Většina lidí zná Nikolu Teslu, výstředního a brilantního muže, který přijel do New Yorku v roce 1884, jako otce střídavého proudu, formy elektřiny, která dodává energii téměř všem domácnostem a podnikům. Ale Tesla byl úžasný vynálezce, který aplikoval svou genialitu na širokou škálu praktických problémů. Celkově vzato, vlastnil 272 patentů ve 25 zemích, z toho 112 patentů jen ve Spojených státech. Mohli byste si myslet, že ze všech těchto prací by Tesla měl své vynálezy v elektrotechnice - ty, které popisovaly kompletní systém generátorů, transformátorů, přenosových vedení, motoru a osvětlení - nejdražší jeho srdci. Ale v roce 1913 Tesla obdržel patent na to, co označil za svůj nejdůležitější vynález. Tím vynálezem byla turbína, dnes známá jako Teslova turbína, turbína s mezní vrstvou nebo turbína s plochým kotoučem.
Zajímavé je, že použití slova „turbína“ k popisu Teslova vynálezu se zdá trochu zavádějící. To proto, že většina lidí si pod pojmem turbína představí hřídel s lopatkami – jako lopatky ventilátoru – k ní připojené. Websterův slovník ve skutečnosti definuje turbínu jako motor roztáčený silou plynu nebo vody na lopatky ventilátoru. Ale turbína Tesla nemá žádné lopatky. Má řadu těsně uložených paralelních disků připojených k hřídeli a uspořádaných v utěsněné komoře. Když je tekutině umožněno vstoupit do komory a procházet mezi disky, disky se otáčejí, což zase otáčí hřídelí. Tento rotační pohyb lze využít různými způsoby, od napájení čerpadel, dmychadel a kompresorů až po provoz automobilů a letadel. Tesla ve skutečnosti tvrdil, že turbína je nejúčinnějším a nejjednodušeji navrženým rotačním motorem, jaký byl kdy navržen.
Pokud je to pravda, proč se Teslova turbína netěšila širšímu využití? Proč se nestal tak všudypřítomným jako Teslovo další mistrovské dílo, přenos střídavého proudu? To jsou důležité otázky, ale jsou podružné ve srovnání se zásadnějšími otázkami, jako například jak funguje Teslova turbína a co dělá technologii tak inovativní? Na všechny tyto otázky odpovíme na následujících stránkách. Nejprve si však musíme zopakovat některé základy o různých typech motorů vyvinutých v průběhu let. Na další stránce získáme lepší představu o konkrétním problému, který Tesla doufal vyřešit svým novým vynálezem.
ObsahÚkolem každého motoru je přeměnit energii ze zdroje paliva na mechanickou energii. Ať už je přírodním zdrojem vzduch, pohybující se voda, uhlí nebo ropa, vstupní energií je tekutina. A tekutinou máme na mysli něco velmi specifického -- je to jakákoli látka, která proudí pod aplikovaným tlakem. Plyny i kapaliny jsou tedy kapaliny, jejichž příkladem může být voda. Pokud jde o inženýra, kapalná voda a plynná voda nebo pára fungují jako tekutina.
Na počátku 20. století byly běžné dva typy motorů:lopatkové turbíny, poháněné buď pohybující se vodou, nebo párou generovanou z ohřáté vody, a pístové motory, poháněné plyny vznikajícími při spalování benzínu. První je typ rotačního motoru, druhý typ pístového motoru. Oba typy motorů byly složité stroje, jejichž stavba byla náročná a časově náročná.
Vezměme si jako příklad píst. Píst je válcový kus kovu, který se pohybuje nahoru a dolů, obvykle uvnitř jiného válce. Kromě samotných pístů a válců jsou dalšími částmi motoru ventily, vačky, ložiska, těsnění a kroužky. Každá z těchto částí představuje příležitost k selhání. A společně přispívají k hmotnosti a neúčinnosti motoru jako celku.
Lopatkové turbíny měly méně pohyblivých částí, ale představovaly své vlastní problémy. Většinou šlo o obrovské kusy strojů s velmi úzkými tolerancemi. Pokud nejsou správně postaveny, nože by se mohly zlomit nebo prasknout. Ve skutečnosti to bylo pozorování učiněné v loděnici, které inspirovalo Teslu, aby vymyslel něco lepšího:„Vzpomněl jsem si na křoví zlomených lopatek, které byly shromážděny z pláště turbín první parní lodi vybavené turbínou, která překročila oceán, a uvědomil jsem si důležitost tohoto [nového motoru]“ [zdroj:The New York City Herald Tribune].
Teslovým novým motorem byla bezlopatková turbína, která by stále používala kapalinu jako prostředek energie, ale byla by mnohem efektivnější při přeměně energie kapaliny na pohyb. Na rozdíl od všeobecného přesvědčení nevynalezl bezlopatkovou turbínu, ale vzal základní koncept, poprvé patentovaný v Evropě v roce 1832, a provedl několik vylepšení. Během téměř deseti let tuto myšlenku zdokonalil a ve skutečnosti obdržel tři patenty související se strojem:
V prvním patentu Tesla představil svůj základní bezlopatkový design konfigurovaný jako čerpadlo nebo kompresor. Ve druhém patentu Tesla upravil základní konstrukci tak, aby fungovala jako turbína. A konečně třetím patentem provedl změny nutné k provozu turbíny jako spalovacího motoru.
Základní konstrukce stroje je stejná, bez ohledu na jeho konfiguraci. V další části se na tento design podíváme podrobněji.
Ve srovnání s pístovým nebo parním strojem je Teslova turbína jednoduchost sama. Tesla to ve skutečnosti popsal takto v rozhovoru, který se objevil v New York Herald Tribune 15. října 1911:„Vše, co potřebujeme, jsou nějaké disky namontované na hřídeli, rozmístěné v malé vzdálenosti od sebe a zapouzdřené tak, aby tekutina mohla v jednom místě vstoupit a v jiném vystoupit." Je jasné, že jde o přílišné zjednodušení, ale ne o mnoho. Podívejme se na dvě základní části turbíny – rotor a stator – podrobněji.
U tradiční turbíny je rotorem hřídel s připojenými lopatkami. Teslova turbína odstraňuje lopatky a místo toho používá řadu disků. Velikost a počet disků se může lišit v závislosti na faktorech souvisejících s konkrétní aplikací. Teslova patentová dokumentace nedefinuje konkrétní číslo, ale používá obecnější popis s tím, že rotor by měl obsahovat „množství“ disků s „vhodným průměrem“. Jak uvidíme později, Tesla sám poměrně dost experimentoval s velikostí a počtem disků.
Každý disk je vyroben s otvory obklopujícími hřídel. Tyto otvory fungují jako výfukové otvory, kterými tekutina vystupuje. Aby se zajistilo, že kapalina může volně procházet mezi disky, jsou jako dělicí příčky použity kovové podložky. Opět platí, že tloušťka podložky není pevně nastavena, i když mezilehlé prostory obvykle nepřesahují 2 až 3 milimetry.
Závitová matice drží disky v poloze na hřídeli, posledním kusu sestavy rotoru. Protože jsou disky zaklínovány k hřídeli, jejich rotace se přenáší na hřídel.
Rotorová sestava je umístěna ve válcovém statoru nebo ve stacionární části turbíny. Pro umístění rotoru musí být průměr vnitřní komory válce o něco větší než samotné rotorové disky. Každý konec statoru obsahuje ložisko pro hřídel. Stator dále obsahuje jeden nebo dva vstupy, do kterých se vkládají trysky. Původní design Tesly požadoval dva vstupy, které umožňovaly turbíně běžet ve směru nebo proti směru hodinových ručiček.
Toto je základní provedení. Aby turbína běžela, vysokotlaká kapalina vstupuje do trysek na vstupech statoru. Kapalina prochází mezi kotouči rotoru a způsobuje roztočení rotoru. Nakonec tekutina vystupuje výfukovými otvory ve středu turbíny.
Jednou ze skvělých věcí na Teslově turbíně je její jednoduchost. Lze jej postavit ze snadno dostupných materiálů a vzdálenost mezi disky nemusí být přesně řízena. Ve skutečnosti je to tak snadné, že několik běžných časopisů obsahuje kompletní montážní návody s použitím domácích materiálů. Vydání Popular Science ze září 1955 obsahovalo podrobný plán na stavbu dmychadla s použitím konstrukce Teslovy turbíny vyrobené z lepenky!
Ale jak přesně série disků generuje rotační pohyb, který od turbíny očekáváme? To je otázka, kterou se budeme zabývat v další části.
Možná se divíte, jak může energie tekutiny způsobit roztočení kovového disku. Koneckonců, pokud je disk dokonale hladký a nemá žádné lopatky, lopatky nebo kbelíky, které by „zachytily“ tekutinu, logika naznačuje, že tekutina jednoduše přeteče přes disk a disk zůstane nehybný. To se samozřejmě neděje. Nejen, že se rotor Teslovy turbíny otáčí, ale také se otáčí rychle.
Důvodem jsou dvě základní vlastnosti všech kapalin:adheze a viskozita. Adheze je tendence odlišných molekul k sobě přilnout v důsledku přitažlivých sil. Viskozita je odpor látky vůči toku. Tyto dvě vlastnosti spolupracují v Teslově turbíně při přenosu energie z tekutiny do rotoru nebo naopak. Zde je postup:
Tenká vrstva tekutiny, která tímto způsobem interaguje s povrchem disku, se nazývá hraniční vrstva a interakce tekutiny s pevným povrchem se nazývá efekt hraniční vrstvy . V důsledku tohoto efektu se hnací tekutina pohybuje po rychle zrychlené spirálové dráze podél čel disku, dokud nedosáhne vhodného výstupu. Protože se tekutina pohybuje v přirozených drahách nejmenšího odporu, bez omezení a rušivých sil způsobených lopatkami nebo lopatkami, dochází u ní k postupným změnám rychlosti a směru. To znamená, že do turbíny je dodáváno více energie. Tesla skutečně tvrdil, že účinnost turbíny je 95 procent, což je mnohem více než u jiných turbín té doby.
Ale jak uvidíme v další části, teoretická účinnost Teslovy turbíny nebyla ve sériových modelech tak snadno realizována.
Hraniční vrstva:Je to skutečný odporEfekt hraniční vrstvy také vysvětluje, jak vzniká odpor na křídle letadla. Vzduch pohybující se po křídle se chová jako tekutina, což znamená, že molekuly vzduchu mají adhezivní i viskózní síly. Když se vzduch přilepí na povrch křídla, vytváří sílu, která brání dopřednému pohybu letadla.
Tesla, stejně jako mnoho současných vědců a průmyslníků, věřili, že jeho nová turbína je revoluční na základě řady atributů. Byl malý a snadno vyrobitelný. Měl pouze jednu pohyblivou část. A bylo to reverzibilní.
K prokázání těchto výhod nechal Tesla postavit několik strojů. Juilus C. Czito, syn Teslova dlouholetého strojníka, postavil několik verzí. První, postavený v roce 1906, měl osm disků, každý šest palců (15,2 centimetrů) v průměru. Stroj vážil méně než 10 liber (4,5 kilogramu) a vyvinul 30 koňských sil. Odhalil také nedostatek, který by ztěžoval pokračující vývoj stroje. Rotor dosahoval tak vysokých rychlostí -- 35 000 otáček za minutu (ot/min) -- že se kovové disky značně natahovaly, což snižovalo účinnost.
V roce 1910 Czito a Tesla postavili větší model s disky o průměru 12 palců (30,5 centimetru). Točil se rychlostí 10 000 otáček za minutu a vyvinul výkon 100 koní. Poté, v roce 1911, dvojice postavila model s disky o průměru 9,75 palce (24,8 centimetru). To snížilo rychlost na 9 000 ot./min, ale zvýšilo výkon na 110 koní.
Posílen těmito úspěchy v malém měřítku postavil Tesla větší dvojitou jednotku, kterou plánoval otestovat s párou v hlavní elektrárně společnosti New York Edison Company. Každá turbína měla rotorové ložiskové disky o průměru 18 palců (45,7 centimetrů). Dvě turbíny byly umístěny v řadě na jedné základně. Během testu byla Tesla schopna dosáhnout 9 000 otáček za minutu a generovat výkon 200 koní. Někteří inženýři přítomní u testu, loajální k Edisonovi, však tvrdili, že turbína byla selháním na základě nepochopení způsobu měření točivého momentu v novém stroji. Tento špatný tisk v kombinaci se skutečností, že velké elektrické společnosti již hodně investovaly do lopatkových turbín, znesnadňovaly Tesle přilákat investory.
V posledním pokusu Tesly o komercializaci svého vynálezu přesvědčil Allis-Chalmers Manufacturing Company v Milwaukee, aby postavila tři turbíny. Dva měly 20 disků o průměru 18 palců a vyvinuté rychlosti 12 000 a 10 000 otáček za minutu. Třetí měl 15 disků o průměru 60 palců (1,5 metru) a byl navržen pro provoz při 3600 otáčkách za minutu, generující 675 koňských sil. Během testů se inženýři z Allis-Chalmers začali obávat jak mechanické účinnosti turbín, tak jejich schopnosti vydržet dlouhodobé používání. Zjistili, že se disky do značné míry zdeformovaly, a dospěli k závěru, že turbína by nakonec selhala.
Dokonce až v 70. letech 20. století měli výzkumníci potíže s replikací výsledků hlášených Teslou. Warren Rice, profesor inženýrství na Arizona State University, vytvořil verzi Teslovy turbíny, která pracovala s účinností 41 procent. Někteří tvrdili, že Riceův model se odchyloval od přesných specifikací Tesly. Ale Riceová, expertka na dynamiku tekutin a Teslovu turbínu, provedla literární rešerši výzkumu až v 90. letech a zjistila, že žádná moderní verze Teslova vynálezu nepřesáhla 30 až 40 procent účinnosti.
To více než cokoli jiného zabránilo tomu, aby se Teslova turbína stala široce používána.
Jak jasně uvedl Office of Naval Research ve Washingtonu, DC:"Parsonsova turbína existuje již dlouhou dobu a celá průmyslová odvětví jsou postavena kolem ní a podporují ji. Pokud Tesla turbína není o řád lepší, pak by sypat peníze do krysí díry, protože průmysl se tak snadno nezvrhne…“ [zdroj:Cheney].
Takže, kde to dnes opouští Teslovu turbínu? Jak uvidíme v další části, inženýři a automobiloví designéři opět obracejí svou pozornost k této 100 let staré technologii.
Tesla byl vždy vizionář. Svou bezlopatkovou turbínu neviděl jako cíl sám o sobě, ale jako prostředek k dosažení cíle. Jeho konečným cílem bylo nahradit pístový spalovací motor mnohem účinnějším a spolehlivějším motorem založeným na jeho technologii. Nejúčinnější pístové spalovací motory se při přeměně paliva na práci nedostaly nad 27 až 28 procent účinnosti. I při míře účinnosti 40 procent Tesla viděl svou turbínu jako zlepšení. Dokonce na papíře zkonstruoval motorový vůz s turbínou, o kterém tvrdil, že bude tak účinný, že by mohl jezdit napříč Spojenými státy na jednu nádrž benzínu.
Tesla toto auto nikdy neviděla, ale mohl by být dnes potěšen, když viděl, že jeho revoluční turbína je konečně začleněna do nové generace čistších a účinnějších vozidel. Jedna společnost, která dosáhla vážného pokroku, je Phoenix Navigation and Guidance Inc. (PNGinc) se sídlem v Munisingu, Michigan. Společnost PNGinc zkombinovala technologii diskové turbíny se spalovací komorou pro pulzní detonaci v motoru, o kterém společnost říká, že poskytuje bezprecedentní účinnost. Mezi dvěma kuželovými koncovými disky je vloženo 29 aktivních disků, každý o průměru 10 palců (25,4 centimetrů). Motor generuje 18 000 otáček za minutu a výkon 130 koní. K překonání extrémních odstředivých sil vlastní turbíně používá PNGinc různé pokročilé materiály, jako jsou uhlíková vlákna, titanem impregnovaný plast a disky vyztužené kevlarem.
Je zřejmé, že tyto pevnější a odolnější materiály jsou kritické, pokud se má Teslova turbína těšit z komerčního úspěchu. Pokud by materiály jako Kevlar byly k dispozici za života Tesly, je docela pravděpodobné, že by turbína zaznamenala větší využití. Ale jak to bylo často v případě práce vynálezce, Teslova turbína byla strojem, který daleko předběhl svou dobu.
Pro více informací o Tesle, elektřině a souvisejících tématech přejděte jako blesk do další sekce.
Elektromobil Nikoly TeslyAčkoli Tesla nikdy netestoval svou turbínu v autě, podle některých údajů vyvinul elektrický vůz v roce 1931. Auto bylo Pierce-Arrow, které bylo nakonfigurováno s elektromotorem o výkonu 80 koní a 1800 otáčkami za minutu namísto elektromotoru. plynový motor. Podle příběhu Tesla sestavil tajemnou černou skříňku obsahující elektronky, dráty a odpory. Z krabice trčely dvě tyče. Když byly tyče zasunuty do krabice, auto dostalo energii. Tesla s autem jezdila týden - až do rychlosti 90 mil za hodinu (145 kilometrů za hodinu). Bohužel mnozí věřili, že se napojil na nějakou neznámou a nebezpečnou přírodní sílu. Jiní mu říkali blázen. Ve vzteku vyndal krabici z auta, odvezl ji zpět do své laboratoře a už ji nikdy nikdo neviděl. Dodnes zůstávají základní principy fungování elektromobilu Tesla záhadou.
Původně zveřejněno:14. července 2008
