اخترع نيكولا تيسلا توربينات تسلا في عام 1909. وهي فئة خاصة من التوربينات التي لا تحتوي على أي شفرات. على عكس التوربينات الأخرى مثل كابلان وغيرها ، فإن هذا التوربين له تطبيقات محدودة ومحددة. ولكن نظرًا لاعتبارات التصميم الخاصة به ، فهو أحد التوربينات متعددة الاستخدامات. أدى اختراعها إلى العديد من التطبيقات الهندسية الكبرى. إنه يعمل على مبدأ تأثير الطبقة الحدودية ، حيث يدور التوربين بسبب تدفق الهواء. أفضل جزء في هذا التوربين هو أنه يمكن أن يحقق كفاءة تصل إلى 80٪. يمكن الوصول إلى نطاق سرعتها حتى مستوى 80،000 دورة في الدقيقة للآلات ذات التصنيف الصغير. على وجه التحديد ، لا يمكن استخدام هذا التوربينات في محطة توليد الكهرباء العمليات ولكن يمكن استخدامها للتطبيقات العامة مثل المضخات ، إلخ.
مخطط تربينات تسلا
يظهر الهيكل الأساسي لتوربين تسلا في الشكل. يتكون من توربين بدون ريش له مدخل من خلال فوهة أنبوب هواء. يحتوي جسم التوربين على منفذين ، أحدهما لدخول الهواء والآخر لخروج الهواء. بصرف النظر عن ذلك ، يتكون القرص الدوار من 3 إلى 4 طبقات ، والتي يتم ربطها معًا. توجد فجوة هوائية رقيقة بين الطبقات حيث يتم تمرير الهواء بسرعة عالية جدًا.
توربين تسلا
القرص الدوار له وجهان ، وجه خارجي ووجه خلفي. في كلا الجانبين ، لا يوجد مجال لتدفق الهواء خارج جسم التوربينات. لا يمكن للهواء أن يدخل إلا من خلال أنبوب المدخل والإفراج عن طريق أنبوب المخرج. يتكون جسم التوربين من عدة أقراص دوارة متصلة ببعضها البعض. يتم ربط جميع أقراص الدوار معًا على عمود مشترك حيث يمكن للقرص أن يدور.
يوجد غلاف خارجي للأقراص المراد وضعها. عادة ما يتم توصيل الأقراص من خلال البراغي. تحتوي الواجهة الأمامية والخلفية على منافذ إخراج عادم يمكن للهواء من خلالها الخروج من جسم التوربينات. يتم وضع الثقوب بحيث يتم إنشاء دوامة من الهواء الداخل.
نظرية توربين تسلا
المدخل إلى ريش الدوار هو هواء عند ضغط مرتفع. باستخدام خرطوم هواء متصل بمدخل عنفة ، يدخل الهواء إلى الجسم الذي يتكون من أقراص دوارة موضوعة على العمود ويمكن تدويرها بسهولة. عندما يدخل الهواء إلى حاوية التوربين ، فإنه يضطر إلى تكوين دوامة بسبب شكل التوربين.
Vortex تعني كتلة دوامة من الهواء مثل الدوامة أو الزوبعة. بسبب تكوين دوامة ، فإن الهواء قادر على الدوران بسرعات عالية جدًا. يعتبر تكوين الدوامة أمرًا أساسيًا بسبب تصميم التوربين. يتم وضع الخط والغطاء الخلفي للتوربين بحيث يخرج الهواء من خلال الفتحات الموجودة في الغطاءين الأمامي والخلفي.
خروج الهواء في هذه الطبيعة يخلق دوامة من الهواء. ويجعل التوربين يدور. عندما تمر جزيئات الهواء على القرص ، فإنها تخلق سحبًا على القرص. هذا السحب يسحب التوربين لأسفل ويجعله يدور. وتجدر الإشارة إلى أن التوربين يمكن أن يدور في كلا الاتجاهين. يعتمد الأمر فقط على أنبوب المدخل المستخدم لإدخال الهواء.
تصميم توربين تسلا
يتكون التصميم من أنبوبين مدخل ، أحدهما متصل بأنبوب خرطوم الهواء. من بين المدخلين ، يمكن استخدام أي شخص كمدخل. داخل الجسم ، يتم وضع أقراص الدوار التي يتم ربطها معًا بمساعدة البراغي. يتم وضع جميع الأقراص على عمود واحد مشترك متصل بالجسم الخارجي.
على سبيل المثال ، إذا تم استخدامه كمضخة ، فسيتم توصيل العمود بالمحرك. توجد فجوة هواء رقيقة بين الأقراص ، حيث يتدفق الهواء ويجعل الأقراص تدور. نظرًا للفجوة الهوائية ، فإن جزيئات الهواء قادرة على إحداث سحب على القرص. يحتوي الغطاء الأمامي والخلفي على 4-5 فتحات يمكن من خلالها تمرير الهواء الداخل إلى الغلاف الجوي. يتم وضع الثقوب بحيث يتم إنشاء دوامة ويمكن للهواء أن يدور بسرعة عالية جدًا.
تصميم التوربينات
بسبب هذا الهواء عالي السرعة ، فإنه يمارس سحبًا عالي السرعة على القرص ويجعل القرص يدور بسرعات عالية جدًا. فجوة القرص هي واحدة من العوامل الحاسمة لتصميم وكفاءة التوربين. يعتمد حجم الفجوة الأمثل المطلوب للحفاظ على طبقة الفجوة على السرعة المحيطية من القرص.
حسابات تصميم التوربينات
العديد من جوانب التصميم مهمة لتحقيق كفاءة عالية. بعض حسابات التصميم الرئيسية هي
يجب أن يكون لسائل العمل أو الهواء الداخل ضغط أدنى. إذا كان الماء ، فمن المتوقع أن يكون الضغط على الأقل 1000 كجم لكل متر مكعب. يجب أن تكون السرعة الطرفية 10e-6 متر مربع في الثانية.
يتم حساب الفجوة بين القرص بناءً على السرعة الزاوية والسرعة المحيطية للقرص. يعتمد على معامل Pollhausen الذي يعتمد باستمرار على السرعات. يتم حساب معدل التدفق لكل قرص كمنتج لمساحة المقطع العرضي لكل قرص والسرعة. بناءً على البيانات ، يتم تقدير عدد الأقراص. مرة أخرى ، قطر القرص مهم أيضًا للحصول على كفاءة جيدة.
كفاءة تربينات تسلا
يتم إعطاء الكفاءة من خلال نسبة طاقة عمود الخرج إلى قوة عمود الإدخال ويتم التعبير عنها كـ
تعتمد الكفاءة على العديد من العوامل مثل قطر العمود ، وسرعة الشفرات ، وعدد الشفرات ، والحمل المتصل بالعمود ، وما إلى ذلك. بشكل عام ، كفاءة التوربين عالية مقارنة بالتوربينات التقليدية الأخرى. بالنسبة للتطبيقات الصغيرة ، يمكن أن تصل الكفاءة إلى 97٪.
كيف يعمل التوربين؟
توربين تسلا يعمل على مفهوم الطبقة الحدودية. يتكون من مدخلين. بشكل عام ، يتم استخدام ماء الهواء كمدخل للتوربين. يتكون جسم التوربين من أقراص دوارة مرتبطة ببعضها البعض بمساعدة البراغي. يتم وضع جميع الأقراص على عمود مشترك. يتكون جسم التوربين من حالتين ، الغلاف الأمامي والغلاف الخلفي. في كل غلاف ، هناك 4 إلى 4 ثقوب. تلعب كل هذه العوامل مثل عدد الأقراص وقطر القرص وما إلى ذلك دورًا مهمًا في تقييم كفاءة التوربين.
عمل التوربينات
عندما يُسمح للهواء بالتدفق عبر أنبوب الخرطوم ، فإنه يدخل إلى جسم التوربين. داخل جسم التوربين ، يتم وضع أقراص متصلة ببعضها البعض. توجد فجوة هوائية رقيقة بين الأقراص. عندما تدخل جزيئات الهواء إلى جسم التوربين فإنها تمارس ضغطًا على الأقراص. بسبب هذا السحب ، تبدأ الأقراص في الدوران.
يتكون الغلافان الأمامي والخلفي من فتحات بحيث أنه عند دخول الهواء يخرج من خلال هذه الفتحات. يتم وضع الثقوب بحيث يتم إنشاء دوامة من الهواء أو الماء داخل جسم القرص. مما يتسبب في زيادة ضغط الهواء على الأقراص. يؤدي هذا إلى تدوير الأقراص بسرعة عالية جدًا.
تكون منطقة التلامس بين الدوامة والأقراص منخفضة عند السرعات المنخفضة. ولكن مع زيادة سرعة الهواء ، يزداد هذا التلامس ، مما يسمح للأقراص بالدوران بسرعة عالية جدًا. تحاول قوة الطرد المركزي للأقراص دفع الهواء للخارج. لكن لا يوجد مسار للهواء باستثناء الفتحات الموجودة على الغلاف الأمامي والخلفي. هذا يجعل الهواء يخرج ، وتصبح الدوامة أقوى. تكاد تكون سرعة الأقراص مساوية لسرعة تدفق الهواء.
مزايا وعيوب توربين تسلا
الإيجابيات
- كفاءة عالية جدا
- تكلفة الإنتاج أقل
- تصميم بسيط
- يمكن استدارة في كلا الاتجاهين
العيوب
- غير ممكن لتطبيقات الطاقة العالية
- لتحقيق الكفاءة العالية ، يجب أن يكون معدل التدفق صغيرًا
- تعتمد الكفاءة على دخول وخروج سوائل العمل.
التطبيقات
توربينات Tesla نظرًا لقدرتها الإنتاجية ومواصفاتها لها تطبيقات محدودة. بعضها مذكور أدناه.
- ضغط السوائل
- مضخات
- تطبيقات توربينات نوع الريشة
- مضخات الدم
ومن هنا رأينا الجوانب الإنشائية ومبدأ العمل والتصميم والتطبيقات لتوربينات تسلا. عيبها الرئيسي هو أنها صغيرة الحجم وصغيرة الحجم ، ولها تطبيقات محدودة على التوربينات التقليدية مثل توربين كابلان. نظرًا لأن كفاءتها عالية جدًا ، يجب التفكير في كيفية القيام بذلك توربينات تسلا يمكن إجراؤها لتطبيقات رئيسية مثل محطات الطاقة. سيكون ذلك دفعة كبيرة للمحطات منخفضة الكفاءة.
