Cách thức hoạt động của tuabin Tesla

Hầu hết mọi người đều biết Nikola Tesla, người đàn ông lập dị và tài giỏi đến thành phố New York vào năm 1884, với tư cách là cha đẻ của dòng điện xoay chiều, dạng điện cung cấp năng lượng cho hầu hết các ngôi nhà và cơ sở kinh doanh. Nhưng Tesla là một nhà phát minh phi thường, người đã áp dụng thiên tài của mình vào một loạt các vấn đề thực tế. Tất cả đã nói, ông đã nắm giữ 272 bằng sáng chế ở 25 quốc gia, với 112 bằng sáng chế chỉ riêng ở Hoa Kỳ. Bạn có thể nghĩ rằng, trong tất cả những công việc này, Tesla sẽ nắm giữ những phát minh của mình trong lĩnh vực kỹ thuật điện - những phát minh mô tả một hệ thống hoàn chỉnh gồm máy phát điện, máy biến áp, đường dây tải điện, động cơ .và ánh sáng - người thân yêu nhất trong trái tim anh ấy. Nhưng vào năm 1913, Tesla đã nhận được bằng sáng chế cho thứ mà ông mô tả là phát minh quan trọng nhất của mình. Phát minh đó là tuabin, ngày nay được gọi là tuabin Tesla, tuabin lớp biên hoặc tuabin đĩa phẳng.

Điều thú vị là sử dụng từ "tuabin" để mô tả phát minh của Tesla có vẻ hơi sai lệch. Đó là bởi vì hầu hết mọi người nghĩ về tuabin như một trục với các cánh - giống như cánh quạt - gắn vào nó. Trên thực tế, từ điển của Webster định nghĩa tuabin là một động cơ quay bằng lực của khí hoặc nước.trên cánh quạt. Nhưng tuabin Tesla không có bất kỳ cánh quạt nào. Nó có một loạt các đĩa song song được đóng gói chặt chẽ gắn với một trục và được sắp xếp trong một buồng kín. Khi một chất lỏng được phép đi vào khoang và đi qua giữa các đĩa, các đĩa sẽ quay, làm quay trục. Chuyển động quay này có thể được sử dụng theo nhiều cách khác nhau, từ cung cấp năng lượng cho máy bơm, máy thổi và máy nén để chạy ô tô và máy bay. Trên thực tế, Tesla đã tuyên bố rằng tuabin là động cơ quay hiệu quả nhất và được thiết kế đơn giản nhất từng được thiết kế.

Nếu điều này là đúng, tại sao tuabin Tesla không được sử dụng rộng rãi hơn? Tại sao nó không trở nên phổ biến như kiệt tác khác của Tesla, truyền tải điện xoay chiều? Đây là những câu hỏi quan trọng, nhưng chúng là thứ yếu cho những câu hỏi cơ bản hơn, chẳng hạn như tua-bin Tesla hoạt động như thế nào và điều gì khiến công nghệ trở nên sáng tạo như vậy? Chúng tôi sẽ trả lời tất cả những câu hỏi này trong một vài trang tiếp theo. Nhưng trước tiên, chúng ta cần xem lại một số điều cơ bản về các loại động cơ khác nhau được phát triển trong nhiều năm. Ở trang tiếp theo, chúng ta sẽ hiểu rõ hơn về vấn đề cụ thể mà Tesla hy vọng sẽ giải quyết bằng phát minh mới của mình.

1. Động cơ tuabin Tesla
2. Các bộ phận của tuabin Tesla
3. Vận hành tuabin Tesla
4. Rào cản đối với thương mại hóa tuabin Tesla
5. Tương lai của tuabin Tesla

Công việc của bất kỳ động cơ nào là chuyển đổi năng lượng từ nguồn nhiên liệu thành cơ năng. Cho dù nguồn tự nhiên là không khí , nước chuyển động, than đá hay dầu mỏ, thì năng lượng đầu vào là chất lỏng. Và theo chất lỏng, chúng ta có nghĩa là một cái gì đó rất cụ thể - đó là bất kỳ chất nào chảy dưới tác dụng của một ứng suất. Do đó, cả chất khí và chất lỏng đều là chất lỏng, có thể được ví dụ bằng nước. Theo như một kỹ sư được biết, nước lỏng và nước ở thể khí, hay hơi nước, hoạt động như một chất lỏng.

Vào đầu thế kỷ 20, hai loại động cơ phổ biến: tuabin cánh quạt, được dẫn động bằng nước hoặc hơi nước chuyển động tạo ra từ nước nóng và động cơ piston, được dẫn động bằng khí sinh ra trong quá trình đốt cháy xăng. Loại trước là loại động cơ quay , loại sau là loại động cơ pittông. Cả hai loại động cơ đều là những cỗ máy phức tạp, khó chế tạo và tốn nhiều thời gian.

Hãy xem xét một piston làm ví dụ. Piston là một miếng kim loại hình trụ chuyển động lên xuống, thường nằm bên trong một hình trụ khác. Ngoài bản thân các pít-tông và xi-lanh, các bộ phận khác của động cơ bao gồm van, cam, ổ trục, vòng đệm và vòng. Mỗi một trong những phần này đại diện cho một cơ hội để thất bại. Và nhìn chung, chúng làm tăng thêm trọng lượng và sự kém hiệu quả của động cơ nói chung.

Các tuabin cánh quạt có ít bộ phận chuyển động hơn, nhưng chúng lại gây ra những vấn đề riêng. Hầu hết đều là những phần máy móc khổng lồ với dung sai rất hẹp. Nếu không được chế tạo đúng cách, các lưỡi có thể bị gãy hoặc nứt. Trên thực tế, một quan sát được thực hiện tại một xưởng đóng tàu đã truyền cảm hứng cho Tesla để hình dung ra một điều gì đó tốt hơn: "Tôi nhớ lại những giạ của những cánh quạt bị hỏng được gom lại từ vỏ tuabin của con tàu hơi nước đầu tiên được trang bị tuabin vượt đại dương, và nhận ra. tầm quan trọng của [công cụ mới] này "[nguồn: The New York City Herald Tribune ].

Động cơ mới của Tesla là một tuabin không cánh, vẫn sử dụng chất lỏng làm phương tiện năng lượng, nhưng sẽ hiệu quả hơn nhiều trong việc chuyển đổi năng lượng chất lỏng thành chuyển động. Trái với suy nghĩ của nhiều người, ông không phát minh ra tua-bin không cánh, nhưng ông đã đưa ra khái niệm cơ bản, được cấp bằng sáng chế lần đầu tiên ở châu Âu vào năm 1832 và thực hiện một số cải tiến. Ông đã hoàn thiện ý tưởng trong gần một thập kỷ và thực sự đã nhận được ba bằng sáng chế liên quan đến chiếc máy:

Trong bằng sáng chế đầu tiên, Tesla đã giới thiệu thiết kế không cánh cơ bản của mình được cấu hình như một máy bơm hoặc máy nén. Trong bằng sáng chế thứ hai, Tesla đã sửa đổi thiết kế cơ bản để nó hoạt động như một tuabin. Và cuối cùng, với bằng sáng chế thứ ba, ông đã thực hiện những thay đổi cần thiết để vận hành tuabin như một động cơ đốt trong.

Thiết kế cơ bản của máy giống nhau, bất kể cấu hình của nó như thế nào. Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn thiết kế đó.

So với động cơ piston hoặc động cơ hơi nước , bản thân tuabin Tesla là sự đơn giản. Trên thực tế, Tesla đã mô tả nó theo cách này trong một cuộc phỏng vấn xuất hiện trên tờ New York Herald Tribune vào ngày 15 tháng 10 năm 1911: "Tất cả những gì người ta cần là một số đĩa được gắn trên một trục, đặt cách nhau một khoảng và được bọc lại sao cho chất lỏng có thể vào tại một điểm và đi ra tại một điểm khác. " Rõ ràng đây là một sự đơn giản hóa quá mức, nhưng không nhiều. Chúng ta hãy xem xét hai bộ phận cơ bản của tuabin - rôto và stato - một cách chi tiết hơn.

Rotor

Trong tuabin truyền thống, rôto là một trục có gắn các cánh quạt. Tua bin Tesla loại bỏ các cánh quạt và thay vào đó sử dụng một loạt đĩa. Kích thước và số lượng đĩa có thể khác nhau dựa trên các yếu tố liên quan đến một ứng dụng cụ thể. Hồ sơ bằng sáng chế của Tesla không xác định một con số cụ thể, nhưng sử dụng một mô tả chung hơn, nói rằng rôto phải chứa "nhiều" đĩa có "đường kính phù hợp". Như chúng ta sẽ thấy ở phần sau, chính Tesla đã thử nghiệm khá nhiều về kích thước và số lượng đĩa.

Mỗi đĩa được tạo ra với các lỗ bao quanh trục. Các lỗ này hoạt động như các cổng xả mà chất lỏng thoát ra ngoài. Để đảm bảo chất lỏng có thể đi qua tự do giữa các đĩa, các vòng đệm kim loại được sử dụng như các tấm ngăn. Một lần nữa, độ dày của vòng đệm không được thiết lập một cách cứng nhắc, mặc dù các khoảng trống xen kẽ thường không vượt quá 2 đến 3 mm.

Một đai ốc có ren giữ các đĩa ở vị trí trên trục, mảnh cuối cùng của cụm rôto. Vì các đĩa được gắn với trục nên chuyển động quay của chúng sang trục.

Stator

Cụm rôto được đặt trong một stato hình trụ, hoặc phần đứng yên của tuabin. Để chứa rôto, đường kính của khoang bên trong xi lanh phải lớn hơn một chút so với các đĩa rôto. Mỗi đầu của stato chứa một ổ trục cho trục. Stato cũng chứa một hoặc hai đầu vào, trong đó các đầu phun được đưa vào. Thiết kế ban đầu của Tesla yêu cầu hai cửa hút gió, cho phép tuabin chạy theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ.

Đây là thiết kế cơ bản. Để làm cho tuabin chạy, chất lỏng có áp suất cao đi vào các vòi phun ở đầu vào stato. Chất lỏng đi qua giữa các đĩa rôto và làm cho rôto quay. Cuối cùng, chất lỏng thoát ra ngoài qua các cửa xả ở trung tâm của tuabin.

Một trong những điều tuyệt vời về tuabin Tesla là sự đơn giản của nó. Nó có thể được chế tạo bằng các vật liệu sẵn có và khoảng cách giữa các đĩa không cần phải được kiểm soát chính xác. Trên thực tế, nó dễ xây dựng đến mức một số tạp chí chính thống đã đưa vào hướng dẫn lắp ráp hoàn chỉnh bằng vật liệu gia dụng. Số tháng 9 năm 1955 của tạp chí Khoa học Phổ thông đã nêu lên một kế hoạch từng bước để chế tạo một máy thổi khí sử dụng thiết kế tuabin Tesla làm từ bìa cứng!

Nhưng chính xác thì làm thế nào mà một loạt đĩa tạo ra chuyển động quay mà chúng ta mong đợi từ một tuabin? Đó là câu hỏi mà chúng tôi sẽ đề cập trong phần tiếp theo.

Bạn có thể tự hỏi làm thế nào năng lượng của chất lỏng có thể làm cho một đĩa kim loại quay. Rốt cuộc, nếu một đĩa trơn hoàn toàn và không có lưỡi, cánh gạt hoặc xô để "hứng" chất lỏng, logic cho rằng chất lỏng sẽ chỉ đơn giản chảy qua đĩa, khiến đĩa bất động. Điều này, tất nhiên, không phải là những gì xảy ra. Không chỉ rôto của tuabin Tesla quay - nó còn quay rất nhanh.

Lý do tại sao có thể được tìm thấy trong hai đặc tính cơ bản của tất cả các chất lỏng: độ kết dính và độ nhớt. Sự kết dính là xu hướng của các phân tử khác nhau bám vào nhau do lực hấp dẫn. Độ nhớt là lực cản của một chất để chảy. Hai đặc tính này hoạt động cùng nhau trong tuabin Tesla để truyền năng lượng từ chất lỏng sang rôto hoặc ngược lại. Đây là cách thực hiện:

Lớp chất lỏng mỏng tương tác với bề mặt đĩa theo cách này được gọi là lớp biên , và sự tương tác của chất lỏng với bề mặt rắn được gọi là hiệu ứng lớp biên . Kết quả của hiệu ứng này, chất lỏng đẩy đi theo một đường xoắn ốc được gia tốc nhanh chóng dọc theo các mặt đĩa cho đến khi nó đạt đến một lối ra thích hợp. Bởi vì chất lỏng chuyển động theo những con đường tự nhiên có ít lực cản nhất, không bị ràng buộc và lực cản gây ra bởi cánh hoặc cánh, nó trải qua những thay đổi dần dần về vận tốc và hướng. Điều này có nghĩa là nhiều năng lượng hơn được chuyển đến tuabin. Thật vậy, Tesla tuyên bố hiệu suất tuabin là 95%, cao hơn nhiều so với các tuabin khác vào thời điểm đó.

Nhưng như chúng ta sẽ thấy trong phần tiếp theo, hiệu suất lý thuyết của tuabin Tesla không dễ dàng nhận ra trong các mô hình sản xuất.

Lớp ranh giới: Đó là một cú kéo thực sự

Hiệu ứng lớp ranh giới cũng giải thích cách lực cản được tạo ra trên cánh máy bay . Không khí di chuyển trên cánh hoạt động như một chất lỏng, có nghĩa là các phân tử không khí có cả lực dính và lực nhớt. Khi không khí dính vào bề mặt cánh, nó tạo ra một lực cản lại chuyển động tịnh tiến của máy bay.

Tesla, cũng như nhiều nhà khoa học và nhà công nghiệp đương thời, tin rằng tuabin mới của ông có tính cách mạng dựa trên một số đặc tính. Nó nhỏ và dễ sản xuất. Nó chỉ có một phần chuyển động. Và nó đã được đảo ngược.

Để chứng minh những lợi ích này, Tesla đã chế tạo một số máy móc. Juilus C. Czito, con trai của thợ máy lâu năm của Tesla, đã chế tạo ra nhiều phiên bản. Đầu tiên, được chế tạo vào năm 1906, có 8 đĩa, đường kính mỗi đĩa là 6 inch (15,2 cm). Cỗ máy nặng chưa đến 4,5 kg và có công suất 30 mã lực. Nó cũng cho thấy một sự thiếu sót có thể gây khó khăn cho quá trình phát triển liên tục của máy. Rôto đạt được tốc độ cao - 35.000 vòng / phút (vòng / phút) - đến mức các đĩa kim loại bị kéo căng đáng kể, gây cản trở hiệu quả.

Năm 1910, Czito và Tesla đã chế tạo một mô hình lớn hơn với các đĩa đường kính 12 inch (30,5 cm). Nó quay ở tốc độ 10.000 vòng / phút và phát triển 100 mã lực . Sau đó, vào năm 1911, cặp đôi này đã chế tạo một mô hình với các đĩa đường kính 9,75 inch (24,8 cm). Điều này làm giảm tốc độ xuống 9.000 vòng / phút nhưng tăng công suất lên 110 mã lực.

Được củng cố bởi những thành công này ở quy mô nhỏ, Tesla đã chế tạo một tổ máy kép lớn hơn, mà ông dự định thử nghiệm bằng hơi nước trong nhà máy điện chính của Công ty Edison New York. Mỗi tuabin có một đĩa mang rôto đường kính 18 inch (45,7 cm). Hai tuabin được đặt thẳng hàng trên một bệ duy nhất. Trong quá trình thử nghiệm, Tesla đã có thể đạt được 9.000 vòng / phút và tạo ra 200 mã lực. Tuy nhiên, một số kỹ sư có mặt tại buổi thử nghiệm, trung thành với Edison, cho rằng tuabin bị hỏng do hiểu nhầm về cách đo mô-men xoắn trong cỗ máy mới. Báo chí tồi tệ này, kết hợp với việc các công ty điện lớn đã đầu tư mạnh vào tua-bin có cánh, khiến Tesla khó thu hút các nhà đầu tư.

Trong nỗ lực cuối cùng của Tesla nhằm thương mại hóa phát minh của mình, ông đã thuyết phục Công ty Sản xuất Allis-Chalmers ở Milwaukee chế tạo ba tua-bin. Hai chiếc có 20 đĩa đường kính 18 inch và phát triển tốc độ lần lượt là 12.000 và 10.000 vòng / phút. Chiếc thứ ba có 15 đĩa đường kính 60 inch (1,5 mét) và được thiết kế để hoạt động ở tốc độ 3.600 vòng / phút, tạo ra 675 mã lực. Trong các cuộc thử nghiệm, các kỹ sư từ Allis-Chalmers ngày càng lo lắng về cả hiệu suất cơ học của các tuabin, cũng như khả năng chịu đựng của chúng trong thời gian sử dụng lâu dài. Họ phát hiện ra rằng các đĩa này đã bị biến dạng rất nhiều và kết luận rằng cuối cùng tuabin đã bị hỏng.

Ngay cả vào cuối những năm 1970, các nhà nghiên cứu đã gặp khó khăn trong việc sao chép các kết quả được Tesla báo cáo. Warren Rice, một giáo sư kỹ thuật tại Đại học Bang Arizona, đã tạo ra một phiên bản tuabin Tesla hoạt động với hiệu suất 41%. Một số người cho rằng mô hình của Rice đã sai lệch so với thông số kỹ thuật chính xác của Tesla. Nhưng Rice, một chuyên gia về động lực học chất lỏng và tuabin Tesla, đã tiến hành đánh giá tài liệu về nghiên cứu vào cuối những năm 1990 và nhận thấy rằng không có phiên bản hiện đại nào của phát minh của Tesla vượt quá hiệu suất từ ​​30 đến 40%.

Hơn bất cứ điều gì, điều này đã ngăn cản việc tuabin Tesla được sử dụng rộng rãi hơn.

Như Văn phòng Nghiên cứu Hải quân ở Washington, DC, đã tuyên bố rõ ràng: "Tua bin Parsons đã có từ lâu đời với toàn bộ các ngành công nghiệp được xây dựng xung quanh nó và hỗ trợ nó. Nếu tuabin Tesla không phải là một thứ tự cao cấp hơn, thì nó sẽ đổ tiền xuống hố bởi vì ngành công nghiệp sẽ không dễ bị lật ngược như vậy… ”[nguồn: Cheney ].

Vậy, điều đó sẽ khiến tuabin Tesla ngày nay đi đâu? Như chúng ta sẽ thấy trong phần tiếp theo, các kỹ sư và nhà thiết kế ô tô một lần nữa hướng sự chú ý của họ sang công nghệ 100 năm tuổi này.

­

Tesla luôn là người có tầm nhìn xa . Anh ta không coi tuabin không cánh của mình như một sự kết thúc, mà là một phương tiện để kết thúc . Mục tiêu cuối cùng của ông là thay thế động cơ đốt trong piston bằng một động cơ hiệu quả hơn, đáng tin cậy hơn dựa trên công nghệ của ông . Các động cơ đốt cháy pít-tông hiệu quả nhất không đạt hiệu suất trên 27 đến 28 phần trăm trong quá trình chuyển đổi nhiên liệu thành công . Ngay cả ở mức hiệu suất 40%, Tesla vẫn coi tuabin của mình là một sự cải tiến . Ông thậm chí còn thiết kế, trên giấy tờ, một động cơ tua-bin, mà ông tuyên bố sẽ hiệu quả đến mức nó có thể chạy khắp nước Mỹ chỉ bằng một thùng xăng .

Tesla chưa bao giờ nhìn thấy chiếc xe được sản xuất, nhưng hôm nay ông có thể hài lòng khi thấy rằng tuabin mang tính cách mạng của ông cuối cùng cũng được đưa vào một thế hệ phương tiện mới sạch hơn, hiệu quả hơn. Một công ty đang đạt được tiến bộ nghiêm túc là Phoenix Navigation and Guidance Inc. (PNGinc), đặt tại Munising, Michigan. PNGinc đã kết hợp công nghệ tuabin đĩa với thiết bị đốt nổ xung trong một động cơ mà công ty cho biết mang lại hiệu quả chưa từng có. Có 29 đĩa hoạt động, mỗi đĩa có đường kính 10 inch (25,4 cm), được kẹp giữa hai đĩa cuối hình côn. Động cơ tạo ra 18.000 vòng / phút và 130 mã lực. Để khắc phục lực ly tâm cực lớn vốn có đối với tuabin, PNGinc sử dụng nhiều loại vật liệu tiên tiến khác nhau, chẳng hạn như sợi carbon, nhựa tẩm titan và đĩa được gia cố bằng Kevlar.

Rõ ràng, những vật liệu bền hơn, bền hơn này rất quan trọng nếu tuabin Tesla đạt được bất kỳ thành công thương mại nào. Nếu có những vật liệu như Kevlar trong thời gian tồn tại của Tesla, rất có thể tuabin sẽ được sử dụng nhiều hơn. Nhưng như thường lệ với công việc của nhà phát minh, tuabin Tesla là một cỗ máy đi trước thời đại rất nhiều.

Để biết thêm thông tin về Tesla, điện và các chủ đề liên quan, hãy chuyển nhanh như chớp sang trang tiếp theo.

Xe điện của Nikola Tesla

Mặc dù Tesla chưa bao giờ thử nghiệm tuabin của mình trên ô tô, nhưng theo một số tài khoản, ông đã phát triển một chiếc ô tô điện vào năm 1931. Chiếc xe là Pierce-Arrow, được cấu hình với động cơ điện 80 mã lực, 1.800 vòng / phút thay vì động cơ điện động cơ chạy bằng khí đốt. Theo câu chuyện, Tesla đã lắp ráp một hộp đen bí ẩn chứa ống chân không, dây điện và điện trở. Hai que tính thò ra khỏi hộp. Khi đẩy các thanh vào hộp, ô tô đã nhận điện. Tesla đã lái chiếc xe trong một tuần - với tốc độ 90 dặm một giờ (145 km một giờ). Thật không may, nhiều người tin rằng anh ta đã chạm vào một thế lực tự nhiên nguy hiểm và không rõ nguồn gốc nào đó. Những người khác gọi anh ta là kẻ điên. Trong cơn giận dữ, anh ta đã tháo chiếc hộp ra khỏi xe, mang nó trở lại phòng thí nghiệm của mình và nó không bao giờ được nhìn thấy nữa. Cho đến ngày nay, các nguyên tắc hoạt động cơ bản của xe điện Teslavẫn là một bí ẩn.

Xuất bản lần đầu: 14 tháng 7, 2008

Tua bin Tesla được phát minh khi nào?

Tuabin Tesla có thể được sử dụng để làm gì?

Một tuabin Tesla sẽ hoạt động với nước?

Tại sao tuabin Tesla không được sử dụng?

Tua bin Tesla có thể chạy máy phát điện không?

Những bài viết liên quan

Các liên kết tuyệt vời hơn