|
توربين تسلا   تربينة تسلا هي تربينة مركزية السريان خالية من الريش، اخترعت بواسطة نيكولا تسلا في 1913. تعرف أيضا تربينة تسلا بتربينة الطبقة الحدية و التربينة المتماسكة وتربينة طبقة براندتل (نسبة إلى لدويج براندتل) لأنها تستخدم تأثير الطبقة الحدية وليس ارتطام المائع بالريش كما في التربينة التقليدية. و تعتبر الطاقة الحرارية الجوفية الموصوفة في «قوتنا المحركة المستقبلية» -أحد كتابات تسلا- أحد الأسباب الدافعة لتسلا لتنفيذ هذه التربينة.[3] الوصفتتكون تربينة تسلا من أقراص دوارة سلسة، بها فوهات تنقل المائع المتحرك إلى حافة القرص الدوار. يٌسحب المائع على القرص بفعل اللزوجة وتماسك الطبقة السطحية للمائع.  كتب تسلا، «هذه التربينة هي محرك ذاتي البدء، ذو كفاءة، يمكن أن يعمل بالبخار أو مائع مختلط، بدون أي تغيير في التصميم، وتكون ملائمة جدا لذلك. وتحدد الانحرافات الثانوية للتربينة طبقا لظروف الاستخدام في كل حالة، ولكن بشكل عام ستكون التربينة مربحة جدا لمالكي محطات الطاقة البخارية بينما ستسمح لهم بالإبقاء على تصاميم المحطة القديمة. بينما تتحقق أفضل النتائج الاقتصادية في تنمية الاستفادة من طاقة البخار عن طريق تربينة تسلا التي سوف تكون ضمن محطات الطاقة خصوصا المصممة لهذا الغرض» [4] يمكن أيضا أن تستخدم هذه التربينة في محطات الطاقة حيث يتم تكثيف البخار الخارج من التربينة. في هذه الحالة وبفضل نسبة التمدد المرتفعة، يكون خليط العادم الخارج من التربينة عند درجة حرارة منخفضة نسبيا ويصبح مناسبا للدخول إلى المكثف. يجب أيضا أن يستخدم وقود أفضل من حيث الجودة بالإضافة إلى مضخات معينة مناسبة، لكن هذا سيؤدي إلى رفع التكلفة الاقتصادية.[بحاجة لمصدر] يتم تثبيت الأقراص على جلبة معدنية مسنونة من كلا طرفيها وعليها صواميل وحلقات معدنية لتثبيت الأقراص السميكة والضغط عليها معا، تكون الجلبة المعدنية مجوفة ويتم تثبيتها على العمود الدوار. يسمح هذا التركيب بتمدد وانكماش كل قرص تحت التاثير المتغير للحرارة وقوة الطرد المركزي، كما يملك العديد من المميزات الأخرى التي تحظى بأهمية عملية. تزداد القدرة الناتجة كلما زادت مساحة القرص، كما تتحسن الكفاءة أيضا. يتم التخلص من التشوه الناتج عن الحرارة كما يمكن ترك تسامحات صغيرة من الجانب، ويؤدي ذلك إلى الحد من التسرب والمفاقيد الاحتكاكية. يتم ملائمة العمود الدوار للإتزان الديناميكي ويتلاشى أي مؤثرات تؤثر على إتزانه من خلال مقاومة الإحتكاك مما يجعله يدور بسرعة وسلاسة. لذلك السبب ولأن الأقراص لا تكون مربوطة بقوة، يتم حمايتها من التحطم نتيجة الإهتزاز أو السرعة الزائدة.  لتربينة تسلا ميزة العمل ضمن تركيب يعمل باستخدام خليط من البخار ونواتج الإحتراق، حيث يمكن استخدام حرارة العادم في إمداد التربينة بالبخار اللازم، كما في الرسم التخطيطي، فإن تربينة تسلا:
لكي تكون تربينة تسلا ذات كفاءة يجب أن تكون المسافة الفاصلة بين الأقراص وبعضها صغيرة جدا، على سبيل المثال في الأنواع العاملة بالبخار تكون المسافة بين الأقراص 0.4 مم (0.16 بوصة). كما يجب أن تكون الأقراص ناعمة جدا لتقليل المفاقيد الناتجة عن الإجهادات السطحية وإجهادات القص. يجب أيضا أن تكون الأقراص قليلة السٌمك لتجنب السحب واضطراب المائع عند حواف القرص. وللأسف منع الأقراص من التشوه والانحراف كان تحديا كبيرا في زمن تسلا. ويعتقد أن عدم القدرة على منع انحراف وتشوه الأقراص آنذاك أدى إلى فشل هذه التربينات تجاريا، حيث لم تكون متوافرة التكنولوجيا المعدنية اللازمة لإنتاج أقراص ذات جودة وصلابة في ذلك الوقت. مضخةيمكن استخدام نفس الجهاز كمضخة، إن تم استخدام نفس الأقراص الدوارة وغلاف بشكل منحني (عكس الشكل الدائري المستخدم للتوربين). عند إجراء هذا التعديل يتم توصيل محرك بالعمود الدوار لإدارة المضخة. يدخل المائع بالقرب من المركز، تزداد طاقته نتيجة تحويل الطاقة الميكانيكة للأقراص إليه، ثم يخرج من محيط المضخة. لا تستخدم تربينة تسلا الاحتكاك بالمعنى التقليدي، لكنها تتجنبه، وتستخدم بدلا من ذلك قوة التماسك (تأثير كواندا) واللزوجة. كما تستخدم تأثير الطبقة الحدية على ريش القرص الدوار. في البداية اقترحت الأقراص الدوارة الناعمة ولكنها أعطت عزم دوران قليل لبداية التشغيل، ثم اكتشف تسلا أن استخدام أقراص دوارة ناعمة مع حلقات معدنية صغيرة في 12-24 موضع مختلف حول قرص 10 بوصة، وحلقة أخرى مع 6-12 حلقة معدنية أظهر تحسنا ملحوظا في عزم بداية التشغيل، لكن بدون تأثير على الكفاءة. التطبيقاتنصت براءة إختراعتسلا أن هذا الجهاز اخترع لإستخدام الموائع كمواد محركة، للتمييز عن الاستخدام للدفع أو لضغط الموائع (برغم أن الجهاز يمن إستخدامه لهذه الأغراض). اعتبارا من عام 2006، لم تكن تربينة تسلا واسعة الانتشار تجاريا منذ اختراعها، ومع ذلك كانت مضخة تسلا متاحة تجاريا منذ عام 1982 في عام 2003، حصل سكوت أوهيرين على براءة إختراع لنظام التربينة النصف قطرية ذات الريش. استخدم هذا النظام مزيج من مفاهيم السطح الأملس للقرص الدوار لمائع تشغيل لا احتكاكي عند التلامس وإسقاط الريش محوريا بشكل مستعرض لوجوه القرص الدوار.[6] اليوم، أجريت العديد من تجارب الهواة في هذا المجال باستخدام توربينات تسلا التي تستخدم الهواء المضغوط، أو البخار كمصدر لطاقتها (يتم توليد البخار عن طريق الحرارة المتولدة من حرق الوقود، من شاحن توربيني لعربة أو من الإشعاع الشمسي). تم حل مشكلة تشوه الأقراص الدوارة، جزئيا عن طريق استخدام بعض المواد الجديدة مثل ألياف الكربون. على سبيل المثال كل من طائر الفينيق للملاحة والإرشاد , وإل إل سي العالمية للطاقة والتربينات [7]، استخدموا أقراص دواره مصنوعه من ألياف الكربون في تصاميمهم لتربينة تسلا. تطبيق آخر مقترح للجهاز هو استخدامه كمضخة نفايات، في المصانع والمطاحن، حيث تنسد المضخات التوربينة العادية. و لقد أسفرت تطبيقات تربينة تسلا عن نتائج واعدة كمضخة طرد مركزيللدم متعددة الأقراص. [8] كما استمرت البحوث الهندسية الطبية الحيوية على مثل هذه التطبيقات في القرن الواحد وعشرين. [9] في عام 2010, صدرت براءة الاختراع رقم 7695242 في الولايات المتحدة لهوارد فولر، لتربينة رياح أسست بناء على تصميم تسلا. [10] الكفاءة والعمليات الحسابيةفي زمن تسلا، كانت كفاءة التوربينات التقليدية منخفضة حيث لم تكن متوافرة آنذاك نظرية الديناميكا الهوائية اللازمة لتصميم ريش فعالة إضافة لانخفاض جودة المواد المتاحة لتصنيع هذه الريش مما يضع حدود صارمة لسرعات التشغيل ودرجات الحرارة. ترتبط كفاءة التربينة التقليدية بفرق الضغط بين مدخل ومخرج التربينة، وحيث أن تربينة تسلا كان يمكنها أن تعمل عند درجات حرارة مرتفعة للغازات أكبر من التوربينات التقليدية ذات الريش فإن ذلك يمكن أن يؤدي لكفاءة أكبر لها. مع مرور الوقت، أصبحت التوربينات المحورية المنافسة للأنواع الأخرى أكثر كفاءة وقدرة بشكل درامي، كما ظهرت مجموعة ثانية من تروس التخفيض في السفن المتطورة والحديثة للأسطول الأمريكي عام 1930. الكفاءة هي دالة في القدرة الناتجة. تتحقق الكفاءة المرتفعة مع الأحمال المتوسطة، بينما في حالة الأحمال المرتفعة جدا، فإن الكفاءة تنخفض، نظرا لزيادة الانزلاق في التربينة. أما في حالة الأحمال المنخفضة جدا، فإنه يتم استخراج جزء بسيط من قدرة التربينة، مما يقلل الكفاءة (إلى صفر نظريا). هذا الأمر لا يقتصر على تربينة تسلا فقط. تقدر كفاءة تربينة تسلا الغازية بما يزيد عن 60%، وتصل إلى 95% بحد أقصى. يجب الأخذ في الاعتبار اختلاف كفاءة التربينة -كفاءة ميكانيكية- عن كفاءة دورة المحرك -كفاءة حرارية- المستخدم للتربينة. تبلغ كفاءة التوربينات المحورية، التي تعمل اليوم في محطات الطاقة البخارية أو المحركات النفاثة، حوالي 60_70% (بيانات توربينات سيمينز). و يختلف هذا عن كفاءات دورة المحطة أو المحرك، التي تقع بين 25% و 42% تقريبا، وتكون محدودة بسبب المفاقيد، التي تجعلها تنخفض عن كفاءةدورة كارنوت المثالية. زعم تسلا أن النسخة البخارية للتربينة، ستحقق كفاءة حوالي 95%. [12][13] أسفرت نتائج الاختبارات الفعلية لتربينة تسلا البخارية في وستنجهاوس عن معدل سريان للبخار يبلغ 38 رطل لكل وحدة قدرة حصانية في الساعة، عند كفاءةللتربينة حوالى 20% تقريبا، بينما تحقق التوربينات التقليدية دائما، كفاءة تزيد عن 50%. تعتبر الكفاءة الديناميكية الحرارية مقياس لكيفية أداء التربينة بالنسبة للحالة الأيزنتروبية. وتعرف أنها النسبة بين الشغل المثالي إلى الشغل الحقيقي للتربينة. بشكل عام تعرف كفاءة التربينة -كفاءة حرارية- على أنها النسبة بين مقدار التغير النظري في المحتوى الحراري (الانثالبي) إلى مقدار التغير الفعلي، لنفس التغير في الضغط. في عام 1950، سعى وارين ريس إلى إعادة تجارب تسلا، لكنه لم يقم بتلك التجارب المبكرة على مضخة بُنيت بتطابق مع تصميم تسلا.[14] أجرى رايس في عمله النهائي مع توربينات تسلا، قبل تقاعده، تحليل كبير للمتغيرات في تجربة نموذج سريان رقائقي في تربينة متعددة الأقراص. و في عام 1991 نُشرت أوراق عن كفاءة العضو الدوار (على نقيض الكفاءة الكلية للألة) كان عنوانها «ألة تسلا التوربينية». جاء في هذه الأوراق: انظر أيضامراجع
وصلات خارجية
|
