Про Турбину Теслы

Какое техническое решение является настолько знаковым, что каждое новое поколение инженеров снова и снова возвращается к нему, пытаясь переосмыслить, и применить в современных для них условиях? 

Несомненно, таким техническим решением является старинная турбина, разработанная ещё в 1913 году Никола Тесла. 

Чем же она так интересна, что инженерная мысль никак не хочет её оставить на «полке истории»?

Не зря говорят, что «если человек талантлив, то он талантлив во всём» — похоже, что это в полной мере относится и к нашему герою, Никола Тесла, который, несмотря на свою известность разработками в области электротехники, радиодела, отметился и своими идеями в других областях, в частности, в машиностроении, разработав свою знаменитую «турбину Теслы» — безлопаточное устройство, для использования энергии высокоскоростных потоков среды, в полезных целях:

Как можно видеть, конструкция этого устройства весьма проста: это всего лишь стопка из дисков, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга, внутри герметичного кожуха. 

Принцип действия устройства тоже весьма прост и, даже можно сказать гениален: в нём используется эффект пограничного слоя, то есть, относительно тонкого слоя рабочей среды, непосредственно контактирующего с поверхностью турбины и, где в результате этого контакта, скорость этого слоя, за счёт трения, стремится к нулю. 

Если посмотреть на схему выше, то можно увидеть, что в верхней части кожуха имеется два патрубка для впуска рабочей среды, а в центре кожуха имеется отверстие для выпуска отработанной среды. 

Таким образом, если впустить рабочую среду через любой из патрубков (почему их два мы ещё рассмотрим ниже), то, в зависимости от скорости этой среды,  из-за трения в пограничного слоя о поверхность дисков, если скорость среды относительно мала, то она будет либо быстро терять свою скорость, практически сразу «сваливаясь» к центру диска и вытекая через центральное отверстие, либо, если скорость относительно высока, среда будет совершать некоторое количество оборотов вокруг оси, постепенно теряя скорость и, также вытекая через центральное отверстие — то есть, движение среды начинает напоминать спиралевидную форму:

Таким образом, в качестве некоторого промежуточного вывода, мы можем сказать, что чем выше скорость движения среды, тем больше и площадь её контакта* с дисками — соответственно, выше и эффективность работы всей системы в целом.

*Естественно, мы здесь не имеем в виду медленно текущую среду, которая в теории может просто-напросто заполнить всё пространство кожуха и обеспечить «оптимальный контакт» :-) — рассмотрение такого случая просто не имеет смысла.

Кстати говоря, со скоростью здесь тоже не всё так прямолинейно и есть кое-какие свои проблемы и о них будет ниже! 

Таким образом, можно сказать, что сама конструкция турбины предполагает тем более высокую эффективность, чем больше её скорость вращения. 

Основной задачей которой перед тобой ставил Тесла при разработке этой турбины, было существенное упрощение конструкции — дело в том, что существовавшие на тот момент турбины (как впрочем и нынешнего дня) были весьма громоздкими и сложными конструкциями, содержащими множество лопаток сложной конструкции, а также сложный стационарный направляющий аппарат (систему путей пара до лопаток), в виду чего, их было как сложно изготавливать, так и сложно поддерживать в работоспособном состоянии — лопатки постоянно выходили из строя из-за разных причин (вибрации, коррозия, эрозия из-за ударов капель воды):

В отличие от подобных сложных систем, мы видим, что турбина Теслы кардинально проста и надёжна — это всего лишь диски, где, для водяного пара, было выявлено, что диски должны находиться на расстоянии примерно в 0,4 мм* — то есть расстоянии в два пограничных слоя, таким образом, чтобы вся толща протекающей рабочей среды задействовалась, а пограничные слои фактически касались друг друга и именно при таком расстоянии обеспечивалась самая высокая эффективность:

*Величина зазора зависит от вязкости и должна быть рассчитана для каждой конкретной рабочей среды: в общем случае, можно сказать, что для менее вязкой среды нужно уменьшать зазор, а для более вязкой, соответственно, увеличивать.

Готовый экспериментальный аппарат на базе подобной турбины выглядел следующим образом:

Глядя на самую первую картинку в начале статьи, мы для себя отметили, что кожух турбины имеет два патрубка для входа рабочей среды — это не случайно и связано с ещё одним уникальным свойством аппарата: в отличие от классических турбин, где сам угол наклона лопаток и их расположение предполагает поступление рабочей среды только с одной стороны, — турбина Теслы легко и просто может вращаться в обоих направлениях, где для этого всего лишь нужно подать рабочую среду в левый или правый патрубок:

Ещё одним очевидным преимуществом турбины является её способность работать практически на любой рабочей среде, не испытывая ударных нагрузок и срывов потока, что могло бы иметь место в случае использования классического типа турбин, со множеством лопаток, где в качестве такой среды может быть и смесь жидкости с паром или газом, или, даже их общая смесь с механической взвесью грязи, пыли — собственно говоря, именно поэтому, одним из применений таких турбин является возможность их использования для перекачивания грязных жидкостей. 

Однако, были и трудности, например, во время работы над своей турбиной, Тесла столкнулся с проблемой очень больших центробежных сил, где при оборотах в десятки тысяч оборотов в минуту (по некоторым данным в районе 35 000 об/мин), возникают критические деформации и растяжения самого металла дисков — на момент своей жизни, в первой половине XX века Тесла так и не смог решить эту проблему, так как материаловедение этих лет не могло ему предоставить нужного материала. 

В настоящее время эта проблема была решена с использованием углепластиковых дисков ^[4].

Кстати говоря, это одна из причин, почему мы не видим массовой замены стандартных турбин с крыльчатками — на дисковые: промышленный подход предполагает, что турбины подобного типа должны быть достаточно большими, так как используются в основном для выработки электроэнергии, чей диаметр измеряется метрами; кроме того, проблема осложняется тем, что такие турбины работают в условиях высоких температур — например, воздействия пара. 

Всё это вместе приводит к тому, что, если бы кто-то рискнул изготовить гипотетические тонкие диски для подобной турбины, например, в 1,5-2 метра диаметром, их жёсткость была бы совершенно недостаточной для такой работы. 

Впрочем, появление новых материалов (того же самого углепластика) даёт шанс (в теории) и на появление турбин подобного типа, большого диаметра… 

Ознакамливаясь с принципами работы дисковых турбин, мне пришла в голову одна интересная идея, которую я никогда не видел… дело в том, что многие отмечают такой нюанс, про который было уже сказано выше — что турбина Теслы требует больших оборотов для эффективности, а на относительно малых оборотах и относительно большой нагрузке на валу, происходит падение КПД из-за уменьшения площади контакта спирали потока (поясняющие картинки на которые были выше) с дисками — то есть, несмотря на то что поток обладает относительно высокой скоростью, и, по идее, например, должен был бы совершить три оборота вокруг оси (число просто для примера), прежде чем выйти через осевое отверстие, — он совершает меньшее число оборотов из-за замедления скорости диска, — то есть, часть энергии потока не расходуется и он вылетает из центрального отверстия с неизрасходованной скоростью. 

Глядя на это всё, мне пришла самая простая и логичная мысль — а ведь это можно улучшить! Причём, улучшить простейшим образом! 

Самым лёгким способом всё это проапгрейдить, на мой взгляд, может быть использование эффекта «виртуального» увеличения вязкости среды — для чего стоит только применить логику лабиринтного уплотнения! 

Вкратце, что это такое: в механике применяется часто такой приём, когда необходимо создать уплотнение, но создать классическими способами (разнообразные прокладки) его невозможно по ряду причин, где одной из очевидных причин является высокая температура среды. 

Лабиринтное уплотнение представляет собой (как можно догадаться даже из самого названия) создание искусственных барьеров на пути среды, где возникает её турбулентность, которая при достаточно высоких скоростях среды, сама по себе выступает барьером для прохождения потока:

Наиболее яркий пример такого подхода: концентрические бороздки на возвратном поршне затворной рамы автомата Калашникова: пороховые газы отводятся из канала ствола и толкают поршень назад, где при этом, между самим поршнем и стенками цилиндра существует некоторое расстояние и, по идее, газы должны были бы прорваться дальше! 

Однако, из-за высокой скорости газов, в этом месте происходит завихрение в канавках, где сами эти вихри становятся непреодолимой преградой для остального потока газа: 

Классические поршневые кольца или прокладки здесь на поршень поставить невозможно из-за уменьшения надёжности (если использовать поршневые кольца — это было бы весьма нетривиально для такого маленького размера, так как могут быть проблемы с подбором материала для колец — классический чугун слишком хрупкий при таких размерах) / или неспособности разнообразных полимерных прокладок противостоять потоку газов высокой температуры. 

Подобный принцип используется повсеместно, и, как ни странно, в турбине Тесла я ни разу такого не видел! 

А ведь это просто просится сюда! Например, в самом простом варианте, это могут быть нарезанные на дисках концентрические кольца (или спираль) или лучеобразные бороздки — что технологически весьма просто осуществить: 

Или, использовать технологию, которой не было во времена Никола Тесла: лазерная гравировка дисков, с использованием волоконно-оптических лазеров: варьируя глубину узора на поверхности дисков — можно добиться изменения виртуальной «вязкости» в весьма широких пределах, для одной и той же среды! 

Подобные искусственные затруднения на пути прохождения потока, будут способствовать его турбулентности, ещё лучшей «цепляемости» за диски!

Таким образом, используя подобные подходы, на мой взгляд, здесь имеется хорошая возможность по увеличению эффективности, даже на относительно малых оборотах. 

Причём, что важно: с сохранением всё той же технологической простоты изготовления турбины — она всё ещё остаётся стопкой дисков, просто с несколько модифицированной поверхностью! 

Как свидетельствуют некоторые публикации ^[5] — в этих своих мыслях я был абсолютно прав: увеличение шероховатости поверхности позволяет поднять эффективность примерно на 50…90%! 

____________________

При анализе имеющейся информации по текущему состоянию подобных турбин, неизбежно сталкиваешься с любопытным фактом — несмотря на проблемность изготовления и эффективной работы турбин относительно большого диаметра —  практически все эти проблемы уходят на нет, если использовать турбины относительно малого диаметра (например, с ладонь и меньше, например, диаметром в 10...30 мм) — так как их попросту можно изготовить идеально отцентрованными, применяя весьма простой технологический приём: нарезанием бороздок на цилиндрической заготовке, на обычном токарном станке: 

Зачем это может быть нужно? Представим миниатюрную паровую машину, с подобной турбиной (1-2-3 см диаметром) вал которой вращается на совершенно диких оборотах, вращая маленький электрогенератор и работая от огня свечи/спиртовки/костра.

Энергии (в теории), подобная штука будет давать весьма недурно — явно «несколько побольше», чем разнообразные печки с элементами Пельтье для туристов. :-)  

Маленький резервуар для воды, маленькая дешёвая турбина, маленький дешёвый генератор — и имеем электричество где угодно, когда угодно! 

И эксперименты показывают, что это более чем реально! Как вам, например, понравится микро турбина в следующем эксперименте, которая разгоняется до более чем 100000 об/мин*, выдавая на подключенном генераторе около 10 Вт? А всё почему? А потому что маленькая и для неё (из за небольшого веса компонентов) — такие обороты не проблема:

*В тестах выше, на 30 psi турбина выдавала 82000 об/мин, так что, при тестах с подключенным генератором, похоже что было около 164000 об/мин, так как подавался воздух под 60 psi (хотя это явно и не говорится).

К слову: 60 psi это всего лишь примерно 4,1 атмосферы, так что ерунда вообще! То есть, достаточно весьма скромных давлений, чтобы «раскочегарить» турбину нешуточно!

Видео выше — не самое удивительное! Вот тут есть безумное количество самоделок ^[6] на базе этой и даже меньшего диаметра турбины!!! И даже многотурбинные микродвигатели!!! Рекомендую — это просто инженерное безумие какое то (в хорошем смысле)! О_О

Скажем, как чуть большего размера турбина, генерит уже 60 Вт:

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.

Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.