Turbine de Tesla

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Sommaire 1 Description 2 Pompe 3 Applications 4 Rendement 5 Voir aussi 6 Liens et articles externes

La turbine de Tesla est un type de turbine sans pales breveté par Nikola Tesla en 1913. Elle utilise l'effet de couche limite, et pas l'impact d'un fluide contre des pales comme c'est le cas dans une turbine conventionnelle. La turbine de Tesla est également connue sous les noms de turbine à couche limite, turbine à cohésion, et en anglais : boundary layer turbine, cohesion-type turbine, et Prandtl layer turbine (d'après Ludwig Prandtl). Un des souhaits d'application de Tesla pour cette turbine était l'énergie géothermique, qui est décrite dans "On Future Motive Power". ^[1]

[modifier] Description

Une turbine de Tesla consiste en un jeu de disques lisses, avec des buses appliquant un gaz sous pression sur les bords des disques. Le gaz exerce un frottement sur le disque, par un phénomène de viscosité et d'adhésion de la couche limite du gaz. A mesure que le gaz ralentit et cède de l'énergie au disques, il spirale vers l'échappement central. Since the rotor has no projections, it is very sturdy.

Tesla écrit : 'This turbine is an efficient self-starting prime mover which may be operated as a steam or mixed fluid turbine at will, without changes in construction and is on this account very convenient. Minor departures from the turbine, as may be dictated by the circumstances in each case, will obviously suggest themselves but if it is carried out on these general lines it will be found highly profitable to the owners of the steam plant while permitting the use of their old installation. However, the best economic results in the development of power from steam by the Tesla turbine will be obtained in plants especially adapted for the purpose. '

Cette turbine peut également être utilisée efficacement par des usines de condensation opérant à vide poussé. Dans ce cas, grâce au très grand ratio d'expansion, le mélange d'échappement sera à une température relativement basse, adaptée à l'admission dans le condenseur.

Toutes les plaques et les rondelles sont fixées sur un arbre fileté aux extrêmités, et équipé d'écrous pour serrer l'ensemble. Cette construction permet une libre expansion et contraction de chaque plaque individuellement, sous l'influence variable de la chaleur ou de la force centrifuge. Une plus grande surface de plaque, et donc plus de puissance sont obtenus pour une épaisseur donnée. La torsion est virtuellemnt éliminée et de plus faibles marges latérales peuvent être utilisées, ce qui diminue les fuites et les pertes de friction. L'équilibrage dynamique est facilité et le fonctionnement est plus silencieux. Comme les disques ne sont pas rigidement fixés, ils sont protégés contre les dommages qui pourraient sinon être causés par les vibrations ou une vitesse excessive.

La turbine de Tesla est conçue pour fonctionner dans une installation utilisant une mixture de vapeur et de produits de combustion. Une installation à turbine de Tesla comme illustrée ci-contre est :

• capable de démarrer avec seulement de la vapeur
• adaptée pour travailler avec des fluides à haute température.

Une tubine de Tesla efficace nécessite un faible espacement entre les disques. Par exemple, un modèle à vapeur doit maintenir un écart inter-disque de 0,4mm. Les disqus doivent être le plus lisses possible pour minimiser la surface et les pertes. Les disques doivent également être les plus fins possibles, pour éviter la traînée et les turbulence sur les bords. Malheureusement, éviter que les disques ne se tordent ou se voilent était une difficulté majeure à l'époque de Tesla. On pense que cette incapacité à éviter la distortion des disques a contribué à l'échec commercial de ces turbinees, car la technologie metallirgique de l'époque n'était pas capable de fournir des disques d'une qualité et d'une rigidité suffisante.

[modifier] Pompe

Si un jeu de disques similaires et un boîtier en forme de volute (et non circulaire comme dans une turbine) sont utilisés, l'appareil peut être utilisé comme pompe. Dans cette configuration, un moteur est accouplé à l'arbre. Le fluide entre près du centre, reçoit de l'énergie par les disques en rotation, et sort à la périphérie. La turbinede Tesla n'utilise pas la friction dans son sens conventionnel ; précisément, elle l'évite, et utilise l'adhésion (effet Coanda) et la viscosité à la place. Elle utilise l'effet de couche limite sur les disques.

Des disques lisses on été originellement proposés, mais il produisaient un fable couple de démarrage. Tesla a par la suite découvert qu'un rotor lisse avec de petites rondelles reliant les disques en 12 à 24 points le long du périmètre d'un disque de 25 cm et un second anneau de 6 à 12 rondelles plus proche du centre apportaient une amélioration significative du couple de démarrage, sans compromettre l'efficacité.

[modifier] Applications

Les brevets de Tesla indiquent que l'appareil est prévu pour l'utilisation de fluides comme agents moteurs, et non comme appareil de propulsion ou de compression de fluides (bien que l'appareil puisse être utilisé pour ces applications). En 2006, la turbine de Tesla n'a pas été pleinement utilisée commerciallement depuis son invention. Tesla lui-même ne remporta pas de grand contrat de production. Le principal défaut de l'époque, comme indiqué, était la faible connaissance des matériaux et des comportements à haute température. Les meilleures techniques de métallurgie de l'époque ne pouvait éviter que les diques vibrent et se tordent lors du fonctionnement.

Aujourd'hui, beaucoup d'expérimentations amateur ont été conduites avec des turbines de Tesla, y compris des |turbines à vapeur (utilisant la vapeur produite par une chaudière, voire par énergie solaire) ou des turbocompresseurs d'automobile. Une application actuellement proposée est l'utilisation comme pompe à déchets, pour les eaux usées ou les machines-outils (pour l'huile de coupe chargée de copeaux), où une pompe à turbine traditionnelle se bloque rapidement. L'entreprise Discflo produit actuellement des pompes à disque pour ces applications.

[modifier] Rendement

A l'époque de Tesla, le rendement des turbines conventionnelles était faible car les théories de mécanique des fluides nécessaires à la conception de pales efficaces n'existaient pas encore, et la faible qualité des matériaux disponibles à cette époque pour construire de telles pales entraînait de sévères limitations sur les vitesses et les températures de fonctionnement. Le rendement d'une turbine conventionnelle est lié à la différence de température entre l'admission et l'échappement. Ceci nécessite que les matériaux utilisés pour la construire soient capables de supporter des températures très élevées pour atteindre un rendement raisonnable.

Le concept de Tesla contourne les princpaux inconvénients de la turbine à pales. Il souffre cependant d'autres problèmes comme les pertes pas cisaillement et par limitation de débit. Quelques-uns des avantages de la turbine de Tesla reposent dans des applications à débit relativement faible, ou lorsque de petites puissances sont demandées. Les disques doivent être aussi fins que possible sur les bords pour ne pas introduire de turbulence lorsque le fluide quitte les disques. Ceci se traduit par le besoin d'augmenter le nombre de disques à mesure que le flux augmente. Le rendement de ce système est maximal quand l'espacement inter-disques approche l'épaisseur de la couche limite, et comme cette dernière dépend de la viscosité et de la pression, l'affirmation qu'un seul design peut être utilisé efficacement pour divers carburants et fluides est incorrecte.Modèle:Citationneeded Une turbine de Tesla diffère d'une turbine conventionnelle seulement par le mécanisme utilisé pour transférer l'énergie à l'arbre. Diverses analyses montrent que le débit entre les disques doit être maintenu relativement faible pour maintenir le rendement.Modèle:Citationneeded Le rendement de la turbine de Tesla diminue lorsque la charge (c'est à dire le couple sur l'arbre) augmente. Modèle:Citationneeded Sous une faible charge, la spirale empruntée par le fluide se déplaçant de l'admission à l'échappement est une spirale serrée, effectuant de nombreuses rotations. En charge, le nombre de rotations chute et la spirale se raccourcit progressivement. Ceci augmente les pertes par cisaillement et réduit le rendement

Le rendement d'une turbine de Tesla fonctionnant avec un gaz est estimé supérieur à 60%, avec un maximum à 95% (selon les affirmations de Nikola Tesla). Les turbines qui équipent actuellement les centrales thermiques ou les turboréacteurs ont un rendement compris entre 80 et 95%. Des études complémentaires, notamment des diagrammes HS (enthalpie entropie) seraient nécessaires pour une caractérisation paramétrique de la turbine.

In the 1950s, Warren Rice attempted to re-create Tesla's experiments, but he did not perform these early tests on a pump built strictly in line with the Tesla's patented design (it, among other things, was not a Tesla multiple staged turbine nor did it possess Tesla's nozzle).^[2] Rice's experimental single stage system used air as the working fluid. Rice's test turbines, as published in early reports, produced an overall measured efficiency as the working fluid of 36% to 41% for a single stage. ^[3] Higher percentages would be expected if design as originally proposed by Tesla.

In his final work with the Tesla turbine and published just prior to his retirement, Rice conducted a bulk-parameter analysis of model laminar flow in multiple disk turbines. A very high claim for rotor efficiency (as opposed to overall device efficiency) for this design was published in 1991 entitled "Tesla Turbomachinery".^[4] This paper states:

"With proper use of the analytical results, the rotor efficiency using laminar flow can be very high, even above 95%. However, in order to attain high rotor efficiency, the flowrate number must be made small which means high rotor efficiency is achieved at the expense of using a large number of disks and hence a physically larger rotor." ^[5]

Actual modern multiple stage bladed turbines typically reach 60% - 70% efficiency. Actual volute-rotor matched Tesla-type machines of reasonable size with common fluids (steam, gas, and water) would also be expected to be around this range (if not higher). ^[6]

[modifier] Voir aussi

• Tesla, Nikola, "Dr. Tesla Talks Of Gas Turbines". Motor World. September 18, 1911.
• "The Tesla Steam Turbine". Scientific American, New York. September 30, 1911.

[modifier] Liens et articles externes

Brevets 

Tesla

• US1061206 Turbine - New and useful Improvements in Rotary Engines and Turbines
• US1329559 Valvular Conduit - Includes the Tesla gas turbine
• GB186082 Improvements in the Construction of Steam and Gas Turbines - Form of rotor
• GB186083 Economic Transformation of the Energy of Steam by Turbines - Tesla turbine system

Autres

• (en) Brevet U.S. 6726442, Disc turbine inlet to assist self-starting, Letourneau (February 11, 2002)
• (en) Brevet U.S. 6682077, Labyrinth seal for disc turbine, Letourneau (February 13, 2002)
• (en) Brevet U.S. 6692232, Rotor assembly for disc turbine, Letourneau (March 15, 2002)
• (en) Brevet U.S. 6973792, Method of and apparatus for a multi-stage boundary layer engine and process cell, Hicks (December 13, 2005)

Photos 

• "Tesla turbine". Tesla Wardenclyffe Project : Demonstration model | Experimental turbine-generators | Tesla's turbo-generator I | Tesla's turbo-generator II | Pyle National Company turbine
• "Tesla turbine". PBS.

Kits 

• Tesla Engine Builders Association, from Jeff Hayes in Milwaukee, WI
• Phoenix Turbine Builders Club, from Ken Rieli in Phoenix, MI
• Phoenix Navigation & Guidance Inc from Munising, MI

Couche limite

• Boundary Layer Effect from National Advisory Committee for Aeronautics, a division of NASA

Sites sur la turbine de Tesla 

• Redmond, Stephen, "Building a Disk Turbine".
• "Debunking the Debunker" Part I -- Part II. Tesla Engine Builders Association (TEBA).
• Germano, Frank D., "Tesla's Bladeless Boundary Disk Turbine and Pump". International Turbine And Power.
• Swithenbank, Alan, "The Tesla Boundary Layer Turbine". July 19, 2003.
• "Tesla turbine". RS Designs. (original German)
• Hayes, Jeffery A., "Boundary-layer breakthrough - the Tesla bladeless turbine".

• Tesla turbine, from Uncle Taz Library.
• Tesla Turbine Kit, Turbo-Generator, from OBI Laser Products.
• Tesla Turbine, from Gyroscopes Online
• Gary L. Peterson", Nikola Tesla's Disk Turbing Tomorrow's Gas Engine". Feed Line No. 7, from Twenty First Century Books
• Jeff Hayes, "Tesla's Engine — A New Dimension For Power", from Twenty First Century Books; Hayes is also involved with Tesla Engine Builder's Association above
• Hayes, Jeffery A., "Boundary-layer breakthrough - the Tesla bladeless turbine", from Zero Point Physics, Vacuum Energy, Scalar Physics, which says "All the major car companies are now working on levitating vehicles."
• Nikola Tesla: Disc Turbine/Pump, from Rex Research, which promotes "suppressed/dormant/emerging science, inventions, technologies, experiments"
• Tesla turbine. by Sterling Allan, and Chris Horianopolous, from Greater Things, a website of Sterling Allen in Manti, UT who promotes "new energy" schemes; see also Pure Energy Systems Wiki
• Tesla Turbine Wiki dedicated to tesla turbines - a place where one can publish information, projects and experiences, observations, etc.