De Tesla-turbine is uitgevonden door Nikola Tesla in het jaar 1909. Het is een speciale categorie turbines die geen bladen hebben. In tegenstelling tot andere turbines zoals Kaplan etc, heeft deze turbine beperkte en specifieke toepassingen. Maar vanwege zijn ontwerpoverwegingen is het een van de veelzijdige turbines. Zijn uitvinding heeft geleid tot veel belangrijke technische toepassingen. Het werkt volgens het principe van het grenslaageffect, waarbij door de luchtstroom de turbine draait. Het beste deel van deze turbine is dat hij een efficiëntie tot 80% kan behalen. Het snelheidsbereik kan worden bereikt tot het niveau van 80.000 tpm voor kleine machines. In het bijzonder wordt deze turbine-kanteling gebruikt in energiecentrale operaties, maar kan worden gebruikt voor algemene toepassingen zoals pompen, enz.

Tesla Turbine-diagram

De basisstructuur van de Tesla-turbine wordt weergegeven in de figuur. Het bestaat uit een bladloze turbine die een ingang heeft via een luchtpijpmondstuk. Het lichaam van de turbine heeft twee uitlaten, de ene is voor de inkomende lucht en de andere voor de afvoer van de lucht. Daarnaast bestaat de roterende schijf uit 3 tot 4 lagen, die met elkaar zijn verbonden. Er is een dunne luchtspleet tussen de lagen waar de lucht met een zeer hoge snelheid doorheen wordt geleid.

Tesla-turbine

De roterende schijf heeft twee gezichten, buitenkant en achterkant. In beide aspecten is er geen ruimte voor de lucht om buiten het turbinelichaam te stromen. De lucht kan alleen via de inlaatleiding binnenkomen en via de uitlaatleiding weer naar buiten komen. Het turbinelichaam bestaat uit een rotor met meerdere schijven die met elkaar is verbonden. Alle rotorschijven zijn met elkaar verbonden op een gemeenschappelijke as waar de schijf kan draaien.

Er is een buitenbehuizing voor de te plaatsen schijven. De schijven zijn meestal verbonden door middel van bouten. De voorkant en achterkant hebben uitlaatpoorten waardoor de lucht het turbinehuis kan verlaten. De plaatsing van de gaten is zo gedaan dat er een werveling van inlaatlucht ontstaat.

Tesla Turbine Theory

De invoer naar de rotorbladen is lucht onder hoge druk. Met behulp van een luchtslang, die is aangesloten op de inlaat van de turbine , de lucht wordt gemaakt in het lichaam dat bestaat uit rotorschijven die op de as worden geplaatst en gemakkelijk kunnen worden gedraaid. Wanneer de lucht de turbinebehuizing binnenkomt, wordt deze gedwongen om een werveling te creëren vanwege de vorm van de turbine.

Vortex betekent een wervelende massa lucht zoals in een draaikolk of wervelwind. Door het ontstaan van een vortex kan de lucht met zeer hoge snelheden draaien. De vorming van een vortex is fundamenteel vanwege het ontwerp van de turbine. De doopvont en het achterdeksel van de turbine zijn zo geplaatst dat de lucht via de gaten in de voor- en achterdeksels moet ontsnappen.

Het uittreden van lucht in deze natuur zorgt voor een werveling van lucht. En laat de turbine draaien. Wanneer de luchtmoleculen de schijf passeren, veroorzaken ze een weerstand op de schijf. Deze weerstand trekt de turbine naar beneden en laat hem draaien. Opgemerkt kan worden dat de turbine in beide richtingen kan draaien. Het hangt er gewoon van af welke inlaatleiding wordt gebruikt voor de invoer van lucht.

Tesla Turbine-ontwerp

Het ontwerp bestaat uit twee inlaatleidingen, waarvan er één is aangesloten op de luchtslangleiding. Van de twee inlaten kan iedereen als input worden gebruikt. In het lichaam zijn de rotorschijven geplaatst die met behulp van bouten aan elkaar zijn bevestigd. Alle schijven zijn op één gemeenschappelijke as geplaatst die is verbonden met het buitenlichaam.

Als het bijvoorbeeld als pomp wordt gebruikt, is de as verbonden met de motor. Er is een dunne luchtspleet tussen de schijven, waar de lucht stroomt en de schijven laat draaien. Door de luchtspleet kunnen de luchtmoleculen een weerstand op de schijf veroorzaken. De voor- en achterklep hebben 4-5 gaten waardoor de inlaatlucht naar de atmosfeer kan worden geleid. De gaatjes zijn zo geplaatst dat er een vortex ontstaat en de lucht met zeer hoge snelheid kan draaien.

Turbine-ontwerp

Door deze hoge snelheid oefent het lucht een hoge snelheidsweerstand uit op de schijf en laat het de schijf met zeer hoge snelheden draaien. De schijfopening is een van de kritische parameters voor het ontwerp en de efficiëntie van de turbine. De optimale spleetgrootte die nodig is om de spleetlaag te behouden hangt af van de perifere snelheid van de schijf.

Ontwerpberekeningen van turbines

Veel ontwerpaspecten zijn belangrijk om een hoog rendement te bereiken. Enkele van de belangrijkste ontwerpberekeningen zijn
De werkvloeistof of de inlaatlucht moet een minimale druk hebben. Is het water, dan wordt verwacht dat de druk minimaal 1000 kg per meter kubus is. De perifere snelheid moet 10e-6 vierkante meter per seconde zijn.

De opening tussen de schijf wordt berekend op basis van de hoeksnelheid en de omtreksnelheid van de schijf. Het hangt af van de pollhausen-parameter die constant op snelheden is gebaseerd. Het debiet voor elke schijf wordt berekend als een product van het dwarsdoorsnedegebied van elke schijf en snelheid. Op basis van de gegevens wordt het aantal schijven geschat. Nogmaals, de diameter van de schijf is ook belangrijk om een goede efficiëntie te hebben.

Tesla Turbine-efficiëntie

De efficiëntie wordt gegeven door de verhouding tussen het vermogen van de uitgaande as en het vermogen van de ingaande as. Het wordt uitgedrukt als

Het rendement is afhankelijk van vele factoren zoals de diameter van de as, de snelheid van de bladen, het aantal bladen, de belasting die op de as is aangesloten, enz. In het algemeen is het turbine-rendement hoog in vergelijking met andere conventionele turbines. Voor kleine toepassingen kan de efficiëntie zelfs oplopen tot 97%.

Hoe werkt turbine?

Tesla-turbine werkt aan het concept van de grenslaag. Het bestaat uit twee inlaten. Over het algemeen wordt het luchtwater gebruikt als inlaat voor de turbine. Het turbinelichaam bestaat uit rotorschijven die met behulp van bouten aan elkaar zijn bevestigd. Alle schijven zijn op een gemeenschappelijke as geplaatst. Het turbinehuis bestaat uit twee behuizingen: de voorste behuizing en de achterste behuizing. In elke behuizing zijn er 4 tot 4 gaten. Al deze factoren, zoals het aantal schijven, de schijfdiameter, enz., Spelen een belangrijke rol bij het evalueren van de efficiëntie van de turbine.

Turbine werkt

Wanneer de lucht door de slang kan stromen, komt deze het turbinelichaam binnen. In het turbinehuis zijn schijven geplaatst die met elkaar zijn verbonden. Er is een dunne luchtspleet tussen de schijven. Wanneer de luchtmoleculen het turbinelichaam binnenkomen, oefenen ze een weerstand uit op de schijven. Door deze weerstand gaan de schijven draaien.

De voorste en achterste behuizingen bestaan uit gaten zodat wanneer er lucht binnenkomt, deze door deze gaten naar buiten komt. De gaten zijn zo geplaatst dat er een werveling van lucht of water ontstaat binnen het schijflichaam. Hierdoor oefent de lucht meer weerstand uit op de schijven. Hierdoor draaien de schijven met een zeer hoge snelheid.

“mini draaibank motor controller schema: ”

Het contactgebied tussen de vortex en schijven is laag bij lage snelheden. Maar naarmate de lucht snelheid wint, neemt dit contact toe, waardoor de schijven met een zeer hoge snelheid kunnen draaien. De middelpuntvliedende kracht van de schijven probeert de lucht naar buiten te duwen. Maar de lucht heeft geen pad behalve de gaten in de voor- en achterbehuizingen. Hierdoor komt de lucht eruit en wordt de vortex sterker. De snelheid van de schijven is bijna gelijk aan de snelheid van de luchtstroom.

Voordelen en nadelen van de Tesla-turbine

De voordelen zijn

Zeer hoog rendement
De productiekosten zijn lager
Simpel ontwerp
Draaibaar in beide richtingen

De nadelen zijn

Niet haalbaar voor toepassingen met hoog vermogen
Voor een hoog rendement moet het debiet klein zijn
De efficiëntie hangt af van de in- en uitstroom van de werkvloeistoffen.

Toepassingen

De turbine van Tesla heeft vanwege zijn uitgangsvermogen en specificaties beperkte toepassingen. Sommigen van hen worden hieronder genoemd.

Compressie van vloeistoffen
Pompen
Vane-type turbinetoepassingen
Bloedpompen

Daarom hebben we de constructieve aspecten, het werkingsprincipe, het ontwerp en de toepassingen van Tesla-turbines gezien. Het belangrijkste nadeel is dat het compact en klein is, waardoor het slechts in beperkte mate kan worden toegepast ten opzichte van conventionele turbines zoals de Kaplan-turbine. Omdat het rendement erg hoog is, moet men bedenken hoe Tesla-turbines kan worden gemaakt om belangrijke toepassingen te hebben, zoals in energiecentrales. Dat zou een geweldige opsteker zijn voor de laagefficiënte planten.