Ο στρόβιλος Tesla εφευρέθηκε από τη Nikola Tesla, το έτος 1909. Είναι μια ειδική κατηγορία στροβίλων που δεν έχουν λεπίδες. Σε αντίθεση με άλλους στροβίλους όπως το Kaplan κ.λπ., αυτός ο στρόβιλος έχει περιορισμένες και συγκεκριμένες εφαρμογές. Αλλά λόγω των σχεδιαστικών του στοιχείων, είναι μια από τις ευέλικτες τουρμπίνες. Η εφεύρεσή της έχει οδηγήσει σε πολλές μεγάλες εφαρμογές εφαρμοσμένης μηχανικής. Λειτουργεί με βάση την αρχή της επίδρασης οριακού στρώματος, όπου λόγω της ροής του αέρα, ο στρόβιλος περιστρέφεται. Το καλύτερο μέρος αυτής της τουρμπίνας είναι ότι μπορεί να επιτύχει απόδοση έως και 80%. Το εύρος ταχύτητάς του μπορεί να φτάσει έως το επίπεδο των 80.000 σ.α.λ. για μικρές ονομαστικές μηχανές. Συγκεκριμένα, αυτό το στρόβιλο δεν χρησιμοποιείται εργοστάσιο ηλεκτρισμού λειτουργίες αλλά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για γενικές εφαρμογές όπως αντλίες κ.λπ.
Διάγραμμα στροβίλων Tesla
Η βασική δομή του στροβίλου Tesla φαίνεται στο σχήμα. Αποτελείται από έναν στρόβιλο χωρίς κόγχη που έχει είσοδο μέσω του ακροφυσίου σωλήνα αέρα. Το σώμα του στροβίλου έχει δύο εξόδους, η μία για την είσοδο του αέρα και η άλλη για την έξοδο του αέρα. Εκτός από αυτό, ο περιστρεφόμενος δίσκος αποτελείται από 3 έως 4 στρώματα, τα οποία ενώνονται μεταξύ τους. Υπάρχει ένα λεπτό διάκενο αέρα μεταξύ των στρωμάτων όπου ο αέρας περνάει με πολύ υψηλή ταχύτητα.
Στρόβιλος Tesla
Ο περιστρεφόμενος δίσκος έχει δύο όψεις, εξωτερική και πίσω όψη. Και στις δύο πλευρές, δεν υπάρχει δυνατότητα για τον αέρα να ρέει έξω από το σώμα του στροβίλου. Ο αέρας μπορεί να εισέλθει μόνο μέσω του σωλήνα εισόδου και να απελευθερωθεί μέσω του σωλήνα εξόδου. Το σώμα του στροβίλου αποτελείται από πολλούς δίσκους δίσκων που ενώνονται μεταξύ τους. Όλοι οι δίσκοι στροφείου συνδέονται μεταξύ τους σε έναν κοινό άξονα όπου ο δίσκος μπορεί να περιστραφεί.
Υπάρχει εξωτερικό περίβλημα για τοποθέτηση των δίσκων. Οι δίσκοι συνδέονται συνήθως μέσω μπουλονιών. Το μπροστινό και το πίσω άκρο έχουν θύρες εξόδου καυσαερίων μέσω των οποίων ο αέρας μπορεί να βγει από το σώμα του στροβίλου. Η τοποθέτηση των οπών γίνεται έτσι ώστε να δημιουργείται μια δίνη εισόδου αέρα.
Θεωρία στροβίλων Tesla
Η είσοδος στις λεπίδες του ρότορα είναι αέρας σε υψηλή πίεση. Χρησιμοποιώντας έναν εύκαμπτο σωλήνα αέρα, ο οποίος είναι συνδεδεμένος στην είσοδο του τουρμπίνα , ο αέρας εισέρχεται στο σώμα που αποτελείται από δίσκους ρότορα που είναι τοποθετημένοι στον άξονα και μπορούν εύκολα να περιστραφούν. Καθώς ο αέρας εισέρχεται στο περίβλημα του στροβίλου, αναγκάζεται να δημιουργήσει μια δίνη λόγω του σχήματος του στροβίλου.
Η δίνη σημαίνει μια στροβιλισμένη μάζα αέρα όπως σε μια υδρομασάζ ή ανεμοστρόβιλο. Λόγω της δημιουργίας μιας δίνης, ο αέρας μπορεί να περιστρέφεται με πολύ υψηλές ταχύτητες. Ο σχηματισμός μιας δίνης είναι θεμελιώδης λόγω του σχεδιασμού του στροβίλου. Η γραμματοσειρά και το πίσω κάλυμμα του στροβίλου είναι τοποθετημένα έτσι ώστε ο αέρας να πρέπει να εξέρχεται μέσω των οπών που υπάρχουν στο μπροστινό και το πίσω κάλυμμα.
Η έξοδος του αέρα σε αυτήν τη φύση δημιουργεί μια δίνη του αέρα. Και κάνει την περιστροφή του στροβίλου. Όταν τα μόρια αέρα περνούν από το δίσκο, δημιουργούν μια έλξη στο δίσκο. Αυτό το τράβηγμα τραβά τον στρόβιλο προς τα κάτω και το κάνει να περιστρέφεται. Μπορεί να σημειωθεί ότι ο στρόβιλος μπορεί να περιστρέφεται και προς τις δύο κατευθύνσεις. Εξαρτάται απλώς από τον σωλήνα εισαγωγής που χρησιμοποιείται για την είσοδο αέρα.
Σχεδιασμός στροβίλου Tesla
Ο σχεδιασμός αποτελείται από δύο σωλήνες εισόδου, από τους οποίους ένας συνδέεται με το σωλήνα σωλήνα αέρα. Από τις δύο εισόδους, οποιοσδήποτε μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως είσοδος. Μέσα στο σώμα, τοποθετούνται οι δίσκοι του ρότορα που ενώνονται μαζί με τη βοήθεια των μπουλονιών. Όλοι οι δίσκοι τοποθετούνται σε έναν κοινό άξονα που συνδέεται με το εξωτερικό σώμα.
Για παράδειγμα, εάν χρησιμοποιείται ως αντλία, τότε ο άξονας συνδέεται με τον κινητήρα. Υπάρχει ένα λεπτό κενό αέρα μεταξύ των δίσκων, όπου ο αέρας ρέει και κάνει τους δίσκους να περιστρέφονται. Λόγω του διακένου αέρα, τα μόρια αέρα μπορούν να δημιουργήσουν μια οπισθέλκουσα στο δίσκο. Το μπροστινό και το πίσω κάλυμμα έχουν 4-5 οπές μέσω των οποίων ο αέρας εισόδου μπορεί να περάσει στην ατμόσφαιρα. Οι οπές τοποθετούνται έτσι ώστε να δημιουργείται μια δίνη και ο αέρας να περιστρέφεται με πολύ υψηλή ταχύτητα.
Σχεδιασμός στροβίλου
Λόγω αυτού του αέρα υψηλής ταχύτητας, ασκεί μεγάλη ταχύτητα στον δίσκο και κάνει τον δίσκο να περιστρέφεται σε πολύ υψηλές ταχύτητες. Το διάκενο δίσκου είναι μία από τις κρίσιμες παραμέτρους για το σχεδιασμό και την απόδοση της τουρμπίνας. Το βέλτιστο μέγεθος διακένου που απαιτείται για τη διατήρηση του στρώματος διακένου εξαρτάται από το περιφερειακή ταχύτητα του δίσκου.
Υπολογισμοί σχεδιασμού στροβίλου
Πολλές σχεδιαστικές πτυχές είναι σημαντικές για την επίτευξη υψηλής απόδοσης. Μερικοί από τους σημαντικότερους υπολογισμούς σχεδιασμού είναι
Το υγρό λειτουργίας ή ο αέρας εισόδου πρέπει να έχει ελάχιστη πίεση. Εάν είναι νερό, τότε η πίεση αναμένεται να είναι τουλάχιστον 1000 kg ανά μέτρο κύβου. Η περιφερειακή ταχύτητα πρέπει να είναι 10e-6 μέτρα τετραγωνικά ανά δευτερόλεπτο.
Το κενό μεταξύ του δίσκου υπολογίζεται με βάση τη γωνιακή ταχύτητα και την περιφερειακή ταχύτητα του δίσκου. Εξαρτάται από την παράμετρο pollhausen που βασίζεται συνεχώς στις ταχύτητες. Ο ρυθμός ροής για κάθε δίσκο υπολογίζεται ως προϊόν της περιοχής διατομής κάθε δίσκου και ταχύτητας. Με βάση τα δεδομένα, εκτιμάται ο αριθμός των δίσκων. Και πάλι, η διάμετρος του δίσκου είναι επίσης σημαντική για καλή απόδοση.
Απόδοση στροβίλων Tesla
Η απόδοση δίνεται από την αναλογία ισχύος άξονα εξόδου προς την ισχύ του άξονα εισόδου. Εκφράζεται ως
Η απόδοση εξαρτάται από πολλούς παράγοντες όπως η διάμετρος του άξονα, η ταχύτητα των λεπίδων, ο αριθμός των λεπίδων, το φορτίο που συνδέεται με τον άξονα, κ.λπ. Γενικά, η απόδοση του στροβίλου είναι υψηλή σε σύγκριση με άλλους συμβατικούς στροβίλους. Για μικρές εφαρμογές, η απόδοση μπορεί να φτάσει έως και το 97%.
Πώς λειτουργεί ο στρόβιλος;
Ο στρόβιλος Tesla λειτουργεί με την έννοια του οριακού στρώματος. Αποτελείται από δύο εισόδους. Γενικά, το νερό του αέρα χρησιμοποιείται ως είσοδος στην τουρμπίνα. Το σώμα τουρμπίνα αποτελείται από δίσκους ρότορα που ενώνονται μαζί με τη βοήθεια των μπουλονιών. Όλοι οι δίσκοι τοποθετούνται σε έναν κοινό άξονα. Το σώμα τουρμπίνας αποτελείται από δύο θήκες, το μπροστινό περίβλημα και το πίσω περίβλημα. Σε κάθε περίβλημα, υπάρχουν 4 έως 4 οπές. Όλοι αυτοί οι παράγοντες, όπως ο αριθμός των δίσκων, η διάμετρος του δίσκου κ.λπ., παίζουν σημαντικό ρόλο στην αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας του στροβίλου.
Λειτουργία στροβίλου
Όταν αφήνεται ο αέρας να ρέει μέσω του σωλήνα σωλήνα, εισέρχεται στο σώμα του στροβίλου. Μέσα στο σώμα του στροβίλου, τοποθετούνται δίσκοι που συνδέονται μεταξύ τους. Υπάρχει ένα λεπτό διάκενο αέρα μεταξύ των δίσκων. Όταν τα μόρια του αέρα εισέρχονται στο σώμα του στροβίλου ασκούν έλξη στους δίσκους. Λόγω αυτής της έλξης, οι δίσκοι αρχίζουν να περιστρέφονται.
Το μπροστινό και το πίσω περίβλημα αποτελούνται από οπές έτσι ώστε όταν εισέρχεται ο αέρας να εξέρχεται μέσω αυτών των οπών. Οι οπές τοποθετούνται έτσι ώστε να δημιουργείται μια δίνη αέρα ή νερού μέσα στο σώμα του δίσκου. Αυτό αναγκάζει τον αέρα να ασκεί περισσότερη έλξη στους δίσκους. Αυτό αναγκάζει τους δίσκους να περιστρέφονται με πολύ υψηλή ταχύτητα.
Η περιοχή επαφής μεταξύ της δίνης και των δίσκων είναι χαμηλή σε χαμηλές ταχύτητες. Αλλά καθώς ο αέρας κερδίζει ταχύτητα, αυτή η επαφή αυξάνεται, γεγονός που επιτρέπει στους δίσκους να περιστρέφονται με πολύ υψηλή ταχύτητα. Η φυγοκεντρική δύναμη των δίσκων προσπαθεί να ωθήσει τον αέρα προς τα έξω. Αλλά ο αέρας δεν έχει μονοπάτι εκτός από τις οπές στο μπροστινό και το πίσω περίβλημα. Αυτό κάνει την έξοδο του αέρα και η δίνη γίνεται πιο δυνατή. Η ταχύτητα των δίσκων είναι σχεδόν ίση με την ταχύτητα της ροής αέρα.
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα του στροβίλου Tesla
Τα πλεονεκτήματα είναι
- Πολύ υψηλή απόδοση
- Το κόστος παραγωγής είναι μικρότερο
- Απλός σχεδιασμός
- Μπορεί να περιστραφεί και προς τις δύο κατευθύνσεις
Τα μειονεκτήματα είναι
- Δεν είναι εφικτό για εφαρμογές υψηλής ισχύος
- Για υψηλή απόδοση, ο ρυθμός ροής πρέπει να είναι μικρός
- Η απόδοση εξαρτάται από την εισροή και την εκροή των υγρών εργασίας.
Εφαρμογές
Ο στρόβιλος της Tesla λόγω της ισχύος εξόδου και των προδιαγραφών του έχει περιορισμένες εφαρμογές. Μερικά από αυτά αναφέρονται παρακάτω.
- Συμπίεση υγρών
- Γοβάκια
- Εφαρμογές στροβίλου τύπου Vane
- Αντλίες αίματος
Ως εκ τούτου, έχουμε δει τις κατασκευαστικές πτυχές, την αρχή λειτουργίας, το σχεδιασμό και τις εφαρμογές των στροβίλων Tesla. Το κύριο μειονέκτημά του είναι δεδομένου ότι είναι συμπαγές και μικρό σε μέγεθος, έχει περιορισμένες εφαρμογές σε σχέση με τους συμβατικούς στροβίλους όπως ο στρόβιλος Kaplan. Δεδομένου ότι η αποτελεσματικότητά του είναι πολύ υψηλή, πρέπει να σκεφτούμε πώς Στρόβιλοι Tesla μπορεί να γίνει για να έχει μεγάλες εφαρμογές όπως σε σταθμούς παραγωγής ενέργειας. Αυτό θα αποτελούσε μεγάλη ώθηση στα φυτά με χαμηλή απόδοση.
