Tesla Türbini Nasıl Çalışır?

Çoğu insan, 1884'te New York'a gelen eksantrik ve parlak adam Nikola Tesla'yı, neredeyse tüm evlere ve işletmelere güç sağlayan elektrik biçimi olan alternatif akımın babası olarak tanır. Ancak Tesla, dehasını çok çeşitli pratik problemlere uygulayan olağanüstü bir mucitti. 112 patenti yalnızca Amerika Birleşik Devletleri'nde olmak üzere 25 ülkede 272 patenti vardı. Tüm bu çalışmalardan Tesla'nın icatlarını elektrik mühendisliğinde tutacağını düşünebilirsiniz - jeneratörler, transformatörler, iletim hatları, motorlardan oluşan eksiksiz bir sistemi tanımlayanlar.ve aydınlatma - kalbinin en sevdiği. Ancak 1913'te Tesla, en önemli icadı olarak tanımladığı şey için bir patent aldı. Bu buluş, bugün Tesla türbini, sınır tabaka türbini veya düz disk türbini olarak bilinen bir türbindi.

İlginç bir şekilde, Tesla'nın icadını tanımlamak için "türbin" kelimesini kullanmak biraz yanıltıcı görünüyor. Bunun nedeni, çoğu insanın türbini kanatları olan bir şaft olarak düşünmesidir - fan kanatları gibi - ona bağlı. Aslında, Webster'ın sözlüğü bir türbini gaz veya su kuvvetiyle döndürülen bir motor olarak tanımlar.fan kanatlarında. Ancak Tesla türbininde kanat yok. Bir şafta bağlı ve sızdırmaz bir oda içinde düzenlenmiş bir dizi yakın paketlenmiş paralel diske sahiptir. Bir akışkanın hazneye girmesine ve diskler arasından geçmesine izin verildiğinde, diskler döner ve bu da şaftı döndürür. Bu döner hareket, pompalara, üfleyicilere ve kompresörlere güç vermekten, çalışan arabalara ve uçaklara kadar çeşitli şekillerde kullanılabilir. Aslında Tesla, türbinin şimdiye kadar tasarlanmış en verimli ve en basit tasarlanmış döner motor olduğunu iddia etti .

Eğer bu doğruysa, Tesla türbini neden daha yaygın bir şekilde kullanılmadı? Neden Tesla'nın diğer başyapıtı AC güç iletimi kadar yaygın hale gelmedi? Bunlar önemli sorular, ancak Tesla türbini nasıl çalışıyor ve teknolojiyi bu kadar yenilikçi yapan nedir gibi daha temel soruların yanında ikincil kalıyorlar. Önümüzdeki birkaç sayfada tüm bu soruların yanıtlarını vereceğiz. Ancak önce, yıllar içinde geliştirilen farklı motor türleri hakkında bazı temel bilgileri gözden geçirmemiz gerekiyor. Sonraki sayfada, Tesla'nın yeni icadıyla çözmeyi umduğu belirli sorun hakkında daha iyi bir fikir edineceğiz.

1. Tesla Türbin Motoru
2. Tesla Türbininin Parçaları
3. Tesla Türbin Operasyonu
4. Tesla Türbini Ticarileştirmesinin Önündeki Engeller
5. Tesla Türbininin Geleceği

Herhangi bir motorun işi, enerjiyi bir yakıt kaynağından mekanik enerjiye dönüştürmektir. Doğal kaynak ister hava , ister hareketli su, ister kömür veya petrol olsun, girdi enerjisi bir akışkandır. Ve sıvı ile çok özel bir şeyi kastediyoruz -- uygulanan bir stres altında akan herhangi bir madde. Bu nedenle hem gazlar hem de sıvılar, su ile örneklenebilecek sıvılardır. Bir mühendis söz konusu olduğunda, sıvı su ve gaz halindeki su veya buhar, bir akışkan olarak işlev görür.

20. yüzyılın başında, iki tür motor yaygındı: hareketli su veya ısıtılmış sudan üretilen buharla çalışan kanatlı türbinler ve benzinin yanması sırasında üretilen gazlarla çalışan pistonlu motorlar. Birincisi bir tür döner motor , ikincisi bir tür pistonlu motor. Her iki motor türü de yapımı zor ve zaman alıcı olan karmaşık makinelerdi.

Örnek olarak bir piston düşünün. Piston, genellikle başka bir silindirin içinde yukarı ve aşağı hareket eden silindirik bir metal parçasıdır. Pistonların ve silindirlerin kendilerine ek olarak, motorun diğer parçaları arasında valfler, kamlar, yataklar, contalar ve halkalar bulunur. Bu parçaların her biri başarısızlık için bir fırsatı temsil eder. Ve toplu olarak, bir bütün olarak motorun ağırlığına ve verimsizliğine katkıda bulunurlar.

Kanatlı türbinlerin daha az hareketli parçası vardı, ancak kendi problemlerini sundular. Çoğu, çok dar toleranslara sahip devasa makine parçalarıydı. Düzgün inşa edilmezse bıçaklar kırılabilir veya çatlayabilir. Aslında, Tesla'ya daha iyi bir şey tasarlaması için ilham veren bir tersanede yapılan bir gözlemdi: "Okyanusu geçmek için ilk türbin donanımlı buharlı geminin türbin gövdelerinden toplanan kırık kanatların kilelerini hatırladım ve fark ettim. bu [yeni motorun] önemi" [kaynak: The New York City Herald Tribune ].

Tesla'nın yeni motoru kanatsız bir türbindi ve enerji aracı olarak hala bir sıvı kullanacak, ancak sıvı enerjisini harekete dönüştürmekte çok daha verimli olacaktı. Popüler inanışın aksine, kanatsız türbini icat etmedi, ancak ilk olarak 1832'de Avrupa'da patenti alınan temel konsepti aldı ve birkaç iyileştirme yaptı. Fikri neredeyse on yıllık bir süre içinde geliştirdi ve aslında makineyle ilgili üç patent aldı:

İlk patentte Tesla, pompa veya kompresör olarak yapılandırılan temel kanatsız tasarımını tanıttı. İkinci patentte Tesla, temel tasarımı bir türbin olarak çalışacak şekilde değiştirdi. Ve son olarak üçüncü patent ile türbini içten yanmalı motor olarak çalıştırmak için gerekli değişiklikleri yaptı.

Makinenin temel tasarımı, konfigürasyonundan bağımsız olarak aynıdır. Bir sonraki bölümde, bu tasarıma daha yakından bakacağız.

Bir piston veya buhar motoruyla karşılaştırıldığında Tesla türbini basitliğin ta kendisidir. Aslında Tesla, 15 Ekim 1911'de New York Herald Tribune'de yayınlanan bir röportajda bunu şu şekilde tanımladı: "Tüm ihtiyaç duyulan bir şaft üzerine monte edilmiş, biraz aralıklı ve sıvının akabilmesi için muhafazalı bazı disklerdir. bir noktadan girip diğerinden çıkın." Açıkçası, bu aşırı basitleştirme, ancak çok fazla değil. Şimdi türbinin iki temel parçasına - rotor ve stator - daha ayrıntılı olarak bakalım.

rotor

Geleneksel bir türbinde rotor, kanatların bağlı olduğu bir şafttır. Tesla türbini kanatları ortadan kaldırır ve bunun yerine bir dizi disk kullanır. Disklerin boyutu ve sayısı, belirli bir uygulamayla ilgili faktörlere bağlı olarak değişebilir. Tesla'nın patent belgeleri belirli bir sayı tanımlamıyor, ancak rotorun "uygun çapta" bir "çoklu" disk içermesi gerektiğini söyleyen daha genel bir açıklama kullanıyor. Daha sonra göreceğimiz gibi, Tesla'nın kendisi de disklerin boyutu ve sayısı konusunda epeyce deney yaptı.

Her disk, şaftı çevreleyen açıklıklarla yapılır. Bu açıklıklar, sıvının içinden çıktığı egzoz portları olarak işlev görür. Sıvının diskler arasında serbestçe geçebilmesini sağlamak için ayırıcı olarak metal rondelalar kullanılır. Yine, aradaki boşluklar tipik olarak 2 ila 3 milimetreyi geçmese de, bir rondelanın kalınlığı katı bir şekilde ayarlanmamıştır.

Dişli bir somun, diskleri, rotor tertibatının son parçası olan mil üzerinde yerinde tutar. Diskler mile kamalandığı için dönmeleri mile aktarılır.

stator

Rotor tertibatı, silindirik bir stator veya türbinin sabit parçası içine yerleştirilmiştir. Rotoru yerleştirmek için, silindirin iç odasının çapı, rotor disklerinin kendisinden biraz daha büyük olmalıdır. Statorun her bir ucunda mil için bir yatak bulunur. Stator ayrıca, içine memelerin yerleştirildiği bir veya iki giriş içerir. Tesla'nın orijinal tasarımı, türbinin saat yönünde veya saat yönünün tersine çalışmasına izin veren iki giriş gerektiriyordu.

Bu temel tasarımdır. Türbini çalıştırmak için stator girişlerindeki nozullara yüksek basınçlı bir sıvı girer. Akışkan rotor diskleri arasından geçerek rotorun dönmesine neden olur. Sonunda sıvı, türbinin merkezindeki egzoz portlarından çıkar.

Tesla türbini ile ilgili harika şeylerden biri basitliğidir. Hazır malzemelerle yapılabilir ve diskler arasındaki aralığın tam olarak kontrol edilmesi gerekmez. Aslında inşa etmek o kadar kolay ki, birçok ana akım dergi, ev malzemelerini kullanarak eksiksiz montaj talimatları içeriyor. Popular Science'ın Eylül 1955 sayısında, kartondan yapılmış bir Tesla türbin tasarımı kullanarak bir üfleyici inşa etmek için adım adım bir plan vardı!

Ancak bir dizi disk, bir türbinden beklediğimiz dönme hareketini tam olarak nasıl üretir? Bir sonraki bölümde ele alacağımız soru bu.

Bir sıvının enerjisinin metal bir diskin dönmesine nasıl neden olabileceğini merak edebilirsiniz. Sonuçta, bir disk tamamen pürüzsüzse ve sıvıyı "yakalayacak" kanatları, kanatları veya kovaları yoksa, mantık, sıvının diskin üzerinden akacağını ve diski hareketsiz bırakacağını öne sürer. Bu, elbette, olan şey değil. Bir Tesla türbininin rotoru sadece dönmez, aynı zamanda hızla döner.

Bunun nedeni, tüm akışkanların iki temel özelliğinde bulunabilir: yapışma ve viskozite. Yapışma, farklı moleküllerin çekici kuvvetler nedeniyle birbirine yapışma eğilimidir. Viskozite, bir maddenin akmaya karşı gösterdiği dirençtir. Bu iki özellik, sıvıdan rotora veya tam tersine enerjiyi aktarmak için Tesla türbininde birlikte çalışır. İşte nasıl:

Disk yüzeyi ile bu şekilde etkileşen ince akışkan tabakasına sınır tabaka , akışkanın katı yüzey ile etkileşimine ise sınır tabaka etkisi denir . Bu etkinin bir sonucu olarak, sevk sıvısı uygun bir çıkışa ulaşana kadar disk yüzleri boyunca hızla hızlandırılmış bir spiral yol izler. Akışkan, kanatların veya kanatların neden olduğu kısıtlamalardan ve bozucu kuvvetlerden bağımsız olarak en az dirençli doğal yollarda hareket ettiğinden, hız ve yönde kademeli değişiklikler yaşar. Bu, türbine daha fazla enerji verildiği anlamına gelir. Gerçekten de Tesla, zamanın diğer türbinlerinden çok daha yüksek, yüzde 95'lik bir türbin verimliliği talep etti.

Ancak bir sonraki bölümde göreceğimiz gibi, Tesla türbininin teorik verimliliği, üretim modellerinde o kadar kolay gerçekleştirilmemiştir.

Sınır Katmanı: Gerçek Bir Sürükleme

Sınır tabaka etkisi ayrıca bir uçak kanadında sürtünmenin nasıl oluşturulduğunu da açıklar . Kanat üzerinde hareket eden hava bir akışkan gibi davranır, bu da hava moleküllerinin hem yapışkan hem de viskoz kuvvetlere sahip olduğu anlamına gelir. Hava kanat yüzeyine yapıştıkça, uçağın ileri hareketine direnen bir kuvvet üretir.

Tesla ve birçok çağdaş bilim adamı ve sanayici, yeni türbininin bir dizi nitelik temelinde devrimci olduğuna inanıyordu. Küçüktü ve üretimi kolaydı. Sadece hareketli bir parçası vardı. Ve tersine çevrilebilirdi.

Bu faydaları göstermek için Tesla birkaç makine inşa etti. Tesla'nın uzun süredir makinistinin oğlu olan Juilus C. Czito, birkaç versiyon yaptı. 1906'da inşa edilen ilki, her biri 15,2 santimetre çapında altı inç olan sekiz diske sahipti. Makine 10 pounddan (4,5 kilogram) daha hafifti ve 30 beygir gücü geliştirdi. Ayrıca makinenin devam eden gelişimini zorlaştıracak bir eksikliği de ortaya çıkardı. Rotor o kadar yüksek hızlara ulaştı - 35.000 devir/dakika (rpm) - metal diskler önemli ölçüde gerilerek verimliliği engelledi.

1910'da Czito ve Tesla, çapı 12 inç (30,5 santimetre) olan disklere sahip daha büyük bir model yaptılar. 10.000 rpm'de döndü ve 100 beygir gücü geliştirdi . Daha sonra, 1911'de çift, çapı 9,75 inç (24.8 santimetre) olan disklere sahip bir model yaptı. Bu, hızı 9.000 rpm'ye düşürdü, ancak güç çıkışını 110 beygir gücüne yükseltti.

Küçük ölçekte bu başarılardan güç alan Tesla, New York Edison Company'nin ana güç merkezinde buharla test etmeyi planladığı daha büyük bir çift ünite inşa etti. Her türbin, çapı 18 inç (45.7 santimetre) olan bir rotor taşıyan disklere sahipti. İki türbin tek bir kaide üzerinde bir sıraya yerleştirildi. Test sırasında Tesla, 9.000 rpm'ye ulaşmayı ve 200 beygir gücü üretmeyi başardı. Bununla birlikte, testte bulunan ve Edison'a sadık olan bazı mühendisler , yeni makinede torkun nasıl ölçüleceğinin yanlış anlaşılmasına bağlı olarak türbinin bir arıza olduğunu iddia etti. Bu kötü baskı, büyük elektrik şirketlerinin kanatlı türbinlere zaten büyük yatırımlar yapmış olması gerçeğiyle birleşince Tesla'nın yatırımcıları çekmesini zorlaştırdı.

Tesla'nın buluşunu ticarileştirmeye yönelik son girişiminde, Milwaukee'deki Allis-Chalmers Manufacturing Company'yi üç türbin inşa etmeye ikna etti. İki tanesi 18 inç çapında 20 diske sahipti ve sırasıyla 12.000 ve 10.000 rpm hız geliştirdi. Üçüncüsü, 60 inç (1.5 metre) çapında 15 diske sahipti ve 3.600 rpm'de çalışacak ve 675 beygir gücü üretecek şekilde tasarlandı. Testler sırasında, Allis-Chalmers mühendisleri, türbinlerin hem mekanik verimliliği hem de uzun süreli kullanıma dayanma yetenekleri konusunda endişe duydular. Disklerin büyük ölçüde bozulduğunu buldular ve türbinin sonunda başarısız olacağı sonucuna vardılar.

1970'lerin sonlarında bile, araştırmacılar Tesla tarafından bildirilen sonuçları kopyalamakta güçlük çekiyorlardı. Arizona Eyalet Üniversitesi'nde mühendislik profesörü olan Warren Rice, Tesla türbininin yüzde 41 verimlilikle çalışan bir versiyonunu yarattı. Bazıları, Rice'ın modelinin Tesla'nın kesin özelliklerinden saptığını savundu. Ancak akışkanlar dinamiği ve Tesla türbini konusunda uzman olan Rice, 1990'ların sonlarında araştırmalarla ilgili bir literatür taraması yaptı ve Tesla'nın icadının hiçbir modern versiyonunun yüzde 30 ila 40 verimliliği geçmediğini buldu.

Bu, Tesla türbininin daha yaygın bir şekilde kullanılmasını her şeyden çok engelledi.

Washington DC'deki Deniz Araştırmaları Ofisi'nin açıkça belirttiği gibi: "Parsons türbini, tüm endüstrilerin etrafında inşa edildiği ve onu desteklediği uzun bir süredir var. Tesla türbini bir büyüklük sırası değilse, o zaman olurdu. endüstri bu kadar kolay devrilmeyecek çünkü fare deliğine para dökmek…” [kaynak: Cheney ].

Peki, bu bugün Tesla türbinini nerede bırakıyor? Bir sonraki bölümde göreceğimiz gibi, mühendisler ve otomotiv tasarımcıları bir kez daha dikkatlerini bu 100 yıllık teknolojiye çeviriyorlar.

­

Tesla her zaman bir vizyonerdi . Kanatsız türbinini bir amaç olarak değil, amaca giden bir araç olarak gördü . Nihai hedefi, pistonlu yanmalı motoru, teknolojisine dayalı çok daha verimli, daha güvenilir bir motorla değiştirmekti . En verimli pistonlu yanmalı motorlar, yakıtı işe dönüştürmede yüzde 27 ila 28'lik verimliliğin üzerine çıkmadı . Yüzde 40'lık verimlilik oranlarında bile Tesla, türbinini bir gelişme olarak gördü . Hatta kağıt üzerinde, tek bir benzin deposuyla Amerika Birleşik Devletleri'ni geçebilecek kadar verimli olacağını iddia ettiği bir türbin motorlu taşıt tasarladı .

Tesla, otomobilin üretildiğini hiç görmedi, ancak bugün devrim niteliğindeki türbininin nihayet yeni nesil daha temiz, daha verimli araçlara dahil edildiğini görmekten memnun olabilir. Ciddi ilerleme kaydeden bir şirket, Munising, Michigan'da bulunan Phoenix Navigation and Guidance Inc. (PNGinc) şirketidir. PNGinc, şirketin benzeri görülmemiş verimlilikler sağladığını söylediği bir motorda disk türbin teknolojisini bir darbeli patlatma yakıcı ile birleştirdi. İki konik uç disk arasına sıkıştırılmış, her biri 10 inç (25,4 santimetre) çapında 29 aktif disk vardır. Motor 18.000 rpm ve 130 beygir güç üretiyor. PNGinc, türbine özgü aşırı merkezkaç kuvvetlerinin üstesinden gelmek için karbon fiber, titanyum emdirilmiş plastik ve Kevlar ile güçlendirilmiş diskler gibi çeşitli gelişmiş malzemeler kullanır.

Açıkçası, Tesla türbini herhangi bir ticari başarı elde edecekse, bu daha güçlü, daha dayanıklı malzemeler kritik öneme sahiptir. Tesla'nın ömrü boyunca Kevlar gibi malzemeler mevcut olsaydı, türbinin daha fazla kullanım görmesi kuvvetle muhtemeldir. Ancak mucidin çalışmasında sıklıkla olduğu gibi, Tesla türbini zamanının çok ötesinde bir makineydi.

Tesla, elektrik ve ilgili konular hakkında daha fazla bilgi için bir sonraki sayfaya yıldırım gibi geçin.

Nikola Tesla'nın Elektrikli Arabası

Tesla, türbinini bir arabada hiç test etmemiş olsa da, bazı hesaplara göre, 1931'de bir elektrikli araba geliştirdi. Araba, bir Pierce-Arrow idi. gazla çalışan motor. Hikayeye göre Tesla, vakum tüpleri, teller ve dirençler içeren gizemli bir kara kutu kurdu. Kutudan iki çubuk çıktı. Çubuklar kutunun içine itildiğinde, araba güç aldı. Tesla, arabayı bir hafta boyunca sürdü - saatte 90 mil (saatte 145 kilometre) hıza kadar. Ne yazık ki, birçok kişi onun bilinmeyen ve tehlikeli bir doğa gücünden yararlandığına inanıyordu. Diğerleri ona deli dedi. Öfkeyle kutuyu arabadan çıkardı, laboratuvarına geri götürdü ve kutu bir daha hiç görülmedi. Bugüne kadar Tesla'nın elektrikli otomobilinin temel çalışma prensipleribir sır olarak kal.

İlk Yayınlanma: 14 Tem 2008

Tesla türbini ne zaman icat edildi?

Tesla türbini ne için kullanılabilir?

Tesla türbini suyla çalışır mı?

Tesla türbini neden kullanılmıyor?

Bir Tesla türbini bir jeneratörü çalıştırabilir mi?

İlgili Makaleler

Daha Fazla Harika Bağlantı