La turbina Tesla fue inventada por Nikola Tesla en el año 1909. Es una categoría especial de turbinas que no tienen palas. A diferencia de otras turbinas como Kaplan, etc., esta turbina tiene aplicaciones limitadas y específicas. Pero debido a sus consideraciones de diseño, es una de las turbinas versátiles. Su invención ha dado lugar a muchas aplicaciones de ingeniería importantes. Funciona según el principio del efecto de capa límite, donde debido al flujo de aire, la turbina gira. La mejor parte de esta turbina es que puede alcanzar una eficiencia de hasta el 80%. Su rango de velocidad se puede alcanzar hasta el nivel de 80.000 rpm para máquinas pequeñas. Específicamente, este peralte de la turbina se utiliza en planta de energía operaciones, pero se puede utilizar para aplicaciones generales como bombas, etc.
Diagrama de la turbina Tesla
La estructura básica de la turbina Tesla se muestra en la figura. Consiste en una turbina sin álabes que tiene una entrada a través de una boquilla de tubería de aire. El cuerpo de la turbina tiene dos salidas, una para la entrada del aire y la otra para la salida del aire. Aparte de eso, el disco giratorio consta de 3 a 4 capas, que se unen. Hay un pequeño espacio de aire entre las capas por donde pasa el aire a una velocidad muy alta.
Turbina de Tesla
El disco giratorio tiene dos caras, exterior y trasera. En ambos aspectos, no hay margen para que el aire fluya fuera del cuerpo de la turbina. El aire solo puede entrar por el tubo de entrada y salir por el tubo de salida. El cuerpo de la turbina consta de un rotor de discos múltiples que se unen. Todos los discos del rotor están unidos en un eje común donde el disco puede girar.
Hay una carcasa exterior para colocar los discos. Los discos suelen estar conectados mediante pernos. La parte delantera y trasera tienen puertos de salida de escape a través de los cuales el aire puede salir del cuerpo de la turbina. La colocación de los orificios se realiza de manera que se cree un vórtice de aire de entrada.
Teoría de la turbina de Tesla
La entrada a las palas del rotor es aire a alta presión. Usando una manguera de aire, que está conectada a la entrada del turbina , el aire se introduce en el cuerpo que consta de discos de rotor que se colocan en el eje y se pueden girar fácilmente. A medida que el aire entra en la carcasa de la turbina, se ve obligado a crear un vórtice debido a la forma de la turbina.
Vórtice significa una masa de aire que gira como en un remolino o un torbellino. Debido a la creación de un vórtice, el aire puede girar a velocidades muy altas. La formación de un vórtice es fundamental por el diseño de la turbina. La fuente y el cuerpo de la tapa trasera de la turbina están colocados de manera que el aire tiene que salir por los orificios presentes en las tapas delantera y trasera.
La salida de aire en esta naturaleza crea un vórtice de aire. Y hace girar la turbina. Cuando las moléculas de aire pasan por el disco, crean un arrastre en el disco. Este arrastre tira de la turbina hacia abajo y la hace girar. Cabe señalar que la turbina puede girar en ambas direcciones. Solo depende de qué tubo de entrada se utilice para la entrada de aire.
Diseño de turbina Tesla
El diseño consta de dos tubos de entrada, uno de los cuales está conectado a la manguera de aire. De las dos entradas, cualquiera puede usarse como entrada. En el interior del cuerpo se colocan los discos del rotor que se unen con la ayuda de tornillos. Todos los discos se colocan en un eje común que está conectado al cuerpo exterior.
Por ejemplo, si se usa como bomba, entonces el eje está conectado al motor. Hay un espacio de aire delgado entre los discos, donde el aire fluye y hace que los discos giren. Debido al espacio de aire, las moléculas de aire pueden crear un arrastre en el disco. La cubierta delantera y trasera tienen 4-5 orificios a través de los cuales el aire de entrada puede pasar a la atmósfera. Los orificios se colocan de manera que se crea un vórtice y el aire puede girar a una velocidad muy alta.
Diseño de turbinas
Debido a este aire de alta velocidad, ejerce un arrastre de alta velocidad sobre el disco y hace que el disco gire a velocidades muy altas. El espacio del disco es uno de los parámetros críticos para el diseño y la eficiencia de la turbina. El tamaño de espacio óptimo requerido para mantener la capa de espacio depende de la velocidad periférica del disco.
Cálculos de diseño de turbinas
Muchos aspectos del diseño son importantes para lograr una alta eficiencia. Algunos de los principales cálculos de diseño son
El fluido de trabajo o el aire de entrada deben tener una presión mínima. Si es agua, se espera que la presión sea de al menos 1000 kg por metro cúbico. La velocidad periférica debe ser de 10 a 6 metros cuadrados por segundo.
El espacio entre el disco se calcula en función de la velocidad angular y la velocidad periférica del disco. Depende del parámetro de pollhausen que se basa constantemente en las velocidades. El caudal de cada disco se calcula como un producto del área de la sección transversal de cada disco y la velocidad. Según los datos, se estima el número de discos. Nuevamente, el diámetro del disco también es importante para tener una buena eficiencia.
Eficiencia de la turbina Tesla
La eficiencia viene dada por la relación entre la potencia del eje de salida y la potencia del eje de entrada Se expresa como
La eficiencia depende de muchos factores como el diámetro del eje, la velocidad de las palas, el número de palas, la carga conectada al eje, etc. En general, la eficiencia de la turbina es alta en comparación con otras turbinas convencionales. Para aplicaciones pequeñas, la eficiencia puede llegar hasta el 97%.
¿Cómo funciona la turbina?
La turbina de Tesla trabaja sobre el concepto de capa límite. Consta de dos entradas. En general, el agua del aire se utiliza como entrada a la turbina. El cuerpo de la turbina consta de discos de rotor que se unen con la ayuda de tornillos. Todos los discos se colocan en un eje común. El cuerpo de la turbina consta de dos carcasas, la carcasa delantera y la carcasa trasera. En cada carcasa hay de 4 a 4 agujeros. Todos estos factores, como el número de discos, el diámetro del disco, etc., juegan un papel importante en la evaluación de la eficiencia de la turbina.
Turbina trabajando
Cuando se permite que el aire fluya a través de la manguera, ingresa al cuerpo de la turbina. Dentro del cuerpo de la turbina, se colocan discos que están conectados entre sí. Hay un pequeño espacio de aire entre los discos. Cuando las moléculas de aire entran en el cuerpo de la turbina, ejercen un arrastre sobre los discos. Debido a este arrastre, los discos comienzan a girar.
Las carcasas delantera y trasera constan de orificios de modo que cuando entra aire sale por estos orificios. Los orificios se colocan de manera que se establezca un vórtice de aire o agua dentro del cuerpo del disco. Lo que hace que el aire ejerza más arrastre sobre los discos. Esto hace que los discos giren a una velocidad muy alta.
El área de contacto entre el vórtice y los discos es baja a bajas velocidades. Pero a medida que el aire gana velocidad, este contacto aumenta, lo que permite que los discos giren a una velocidad muy alta. La fuerza centrífuga de los discos intenta empujar el aire hacia afuera. Pero el aire no tiene más camino que los orificios de las carcasas delantera y trasera. Esto hace que el aire salga y el vórtice se vuelve más fuerte. La velocidad de los discos es casi igual a la velocidad del flujo de aire.
Ventajas y desventajas de la turbina Tesla
Las ventajas son
- Muy alta eficiencia
- El costo de producción es menor
- Diseño simple
- Se puede girar en ambas direcciones
Las desventajas son
- No es factible para aplicaciones de alta potencia.
- Para una alta eficiencia, el caudal debe ser pequeño
- La eficiencia depende de la entrada y salida de los fluidos de trabajo.
Aplicaciones
La turbina de Tesla debido a su potencia de salida y especificaciones tiene aplicaciones limitadas. Algunos de ellos se mencionan a continuación.
- Compresión de líquidos
- Zapatillas
- Aplicaciones de turbinas de tipo paleta
- Bombas de sangre
Por lo tanto, hemos visto los aspectos constructivos, el principio de funcionamiento, el diseño y las aplicaciones de las turbinas Tesla. Su mayor inconveniente es que, dado que es compacto y de tamaño pequeño, tiene aplicaciones limitadas sobre turbinas convencionales como la turbina Kaplan. Dado que su eficiencia es muy alta, hay que pensar que cómo Turbinas Tesla se puede hacer para tener aplicaciones importantes como en plantas de energía. Eso sería un gran impulso para las plantas de baja eficiencia.
