De flesta känner till Nikola Tesla, den excentriske och briljante mannen som anlände till New York City 1884, som växelströmsfadern, den form av elektricitet som förser nästan alla hem och företag med ström. Men Tesla var en fantastisk uppfinnare som tillämpade sitt geni på en lång rad praktiska problem. Allt som allt hade han 272 patent i 25 länder, med 112 patent bara i USA. Du kanske tror att Tesla, av allt detta arbete, skulle ha hållit hans uppfinningar inom elektroteknik - de som beskrev ett komplett system av generatorer, transformatorer, transmissionsledningar, motor och belysning - hans hjärta varmt. Men 1913 fick Tesla patent på vad han beskrev som sin viktigaste uppfinning. Den uppfinningen var en turbin, idag känd som Tesla-turbinen, gränsskiktsturbinen eller plattskivsturbinen.
Intressant nog verkar det lite missvisande att använda ordet "turbin" för att beskriva Teslas uppfinning. Det beror på att de flesta människor tänker på en turbin som en axel med blad - som fläktblad - fästa vid den. Faktum är att Websters ordbok definierar en turbin som en motor som vrids av kraften från gas eller vatten på fläktbladen. Men Tesla-turbinen har inga blad. Den har en serie tätt packade parallella skivor fästa vid en axel och anordnade i en förseglad kammare. När en vätska tillåts komma in i kammaren och passera mellan skivorna, vrids skivorna, vilket i sin tur roterar axeln. Denna roterande rörelse kan användas på en mängd olika sätt, från att driva pumpar, fläktar och kompressorer till att köra bilar och flygplan. Tesla hävdade faktiskt att turbinen var den mest effektiva och enklaste roterande motorn som någonsin konstruerats.
Om detta är sant, varför har Tesla-turbinen inte haft mer utbredd användning? Varför har den inte blivit lika utbredd som Teslas andra mästerverk, AC-kraftöverföring? Det här är viktiga frågor, men de är sekundära till mer grundläggande frågor, som hur fungerar Tesla-turbinen och vad som gör tekniken så innovativ? Vi kommer att besvara alla dessa frågor på de kommande sidorna. Men först måste vi se över några grunder om de olika typerna av motorer som utvecklats under åren. På nästa sida får vi en bättre uppfattning om det specifika problem som Tesla hoppades lösa med sin nya uppfinning.
InnehållVarje motors uppgift är att omvandla energi från en bränslekälla till mekanisk energi. Oavsett om den naturliga källan är luft, rörligt vatten, kol eller petroleum, är den ingående energin en vätska. Och med vätska menar vi något mycket specifikt -- det är vilket ämne som helst som flödar under en applicerad stress. Både gaser och vätskor är därför vätskor, vilket kan exemplifieras med vatten. När det gäller en ingenjör fungerar flytande vatten och gasformigt vatten, eller ånga, som en vätska.
I början av 1900-talet var två typer av motorer vanliga:turbiner med blad, drivna av antingen rörligt vatten eller ånga från uppvärmt vatten, och kolvmotorer, som drevs av gaser som produceras vid förbränning av bensin. Den förra är en typ av rotationsmotor, den senare en typ av kolvmotor. Båda typerna av motorer var komplicerade maskiner som var svåra och tidskrävande att bygga.
Betrakta en kolv som ett exempel. En kolv är en cylindrisk metallbit som rör sig upp och ner, vanligtvis inuti en annan cylinder. Förutom själva kolvarna och cylindrarna inkluderar andra delar av motorn ventiler, kammar, lager, packningar och ringar. Var och en av dessa delar representerar en möjlighet att misslyckas. Och tillsammans ökar de vikten och ineffektiviteten hos motorn som helhet.
Bladade turbiner hade färre rörliga delar, men de uppvisade sina egna problem. De flesta var enorma maskiner med mycket snäva toleranser. Om de inte byggs ordentligt kan bladen gå sönder eller spricka. Faktum är att det var en observation som gjordes på ett varv som inspirerade Tesla att tänka på något bättre:"Jag mindes buskarna med trasiga blad som samlades ur turbinhöljena på det första turbinutrustade ångfartyget som korsade havet och insåg vikten av denna [nya motor]" [källa:The New York City Herald Tribune].
Teslas nya motor var en bladlös turbin, som fortfarande skulle använda en vätska som energifordon, men som skulle vara mycket effektivare för att omvandla vätskeenergin till rörelse. I motsats till vad många tror uppfann han inte den bladlösa turbinen, men han tog grundkonceptet, som först patenterades i Europa 1832, och gjorde flera förbättringar. Han förfinade idén under nästan ett decennium och fick faktiskt tre patent relaterade till maskinen:
I det första patentet introducerade Tesla sin grundläggande bladlösa design konfigurerad som en pump eller kompressor. I det andra patentet modifierade Tesla grundkonstruktionen så att den skulle fungera som en turbin. Och slutligen, med det tredje patentet, gjorde han de ändringar som var nödvändiga för att driva turbinen som en förbränningsmotor.
Maskinens grundläggande design är densamma, oavsett dess konfiguration. I nästa avsnitt ska vi titta närmare på den designen.
Jämfört med en kolv eller ångmaskin är Tesla-turbinen enkelheten i sig. Faktum är att Tesla beskrev det så här i en intervju som publicerades i New York Herald Tribune den 15 oktober 1911:"Allt man behöver är några skivor monterade på en axel, placerade på ett litet avstånd från varandra och försedda så att vätskan kan gå in vid ett tillfälle och gå ut vid ett annat." Detta är uppenbarligen en förenkling, men inte mycket. Låt oss ta en titt på de två grundläggande delarna av turbinen -- rotorn och statorn -- mer i detalj.
I en traditionell turbin är rotorn en axel med blad fästa. Tesla-turbinen gör bort bladen och använder istället en serie skivor. Storleken och antalet diskar kan variera beroende på faktorer relaterade till en viss applikation. Teslas patentdokument definierar inte ett specifikt nummer, utan använder en mer allmän beskrivning som säger att rotorn ska innehålla ett "flertal" skivor med en "lämplig diameter". Som vi ska se senare experimenterade Tesla själv ganska mycket med storleken och antalet diskar.
Varje skiva är gjord med öppningar som omger skaftet. Dessa öppningar fungerar som utloppsportar genom vilka vätskan kommer ut. För att säkerställa att vätskan kan passera fritt mellan skivorna, används metallbrickor som avdelare. Återigen, tjockleken på en bricka är inte styvt inställd, även om de mellanliggande utrymmena vanligtvis inte överstiger 2 till 3 millimeter.
En gängad mutter håller skivorna på plats på axeln, den sista delen av rotorenheten. Eftersom skivorna är fastkilade till axeln, överförs deras rotation till axeln.
Rotoraggregatet är inrymt i en cylindrisk stator, eller den stationära delen av turbinen. För att rymma rotorn måste diametern på cylinderns inre kammare vara något större än själva rotorskivorna. Varje ände av statorn innehåller ett lager för axeln. Statorn innehåller också ett eller två inlopp, i vilka munstycken sätts in. Teslas ursprungliga design krävde två inlopp, vilket gjorde att turbinen kunde gå antingen medurs eller moturs.
Detta är den grundläggande designen. För att få turbinen att gå kommer en högtrycksvätska in i munstyckena vid statorns inlopp. Vätskan passerar mellan rotorskivorna och får rotorn att snurra. Så småningom kommer vätskan ut genom avgasportarna i mitten av turbinen.
En av de fantastiska sakerna med Tesla-turbinen är dess enkelhet. Den kan byggas med lättillgängliga material, och avståndet mellan skivorna behöver inte kontrolleras exakt. Det är faktiskt så lätt att bygga att flera vanliga tidningar har inkluderat kompletta monteringsanvisningar med hushållsmaterial. Septembernumret 1955 av Popular Science innehöll en steg-för-steg-plan för att bygga en fläkt med en Tesla-turbindesign gjord av kartong!
Men exakt hur genererar en serie skivor den roterande rörelse vi kommer att förvänta oss av en turbin? Det är frågan vi kommer att ta upp i nästa avsnitt.
Du kanske undrar hur energin i en vätska kan få en metallskiva att snurra. När allt kommer omkring, om en skiva är perfekt slät och inte har några blad, skovlar eller hinkar för att "fånga" vätskan, antyder logiken att vätskan helt enkelt kommer att flyta över skivan, vilket gör att skivan blir orörlig. Detta är naturligtvis inte vad som händer. Inte bara rotorn på en Tesla-turbin snurrar – den snurrar snabbt.
Anledningen till varför kan hittas i två grundläggande egenskaper hos alla vätskor:vidhäftning och viskositet. Adhesion är tendensen hos olika molekyler att klänga ihop på grund av attraktionskrafter. Viskositet är ett ämnes motstånd mot strömning. Dessa två egenskaper samverkar i Tesla-turbinen för att överföra energi från vätskan till rotorn eller vice versa. Så här gör du:
Det tunna lagret av vätska som interagerar med skivans yta på detta sätt kallas gränsskiktet , och interaktionen mellan vätskan och den fasta ytan kallas gränsskiktseffekten . Som ett resultat av denna effekt följer framdrivningsvätskan en snabbt accelererad spiralbana längs skivytorna tills den når en lämplig utgång. Eftersom vätskan rör sig i naturliga banor med minsta motstånd, fri från de begränsningar och störande krafter som orsakas av blad eller blad, upplever den gradvisa förändringar i hastighet och riktning. Detta innebär att mer energi levereras till turbinen. Tesla hävdade faktiskt en turbinverkningsgrad på 95 procent, mycket högre än andra dåvarande turbiner.
Men som vi kommer att se i nästa avsnitt har Tesla-turbinens teoretiska effektivitet inte realiserats så lätt i produktionsmodeller.
Gränsskiktet:Det är ett riktigt dragGränsskiktseffekten förklarar också hur motstånd skapas på en flygplansvinge. Luft som rör sig över vingen beter sig som en vätska, vilket innebär att luftmolekyler har både vidhäftande och viskösa krafter. När luft fastnar på vingytan producerar den en kraft som motstår flygplanets rörelse framåt.
Tesla, liksom många samtida vetenskapsmän och industrimän, trodde att hans nya turbin var revolutionerande baserat på ett antal attribut. Den var liten och lätt att tillverka. Den hade bara en rörlig del. Och det var reversibelt.
För att visa dessa fördelar lät Tesla bygga flera maskiner. Juilus C. Czito, son till Teslas mångårige maskinist, byggde flera versioner. Den första, byggd 1906, innehöll åtta skivor, vardera sex tum (15,2 centimeter) i diameter. Maskinen vägde mindre än 10 pund (4,5 kg) och utvecklade 30 hästkrafter. Det avslöjade också en brist som skulle göra den pågående utvecklingen av maskinen svår. Rotorn uppnådde så höga hastigheter -- 35 000 varv per minut (rpm) -- att metallskivorna sträcktes avsevärt, vilket hämmade effektiviteten.
1910 byggde Czito och Tesla en större modell med skivor 12 tum (30,5 centimeter) i diameter. Den roterade med 10 000 rpm och utvecklade 100 hästkrafter. Sedan, 1911, byggde paret en modell med skivor 9,75 tum (24,8 centimeter) i diameter. Detta minskade hastigheten till 9 000 rpm men ökade effekten till 110 hästkrafter.
Förstärkt av dessa framgångar i liten skala byggde Tesla en större dubbelenhet, som han planerade att testa med ånga i New York Edison Companys huvudkraftverk. Varje turbin hade en rotor med skivor 18 tum (45,7 centimeter) i diameter. De två turbinerna placerades i en linje på en enda bas. Under testet kunde Tesla uppnå 9 000 rpm och generera 200 hästkrafter. Några ingenjörer som var närvarande vid testet, lojala mot Edison, hävdade dock att turbinen var ett misslyckande baserat på en missuppfattning om hur man mäter vridmomentet i den nya maskinen. Den här dåliga pressen, i kombination med att de stora elbolagen redan hade investerat stort i turbiner med blad, gjorde det svårt för Tesla att attrahera investerare.
I Teslas sista försök att kommersialisera sin uppfinning, övertalade han Allis-Chalmers Manufacturing Company i Milwaukee att bygga tre turbiner. Två hade 20 skivor 18 tum i diameter och utvecklade hastigheter på 12 000 respektive 10 000 rpm. Den tredje hade 15 skivor med en diameter på 60 tum (1,5 meter) och designades för att arbeta vid 3 600 rpm, vilket genererade 675 hästkrafter. Under testerna blev ingenjörer från Allis-Chalmers bekymrade över både den mekaniska effektiviteten hos turbinerna och deras förmåga att tåla långvarig användning. De fann att skivorna hade förvrängts i stor utsträckning och drog slutsatsen att turbinen så småningom skulle ha misslyckats.
Redan så sent som på 1970-talet hade forskare svårt att replikera resultaten som rapporterats av Tesla. Warren Rice, professor i teknik vid Arizona State University, skapade en version av Tesla-turbinen som fungerade med 41 procent verkningsgrad. Vissa hävdade att Rices modell avvek från Teslas exakta specifikationer. Men Rice, expert på vätskedynamik och Tesla-turbinen, gjorde en litteraturgenomgång av forskning så sent som på 1990-talet och fann att ingen modern version av Teslas uppfinning översteg 30 till 40 procents effektivitet.
Detta, mer än något annat, hindrade Tesla-turbinen från att bli mer allmänt använd.
Som Office of Naval Research i Washington, DC, tydligt sa:"Parsons-turbinen har funnits länge med hela industrier byggda runt den och stödjer den. Om Tesla-turbinen inte är en överlägsen storleksordning, då skulle den hälla pengar i råtthålet eftersom industrin inte kommer att störtas så lätt ..." [källa:Cheney].
Så, var lämnar det Tesla-turbinen idag? Som vi kommer att se i nästa avsnitt riktar ingenjörer och bildesigners återigen sin uppmärksamhet mot denna 100 år gamla teknik.
Tesla har alltid varit en visionär. Han såg inte sin bladlösa turbin som ett mål i sig, utan som ett medel för att uppnå ett mål. Hans slutmål var att ersätta kolvförbränningsmotorn med en mycket effektivare, mer pålitlig motor baserad på hans teknologi. De mest effektiva kolvförbränningsmotorerna fick inte över 27 till 28 procent effektivitet i sin omvandling av bränsle till arbete. Även vid effektivitetsgrader på 40 procent såg Tesla sin turbin som en förbättring. Han designade till och med, på papperet, en turbinbil, som han hävdade skulle vara så effektiv att den kunde köra tvärs över USA på en enda tank bensin.
Tesla såg aldrig bilen tillverkad, men han kan vara glad idag över att se att hans revolutionerande turbin äntligen införlivas i en ny generation av renare och effektivare fordon. Ett företag som gör stora framsteg är Phoenix Navigation and Guidance Inc. (PNGinc), beläget i Munising, Michigan. PNGinc har kombinerat diskturbinteknologi med en pulsdetonationsbrännare i en motor som enligt företaget levererar oöverträffad effektivitet. Det finns 29 aktiva skivor, var och en 10 tum (25,4 centimeter) i diameter, inklämda mellan två avsmalnande ändskivor. Motorn genererar 18 000 rpm och 130 hästkrafter. För att övervinna de extrema centrifugalkrafterna som är inneboende i turbinen använder PNGinc en mängd olika avancerade material, såsom kolfiber, titanimpregnerad plast och Kevlar-förstärkta skivor.
Uppenbarligen är dessa starkare, mer hållbara material avgörande om Tesla-turbinen ska få någon kommersiell framgång. Hade material som Kevlar varit tillgängligt under Teslas livstid är det ganska troligt att turbinen skulle ha haft större användning. Men som ofta var fallet med uppfinnarens arbete, var Tesla-turbinen en maskin långt före sin tid.
För mer information om Tesla, elektricitet och relaterade ämnen, gå som en blixt till nästa avsnitt.
Nikola Teslas elbilÄven om Tesla aldrig testade sin turbin i en bil, utvecklade han enligt vissa uppgifter en elbil 1931. Bilen var en Pierce-Arrow, som hade konfigurerats med en 80-hästkrafts, 1 800 rpm elmotor istället för en gasdriven motor. Enligt historien monterade Tesla ihop en mystisk svart låda innehållande vakuumrör, ledningar och motstånd. Två stavar stack ur lådan. När stängerna trycktes in i lådan fick bilen kraft. Tesla körde bilen i en vecka -- upp till hastigheter på 90 miles per timme (145 kilometer i timmen). Tyvärr trodde många att han hade utnyttjat någon okänd och farlig naturkraft. Andra kallade honom galen. I raseri tog han bort lådan från bilen, tog den tillbaka till sitt labb och den sågs aldrig igen. Än idag är de grundläggande arbetsprinciperna för Teslas elbil ett mysterium.
Ursprungligen publicerad:14 juli 2008
