La turbina Tesla es una turbina de flujo centrípeto sin aspas inventada por Nikola Tesla en 1913. [1] Funciona como boquillas que aplican un fluido en movimiento a los bordes de un conjunto de discos. El motor utiliza discos lisos que giran en una cámara para generar movimiento de rotación debido al intercambio de impulso entre el fluido y los discos. Los discos están dispuestos en una orientación similar a una pila de CD sobre un eje. [2]
La turbina Tesla utiliza el efecto de capa límite , en lugar del método empleado por las turbinas más convencionales, en el que un fluido actúa sobre las palas . La turbina Tesla también se conoce como turbina sin aspas , turbina de capa límite , turbina de tipo cohesión y turbina de capa Prandtl. Este último lleva el nombre de Ludwig Prandtl . Los investigadores de bioingeniería también han llamado a la turbina Tesla una bomba centrífuga de discos múltiples . [3] [4]
Una de las implementaciones previstas por Tesla para esta turbina era la generación de energía geotérmica , que describió en su obra Our Future Motive Power . [5]
En la bomba, a la presión radial o estática, debida a la fuerza centrífuga, se le suma la tangencial o dinámica, aumentando así la altura efectiva y ayudando en la expulsión del fluido. En el motor, por el contrario, la primera presión mencionada, al ser opuesta a la de alimentación, reduce la altura efectiva y la velocidad del flujo radial hacia el centro. De nuevo, en la máquina propulsora siempre es deseable un gran par, lo que exige un mayor número de discos y una menor distancia de separación, mientras que en la máquina propulsora, por numerosas razones económicas, el esfuerzo giratorio debe ser el menor y la velocidad la mayor. practicable.
-Nikola Tesla [6]
En las turbinas de vapor estándar , el vapor debe presionar las palas para que el rotor extraiga energía del vapor; Las hojas deben orientarse cuidadosamente para minimizar el ángulo de ataque a la superficie de la hoja. En otras palabras, en el régimen óptimo, la orientación de las aspas minimiza el ángulo (paso de las aspas) con el que el vapor golpea su superficie, para crear un flujo de vapor suave y minimizar la turbulencia . Esta turbulencia reduce la cantidad de energía útil que se puede extraer del flujo de vapor entrante. [ cita necesaria ]
En la turbina Tesla, considerando que no hay palas que impactar, la mecánica de las fuerzas de reacción es diferente. La fuerza de reacción a la presión del cabezal de vapor aumenta relativamente rápido, en forma de una "cinturón" de presión de vapor a lo largo de la periferia de la turbina. Esa correa es más densa y presurizada en la periferia, ya que su presión, cuando el rotor no está bajo carga, no será mucho menor que la presión del vapor (entrante). En un modo operativo normal, esa presión periférica limita el flujo de la corriente entrante y, de esta manera, se puede decir que la turbina Tesla es autónoma. Cuando el rotor no está bajo carga, las velocidades relativas entre las "espirales de vapor comprimido" (SCS, el vapor que gira en espiral entre los discos) y los discos son mínimas. [ cita necesaria ]
Cuando se aplica una carga a la turbina Tesla, el eje se desacelera; es decir, la velocidad de los discos con respecto al fluido (en movimiento) aumenta a medida que el fluido, al menos inicialmente, conserva su momento angular. Por ejemplo, en un radio de 10 cm (3,9 pulgadas), donde a 9000 RPM las velocidades de los discos periféricos son 90 m/s (300 pies/s) cuando no hay carga en el rotor, los discos se mueven aproximadamente a la misma velocidad que el fluido, pero cuando el rotor está cargado, el diferencial de velocidad relativa (entre el SCS y los discos metálicos) aumenta y, a una velocidad del rotor de 45 m/s (150 pies/s), el rotor tiene una velocidad relativa de 45 m/s al SCS. Este es un entorno dinámico y estas velocidades alcanzan estos valores a lo largo de un intervalo de tiempo y no instantáneamente. Aquí hay que tener en cuenta que los fluidos empiezan a comportarse como cuerpos sólidos a altas velocidades relativas y, en el caso de la turbina de Tesla, también hay que tener en cuenta la presión adicional. Con esta presión y velocidad relativa hacia las caras de los discos, el vapor debería comenzar a comportarse como un cuerpo sólido (SCS) que se arrastra sobre las superficies de los discos. La "fricción" creada sólo puede conducir a la generación de calor adicional directamente en el disco y en el SCS y será más pronunciada en la capa periférica, donde la velocidad relativa entre los discos metálicos y los discos del SCS es la más alta. Este aumento de temperatura, debido a la fricción entre los discos del SCS y los discos de la turbina, se traducirá en un aumento de la temperatura del SCS, y eso conducirá a la expansión del vapor del SCS y a un aumento de presión perpendicular a los discos metálicos, así como radialmente. en el eje de rotación, por lo que este modelo fluidodinámico parece ser una retroalimentación positiva para transmitir un "arrastre" más fuerte sobre los discos metálicos y, en consecuencia, aumentar el par en el eje de rotación. [ cita necesaria ]
El principio rector para el desarrollo de la turbina Tesla es la idea de que, para obtener la mayor eficiencia, los cambios en la velocidad y dirección del movimiento del fluido deben ser lo más graduales posible. [1] Por lo tanto, el fluido propulsor de la turbina Tesla se mueve en caminos naturales, o líneas de corriente, de menor resistencia.
Una turbina Tesla consta de un conjunto de discos lisos, con boquillas que aplican un fluido en movimiento al borde del disco. El fluido arrastra el disco debido a la viscosidad y la adhesión de la capa superficial del fluido. A medida que el fluido se desacelera y agrega energía a los discos, entra en espiral hacia el escape central. Al ser el rotor un disco simple, es más robusto y más fácil de fabricar, en comparación con una turbina de palas tradicional.
Tesla escribió: [7]
Esta turbina es un motor primario eficiente y de arranque automático que puede funcionar como turbina de vapor o de fluido mixto a voluntad, sin cambios en la construcción y, por este motivo, es muy conveniente. Se sugerirán pequeñas desviaciones de la turbina, según lo dicten las circunstancias de cada caso, pero si se llevan a cabo según estas líneas generales, resultará muy rentable para los propietarios de la planta de vapor, al tiempo que permitirá el uso de sus antiguas instalación. Sin embargo, los mejores resultados económicos en el desarrollo de energía a partir de vapor mediante la turbina Tesla se obtendrán en plantas especialmente adaptadas para este fin.
Inicialmente se propusieron discos de rotor lisos, pero daban un par de arranque deficiente. Posteriormente, Tesla descubrió que los discos de rotor lisos con pequeñas arandelas uniendo los discos en aproximadamente 12 a 24 lugares alrededor del perímetro de un disco de 10 ″ y un segundo anillo de 6 a 12 arandelas en un subdiámetro conseguían una mejora significativa en el par de arranque sin comprometiendo la eficiencia.
En la época de Tesla, la eficiencia de las turbinas convencionales era baja porque las turbinas utilizaban un sistema de accionamiento directo que limitaba gravemente la velocidad de salida potencial utilizable de una turbina. En el momento de su introducción, las turbinas de barco eran enormes e incluían docenas, o incluso cientos, de etapas de turbinas, pero producían una eficiencia extremadamente baja debido a su baja velocidad. Por ejemplo, la turbina tanto del Olympic como del Titanic pesaba más de 400 toneladas, funcionaba a sólo 165 rpm y utilizaba vapor a una presión de sólo 6 psi . Esto lo limitó a recolectar el vapor residual de las principales centrales eléctricas, un par de máquinas de vapor alternativas. [8] La turbina Tesla podía funcionar con gases a mayor temperatura que las turbinas de palas de la época, lo que contribuía a su mayor eficiencia. Con el tiempo, a las turbinas axiales se les dio engranajes para permitirles operar a velocidades más altas, pero la eficiencia de las turbinas axiales permaneció muy baja en comparación con la turbina Tesla.
Las mejoras continuas dieron como resultado turbinas axiales dramáticamente más eficientes y potentes, y se introdujo una segunda etapa de engranajes reductores en la mayoría de los buques navales estadounidenses de última generación de la década de 1930. La mejora en la tecnología de vapor dio a los portaaviones de la Marina de los EE. UU. una clara ventaja en velocidad sobre los portaaviones aliados y enemigos, por lo que las probadas turbinas de vapor axiales se convirtieron en la forma preferida de propulsión hasta la crisis del petróleo de 1973 , que impulsó a la mayoría de los nuevos civiles. que los buques opten por motores diésel. Las turbinas de vapor axiales aún no habían superado el 50% de eficiencia en ese momento, por lo que los barcos civiles optaron por utilizar motores diésel debido a su eficiencia superior. [9] En ese momento, la turbina Tesla comparablemente eficiente tenía más de 60 años.
El diseño de Tesla intentó eludir los inconvenientes clave de las turbinas axiales de palas, e incluso las estimaciones más bajas de eficiencia superaron dramáticamente la eficiencia de las turbinas de vapor axiales de la época. Sin embargo, en las pruebas con motores más modernos, la turbina Tesla tenía eficiencias de expansión muy inferiores a las de las turbinas de vapor contemporáneas y muy inferiores a las de las máquinas de vapor alternativas contemporáneas. También sufre otros problemas, como pérdidas por cizallamiento y restricciones de flujo, pero esto se compensa parcialmente con la reducción relativamente masiva de peso y volumen. Algunas de las ventajas de la turbina Tesla residen en aplicaciones de caudal relativamente bajo o cuando se necesitan tamaños pequeños. Los discos deben ser lo más delgados posible en los bordes para no introducir turbulencias cuando el fluido sale de los discos. Esto se traduce en la necesidad de aumentar la cantidad de discos a medida que aumenta el caudal. La máxima eficiencia se obtiene en este sistema cuando el espacio entre discos se aproxima al espesor de la capa límite , y dado que el espesor de la capa límite depende de la viscosidad y la presión, la afirmación de que un solo diseño puede usarse eficientemente para una variedad de combustibles y fluidos es incorrecto. Una turbina Tesla se diferencia de una turbina convencional sólo en el mecanismo utilizado para transferir energía al eje. Varios análisis demuestran que el caudal entre los discos debe mantenerse relativamente bajo para mantener la eficiencia. Al parecer, la eficiencia de la turbina Tesla disminuye con el aumento de carga. Bajo carga ligera, la espiral que toma el fluido que se mueve desde la admisión al escape es apretada y sufre muchas rotaciones. Bajo carga, el número de rotaciones disminuye y la espiral se acorta progresivamente. [ cita necesaria ] Esto aumentará las pérdidas por corte y también reducirá la eficiencia porque el gas está en contacto con los discos a una distancia menor.
Se estima que la eficiencia de la turbina (definida como la relación entre el cambio ideal de entalpía y la entalpía real para el mismo cambio de presión [ cita necesaria ] ) de la turbina Tesla de gas es superior al 60%. [ cita necesaria ] La eficiencia de la turbina es diferente de la eficiencia del ciclo del motor que utiliza la turbina. Las turbinas axiales que funcionan hoy en día en plantas de vapor o motores a reacción tienen eficiencias superiores al 90%. [10] Esto es diferente de las eficiencias del ciclo de la planta o del motor, que están entre aproximadamente el 25% y el 42%, y están limitadas por cualquier irreversibilidad a estar por debajo de la eficiencia del ciclo de Carnot . Tesla afirmó que una versión de vapor de su dispositivo alcanzaría alrededor del 95% de eficiencia. [11] [12] La eficiencia termodinámica es una medida de qué tan bien se desempeña en comparación con un caso isentrópico . Es la relación entre la entrada/salida de trabajo ideal y la real.
En la década de 1950, Warren Rice intentó recrear los experimentos de Tesla, pero no realizó estas primeras pruebas en una bomba construida estrictamente de acuerdo con el diseño patentado de Tesla (entre otras cosas, no era una turbina de múltiples etapas de Tesla ni poseía la tecnología de Tesla). boquilla). [13] El fluido de trabajo del sistema experimental de una sola etapa de Rice era aire. Las turbinas de prueba de Rice, como se publicó en los primeros informes, produjeron una eficiencia medida general del 36% al 41% para una sola etapa . [13] Se esperaría una mayor eficiencia si se diseñara como lo propuso originalmente Tesla.
En su trabajo final con la turbina Tesla publicado justo antes de su jubilación, Rice realizó un análisis de parámetros masivos del modelo de flujo laminar en turbinas de discos múltiples. En 1991 se publicó una afirmación muy alta sobre la eficiencia del rotor (a diferencia de la eficiencia general del dispositivo) para este diseño, titulada "Tesla Turbomachinery". [14] Este documento afirma:
Con un uso adecuado de los resultados analíticos, la eficiencia del rotor utilizando flujo laminar puede ser muy alta, incluso por encima del 95%. Sin embargo, para lograr una alta eficiencia del rotor, el número de caudal debe ser pequeño, lo que significa que se logra una alta eficiencia del rotor a expensas del uso de una gran cantidad de discos y, por lo tanto, un rotor físicamente más grande. Para cada valor del número de caudal, existe un valor óptimo del número de Reynolds para una máxima eficiencia. Con los fluidos comunes, el espacio requerido entre discos es tremendamente pequeño, lo que hace que [los rotores que utilizan] flujo laminar tiendan a ser grandes y pesados para un caudal prescrito.
Se han realizado extensas investigaciones sobre bombas de líquido tipo Tesla que utilizan rotores de flujo laminar. Se encontró que la eficiencia general de la bomba era baja incluso cuando la eficiencia del rotor era alta debido a las pérdidas que se producían en la entrada y salida del rotor mencionadas anteriormente.
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Las turbinas modernas de palas de múltiples etapas suelen alcanzar una eficiencia del 60 al 70%, mientras que las grandes turbinas de vapor suelen mostrar una eficiencia de más del 90% en la práctica. También se esperaría que las máquinas tipo Tesla con rotores de voluta de tamaño razonable y fluidos comunes (vapor, gas y agua) mostraran eficiencias cercanas al 60-70% y posiblemente más. [15]
Las patentes de Tesla afirman que el dispositivo estaba destinado al uso de fluidos como agentes motrices, a diferencia de la propulsión o compresión de fluidos (aunque también puede usarse para esos fines). A partir de 2016, la turbina Tesla no ha tenido un uso comercial generalizado. La bomba Tesla, sin embargo, ha estado disponible comercialmente desde 1982 [16] y se utiliza para bombear fluidos abrasivos, viscosos, sensibles al corte, cargados de sólidos o que de otro modo son difíciles de manejar con otras bombas. El propio Tesla no consiguió un gran contrato de producción. La principal desventaja fue el escaso conocimiento de las características y comportamientos de los materiales a altas temperaturas . La mejor metalurgia de la época no pudo evitar que los discos de la turbina se movieran y se deformaran de manera inaceptable durante el funcionamiento.
Se han realizado muchos experimentos de aficionados utilizando turbinas Tesla con aire comprimido o vapor como fuente de energía . La deformación del disco se ha mejorado mediante el uso de nuevos materiales como la fibra de carbono.
Una aplicación propuesta para el dispositivo es una bomba de residuos , en fábricas y molinos donde las bombas de turbina de paletas normales suelen ensuciarse.
Las aplicaciones de la turbina Tesla como bomba de sangre centrífuga de discos múltiples han dado resultados prometedores debido a la baja fuerza de corte máxima. [17] La investigación en ingeniería biomédica sobre tales aplicaciones ha continuado hasta el siglo XXI. [18]
El dispositivo funciona como una bomba si se utiliza un conjunto similar de discos y una carcasa con forma de espiral (a diferencia de la circular de la turbina). En esta configuración, se adjunta un motor al eje. El fluido entra cerca del centro, es energizado por los discos y sale por la periferia. La turbina Tesla no utiliza la fricción en el sentido convencional, sino que utiliza la adhesión (el efecto Coanda ) y la viscosidad . Utiliza el efecto de capa límite en las láminas del disco.
La turbina fue patentada por Nikola Tesla el 21 de octubre de 1913. [1] Fue su patente número 100. [19]
