Безлопатева дискова турбіна, або роторний двигун Ніколи Тесла

Основний диск ротора.

Зазори між дисками.

Крайні диски робляться більш товстими, так як проходять між дисками струмінь газу намагається розсунути диски, а так само для притискання інших дисків один до одного. Так само крайні диски мають радіальні виступи над вікнами, які служать в якості частини ущільнення.

Бічний диск з радіальними виступами.

Ротор поміщається в корпус, який має вхідне сопло і бічні кришки з отворами в центрі. До таких кришок кріпляться ще дві деталі, не знаю як їх правильніше назвати, я їх назвав «вуха», в яких закріплюються підшипники і забезпечується відведення відпрацьованої середовища.

На внутрішній поверхні кришок вирізані радіальні канавки. Їх можна розділити на дві групи за їх призначенням. Перша група канавок розташовується ближче до центру, в ці канавки входять радіальні виступи бічних дисків, що забезпечує хороше ущільнення. Канавки і виступи, що становлять ущільнення, повинні бути ретельно підігнані одна до одної. Зазори повинні бути мінімально можливими, але і не допускають тертя, що вимагає високої точності виготовлення. Друга група канавок прорізається майже по всій залишилася поверхні і до них не пред'являється таких жорстких вимог по точності виготовлення. Бічні диски рухаються щодо нерухомих кришок корпусу. Щоб не створювати додатковий опір, відстань між дисками і корпусом потрібно збільшити. Саме цій меті і служать радіальні канавки другої групи. Так як потік завжди шукає шлях найменшого опору, а в нашому випадку - це канавки між кришками і дисками, основна частина потоку проходила б саме цим шляхом, і лише незначна частина проходила б між рештою дисків ротора. За рахунок ущільнення, в канавках виникає підвищений тиск, що і не дає середовищі пройти тільки цим шляхом, і середовище проходить там, де можливо, тобто між іншими дисками. Можна було б зробити і одну широку канавку, проте це б збільшило витік. З цього, кращого результату можна досягти, використовуючи кілька канавок.

Сопло турбіни розташовується тангенціально, тобто по дотичній до внутрішньої поверхні корпусу і може бути виконано у вигляді прямокутної щілини, або круглого звужується отвори.

Зазор по периферії між корпусом і ротором робиться мінімальним, враховуючи невелике збільшення діаметра ротора, при роботі на високих оборотах.

Тепер, маючи приблизне уявлення про пристрій турбіни, розглянемо теоретичну базу і робочий процес. Якщо направити потік рідини, або газу по плоскій поверхні, то цей потік почне захоплювати за собою цю поверхню. Така поведінка обумовлена ​​тим, що найперший шар молекул, прилеглих до площини - нерухомий. Наступний шар рухається дуже повільно, наступний трохи швидше і так далі. Нижче наведу невелику цитату з аеродинаміки.

Важливою характеристикою середовища, що рухається є її в'язкість. В'язкість проявляється через властивість прилипання текучого середовища до поверхні, тоді як і в'язке середовище вільно ковзає уздовж обтічної поверхні. Щоб проілюструвати вплив в'язкості, що породжує силу, що сповільнює перебіг (силу опору), розглянемо дві великі паралельні один одному пластини A і B (рис. 1), одна з яких рухається відносно іншої. В'язке середовище прилипає до кожної з пластин. Випадкові руху молекул створюють ефект «перемішування», який прагне вирівняти середні швидкості течії, швидкість якого на пластині B дорівнює V, а на пластині A - нулю. Результуючий розподіл швидкостей також наведено на рис. 1, де довжина стрілок пропорційна величині швидкості в даній точці течії по висоті між пластинами. Таким чином, на рухому пластину B діє сила, що гальмує її рух. Щоб забезпечити рух пластини B при наявності гальмування, до неї повинна бути додана протидіє сила. Така ж сила прагне привести в рух пластину A.

Мал. 1. СИЛА в'язкий опір, або вплив в'язкості течії на пластини A і B. Пластина B рухається по відношенню до пластини A зі швидкістю V, зображеної стрілкою. Розподіл швидкостей рідини між пластинами також показано відповідними стрілками.

Величина сили, необхідної для підтримки руху пластини B зі швидкістю 1 м / с (або утримання на місці нерухомою пластини A), за умови, що відстань між пластинами дорівнює 1 м, а площа кожної з них - 1 м2, називається коефіцієнтом в'язкості m. Для повітря при температурі 0 ° С і тиску 1 атм m = 1,73 * 10-5 H * c / м2. Експерименти показують, що коефіцієнт в'язкості повітря змінюється в залежності від температури пропорційно T0,76.

А тепер уявімо, що пластини А і В нерухомі відносно один одного, а потік газу рухається між ними. Природно, потік почне захоплювати за собою обидві пластини. Розподіл градієнта швидкостей в потоці буде наступним: у поверхні обох пластин швидкість потоку буде мінімальна, а посередині - максимальна.

Зрозуміло, що чим менше відстань між пластинами і більше їх площа, тим більше сила в'язкого тертя, тим менше «прослизання» газу між площинами, і тим сильніше потік захоплює за собою площині. Тепер розглянемо процес, що відбувається всередині турбіни. Робоче тіло (газ або рідина) подається під тиском через сопло. Отримавши прискорення в соплі, потік рухається спіралеподібно між дисками, захоплюючи за собою ротор, і виходить через вікна в центральній частині дисків. Якщо турбіна працює в холостому режимі, то швидкість обертання ротора буде трохи менше швидкості потоку, через тертя в підшипниках. В такому режимі, довжина спіралеподібного шляху - максимальна, так як відносна швидкість потоку і дисків майже нульова. При підключенні навантаження швидкість обертання ротора падає, а разом з нею і швидкість потоку, через що і довжина спіралеподібного дорозі скорочується. Таким чином, ми маємо саморегулюючу машину. Одна з переваг даної конструкції - ламінарний потоку. Немає ніяких завихрень і турбулентних утворень, які завжди знижують ефективність. Крутний момент турбіни прямо пропорційний квадрату швидкості середовища щодо ротора і площі дисків, і обернено пропорційний відстані між ними. Тобто, для отримання максимального крутного моменту відстань між дисками має бути мінімальна, а кількість дисків, або їх діаметр - якомога більше. Апарат здатний здійснювати максимальну роботу коли швидкість ротора дорівнює половині швидкості потоку, але для досягнення максимальної економії відносна швидкість, або ковзання - повинні бути якомога менше.

Зрозуміло, що кількість сопел можна збільшити, для підвищення потужності й крутного моменту. Так само, за допомогою конструкції сопел, або їх розташування, легко досягається реверс. Більш детальну інформацію з цього приводу можна отримає з оригінальних джерел, які наведені на початку статті.
А тепер хотілося б поділитися власним досвідом з виготовлення турбіни. Даний захід мені довелося починати з нуля, в буквальному сенсі. У мене не було досвіду роботи на металообробних верстатах, та й з 3D моделюванням пов'язаний не був, не кажучи вже про кресленні. Усвідомивши цей сумний факт, довелося пройти «експрес курс» з креслення і 3D моделювання, на що пішло півтора місяці інтенсивного самонавчання. Я був приємно здивований, наскільки легко і цікаво займатися 3D проектуванням. Про креслення краще промовчу, хоча необхідні навички і знання все ж отримав. Спроектувавши всі деталі і накресливши креслення, я відправився в найближчий цех металообробки. Після тривалої бесіди з технологом, конструкцію довелося трохи видозмінити, що б процес виготовлення був більш технологічним. Внісши всі зміни в креслення, процес пішов. На наведених вище малюнках представлена ​​моя конструкція турбіни. Конструкції можуть бути різними, однак саме такий варіант найпростіше зробити вручну, без використання лиття і штампування. Я поставив собі за мету побудувати повнорозмірну модель турбіни. Як матеріали вибрав звичайну сталь, так як цей матеріал дешевий і легко піддається механічній обробці. В процесі виготовлення турбіни я зіткнувся з деякими труднощами. Сама не приємно проблема - це, здавалося б, виготовлення основних дисків. Проблема в тому, що диски виготовлялися, з листового металу, і після обробки виявилися не рівними. Повідці були трохи помітні, але при відстані між дисками 0,3 мм, це позначалося найсерйознішим чином - відстань між дисками вийшло не рівномірним, і в багатьох місця взагалі відсутнє. Частково вирішити задачу допомогло використання хрестоподібних розділових шайб (спочатку я використовував круглі розділові шайби). Але мені так і не вдалося домогтися ідеальної рівномірності проміжків між дисками. Це стосується лише основних дисків, так як бічні диски точаться з досить товстого металу, і в силу методу обробки, кривизни практично не мають. Взагалі, рішення цієї проблеми існує. Правда, воно трохи ускладнює конструкцію ротора, і збільшує вартість роботи. Власне, з цих причин я і не став нічого переробляти. Тим більше, я не ставив за мету виготовити повністю працездатний виріб, а для проведення дослідів цілком достатньо того, що є. Рада тим, хто захоче повторити мій «подвиг» - використовуйте, максимально рівні листи металу для виготовлення дисків. Однак, провівши кілька дослідів з використанням стисненого газу, я переконався, що відстань між дисками є найважливішим фактором у роботі пристрою, і проявлена ​​мною недбалість, по відношенню до цього питання - недоречна. Рішення завдання виявилося простим, причому це рішення було описано в британському патенті Н. Тесла №186082.

Більш докладно про подальший розвиток цієї теми можна дізнатися на сайті www.TeslaTech.com.ua