TeslaTurbina

Tárcsás turbina

A Tesla Turbina igen egyszerû, mégis nagyon jó hatásfokú készülék. Bár a többfokozatú, axiális turbinákat (amiket az atomerõmûvekben használnak, többszáz MW méretben) nem biztos, hogy megveri hatásfokban (ezt elég nehéz megmondani), kicsiben (100W - 100kW) egész biztosan versenyképes. Fordított üzemben szivattyúként is használják. Olajszivattyú, mûszív, stb...

Ajánlott olvasmány: Lezsovits Ferenc gépészmérnök doktori értekezése: "Kapcsolt energiatermelés tárcsás turbinával" (Végh Ferencnek megvan, meg nyilván a BME könyvtárában is: Gépészmérnöki kar) 23 kW-os gõzturbina, 32% körüli körfolyamat hatásfokkal

A Stirling motornál sokkal egyszerûbb, mert a Tesla Turbinában kevesebb a csapágy, nincs benne dugattyúgyûrû (stirling motorban sem mindig van). Mind az állórészben, mind a forgórészben, mind a hozzá illesztett generátorban jóval kevesebb az anyag. A stirling motort nem hagyja el a gáz, ezért roppant nehéz odavezetni, de leginkább elvezetni a hõt. Nagy stirling dugattyúnál még rosszabb lehet a helyzet, mert a henger felülete még kisebb a térfogathoz képest.

Tesla Turbina (forgórésze) többszegmense NagyFordulatuGenerator -ral egybeépitve:

img src="http://www.ideje.hu/images/Energy/TeslaTurbine/TeslaTurbine2.jpg"

 

Cell-ék megforgatták a d=126 mm-es Suzuki-generátorra szerelt Tesla-turbinát (a nagyobb 180mm-eset még nem). Egyelõre

• sûrített levegõvel (nem gõzzel)
• ház nélkül is forog, de házzal jobban ;-) 1 fúvókával is próbáltuk
• max 23000 RPM-el forgattuk. 17000 RPM a normális fordulata, amihez kb 480..500W sûrített levegõ kell (legalábbis 4..6 bar nyomáson).
  • A csapágysúrlódás is nagy, de a vasveszteség is hatalmas, ha meggerjesztjük. Akár 1kW feletti veszteség is lehet (kb 2.5 kW-ot tud leadni 80..90V  30..40A), tehát kb 12..14 kW-os gõzkazán a jó méret hozzá, ha a fúvókák közel "isentróp"-ra sikerülnek
• feltölteni: videot és fényképeket

---

Teljesítmény, v, p1, p2

A Tesla-turbinának nem nagy nyomásra, hanem nagy gázsebességre van szüksége. Ha pl. GozKazan -ból nagy nyomás áll rendelkezésre, akkor lényeges elem a FuVoka, ami a gázt felgyorsítja.

Ha az áramlás lamináris, egészen meghökkentõ dologgal találkozunk szembe szimuláció végigondolásakor.

Példa:

• p1, T1=300K-es gázt
• kompresszorral vagy fúvóval (csak az elnevezés más, fúvó p2/p1 < 1.05 esetén) megfújjuk, p2-re és 80m/s -ra
• a gázt aztán melegítjük T3=1000K-re
• és azt vezetjük Tesla Turbinára
  hogyan függ a teljesítmény p2 ill p1 -tõl ?
  
  Inkább p2 -vel vagy inkább p2-p1 -el arányos ?
  
  A gáz a MOZGÁSENERGIÁJÁT adja át a korongnak, akkor nem is olyan nyilvanvaló. A spirálban futva
• a sugárirányú erõ nem ad nyomatékot
• a tangenciális pedig... a gáz szép lassan lelassul és nyomatékot ad. Ott nem jelenik meg a p2-p1 ! Sõt, inkább a (p2+p1)/2 számít.
  
  Persze ha p2-p1 tul kicsi, keves aram fog atfolyni rajta. Szerintem sok korong kell, és akkor lehet p2 - p1 kicsi is. Ha így van, ez jó hír !
  
  Nincs neten valami számítás, amiből kiderül?
   

---

Egy prototípus:

• http://www.instructables.com/id/Tesla-turbine-from-old-hard-drives-and-minimal-too/
• és egy kicsit komolyabb készülék, és leírás: http://www.instructables.com/id/S6ABTV0FS1N64ZM/
• egy Tesla-turbinás körfûrész video (a készülék belseje nem látszik). Mágnesekkel meneszti, mechanikus kapcsolat nélkül. Kiváncsi lennék a veszteségére. Nyomatékváltásra bonyolultabb mágnes és vaselrendezés kell.

Elkezdtünk egy ilyen (30+ Watt-os tengelyteljesítményû), az eredeti motorral kb. 10-23W-os kimeno teljesitményu,  Tesla Turbina prototípust készíteni. Eddig kész:

• 3 korong kifúrva (az egyik lemezen 3 db d=4, a másik 3 lemezen 3-3 db 6mm-es furat) elég minimalisztikus, majd lehet nagyobbra felfúrni, és az eredmény tanulságos lehet. Fényképek feltöltése !!!
• a negyedik lemez nincs kifúrva, nem is lesz. Ugyanis a generátor (mágneslemez motorja) felõl nem lesz nyílása

Kell még:

• 3 db távtartó, pl. O-gyuru. 23-25mm belso atmerovel. A vastagsága 1..1.5mm
  • ellenõrizni kell (hogy 0.8..1.2mm körüli távolság jó-e a lemezek között). A 8-as lépés szerint "2 képeslap" vastagságú rés (=távtartó) kell. Nagyon tudományos ;-) és fantasztikus. Jó lenne utánaszámolni
• fúvóka - ez egy csõdarab lesz
• fedéllemez. A merevlemez fedéllemeze szétszedéskor eléggé megrongálódott.
  • esetleg valami tömítés a fedéllemez alá
  • és természetesen kell a fedélre pár lyuk a tengely környékére
• Kell(het) továbbá valami csõ (110 mm-es PVC darabja ? falura megteszi, egy próba erejéig), ami a lemezeket körülöleli. Van két kisebb öböl, ami talán még elmegy, de ahol a merevlemez feje volt, ott túl nagy tér van, az majdnem biztosan sokat ront az áramláson, ha nincs leválasztva.

Hagyományos alternatívája az axiális vagy centrifugális turbina, lásd: GozTurbina

A 0.5mm-es saválló lemezbõl, ami a NapKollektor készítésekor megmaradt, pl. vizesvágással ki lehet vágni korongokat és 3-ágú csillag-alátéteket a turbinához. Valamint véglezárót is az állórészhez. Ugyanis a turbina háza nincs nyomás alatt, nem kell vastag fal.

---

Munkaközeg

Tipikus munkaközegek:

• víz - vízgõz (desztvízbõl)
  • a vas alkatrészek számára elég agresszív anyag (pláne, ha savas vagy a gõz "nem száraz"). De olcsó, és
• R134a vagy hasonló (CFC), amit a klímákban használnak. Klímásoknál be lehet szerezni hozzá mindent. A kenést is meg tudja oldani, pl. a kompresszorban. Viszont vízmentesnek kell lennie, a nem kívánatos vizet egy tartályban (nemtudom milyen anyag van benne) elnyeletik.
• levegõ
  • ebben az esetben gázturbinának nevezzük (mert benne a közeg nem cseppfolyósodik). Hátránya, hogy gázként összenyomni sokkal több energia (mint a százszor kisebb térfogatú folyadékot szállítani), kompresszor kell hozzá.
  • Természetesen nem csak földgáz vagy kerozin elégetésével lehet felmelegíteni a levegõt, hanem más éghetõ anyaggal (akár porral vagy szilárddal is), vagy NapKollektor -al

---

Lemezek száma, elrendezése

• a lemez átmérõje alig kisebb, mint a ház belsõ átmérõje. (radial clearance < 0.1mm). Ez világos, és logikus
• viszont a ház legyen legalább 1+1 inch-el hosszabb, mint a lemeztömb:
  • researching a shockwave tesla turbine "To reduce parasitic losses against the inside of the casing, they need to be of low height at the casing's inside circumferential surface, with at least 1-inch clearance between the casing and the upper and lower disc surfaces."
  • egyébként is hosszabra akartuk csinálni a házat, hogy lehessen még lemezeket hozzáadni. De az nem volt nyilvánvaló, hogy ez a kis veszteségek miatt is szükséges
• pár gondolat: physicsforum

 

---

Fordulatszám

A kerületi sebesség a gáz sebességének majdnem 90%-a kell legyen ? Néhány forrás szerint 50..70% a legjobb. Ezek még a hihetőság határán vannak. Lezsovits Ferenc doktorija a 7. oldalon: "3.tézis: Megállapítottam, hogy a tárcsa külső átmérőhöz tartozó kerületi sebesség és a gőz belépő sebesség tangenciális komponensének belső hatásfokra vonatkozó optimális viszonya a nyomásviszonytól függetlenül u/ct = 0.45 érték mind telített mind túlhevített gőz esetén " - ez a 45% egészen elképesztő érték. (persze az érzések nem mindig működnek, pláne a határréteg esetén). De a Tárcsabelépés számítása melléklet még furcsább: "kerületi sebesség u=187.55m/s   A tárcsába belépő RELATÍV sebesség nagysága: w=314.94 m/s, iránya beta=0.423 rad = 24.211 fok, ebből ct=cos(beta)*w + u = 474.79 m/s   vagyis u/ ct =0.395 azaz hajszállal 40% alatti. A turbinahatásfok=35%, rendszerhatásfok=31.47% reálisnak látszik, de vajon tényleg ilyen  alacsony u/ct esetén ??"

Lezsovits Ferenc nem méri külön a fúvókát, pedig az lenne a lényeg. Valszeg gyalázatosan rossz (mint a mienk is, amit csak úgy készítettünk).

 

  fileok alatt

Ebben a leegyszerusitett modellben (impulzusvaltozas, ero-ellenero xls tablaban) alapjan latszik, hogy ha a belepo gaz sebessege a korong legnagyobb keruleti sebessegenek 103%-a, akkor idealis esetben a begyuruzo gaz energiajanak 97%-at adja at a korongoknak. A laminaris aramlashoz sok korong kell.

• példa: 20000 RPM   w=2094    r=0.1m  v=w*r = 209m/s
• density of steam table: at 100C (=373K) and 100kPa: 0.6kg/m3
  • pV = nR * T   ....  nR / V = p / T
  • 10bar, 400C (=673K)  5.5 * 0.6 kg/m3 = 3.3 kg/m3
    E = pV = 1 MPa * 1 m3 = 1 MJ vagy kell ide ebben az esetben egy 1/2 szorzó (mivel a nyomás közben leesik) ???
    E = m/2 * v * v = 1.65 kg * 696 m/s * 696 m/s = 800 kJ
  • E = m/2 * v * v = 1.65 kg * 494 m/s * 494 m/s = 400 kJ
  • E = m/2 * v * v = 0.3 kg  * 300 m/s * 300 m/s = 27 kJ (atmoszferikus, 100C-os 0.6 kg / m3)

A  FuVoka hatásfoka 85..95% körül lehet ?

Fefe jól érezte, hogy nehany bar nyomasu gozhoz magas fordulatszám kell. az AutoGenerator -hoz használható maximális 20000 RPM igen kevés, ilyen 20cm-es körüli átmérõ esetén 50000 RPM körüli kívánatos. Az acél szakítószilárdságával átszámolni !

 Cell kitalált egy (leginkább naptükrös alkalmazáshoz való) turbinát, ami egyúttal a valaha épített legegyszerűbb  Rankine ciklusú rendszert adja (egyetlen egyszerűen gyártható mozgó alkatrésszel, és az állórész is minimális, a hatásfok pedig a Rankine által megengedett maximumot közelíti). Óriás 1MW+ naperőművekhez még mindig az Ericsson (brayton + hővisszanyerő) vagy a kombinált ciklusú (brayton + rankine) a legjobb, de 100W-100kW nagyságban nagyon jó szerkezet.

 

---

Forgóházas turbina: Whirl Power azt állítja, jobb hatásfokú, mint a Tesla turbina. Bár ez sok másikra is igaz.

Sima egyeneslapátos radiálturbina sem bonyolult, és jó fúvókával a legjobb üzemállapotban jó hatásfokú lehet (más üzemállapotban gyorsan romlik).

 

---