Большинство людей знают Николу Теслу, эксцентричного и блестящего человека, приехавшего в Нью-Йорк в 1884 году, как отца переменного тока, формы электричества, которая обеспечивает электроэнергией почти все дома и предприятия. Но Тесла был выдающимся изобретателем, применившим свой гений для решения широкого круга практических задач. В общей сложности у него было 272 патента в 25 странах, из них 112 патентов только в Соединенных Штатах. Вы можете подумать, что из всей этой работы Тесла больше всего любил бы свои изобретения в области электротехники — те, которые описывали полную систему генераторов, трансформаторов, линий передачи, двигателя и освещения. Но в 1913 году Тесла получил патент на то, что он назвал своим самым важным изобретением. Этим изобретением была турбина, известная сегодня как турбина Тесла, турбина с пограничным слоем или турбина с плоским диском.
Интересно, что использование слова «турбина» для описания изобретения Теслы кажется немного неверным. Это потому, что большинство людей думают о турбине как о валу с прикрепленными к нему лопастями, такими как лопасти вентилятора. На самом деле словарь Вебстера определяет турбину как двигатель, вращаемый силой газа или воды, воздействующей на лопасти вентилятора. Но у турбины Теслы нет лопастей. Он имеет ряд плотно расположенных параллельных дисков, прикрепленных к валу и расположенных внутри герметичной камеры. Когда жидкость попадает в камеру и проходит между дисками, диски поворачиваются, что, в свою очередь, приводит во вращение вал. Это вращательное движение можно использовать по-разному:от питания насосов, воздуходувок и компрессоров до запуска автомобилей и самолетов. Фактически, Тесла утверждал, что турбина была самым эффективным и самым простым роторным двигателем из когда-либо созданных.
Если это так, то почему турбина Теслы не получила более широкого распространения? Почему он не стал таким же повсеместным, как другой шедевр Теслы, передача энергии переменного тока? Это важные вопросы, но они второстепенны по отношению к более фундаментальным вопросам, например, как работает турбина Теслы и что делает эту технологию такой инновационной? Мы ответим на все эти вопросы на следующих нескольких страницах. Но сначала нам нужно рассмотреть некоторые основы различных типов двигателей, разработанных на протяжении многих лет. На следующей странице мы получим более полное представление о конкретной проблеме, которую Тесла надеялся решить с помощью своего нового изобретения.
СодержаниеРабота любого двигателя заключается в преобразовании энергии от источника топлива в механическую энергию. Независимо от того, является ли природный источник воздухом, движущейся водой, углем или нефтью, входная энергия представляет собой жидкость. И под жидкостью мы подразумеваем что-то очень конкретное — это любое вещество, которое течет под действием приложенного напряжения. Таким образом, и газы, и жидкости являются жидкостями, примером чего может служить вода. С точки зрения инженера жидкая вода и газообразная вода или пар функционируют как жидкость.
В начале 20 века были распространены два типа двигателей:лопастные турбины, приводимые в движение либо движущейся водой, либо паром, образующимся из нагретой воды, и поршневые двигатели, приводимые в движение газами, образующимися при сгорании бензина. Первый тип представляет собой роторный двигатель, второй - тип поршневого двигателя. Оба типа двигателей были сложными машинами, создание которых требовало много времени и усилий.
Рассмотрим поршень в качестве примера. Поршень представляет собой цилиндрический кусок металла, который перемещается вверх и вниз, обычно внутри другого цилиндра. Помимо самих поршней и цилиндров, к другим частям двигателя относятся клапаны, кулачки, подшипники, прокладки и кольца. Каждая из этих частей представляет собой возможность для неудачи. И в совокупности они увеличивают вес и неэффективность двигателя в целом.
В лопастных турбинах было меньше движущихся частей, но они представляли свои проблемы. Большинство из них были огромными машинами с очень узкими допусками. При неправильной сборке лезвия могут сломаться или треснуть. На самом деле это было наблюдение, сделанное на верфи, которое вдохновило Теслу на мысль о чем-то лучшем:«Я вспомнил бушели сломанных лопастей, которые были собраны из корпусов турбин первого парохода с турбинами, пересекшего океан, и понял, важность этого [нового движка]" [источник:The New York City Herald Tribune].
Новый двигатель Теслы представлял собой безлопастную турбину, которая по-прежнему использовала бы жидкость в качестве носителя энергии, но была бы гораздо более эффективной в преобразовании энергии жидкости в движение. Вопреки распространенному мнению, он не изобрел безлопастную турбину, а взял базовую концепцию, впервые запатентованную в Европе в 1832 году, и внес несколько усовершенствований. Он совершенствовал эту идею в течение почти десяти лет и фактически получил три патента, связанных с машиной:
В первом патенте Тесла представил свою базовую безлопастную конструкцию, выполненную в виде насоса или компрессора. Во втором патенте Тесла изменил базовую конструкцию, чтобы она работала как турбина. И, наконец, в третьем патенте он внес изменения, необходимые для работы турбины в качестве двигателя внутреннего сгорания.
Принципиальная конструкция машины одинакова, независимо от ее конфигурации. В следующем разделе мы более подробно рассмотрим этот дизайн.
По сравнению с поршневым или паровым двигателем турбина Теслы сама по себе проста. На самом деле, Тесла описал это так в интервью, которое появилось в New York Herald Tribune 15 октября 1911 года:«Все, что нужно, это несколько дисков, установленных на валу, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга и заключенных в кожух, чтобы жидкость могла войти в одну точку и выйти в другую». Понятно, что это упрощение, но ненамного. Давайте рассмотрим две основные части турбины — ротор и статор — более подробно.
В традиционной турбине ротор представляет собой вал с прикрепленными к нему лопастями. В турбине Тесла отказались от лопастей и вместо них используется серия дисков. Размер и количество дисков могут варьироваться в зависимости от факторов, связанных с конкретным приложением. В патентных документах Теслы не указывается конкретное число, но используется более общее описание, в котором говорится, что ротор должен содержать «множество» дисков «подходящего диаметра». Как мы увидим позже, сам Тесла довольно много экспериментировал с размером и количеством дисков.
Каждый диск выполнен с отверстиями, окружающими вал. Эти отверстия действуют как выпускные порты, через которые выходит жидкость. Чтобы жидкость могла свободно проходить между дисками, в качестве разделителей используются металлические шайбы. Опять же, толщина шайбы не установлена жестко, хотя промежуточные промежутки обычно не превышают 2–3 миллиметра.
Резьбовая гайка удерживает диски на месте на валу, последнем элементе сборки ротора. Поскольку диски соединены шпонкой с валом, их вращение передается на вал.
Узел ротора размещен внутри цилиндрического статора или стационарной части турбины. Для размещения ротора диаметр внутренней камеры цилиндра должен быть немного больше, чем сами диски ротора. Каждый конец статора содержит подшипник для вала. Статор также содержит один или два входа, в которые вставлены патрубки. Первоначальная конструкция Теслы предусматривала наличие двух впускных отверстий, что позволяло турбине вращаться как по часовой, так и против часовой стрелки.
Это базовая конструкция. Для запуска турбины жидкость под высоким давлением поступает в сопла на входах в статор. Жидкость проходит между дисками ротора и заставляет ротор вращаться. В конце концов, жидкость выходит через выпускные отверстия в центре турбины.
Одна из замечательных особенностей турбины Теслы — ее простота. Его можно построить из легкодоступных материалов, и расстояние между дисками не нужно точно контролировать. На самом деле его так легко построить, что несколько основных журналов включили полные инструкции по сборке с использованием бытовых материалов. В сентябрьском выпуске журнала Popular Science за 1955 год был опубликован пошаговый план изготовления воздуходувки с использованием конструкции турбины Теслы из картона!
Но как именно ряд дисков создает вращательное движение, которое мы привыкли ожидать от турбины? Этот вопрос мы рассмотрим в следующем разделе.
Вы можете удивиться, как энергия жидкости может заставить вращаться металлический диск. В конце концов, если диск идеально гладкий и не имеет лопастей, лопастей или лопастей, чтобы «ловить» жидкость, логика подсказывает, что жидкость будет просто течь по диску, оставляя диск неподвижным. Это, конечно, не то, что происходит. Ротор турбины Теслы вращается не только быстро, но и быстро.
Причину этого можно найти в двух фундаментальных свойствах всех жидкостей:адгезии и вязкости. Адгезия – это тенденция разнородных молекул слипаться под действием сил притяжения. Вязкость – это сопротивление вещества течению. Эти два свойства работают вместе в турбине Теслы для передачи энергии от жидкости к ротору или наоборот. Вот как:
Тонкий слой жидкости, взаимодействующий таким образом с поверхностью диска, называется пограничным слоем. , а взаимодействие жидкости с твердой поверхностью называется эффектом пограничного слоя . В результате этого эффекта движущая жидкость следует по быстро ускоренной спиральной траектории вдоль поверхностей диска, пока не достигнет подходящего выхода. Поскольку жидкость движется по естественным путям с наименьшим сопротивлением, свободной от ограничений и разрушающих сил, создаваемых лопастями или лопастями, ее скорость и направление постепенно меняются. Это означает, что на турбину поступает больше энергии. Действительно, Тесла заявлял, что КПД турбины составляет 95 процентов, что намного выше, чем у других турбин того времени.
Но, как мы увидим в следующем разделе, теоретическую эффективность турбины Теслы не так легко реализовать в серийных моделях.
Пограничный слой:это настоящее сопротивлениеЭффект пограничного слоя также объясняет, как создается сопротивление крыла самолета. Воздух, движущийся над крылом, ведет себя как жидкость, а это означает, что молекулы воздуха обладают как адгезивными, так и вязкими силами. Когда воздух прилипает к поверхности крыла, он создает силу, препятствующую движению самолета вперед.
Тесла, как и многие современные ученые и промышленники, считали его новую турбину революционной по ряду признаков. Он был небольшим и простым в изготовлении. У него была только одна движущаяся часть. И это было обратимо.
Чтобы продемонстрировать эти преимущества, Тесла построил несколько машин. Джуилус К. Чито, сын давнего механика Теслы, построил несколько версий. Первый, построенный в 1906 году, имел восемь дисков диаметром шесть дюймов (15,2 сантиметра) каждый. Машина весила менее 10 фунтов (4,5 кг) и развивала мощность 30 лошадиных сил. Он также выявил недостаток, который затруднил дальнейшее развитие машины. Ротор достиг таких высоких скоростей — 35 000 оборотов в минуту (об/мин), — что металлические диски сильно растягивались, что снижало эффективность.
В 1910 году Чито и Тесла построили более крупную модель с дисками диаметром 12 дюймов (30,5 см). Он вращался со скоростью 10 000 об/мин и развивал мощность 100 лошадиных сил. Затем, в 1911 году, пара построила модель с дисками диаметром 9,75 дюйма (24,8 сантиметра). Это снизило скорость до 9000 об/мин, но увеличило выходную мощность до 110 лошадиных сил.
Вдохновленный этими небольшими успехами, Тесла построил более крупную двойную установку, которую он планировал испытать с помощью пара в главной электростанции нью-йоркской компании Эдисона. Каждая турбина имела несущие диски ротора диаметром 18 дюймов (45,7 сантиметра). Две турбины были размещены в линию на едином основании. Во время испытаний Тесла смог достичь 9000 оборотов в минуту и выдать 200 лошадиных сил. Однако некоторые инженеры, присутствовавшие на испытаниях, верные Эдисону, утверждали, что турбина вышла из строя из-за непонимания того, как измерять крутящий момент в новой машине. Эта плохая пресса в сочетании с тем фактом, что крупные электрические компании уже вложили значительные средства в лопастные турбины, затруднила для Tesla привлечение инвесторов.
В последней попытке Теслы коммерциализировать свое изобретение он убедил производственную компанию Allis-Chalmers в Милуоки построить три турбины. Два имели по 20 дисков диаметром 18 дюймов и развивали скорость 12 000 и 10 000 об/мин соответственно. Третий имел 15 дисков диаметром 60 дюймов (1,5 метра) и был рассчитан на работу со скоростью 3600 об/мин, производя 675 лошадиных сил. Во время испытаний инженеры Allis-Chalmers стали беспокоиться как о механическом КПД турбин, так и об их способности выдерживать длительное использование. Они обнаружили, что диски сильно деформировались, и пришли к выводу, что турбина в конечном итоге должна была выйти из строя.
Даже в 1970-х годах исследователи с трудом воспроизводили результаты, о которых сообщил Тесла. Уоррен Райс, профессор инженерии в Университете штата Аризона, создал версию турбины Теслы, которая работала с КПД 41%. Некоторые утверждали, что модель Райс отклонялась от точных спецификаций Теслы. Но Райс, эксперт в области гидродинамики и турбины Теслы, провел литературный обзор исследований еще в 1990-х годах и обнаружил, что ни одна современная версия изобретения Теслы не имеет КПД выше 30-40%.
Это больше всего помешало турбине Теслы получить более широкое распространение.
Как прямо заявило Управление военно-морских исследований в Вашингтоне, округ Колумбия:«Турбина Парсонса существует уже долгое время, и целые отрасли промышленности построены вокруг нее и поддерживают ее. Если турбина Теслы не на порядок превосходит ее, то она выливать деньги в крысиную нору, потому что индустрию так просто не разрушить…» [источник:Чейни].
Итак, что же остается турбине Теслы сегодня? Как мы увидим в следующем разделе, инженеры и автомобильные дизайнеры снова обращают внимание на эту 100-летнюю технологию.
Тесла всегда был провидцем. Он рассматривал свою безлопастную турбину не как самоцель, а как средство для достижения цели. Его конечной целью было заменить поршневой двигатель внутреннего сгорания гораздо более эффективным и надежным двигателем, основанным на его технологии. Наиболее эффективные поршневые двигатели внутреннего сгорания не превышали 27-28% эффективности преобразования топлива в работу. Даже при коэффициенте полезного действия 40 процентов Тесла считал свою турбину улучшением. Он даже спроектировал на бумаге газотурбинный автомобиль, который, как он утверждал, будет настолько эффективным, что сможет проехать через Соединенные Штаты на одном баке бензина.
Тесла так и не увидел выпуска автомобиля, но сегодня он может быть доволен, увидев, что его революционная турбина, наконец, используется в новом поколении более чистых и эффективных автомобилей. Одной из компаний, добившихся серьезных успехов, является Phoenix Navigation and Guidance Inc. (PNGinc), расположенная в Мунисинге, штат Мичиган. Компания PNGinc объединила технологию дисковой турбины с импульсной детонационной камерой сгорания в двигателе, который, по словам компании, обеспечивает беспрецедентную эффективность. Есть 29 активных дисков, каждый диаметром 10 дюймов (25,4 сантиметра), зажатых между двумя дисками с коническими концами. Двигатель развивает 18 000 оборотов в минуту и 130 лошадиных сил. Чтобы преодолеть экстремальные центробежные силы, присущие турбине, PNGinc использует различные передовые материалы, такие как углеродное волокно, пропитанный титаном пластик и диски, армированные кевларом.
Очевидно, что эти более прочные и долговечные материалы имеют решающее значение для коммерческого успеха турбины Теслы. Если бы такие материалы, как кевлар, были доступны при жизни Теслы, вполне вероятно, что турбина нашла бы более широкое применение. Но, как это часто бывает с работами изобретателя, турбина Теслы была машиной, намного опередившей свое время.
Для получения дополнительной информации о Tesla, электричестве и смежных темах молниеносно переходите к следующему разделу.
Электромобиль Николы ТеслыХотя Тесла никогда не испытывал свою турбину на автомобиле, по некоторым сведениям, он разработал электромобиль в 1931 году. Это был автомобиль Pierce-Arrow, оснащенный 80-сильным электродвигателем со скоростью вращения 1800 об/мин вместо электродвигателя. двигатель с газовым двигателем. Согласно рассказу, Тесла собрал таинственный черный ящик, содержащий вакуумные трубки, провода и резисторы. Два стержня торчали из коробки. Когда стержни были вставлены в коробку, автомобиль получил мощность. Тесла ездил на машине неделю — до скорости 90 миль в час (145 километров в час). К сожалению, многие считали, что он подключился к какой-то неизвестной и опасной силе природы. Другие называли его сумасшедшим. В ярости он снял коробку с машины, отнес ее в свою лабораторию, и больше ее никто не видел. По сей день фундаментальные принципы работы электромобиля Tesla остаются загадкой.
Первоначально опубликовано:14 июля 2008 г.
Как работает Открытый автомобильный альянс
Как работает вращающийся детонационный двигатель
Как работает водородная экономика
Как работает воздушный автомобиль
Как работает система рулевого управления