снижает КПД, потому что газ (жидкость) меньше контактирует с дисками, а значит, передает меньше энергии.
КПД газовой турбины Тесла составляет выше 60% и достигает более 95%. Но не стоит путать турбинный КПД с общим КПД двигателя, который использует данную турбину. Осевые турбины, которые сейчас используются в паровых установках и реактивных двигателях, имеют КПД около 60-70% и ограничен величиной КПД соответствующего цикла Карно, а для силовой установки он достигает лишь 25-42%. Тесла утверждал, что паровая версия его турбины может достигать 95%. Натурные испытания паровой турбины Тесла на заводах Westinghouse показали паровую мощность в 38 фунтов на лошадиную силу в час, соответствующую КПД турбины в диапазоне 20%.
В 1950-х годах Уоррен Райс попытался повторить эксперименты Тесла, но он проводил их не на турбине, построенной в строгом соответствии с запатентованным Теслой образцом. Райс экспериментировал с однодисковой воздушной системой. Тестируемая турбина Райса показала эффективность 36-41% при использовании одного диска. Более высокая эффективность должна достигаться при использовании дизайна Тесла.
В своей последней работе с турбиной Тесла Райс провел масштабный анализ модели ламинарного потока в многодисковой турбине. Очень сильное утверждение для эффективности турбины (в отличие от эффективности прибора в целом) для этой конструкции было опубликовано в 1991 году под названием «Турбомашина Тесла».
Для лучшего понимания нижеизложенного материала, настоятельно рекомендую ознакомиться с оригинальной информацией, представленой в разделе " ".
Я узнал об этом изобретении в 2006 году, и, честно говоря, оно не произвело на меня какого либо впечатления. Но спустя пару лет, за которые я многое узнал о различных видах двигателей и о принципах их работы, вспомнил о турбине Тесла. Решил, что стоит более подробно разобраться, что же это такое, и как оно работает. Я изучил все патенты, касающиеся этого изобретения, а так же все, что можно было найти на этот счет. Как обычно, в интернете мало чего путного, куча небылиц, и странных, непонятно на чем основанных предположений. Так же в сети можно найти большое количество самодельных моделей, но сделаны они не корректно, так как нет полного понимания принципов работы и процессов, происходящих внутри устройства. Есть и исключения, но их очень мало. Итак, основной принцип, заложенный в работу турбины – вязкость движущейся среды. Н. Тесла в своих патентах описал основные принципы и закономерности данного эффекта. Что же представляет собой безлопастная турбина Тесла? Ротор турбины – это вал с закрепленными на нем плоскими дисками. Между дисками выдерживается определенное расстояние посредством разделяющих шайб, а так же небольших выступов, сделаных на каждом втором диске по обе стороны. Каждый диск имеет окна в центральной части для выхода рабочего тела.
Основной диск ротора.
Собраный ротор.
Расстояния между дисками.
Стальной ротор.
Крайние диски делаются более толстыми, так как проходящая между дисками струя газа пытается раздвинуть диски, а так же для прижимания остальных дисков друг к другу. Так же крайние диски имеют кольцевые выступы над окнами, которые служат в качестве части уплотнения.
Боковой диск с кольцевыми выступами.
Ротор помещается в корпус, который имеет входящее сопло и боковые крышки с отверстиями в центре. К крышкам крепятся еще две детали, не знаю как их правильнее назвать, я их назвал «уши», в которых закрепляются подшипники и обеспечивается отвод отработанной среды.
На внутренней поверхности крышек вырезаны кольцевые канавки. Их можно разделить на две группы по их назначению. Первая группа канавок располагается ближе к центру, в эти канавки входят кольцевые выступы боковых дисков, что обеспечивает хорошее уплотнение. Канавки и выступы, составляющие уплотнение, должны быть тщательно подогнаны друг к другу. Зазоры должны быть минимально возможными, но и не допускающими трение, что требует высокой точности изготовления. Вторая группа канавок прорезается почти по всей оставшейся поверхности и к ним не предъявляется таких жестких требований по точности изготовления. Боковые диски движутся относительно неподвижных крышек корпуса. Чтобы не создавать дополнительное сопротивление, расстояние между дисками и корпусом нужно увеличить. Именно этой цели и служат кольцевые канавки второй группы. Так как поток всегда ищет путь наименьшего сопротивления, а в нашем случае – это канавки между крышками и дисками, основная часть потока проходила бы именно этим путем, и лишь незначительная часть проходила бы между остальными дисками ротора. За счет уплотнения, в канавках возникает повышенное давление, что и не дает среде пройти только этим путем, и среда проходит там, где возможно, т.е. между остальными дисками. Можно было бы сделать и одну широкую канавку, однако это бы увеличило утечку. По этому, лучшего результата можно добиться, используя несколько канавок.
>
Сопло турбины располагается тангенциально, т.е. по касательной к внутренней поверхности корпуса и может быть выполнено в виде прямоугольной щели, или круглого сужающегося отверстия.
Прямоугольное сопло.
Зазор по периферии между корпусом и ротором делается минимальным, учитывая небольшое увеличение диаметра ротора, при работе на высоких оборотах.
Теперь, имея примерное представление об устройстве турбины, рассмотрим теоретическую базу и рабочий процесс. Если направить поток жидкости, или газа по плоской поверхности, то этот поток начнет увлекать за собой эту поверхность. Такое поведение обусловлено тем, что самый первый слой молекул, прилегающих к плоскости – неподвижен. Следующий слой движется очень медленно, следующий чуть быстрее и так далее. Ниже приведу небольшую выдержку из аэродинамики.
Важной характеристикой движущейся среды является ее вязкость. Вязкость проявляется через свойство прилипания текучей среды к поверхности, тогда как не вязкая среда свободно скользит вдоль обтекаемой поверхности. Чтобы проиллюстрировать влияние вязкости, порождающей силу, замедляющую течение (силу сопротивления), рассмотрим две большие параллельные друг другу пластиныA и B (рис. 1), одна из которых движется относительно другой. Вязкая среда прилипает к каждой из пластин. Случайные движения молекул создают эффект «перемешивания», стремящегося выровнять средние скорости течения, скорость которого на пластине B равна V , а на пластине A – нулю. Результирующее распределение скоростей также приведено на рис. 1, где длина стрелок пропорциональна величине скорости в данной точке течения по высоте между пластинами. Таким образом, на движущуюся пластину B действует сила, тормозящая ее движение. Чтобы обеспечить движение пластины B при наличии торможения, к ней должна быть приложена противодействующая сила. Такая же сила стремится привести в движение пластину A .
Рис. 1. СИЛА ВЯЗКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ, или влияние вязкости течения на пластины A и B. Пластина B движется по отношению к пластине A со скоростью V, изображенной стрелкой. Распределение скоростей жидкости между пластинами также показано соответствующими стрелками.
Величина силы, необходимой для поддержания движения пластины B со скоростью 1 м/с (или удержания на месте неподвижной пластины A ), при условии, что расстояние между пластинами равно 1 м, а площадь каждой из них – 1 м 2 , называется коэффициентом вязкости m . Для воздуха при температуре 0 ° С и давлении 1 атм m = 1,73 * 10 –5 H * c/м 2 . Эксперименты показывают, что коэффициент вязкости воздуха изменяется в зависимости от температуры пропорционально T 0,76 .
А теперь представим, что пластины А и В неподвижны относительно друг друга, а поток газа движется между ними. Естественно, поток начнет увлекать за собой обе пластины. Распределение градиента скоростей в потоке будет следующим: у поверхности обеих пластин скорость потока будет минимальна, а посередине - максимальна.
Понятно, что чем меньше расстояние между пластинами и больше их площадь, тем больше сила вязкого трения, тем меньше «проскальзывания» газа между плоскостями, и тем сильнее поток увлекает за собой плоскости. Теперь рассмотрим процесс, происходящий внутри турбины. Рабочее тело (газ или жидкость) подается под давлением через сопло. Получив ускорение в сопле, поток движется спиралеобразно между дисками, увлекая за собой ротор, и выходит через окна в центральной части дисков. Если турбина работает в холостом режиме, то скорость вращения ротора будет чуть меньше скорости потока, из-за трения в подшипниках. В таком режиме, длинна спиралеобразного пути - максимальна, так как относительная скорость потока и дисков почти нулевая. При подключении нагрузки скорость вращения ротора падает, а вместе с ней и скорость потока, из-за чего и длинна спиралеобразного пути сокращается. Таким образом, мы имеем саморегулирующую машину. Одно из преимуществ данной конструкции – ламинарность потока. Нет никаких завихрений и турбулентных образований, которые всегда снижают эффективность. Крутящий момент турбины прямо пропорционален квадрату скорости среды относительно ротора и площади дисков, и обратно пропорционален расстоянию между ними. То есть, для получения максимального крутящего момента расстояние между дисками должно быть минимальное, а количество дисков, или их диаметр – как можно больше. Аппарат способен совершать максимальную работу когда скорость ротора равна половине скорости потока, но для достижения максимальной экономии относительная скорость, или скольжение - должны быть как можно меньше.
Диск с выступами по обеим сторонам, сделаными по окружности.
Отступив ~15мм от края диска, нужно прочертить окружность с обеих сторон диска. На одной из сторон диска окружность надо поделить на 8 равных частей. В точках пересечения нужно пробить небольшие лунки. Я проделал это с помощью молотка и кернера, слегка закруглив острие последнего. Процедура не сложная, но нужно быть предельно аккуратным, дабы не перестараться. Далее, на второй стороне диска проделываем то же самое, только точки пересечения должны оказаться между уже пробитыми выступами. В итоге имеем диск, с шестнадцатью выступами, по восемь с каждой стороны. Высота выступа должна равняться, или быть чуть меньше расстаяния между дисками. Для окончательной доводки выступы обрабатываются надфилем. Выступы делаются не на всех дисках, а через один. В моем случае общее количество дисков - 21шт. Дисков с выступами - 10шт. Центральный диск гладкий, потом два с выступами, опять два гладких и т.д. Крайние диски гладкие. Вроде с этим понятно. В итоге получилась достаточно качественная и жесткая конструкция, а расстояние между дисками вариирует в пределах 0,2-0,4мм.
Равномерное расстояние между дисками
Еще одна неприятность заключается в балансировке ротора. После того, как ротор собран, в идеале, его нужно слегка подточить на токарном станке, что бы выровнять все неровности. Так же, очень желательно все диски, а так же все сопрягаемые детали отшлифовать. В общем, самая главная проблема – точность изготовления. Если все детали делать на высокоточном оборудовании с программным управлением, 95% всех неприятностей разрешатся сами собой. Несколько слов хотелось сказать об изготовлении крестообразных шайб. В условиях производства – это самая простая задача, наштамповал, и готово. А вот сделать несколько десятков штук с приемлемым уровнем точности – не так то и просто. Дело в том, что толщина метала для изготовления шайб, составляет - 0,2-0,3мм. С таким металлом работать не просто, уж слишком аккуратно надо с ним обходиться. И когда стал вопрос об их изготовлении, мне заломили неприемлемо высокую цену. Немного пораскинув мозгами, решил поступить просто. На рисунке ниже представлена заготовка, и готовая шайба.
Заготовка (слева), и готовая крестообразная разделительная шайба.
Пришлось заказывать заготовку, а потом вручную доделывать. Ножницами по металлу делается 8 надрезов до соединения с отверстиями, а потом лобзиком отпиливаются лишние части. Зато вышло в 5 раз дешевле. Еще хотелось бы сказать о выборе подшипников. Так как турбина работает на достаточно высоких оборотах (10000-15000об.\мин.) и более, подшипники должны быть рассчитаны на такие скорости. В отличие от лопастных турбин, турбина Теслы не имеет осевой нагрузки, поэтому подшипники могут быть просто радиальными шариковыми. В остальном, проблем, заслуживающих внимания, не наблюдалось.
Фотографии, изготовленной мной турбины Теслы. Ротор составляют 21 диск диаметром 186мм и толщиной 1,5мм, боковые диски имеют толщину 3мм, разделяющие шайбы изготовлены из листа нержавеющей стали толщиной 0,3мм. Вал по центру имеет диаметр 15мм, и ступенчато сужается на концах до 12мм. Сопло сделано прямоугольным. Вес ротора примерно 7кг, вес собранного агрегата - 18кг.
Кольцо корпуса с соплом
Часть корпуса с соплом и кольцевыми пазами.
То же самое.
Боковай крышка и "ухо".
То же самое.
Первые результаты.
Все, ниже описанное касается самого первого варианта турбины, который имел ряд недостатков, а именно: расстояние между дисками не равномерное, отсутствовали кольцевые канавки на боковых крышках, а так же, не достаточно глубокие кольцевые выступы на боковых диска, что способствовало большим утечкам газа. Все опыты проводились со сжатым азотом (150 ат). Азот - потому что его проще достать оказалось, чем сжатый воздух, а так же потому, что азот инертный и не взрывоопасный. Редуктор в опытах не использовался. С помощью шланга высокого давления баллон напрямую соединялся с соплом турбины через переходник оснащенный манометром. Размер прямоугольного сопла 4х32 мм, при таком сечении максимальное давление перед соплом достигало не более 3-5 ат при полностью открытом баллоне. Момент проверялся руками, и его почти не было, тем не менее, за 80-90 с ротор достигал 9000 об\мин. Расход газа был просто жуткий, баллона (40 л, 6 м^3) хватало не более чем на 2-3 мин. Первой модернизацией стало уменьшение сечения сопла до 1х32мм. Результат на лицо, давление перед соплом при полностью открытом баловне достигало 40-50 ат. Естественно, скорость газовой струи выросла, что позволило разгонять ротор до тех же 9000 об\мин уже за 50-60 сек. при давлении перед соплом 15 ат. Следующей модернизацией было нарезание кольцевых канавок в боковых крышках турбины, а так же переделка боковых дисков (в первом варианте они были сведены на конус к периферии, что в данном случае не подходит). После модернизации показатели значительно улучшились, при давлении 12 ат ротор руками остановить было крайне трудно. Разгон ротора до 9000 об\мин сократился до 45-50 сек. Но это, как вы понимаете, ерунда, так как самое главное так и осталось неисправленным, а именно - равномерность расстояний между основной массой дисков. Эту задачу я решил совсем недавно, и тестов еще не проводил. Я уверен, что результат будет более чем положительным, и в разы будет превосходить предыдущие. Однако, надо учитывать тот факт, что газ при расширении сильно охлаждается, переходник и кран на баллоне покрывались инеем, а при понижении температуры газ теряет вязкость. А вязкость - это основное свойство газа, которое используется в этом типе двигателя. Дальнейшие эксперименты с холодным газом пока проводить не планирую, так как собираюсь пойти дальше - попытаюсь сделать из этой турбины ДВС. .
Прошу прощения за некоторые неточности в выше описанном тексте, писал по памяти, память подвела. Ошибки исправил по записям, сделанным во время тестов в мае 2009 года.
И так, я все же провел серию опытов с модернизированной турбиной (17 ноября 2009). Параметры следующие: размер сопла - 2х32 мм, диаметр дисков - 186 мм, количество дисков - 21 шт. Расстояние между дисками от 0,2 до 0,4 мм, вес ротора - 7 кг. В качестве газа использовался аргон в 40 литровом баллоне с давлением 150 ат. Так как все снималось на видео, писать много не буду. Приведу лишь результаты. Все тесты проводились с давлением перед соплом - 9-11 ат. Мои надежды более чем оправдались:). Итак: разгон ротора до 3000 об\мин - 4 сек, до 10000 об\мин - 17 сек. Отсчет времени начинался при достижении нужного давления (~10 ат). Не судите строго за мою дикцию, и некоторые ошибки в оборотах речи - честно - даже самому смешно:). Буду исправляться.
Ниже привожу видеоролики:
Остальные ролики можно посмотреть в разделе - .
Для полноты картины будет не лишним сказать о некоторых положениях, влияющих на мощность, крутящий момент, надежность, и эффективность турбины. Точность изготовления! Я это повторяю, так как - это важно. Чем меньше конструкция, тем выше необходимая точность. Минимально возможные зазоры между дисками, и их равномерное распределение по всей рабочей площади зазора, а так же между боковыми дисками и стенками турбины. Последний момент один из самых важных. Дело в том, что поток газа из сопла будет идти по пути наименьшего сопротивления, и если окажется, что этот путь лежит через щели, образованные стенками турбины и боковыми дисками, то и работать будут только два боковых диска по большей части. Это один из важнейших конструктивных моментов. В справочнике Анурьева достаточно подробно описываются различные виды лабиринтных уплотнений, по этому настоятельно рекомендую ознакомится с ними как можно подробнее. Второй важнейший момент - сопло. Как показали многочисленные опыты - простого отверстия или щели - мало. Сопло должно быть сделано максимально грамотно. Как показывает теория и практика, целесообразно использовать сверхзвуковое сопло Лаваля. КПД которого достаточно высок, с его помощью достигается сверхзвуковая скорость струи газа из сопла. Есть мнение, что использовать сверхзвуковую струю в турбине Тесла нельзя, так как поток переходит из ламинарного состояния в турбулентный. На самом деле так и есть, однако далеко не во всех условиях такое имеет место быть. Даже при числе Рейнольдса = 5000 поток между двумя параллельными пластинами остается ламинарным (источник - ), так как не происходит срыва пограничного слоя. Хотя эти тонкости требуют проверки на практике. Позволю себе сделать небольшое отступление, на мой взгляд, это важно. В интернете, особенно на англоязычных сайтах описываются различные конструкции турбин Тесла. Причем результаты их испытаний, мягко говоря - плачевные. В первую очередь это связано с большими зазорами между дисками. Это при том, что в патентах Тесла английским по белому написано, что чем меньше зазоры между дисками, тем выше крутящий момент и КПД турбины. В чем же дело? А дело как раз в уплотнении боковых дисков, так как эти товарищи не удосужились сделать нормальное (да хоть какое-нибудь) уплотнение. При малых зазорах между основной массой дисков, поток и проходил только межу крайними дисками и корпусом. Американские братья решили проблему просто - увеличили зазоры между основной массой дисков. И естественно, результат оказался гораздо лучше. То ли дело, когда работают два диска, другое - когда все. Но это не выход, надеюсь, это русским (в самом широком смысл этого слова) братьям понятно. Что же, продолжим... Это, в первую очередь, влияет на крутящий момент и КПД. Температура газа - чем выше, тем лучше. Кроме теплового КПД, температура влияет на механический КПД самой турбины, из-за принципа ее работы. Использование соответствующих условиям работы материалов для изготовления турбины. Балансировка ротора. Для получения большого крутящего момента и мощности необходимо использовать несколько сопел, чем их больше, при соответствующем давлении, тем лучше. Собственно, как и во всех современных турбинах. В корпусе турбины, желательно поддерживать разряжение, но не обязательно. Все выше сказанное, лишь в отдаленной степени касается представленной, здесь, модели.
Результаты испытаний, проведенных 23.01.2010.
Но сначала немного о работе над ошибками и конструкции испытательного стенда. Работа над ошибками заключалась в более тщательном и равномерном обеспечении меж дисковых зазоров, а так же подгонкой корпуса, для обеспечения минимального зазора между боковыми дисками, и кромками кольцевых канавок на боковых крышках. После проведения всех работ, зазоры между дисками составляли от 0,2 до 0,3 мм, зазор между боковыми дисками и кромками кольцевых канавок - 0,3 мм. Испытательный стенд представляет из себя швеллер, с закрепленными на нем турбиной и автомобильным генератором мощностью 1,2 кВт (14 В 90 А). В месте крепления генератора, швеллер имеет продольный фрезерованный паз, что позволяет производить натяжение приводного ремня. В качестве нагрузки для генератора использовалось нихромовое сопротивление от сварочного аппарата. Ток и напряжение измерялись стандартными амперметром(150 А постоянного тока) и вольтметром. Обороты турбины измерялись механическим тахометром. Передаточное отношение шкивов на турбине и генераторе 1:1. Ниже приведены фото стенда (это более новые фото стенда, на момент данных испытаний в турбине не было второго манометра, установленного за соплом в корпусе турбины) и приборов:
Стенд в сборе.
Турбина с манометрами до и после сопла.
Генератор 1,2кВт.
В качестве источника рабочего тела (сжатого воздуха) использовался ресивер объемом 4м3. Давление в ресивере на начало теста составляло ~7ат, температура воздуха в ресивере -12С. Турбина соединялась с ресивером с помощью шланга высокого давления диаметром 0,5дюйма. На время испытания компрессор был отключен.
Было проведено 2 теста, на протяжении обоих тестов давление в ресивере непрерывно падало, и к концу тестов составляло 4,5ат, данное обстоятельство не позволило получить стабильную работу турбины с постоянной мощностью подводимого рабочего тела. В первом тесте была получена мощность 310Вт с плавным падением оборотов, нагрузка к генератору подключалась при достижении ~5500об/мин, давление перед соплом составляло 4,8-5ат. Во втором тесте было получено 168Вт на ~6000об/мин, давление перед соплом составляло 4-4,5ат. в обоих тестах использовалось сопло прямоугольного сечения с площадью критического сечения ~45мм2, и неудачной геометрией, с успехом обеспечивающей большие потери. На следующем видеоролике представлен даный опыт (на ролике значения давления ошибочны, перепутали деления, в приведенных выше данных значения правильные):
Результат далек от желаемого. Однако этот результат обусловлен не низкой эффективность турбины Тесла, а моим невежеством в вопросах турбиностроения, газодинамики и т.д. Как оказалось, кртическое сечение сопла слишком мало, не говоря уже о совершенно неграмотной геометрии сопла. Мощность, полученая на валу турбины зависит от механического КПД самой турбины, от энергии и количества рабочего тела, прошедшего через турбину за единицу времени, но в первую очередь - от мощности источника рабочего тела. В данном случае оказалось, что сечение сопла просто не позволяет пройти большому количеству воздуха через него, а соответственно и через турбину. В следующем испытании этот недочет будет исправлен, что позволит убедиться в справедливости выводов, сделанных здесь.
Сопло новой конструкции и с большим критическим сечением. 04.02.2010.
После первых испытаний было решено сделать новое сопло. Хотя я и говорил о целесообразности использования сверхзвукового сопла Лаваля, мне пришлось использовать обычное звуковое сужающееся сопло. Так как расчет сопел - дело не простое, я решил остановиться на варианте по проще. Для этого пришлось бы переделывать часть корпуса, что на данный момент не самый подходящий вариант, по этому пришлось выходить из положения более простым способом. Но и получилось все не так, как хотелось, однако значительно лучше, чем в первый раз. На фото ниже показан первоначальный дизайн сопла.
Первый вариант используемого сопла.
Как видно, сужающаяся часть сделана под слишком тупым углом, а так же данный вариант сопла имеет постоянное критическое сечение, что не позволяет варьировать количество рабочего тела, проходящего через него. Новое сопло сделано конусным.
В новом варианте, сопло представляет из себя вставку с внешней резьбой, что позволяет сделать несколько сменных сопел с различными критическими сечениями, и геометрией.
Новый вариант используемого сопла.
Вставка вкручивается во входящий патрубок, который, в свою очередь был немного переделан, его диаметр был увеличен, и на внутренней части нарезана резьба.
Переделанный патрубок с внутренней резьбой для фиксации сопловой вставки.
Сама сопловая вставка представляет собой цилиндр с внешней резьбой, и конусной проточкой внутри, диаметр конуса на входе составляет 22мм, на выходе - 12мм.
Правда, такое решение привело к необходимости сделать дуговую проточку на внутренней поверхности корпуса турбины, сразу за соплом, иначе часть выходного отверстия сопла перекрывалась бы ступенькой, образованной телом корпуса.
Как мне кажется, эта проточка не самым лучшим образом скажется на аэродинамике. Кроме переделки сопла, так же было добавлено крепление для манометра за соплом, для измерения давления в корпусе турбины, однако последнее дополнение было сделано немного раньше нового сопла. На видеороликах ниже представлены предварительные тесты турбины с новым соплом:
На данном ролике второй пуск производился с подключенным возбуждением на генераторе.
Давление в ресивере перед началом тестов составляло 8 бар. На видео хорошо видно, что даже не смотря на быстрое падение давления в ресивере, скорость разгона турбины значительно выше, чем в тестах со старым вариантом сопла. Так же при увеличении критического сечения сопла давление в корпусе турбины достигает 1,5 ат. При использовании старого сопла такого не наблюдалось. Эти испытания проводились в домашних условиях с использованием небольшого компрессора с объемом ресивером 24 л, и дополнительного ресивера объемом 80 л. Схема подключения большого ресивера представлена на следующем видеоролике (в этом ролике используется старое сопло):
Результаты испытаний, проведенных 08.02.2010.
Данная серия испытаний проводилась с тем же источником рабочего тела, что и в испытаниях 23.01.2010. В качестве источника рабочего тела (сжатого воздуха) использовался ресивер объемом 4 м3. Давление в ресивере на начало теста составляло ~7 ат, температура воздуха в ресивере -12 С. Турбина соединялась с ресивером с помощью шланга высокого давления диаметром 0,5 дюйма. На время испытания компрессор был отключен. В данной серии испытаний было целью проверить работу нового сопла. Было проведено 4 теста, на протяжении которых давления в ресивере непрерывно падало, как и в тестах 23.01.2010, с теми же последствиями (турбина не могла работать стабильно). В первом тесте нагрузку к генератору подключали при достижении ~4000 об/мин., сопротивление на генераторе было выбрано таким, что бы выдаваемая мощность составляла 310 Вт. Именно при такой мощности обороты турбины падали в тесте 23.01.2010. Давление перед соплом на начало теста составляло 4 ат, давление непосредственно за соплом в корпусе турбины составляло - 1,4-1,5 ат. Турбина без проблем вытянула нагрузку в 310 Вт и продолжила быстрый набор оборотов, при достижении 7500 об/мин. мы отключили подачу воздуха. На следующем видеоролике запись описанного теста. Тест №1:
Следующий тест производился с большей нагрузкой на генераторе, составляющей 12,5 В 75 А (937 Вт), но при меньшем давлении перед соплом - 3,2ат., за соплом давление составляло 1,15 ат. Нагрузка подключалась при достижении турбиной 4000 об/мин. При подключении нагрузки обороты турбины начали резко падать. Причина падения оборотов - недостаточная мощность потока воздуха. На следующем видеоролике видно, на сколько быстро падает давление перед соплом и в корпусе турбины. Из-за использования бОльшего критического сечения сопла возросла как мощность турбины, так и расход рабочего тела. Тест №2:
В третьем тесте давление перед соплом упало еще ниже, и составляло 3 ат, давлении за соплом - 1 ат. Нагрузка на генераторе 525 Вт. Подключение нагрузки осуществлялось при достижении турбиной 5000 об/мин. Турбина начинает плавно снижать обороты. Так же на видеоролике хорошо наблюдается падение давления перед соплом. Тест №3:
Понятно, что при такой нагрузке на генераторе, и давлении перед соплом как в первом тесте турбина бы без проблем вытянула 525 Вт, а возможно и немного больше.
Четвертый тест проводился при такой же нагрузке, как и первый (немногим более чем 312 Вт), однако давление перед соплом упало еще ниже, и составляло 2,5 ат, за соплом - 0,85 ат. Нагрузка подключалась при достижении турбиной 5000 об/мин. После подключения нагрузки обороты турбины плавно падают.
На основании выше приведенных опытов можно сделать следующие выводы: во первых, для стабильной работы турбины нужна стабильная подача рабочего тела; во вторых, источник рабочего тела должен обладать соответствующей мощностью; в третьих, сопло турбины должно иметь грамотно спроектированный профиль, и достаточное критическое сечение. Так же нужно учитывать, что во всех тестах использовался холодный воздух, вязкость которого растет вместе с температурой, а так же уменьшается массовый расход. Что касается сопла - новая модификация последнего оправдала ожидания. К сожалению у меня не было возможности по окончанию испытаний заново накачать ресивер, и все же выяснить, какую мощность способна выдать турбина при максимальном давлении в ресивере. Однако можно смело заявить, что эта мощность будет не менее 600-700 Вт. так же стоит напомнить, что во всех тестах я называл не мощность самой турбины, а электрическую мощность на выходе генератора, который имеет КПД около 80%, т.е. все приведенные мной значения мощности нужно сложить с 20% надбавкой от этого значения. При электрической мощности 525 Вт, мощность турбины составляет 656 Вт... В перспективе планируется провести тесты с более мощным и стабильным источником рабочего тела с измерением не только давлений, оборотов и электрической мощности, но так же и температур на входе и выходе турбины, а так же расхода рабочего тела. Так же планируется провести тесты с перегретым паром. На данный момент используемая модель турбины не выдержит больших нагрузок, максимум мощности, которую она в состоянии выдержать не превышает 4-5 кВт. Так же данная модель не предназначалась для работы с паром, или раскаленными газами в режиме газовой турбины, по этому было принято решение проектирования новой турбины, соответствующей условиям ее эксплуатации. Новая модель будет лишена всех недостатков текущей, и будет рассчитана на более высокую мощность и эффективность. Что касается данной модели, с ней еще будут производится некоторые испытания, результаты которых буду опубликованы на этой странице. За последнее время с помощью моих друзей , огромная им благодарность:), было найдено несколько редчайших книг времен СССР, посвященных дисковой технологии как насосов и компрессоров, так и турбин. Итак, статья Экспериментальное исследование дисковой микро турбины. А.Н. Шерстюк. 1980. и книга Дисковые насосы. В.И. Миссюра. 1986.
Подготовка турбины для испытаний на паре. 20.03.2010
В ближайшее время планируется проведение серии испытаний турбины Тесла на перегретом паре. Для этого было необходимо сделать некоторые доработки. В первую очередь были сделаны карманы для термопар, а так же змеевики для манометров, которые служат для сглаживания пульсация давления, а так же для охлаждения пара. Так же была переделана выхлопная система, для удобного соединения с паропроводом. Ниже на фото представлено все вышесказанное:
Стенд в сборе:
Первое испытание на паре. 25.03.2010
К сожалению, первое испытание прошло не совсем удачно, однако проблемы возникли не по нашей вине. При подключении к паропроводу использовались два крана и регулирующий клапан и что-то из них не пропускало пар в полной мере. Итог - из 5 бар доступного избыточного давления мы получили 1 бар. Естественно, при таком малом избыточном давлении говорить о какой то значимой мощности не приходится. Однако даже при таком малом давлении турбина разогналась до 6500 об./мин. вместе с генератором, который работал в холостую. Ранее, при проведении испытаний с холодным воздухом, при тех же условиях(давление перед соплом 1 бар) турбина даже не пыталась стартовать. Это говорит о том, что вязкость горячего пара значительно выше, и можно надеяться на значительно лучшие результаты. В ближайшее время все неисправности устранят, и мы сможем провести полноценные испытания. Видео первого испытания на паре:
Второе испытание на паре. 7.04.2010
После исправления всех компонентов паропровода проблема была устранена, однако при проверке подачи пара заклинело турбину. Проверку подачи пара производили без моего участия, и я не знал причины заклинивания. Оказалось, что причина банальна - часть трубы от основной паровой магистрали ведущая к соплу турбины была ржавая, и в турбину через сопло попал кусок ржавой окалины, что и привело к заклиниванию ротора. После того, как турбина была разобрана и почищена, клин был устранен. К сожалению, я не догадался снять на камеру процесс устранения данной неполадки. Но удалось снять процесс сборки турбины перед испытанием:
После сборки и герметизации турбины мы перешли к сборке испытательного стенда:
Перед основным пуском было необходимо прогреть турбину, что бы исключить затирание ротора о корпус турбины из-за расширения металла. В начале прогрева были слышны легкие затирания, но после прогрева все стало на свои места:
Было проведено два пуска, результаты которых очень похожи. В обоих тестах использовалось круглое конусное сопло с входным диаметром 22 мм, и выходным - 10 мм (в предыдущих тестах с ресивером использовалось сопло с выходным диаметром 12 мм). В первом тесте была получена стабильная мощность в нагрузке - 508,75 Вт (напряжение - 13,75 В, ток 37-38 А) на 7600-7800 об./мин. Параметры пара при первом запуске были следующими: давление перед соплом - 2,8-3 ат, температура - 183 С начале, 202 С в конце, давление за соплом - 0,62-0,65 ат, температура на выходе - 117 С в начале, 141 С в конце, давление на выходе - атмосферное(может немного больше, но манометр так ничего и не показал).
Второй тест показал немного бОльшую мощность в нагрузке- 591,2 Вт (напряжение - 13,75 В, ток 42-43 А) на 7900-8000 об./мин.. Параметры пара во втором тесте следующие: давление перед соплом - 2,8-3 ат, температура - 189 С в начале, 229 С в конце, давление за соплом - 0,66-0,7 ат, температура на выходе - 156 С в начале, 184 С в конце, давление на выходе - атмосферное(такое же, как и в первом тесте).
В общем - испытания прошли удачно, подшипники выдержали и температуру, и обороты, так же после прогрева не наблюдалось затирания ротора. Так же подтвердились мои ожидания повышения эффективности с ростом температуры и, соответственно, вязкости рабочего тела, при 3 ат перед соплом, при испытаниях на сжатом холодном воздухе такую мощность получить не удавалось. Следующим этапом испытаний будет измерение расхода пара через турбину, что бы можно было посчитать и экономичность и КПД дисковой турбины. Так же, если удастся, попробуем подключить турбину к источнику пара с более высоким давлением, что бы перед соплом получить 6-7 ат, и провести все измерения при этих параметрах.
Испытание турбины на пару и измерение расхода пара на разных режимах работы. 16.04.2010
В данной серии испытаний основной целью было измерение расхода пара и других параметров при разных давлениях перед соплом. Было проведено 3 основных теста при давлениях пара перед соплом 1,8 ат, 2,5 ат, 3,5 ат соответственно. А так же один дополнительный тест при максимальном давлении пара 3,5 ат, но при меньшей турбулентности перед соплом, о чем свидетельствует дрожание стрелки манометра. Для измерения расхода пара нужно знать его скорость, температуру и давление, а так же диаметр паропровода, в котором производится измерение. Скорость пара рассчитывалась исходя из динамического давления потока пара. Динамическое давление измерялось с помощью трубки Пито и водяного U-образного манометра. Вообще, трубка Пито измеряет не динамическое, а полное давление, но учитывая, что в нашем случае пар выходил в атмосферу, можно считать статическое избыточное давление в потоке равным 0, хотя скорее всего оно все же есть, но мы его не измеряли, и скорее всего оно пренебрежимо мало. Зная скорость пара, его плотность при соответствующем давлении и температуре, и площадь сечения паропровода можно легко рассчитать как массовый, так и объемный расход пара. Для расчета объемного расхода, нужно знать так же его удельный объем при соответствующей температуре и давлении. Удельную плотность и объем пара при разных давлениях и температурах можно найти в специальных таблицах. Основные 3 теста были построены следующим образом: максимальное избыточное давление пара, которым мы располагали составляло 3,5 ат, при давлении 1,8 ат мы подобрали нагрузку на генераторе, при которой турбина стабильно работает, и на таком режиме производили измерение расхода пара, далее при давлении 2,5 ат, так же была подобрана стабильная нагрузка, с максимальным давлением в 3,5 ат проделали то же самое. В итоге мы получили следующие результаты:
Тест №1 - давление перед соплом - 1,8 ат, за соплом - 0,3 ат, температура на входе - 200 С, температура на выходе - 139 С, мощность на генераторе - 275 Вт, среднее динамическое давление на выходе - 6 мм. вод. столба, расход пара - 63,5 кг/ч.
Тест №2 - давление перед соплом - 2,5 ат, за соплом - 0,5 ат, температура на входе - 220 С, температура на выходе - 165 С, мощность на генераторе - 550 Вт, среднее динамическое давление на выходе - 14 мм. вод. столба, расход пара - 90,54 кг/ч.:
Тест №3 - давление перед соплом - 3,5 ат, за соплом - 0,85 ат, температура на входе - 240 С, температура на выходе - 188 С, мощность на генераторе - 890 Вт, среднее динамическое давление на выходе - 24 мм. вод. столба, расход пара - 113,3 кг/ч.
3 основных теста на следующем видео:
Дополнительный тест №4 - давление перед соплом - 3,5 ат, за соплом - 0,85 ат, температура на входе - 237 С, температура на выходе - 178 С, мощность на генераторе - 935 Вт, среднее динамическое давление на выходе - 24 мм. вод. столба, расход пара - 113,3 кг/ч. Немного бОльшая мощность на генераторе скорее всего обусловлена меньшей турбулентностью пара перед соплом в данном случае.
Известный расход пара и остальные параметры позволили рассчитать относительные эффективный КПД турбины на всех трех режимах работы, результаты следующие: КПД турбины при давлении 1,8 ат - 17%, 2,5 ат - 27%, 3,5 ат - 38%. В дополнительном тесте с бОльшей мощностью на генераторе но при меньшей турбулентности и чуть большем тепло перепаде КПД получился 33,5%. Относительный эффективный КПД - это отношение мощности, реально полученной на валу турбины к механическому эквиваленту мощности располагаемого перепада тепла, т.е. при работе турбины мы располагали неким конкретным перепадом тепла, если этот тепло перепад полностью преобразовать в механическую работу, то мы получим некую мощность, так вот относительный эффективный КПД, это и есть отношение реальной мощности к теоретически максимально возможной. При расчете этого КПД уже учитываются все возможные потери, включая потери в генераторе и его КПД (в нашем случае КПД генератора 80%).
Некоторые поправки... В предыдущем абзаце указывались расчетные КПД турбины на нескольких режимах работы с разным расходом и мощностью на генераторе. Все расчеты производились с учетом того, что генератор имеет КПД 80%, или около того, но как недавно выяснилось, автомобильные генераторы малой мощности с напряжением 14 В и с самовозбуждением имеют КПД 50-55%!!! КПД 50-55% генератор имеет в достаточно узком диапазоне оборотов, в среднем от 5000 до 6000 об. в мин., в наших тестах обороты генератора во всех случаях были не менее 8000 об.в мин. Дело в том, что на повышенных оборотах у генератора данного типа стремительно падает КПД. Из некоторых источников удалось выяснить, что КПД генератора на 12000 об.в мин. падает до 30-35%. Но на текущий момент я не располагаю точными данными о том, какой все таки имеет КПД мой генератор на 9000-10000 об. в мин. Поэтому я пересчитал КПД турбины предполагая, что КПД генератора во всех тестах был 50%. Результаты следующие:
Относительный эффективный КПД турбины при давлении 1,8 ат - 21%, 2,5 ат - 33%, 3,5 ат - 49%!!!
И если выяснится, что КПД генератора на повышенных оборотах еще ниже, то, соответственно, КПД турбины еще выше. Однако 49% - это не окончательный приговор. Это всего лишь результат, достигнутый на данный момент при конкретных условиях. Так как максимальная мощность и КПД турбины любого типа достигается при условии, когда окружная скорость ротора в месте взаимодействия со струей рабочего тела равна половине скорости этой струи, а в моем случае эта скорость не была достигнута, то есть потенциал для повышения КПД турбины есть. В моей конструкции используется дозвуковое сужающееся сопло, которое по определению не может разогнать струю до скорости, выше скорости звука в среде, куда происходит истечение. В последних тестах с усовершенствованным соплом удалось добиться достаточно эффективного расширения пара в корпусе турбины, что повлекло за собой падение давления в корпусе турбины, стрелка манометра, установленного за соплом, так и не сдвинулась с нулевой отметки. Это говорит о том, что струя пара имела скорость, близкую к скорости звука при атмосферном давлении, т.е. 340 м в сек. Учитывая, что перед соплом давление составляло 5-6 ат, то сомневаться в достижении максимальной скорости не приходиться. Теперь можно сделать прикидочные расчеты: диаметр ротора турбины составляет 186 мм, т.е. длина окружности равна 0,584 м, при 10000 об в мин. скорость ротора составляет 97,34 м. в сек. Скорость ротора на периферии, при которой достигается максимальный КПД равна 170 м. в сек. т.е. - 17465 об в мин. Но так как давление в корпусе турбины все же немного выше атмосферного, то и скорость звука выше, соответственно, максимальный КПД будет достигнут примерно на 19-21тыс об в мин. Этот расчет прикидочный и грубый, но он позволяет понять наглядно порядок цифр. Вышесказанное подтверждается и опытом - во всех тестах с ростом оборотов удавалось получить больше мощности. Так как на данный момент есть некоторые ограничения, которые не позволяют раскрутить турбину до таких высоких оборотов, это будет сделано при первой же возможности, но скорее всего придется делать новый образец турбины и все эти опыты проводить с ним. Так же нужно иметь ввиду, что данная модель турбины имеет только одно сопло. В науке о турбинах есть такое понятие - степень порциальности. Степень порциальности - это отношение эффективных площадей соплового аппарата к площади окружности, которую они занимают. Сопловой аппарат по сути - это лопастное колесо, только оно не вращается. Сами лопасти имеют определенные размеры, т.е. если полная длинна окружности равна - 1м, то из этого метра рабочие эффективные сопла суммарно составляют 0,8-0,85 м., остальное уйдет на толщину лопаток соплового аппарата. Степень порциальности стараются доводить до возможного максимума, так как в противном случае эффективность турбины сильно падает. Если степень порциальности очень низкая, на пример, турбина имеет только одно сопло, как в моей модели, то лопастная турбина будет иметь очень низкую эффективность. В отличии от лопастной, дисковая турбина не так остро реагирует на низкую степень порциальности, и ее эффективность хоть и снижается, но не на много. Для дисковой турбины есть оптимальная степень порциальности, однако она на много ниже, чем для лопастной турбины. К примеру, для моей модели оптимальным вариантом можно считать 6-8 сопел, равномерно расположенных по окружности корпуса. Чем больше сопел, тем меньше их высота, соответственно меньше потери при входе на диски ротора, однако есть критическая высота сопла, ниже которого оно превращается в дроссель, т.е. в сплошные гидравлические потери. Исходя из всего вышесказанного, по моему, не вызывает никакого сомнения тот факт, что повысить КПД дисковой турбины можно, причем на много. А пока что представляю последние испытания турбины с генератором, а так же фото новой конструкции сопла. Для того, что бы генератор смог работать на своих номинальных оборотах, т.е. в приделах 4-5 тыс в мин. был сделан новый шкив большего диаметра. При таком соотношении турбина может работать на 10-12 тыс. оборотах.
Для опытов с турбиной было сделано новое сопло, которое состоит из двух съемных вставок. Высота сопла составляет 3 мм, ширина – 29 мм (87 мм2).
Испытательный стенд:
Видео:
02.05.2011 - Предварительные тесты турбины с зазором между дисками 0,5мм.
Для проведения данных испытаний было необходимо изготовить новый комплект крестообразных разделяющих шайб толщиной 0,5 мм. Шайбы были изготовлены из листа оцинковки. Исходя из предыдущего опыта, лепестки шайб били сделаны более длинными, что бы часть лепестка заходила вглубь меж дискового зазора, что обеспечивает бОльшую жесткость конструкции ротора.
За счет увеличения зазора, общая толщина ротора так же увечилась, из-за чего пришлось убрать два диска. Однако по результатам предварительных опытов турбина стала работать лучше, увеличился и крутящий момент и скорость набора оборотов, по сравнению с предыдущими тестами с зазором 0,3 мм. Скорее всего существует определенная зависимость между диаметром дисков, и шириной зазора, которую еще предстоит вычислить. А пока представляю видеоматериал проделанных опытов:
Испытания по определению момента силы на рычаге 0,018 м и 0,18 м проводились при давлениях 4, 6 и 8 бар. Момент на валу турбины составил 0,88 Нм, 2 Нм, 2,93 Нм, соответственно. С рычагом 0,018 м динамометр показа 5,24 кг, 10,92 кг и 15,44 кг соответственно. С рычагом 0,18 м динамометр показа 0,5 кг, 1,14 кг и 1,66 кг соответственно. В ближайшее время я постараюсь провести испытания турбины на паре, что бы была возможность сравнить результаты тестов с уже имеющимися. Сравнение покажет, на сколько влияет зазор между дисками на работу турбины и на сколько.
Продолжение следует...
Турбина Тесла - безлопастная дисковая турбина, конструктивно представляющая собой бутерброд из тонких дисков, укреплённых на одной оси на небольшом расстоянии друг от друга и помещённые в кожух.
Принцип действия основан на том, что рабочее тело (допустим - газ или жидкость), попадая в турбину, за счёт трения «увлекает» за собой ротор из дисков, заставляя их вращаться. Далее, рабочее тело, потеряв часть энергии, «скатывается» к оси ротора, где имеются специальные отверстия, через которые осуществляется отвод.
Для сборки собственной турбины Тесла своими руками требуются несколько уже не рабочих жестких дисков. Круглые алюминиевые пластины внутри, это идеальное решение для ротора турбины. Корпус устройства изготовлен из акрилового пластика, больше известного нам как оргстекло.
С чего нам начать? Для начала разберем и вынем те самые пластины из некогда служивших верой и правдой жестких дисков. Думаю с этим проблем не должно возникнуть, единственное, что надо учитывать, это то, что в некоторых моделях используются не металлические, а керамические пластины, что нам никак не подходит. Ведь в них необходимо будет проделать отверстия для отвода рабочего тела, а керамику, как вы понимаете, не получится обработать. Она просто треснет.
Пластина жесткого диска из керамики треснула при обработке
Проделав отверстия, аналогично тем что изображены на картинке, нам необходимо изготовить распорки.
Благодаря им, пластины из которых состоит ротор находятся на некотором расстоянии друг от друга. Идеальное расстояние зависит от нескольких переменных, включая вязкость жидкости, скорости и температуры. Информацию по этому поводу вы найдете здесь . Я же не стал заморачиваться и взял готовые кольца из тех же жестких дисков.
Следующим шагом будет изготовление вала. Его необходимо выточить из алюминия на токарном станке. Диаметр центральной части, на который впоследствии «сядут» пластины ротора, должен соответствовать диаметру отверстий в них. Это около 2.48 см. Длина же вала где-то 4.5 см.
Также из алюминия необходимо выточить кольца, схожие с теми, что используются в качестве распорок. Они необходимы для фиксации ротора на валу турбины и для этого в них предусмотрены соответствующие установочные винты.
Выполнив все вышеописанные условия можно приступать к сборке самого ротора.
В своей конструкции я использовал 11 алюминиевых дисков и 10 распорных колец между ними.
Собирая «бутерброд» важно зажать его фиксирующими кольцами так, чтобы диски не вращались отдельно от самого вала.
Корпус турбины Тесла можно изготовить из любого подходящего материала, будь то дерево или металл. Все зависит от ваших возможностей и потребностей. Я же использовал кусок акрила размерами 12,5 х 12,5 х 6 см. В нем, любым удобным способом, вырезаем отверстие образующие камеру для ротора турбины.
Также делаем одно отверстие для патрубка, через которое будет поступать рабочее тело, и четыре для крепления боковин корпуса.
Боковые панели из того же материала, размерами 12,5 х 12,5 х 1,2 см и с соответствующими отверстиями для крепления к основной камере. В центре каждой такой боковины необходимо сделать 15 мм в диаметре и 7 мм в глубину выемки для подшипников.
Так как в качестве рабочего тела будет использоваться сжатый воздух, я не стал сверлить отверстия для «выхлопа». Их в полной мере заменяют оба подшипника с зазорами между внешними и внутренними кольцами.
Ну вот, теперь осталось собрать все компоненты в одну единую конструкцию.
Турбина почти готова.
Прошло более ста лет с тех пор, как Никола Тесла создал прототип своего первого турбинного двигателя, а мир до сих пор ожидает, когда придет его время. Чтобы понять, почему этот двигатель так долго пребывает в забвении, необходимо обратиться к истории.
Прошлое
На рубеже XIX‑XX веков бензиновые и дизельные двигатели достигли уже такого уровня совершенства, что могли использоваться на сухопутных транспортных средствах. В тот же период были созданы турбины Парсонса и Кертиса для паросиловых установок, а Никола Тесла начинает разработку своего оригинального двигателя.Поршневая двигательная техника полностью подошла и закрепилась в автомобильной промышленности. Главные производители электротехнической продукции, в том числе для электрических станций, уже вложили крупные инвестиции в разработки Парсонса и Кертиса. Когда Никола Тесла в конце концов сделал предложения автомобильным и электротехническим компаниям, то они уже не были заинтересованы в рассмотрении новой двигательной техники, даже если бы она оказалась лучшей.
Конструкции
Турбина Теслы – замечательный тепловой двигатель: предельно простой по своей конструкции, надежный и, в определенной степени, эффективный при работе. Этот двигатель сегодня может оказаться вполне пригодным для эксплуатации на ТЭС. Однако принцип его действия малоизвестен среди современных инженеров, как и то, насколько хорошо он может работать наряду с лопаточными турбинами общеизвестных конструкций.По принципу действия лопаточные турбины можно классифицировать на активные и реактивные. Первые преобразуют кинетическую энергию потока газообразного рабочего тела в механическую энергию вращательного движения ротора за счет отклонения этого потока посредством лопаток. В результате их работы происходит снижение скорости движения газа, а его давление остается постоянным поперек лопаток. Характерная особенность функционирования активных турбин – одинаковое давление газа на ведущей и ведомой кромках лопаток.
Вторые снижают скорость и давление газа, что повышает эффективность преобразования энергии. В реактивных турбинах обеспечивается снижение давления газа поперек поверхностей лопаток за счет их соответствующей формы. Как результат возникает реактивная сила в радиальном направлении. Однако разница в величинах давления газа (высокое – на ведущей кромке лопатки, низкое – на ведомой ее кромке) приводит к увеличению аксиальной нагрузки на ротор турбины.
В конструкции дисковой, или погранично-слоевой, турбины Теслы (патент США US 1,061,206 и патент Великобритании GB 186,082) никаких лопаток нет. На роторе располагаются диски, набранные параллельно друг другу в плотный «пакет».
Как это работает?
Диски в турбине Теслы используются для создания аэродинамического поверхностного адгезионного эффекта (эффекта прилипания) за счет их сопротивления потоку газа между пластинами (дисками). Поэтому турбина Теслы является турбиной трения. В ней передача энергии к валу ротора обеспечивается за счет сопротивления трения потока рабочего тела между дисками (Никола Тесла. Утраченные изобретения. – М., 2009; О. Файг. Никола Тесла. Великие изобретения и открытия. – М., 2014).Газ с большой скоростью поступает в дисковый «пакет» через впускной канал по траектории, касательной (тангенциальной) к его внешнему ребру. Сплошные (без отверстий специальной формы) диски, которыми замыкается «пакет», преобразуют кинетическую энергию газового потока в механическую энергию вращения вала ротора посредством активных и тормозящих сил. По мере уменьшения энергии газового потока он направляется по спирали к центральному выходному каналу, «прилипает», а тормозящие и центробежные силы продолжают преобразовывать кинетическую энергию газового потока в энергию вращательного движения вала ротора.
Возможности
Механизм преобразования энергии в погранично-слоевых турбинах весьма эффективен даже у одноступенчатых конструкций. Весомым же показателем, по которому лопаточные турбины превосходят дисковые турбины Теслы, является удельная мощность на единицу массы. Однако этот недостаток, наверное, может быть устранен за счет улучшений в конструкции турбины Теслы.Турбина Теслы может быть изготовлена из простых сортаментных материалов – листовой стали, труб, круглых и квадратных балок. Это принципиально позволяет организовать крупносерийный выпуск таких тепловых двигателей для ТЭС при низких производственных затратах.
Кроме вышеперечисленного, турбина Теслы может стать одним из тепловых двигателей, который будет способствовать решению такой мировой проблемы, как «устойчивое развитие», то есть достижение глобального прогресса без загрязнения окружающей среды. Один из путей решения данной проблемы состоит в переходе от централизованного снабжения потребителей электрической и тепловой энергией к децентрализованному, выгодному потребителям. Самостоятельная выработка энергии на месте ее потребления принципиально может быть реализована с использованием паровых либо газовых турбин Теслы. При этом следует отметить, что Никола Тесла для своих турбин разработал и конструкцию оригинального клапана (патент США US 1,329,559).
Если говорить о децентрализованной выработке электрической и тепловой энергии, то наиболее подходящими объектами генерации, на которых могут быть применены турбины Теслы, являются паровые конденсационные мини-ТЭС и когенерационные энергетические установки (мини-ТЭЦ). Разумеется, что внедрению турбин Теслы должны предшествовать обстоятельные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы. Пока же в большинстве своем такие тепловые двигатели разрабатываются, строятся и исследуются силами многочисленных энтузиастов как в нашей стране, так и за рубежом.
Перспективы
При создании и внедрении технических объектов, необычных для сегодняшнего профессионального сообщества, важно понимать, что первые проекты необходимо разрабатывать для малых энергетических установок. Как вариант можно рассматривать создание комбинированной ТЭС с первичным двигателем традиционной конструкции (например, с газопоршневым двигателем мощностью в несколько мегаватт) и турбиной Теслы (к примеру, в паровом варианте для работы от парового котла-утилизатора выхлопных газов газопоршневого двигателя).Другой путь – разработка и последующая реализация пилотных проектов микромощных ТЭС, то есть с электрическими мощностями до 100 кВт. Такие энергетические установки могут найти применение, например, в дачных и деревенских хозяйствах. Дешевизна и простота турбин Теслы в эксплуатации делает их очень привлекательным тепловым двигателем именно в сельской местности, где всегда есть проблемы с ремонтом энергетического оборудования в части квалификации обслуживающего персонала, которого может не быть вообще.
Нельзя исключать и вариант создания автономной паровой мини-ТЭЦ с турбиной Теслы для снабжения электрической энергией небольшой группы потребителей через однопроводную резонансную линию электропередачи. Ее варианты тоже являются развитием научного наследия Николы Теслы, многократно запатентованы в нашей стране и продолжают разрабатываться во Всероссийском научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) под научным руководством академика РАН Дмитрия Семеновича Стребкова (Д. С. Стребков, А. И. Некрасов. Резонансные методы передачи и применения электрической энергии / Под ред. Д. С. Стребкова. – 4‑е изд., перераб. и доп. – М., 2013). Снабжение потребителей теплом и, при необходимости, холодом от такой мини-ТЭЦ принципиально возможно предусмотреть по непротяженным тепловым сетям. Для аккумулирования электрической и тепловой энергии целесообразно использовать соответствующие накопительные установки.
Таким образом, технология преобразования энергии в таком тепловом двигателе, как турбина Теслы, не нашедшая применения в прошлом, может быть по‑новому реализована на современном этапе развития техники и производства. Сегодня существуют и успешно применяются уникальные технологии компьютерного трехмерного моделирования с последующим численным моделированием физических процессов, происходящих в будущем изделии. Сто лет назад такое невозможно было себе представить. При проектировании турбин Теслы с применением САПР этот процесс будет более продуктивным.
