Безлопастная турбина для ТЭС, как изобретение Николы Теслы
Бытовой безлопастный вентилятор своим внешним видом напоминает турбину, на роторе которой вместо лопаток расположены диски. Такую простую конструкцию в начале XX века предложил выдающийся ученый и изобретатель Никола Тесла.
Прошло более ста лет с тех пор, как Никола Тесла создал прототип своего первого турбинного двигателя, а мир до сих пор ожидает, когда придет его время. Чтобы понять, почему этот двигатель так долго пребывает в забвении, необходимо обратиться к истории.
Поршневая двигательная техника полностью подошла и закрепилась в автомобильной промышленности. Главные производители электротехнической продукции, в том числе для электрических станций, уже вложили крупные инвестиции в разработки Парсонса и Кертиса. Когда Никола Тесла в конце концов сделал предложения автомобильным и электротехническим компаниям, то они уже не были заинтересованы в рассмотрении новой двигательной техники, даже если бы она оказалась лучшей.
По принципу действия лопаточные турбины можно классифицировать на активные и реактивные. Первые преобразуют кинетическую энергию потока газообразного рабочего тела в механическую энергию вращательного движения ротора за счет отклонения этого потока посредством лопаток. В результате их работы происходит снижение скорости движения газа, а его давление остается постоянным поперек лопаток. Характерная особенность функционирования активных турбин – одинаковое давление газа на ведущей и ведомой кромках лопаток.
Вторые снижают скорость и давление газа, что повышает эффективность преобразования энергии. В реактивных турбинах обеспечивается снижение давления газа поперек поверхностей лопаток за счет их соответствующей формы. Как результат возникает реактивная сила в радиальном направлении. Однако разница в величинах давления газа (высокое – на ведущей кромке лопатки, низкое – на ведомой ее кромке) приводит к увеличению аксиальной нагрузки на ротор турбины.
В конструкции дисковой, или погранично-слоевой, турбины Теслы (патент США US 1,061,206 и патент Великобритании GB 186,082) никаких лопаток нет. На роторе располагаются диски, набранные параллельно друг другу в плотный «пакет».
Газ с большой скоростью поступает в дисковый «пакет» через впускной канал по траектории, касательной (тангенциальной) к его внешнему ребру. Сплошные (без отверстий специальной формы) диски, которыми замыкается «пакет», преобразуют кинетическую энергию газового потока в механическую энергию вращения вала ротора посредством активных и тормозящих сил. По мере уменьшения энергии газового потока он направляется по спирали к центральному выходному каналу, «прилипает», а тормозящие и центробежные силы продолжают преобразовывать кинетическую энергию газового потока в энергию вращательного движения вала ротора.
Турбина Теслы может быть изготовлена из простых сортаментных материалов – листовой стали, труб, круглых и квадратных балок. Это принципиально позволяет организовать крупносерийный выпуск таких тепловых двигателей для ТЭС при низких производственных затратах.
Кроме вышеперечисленного, турбина Теслы может стать одним из тепловых двигателей, который будет способствовать решению такой мировой проблемы, как «устойчивое развитие», то есть достижение глобального прогресса без загрязнения окружающей среды. Один из путей решения данной проблемы состоит в переходе от централизованного снабжения потребителей электрической и тепловой энергией к децентрализованному, выгодному потребителям. Самостоятельная выработка энергии на месте ее потребления принципиально может быть реализована с использованием паровых либо газовых турбин Теслы. При этом следует отметить, что Никола Тесла для своих турбин разработал и конструкцию оригинального клапана (патент США US 1,329,559).
Если говорить о децентрализованной выработке электрической и тепловой энергии, то наиболее подходящими объектами генерации, на которых могут быть применены турбины Теслы, являются паровые конденсационные мини-ТЭС и когенерационные энергетические установки (мини-ТЭЦ). Разумеется, что внедрению турбин Теслы должны предшествовать обстоятельные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы. Пока же в большинстве своем такие тепловые двигатели разрабатываются, строятся и исследуются силами многочисленных энтузиастов как в нашей стране, так и за рубежом.
Другой путь – разработка и последующая реализация пилотных проектов микромощных ТЭС, то есть с электрическими мощностями до 100 кВт. Такие энергетические установки могут найти применение, например, в дачных и деревенских хозяйствах. Дешевизна и простота турбин Теслы в эксплуатации делает их очень привлекательным тепловым двигателем именно в сельской местности, где всегда есть проблемы с ремонтом энергетического оборудования в части квалификации обслуживающего персонала, которого может не быть вообще.
Нельзя исключать и вариант создания автономной паровой мини-ТЭЦ с турбиной Теслы для снабжения электрической энергией небольшой группы потребителей через однопроводную резонансную линию электропередачи. Ее варианты тоже являются развитием научного наследия Николы Теслы, многократно запатентованы в нашей стране и продолжают разрабатываться во Всероссийском научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) под научным руководством академика РАН Дмитрия Семеновича Стребкова (Д. С. Стребков, А. И. Некрасов. Резонансные методы передачи и применения электрической энергии / Под ред. Д. С. Стребкова. – 4?е изд., перераб. и доп. – М., 2013). Снабжение потребителей теплом и, при необходимости, холодом от такой мини-ТЭЦ принципиально возможно предусмотреть по непротяженным тепловым сетям. Для аккумулирования электрической и тепловой энергии целесообразно использовать соответствующие накопительные установки.
Таким образом, технология преобразования энергии в таком тепловом двигателе, как турбина Теслы, не нашедшая применения в прошлом, может быть по?новому реализована на современном этапе развития техники и производства. Сегодня существуют и успешно применяются уникальные технологии компьютерного трехмерного моделирования с последующим численным моделированием физических процессов, происходящих в будущем изделии. Сто лет назад такое невозможно было себе представить. При проектировании турбин Теслы с применением САПР этот процесс будет более продуктивным.
Прошлое
На рубеже XIX?XX веков бензиновые и дизельные двигатели достигли уже такого уровня совершенства, что могли использоваться на сухопутных транспортных средствах. В тот же период были созданы турбины Парсонса и Кертиса для паросиловых установок, а Никола Тесла начинает разработку своего оригинального двигателя.Поршневая двигательная техника полностью подошла и закрепилась в автомобильной промышленности. Главные производители электротехнической продукции, в том числе для электрических станций, уже вложили крупные инвестиции в разработки Парсонса и Кертиса. Когда Никола Тесла в конце концов сделал предложения автомобильным и электротехническим компаниям, то они уже не были заинтересованы в рассмотрении новой двигательной техники, даже если бы она оказалась лучшей.
Конструкции
Турбина Теслы – замечательный тепловой двигатель: предельно простой по своей конструкции, надежный и, в определенной степени, эффективный при работе. Этот двигатель сегодня может оказаться вполне пригодным для эксплуатации на ТЭС. Однако принцип его действия малоизвестен среди современных инженеров, как и то, насколько хорошо он может работать наряду с лопаточными турбинами общеизвестных конструкций.По принципу действия лопаточные турбины можно классифицировать на активные и реактивные. Первые преобразуют кинетическую энергию потока газообразного рабочего тела в механическую энергию вращательного движения ротора за счет отклонения этого потока посредством лопаток. В результате их работы происходит снижение скорости движения газа, а его давление остается постоянным поперек лопаток. Характерная особенность функционирования активных турбин – одинаковое давление газа на ведущей и ведомой кромках лопаток.
Вторые снижают скорость и давление газа, что повышает эффективность преобразования энергии. В реактивных турбинах обеспечивается снижение давления газа поперек поверхностей лопаток за счет их соответствующей формы. Как результат возникает реактивная сила в радиальном направлении. Однако разница в величинах давления газа (высокое – на ведущей кромке лопатки, низкое – на ведомой ее кромке) приводит к увеличению аксиальной нагрузки на ротор турбины.
В конструкции дисковой, или погранично-слоевой, турбины Теслы (патент США US 1,061,206 и патент Великобритании GB 186,082) никаких лопаток нет. На роторе располагаются диски, набранные параллельно друг другу в плотный «пакет».
Как это работает?
Диски в турбине Теслы используются для создания аэродинамического поверхностного адгезионного эффекта (эффекта прилипания) за счет их сопротивления потоку газа между пластинами (дисками). Поэтому турбина Теслы является турбиной трения. В ней передача энергии к валу ротора обеспечивается за счет сопротивления трения потока рабочего тела между дисками (Никола Тесла. Утраченные изобретения. – М., 2009; О. Файг. Никола Тесла. Великие изобретения и открытия. – М., 2014).Газ с большой скоростью поступает в дисковый «пакет» через впускной канал по траектории, касательной (тангенциальной) к его внешнему ребру. Сплошные (без отверстий специальной формы) диски, которыми замыкается «пакет», преобразуют кинетическую энергию газового потока в механическую энергию вращения вала ротора посредством активных и тормозящих сил. По мере уменьшения энергии газового потока он направляется по спирали к центральному выходному каналу, «прилипает», а тормозящие и центробежные силы продолжают преобразовывать кинетическую энергию газового потока в энергию вращательного движения вала ротора.
Возможности
Механизм преобразования энергии в погранично-слоевых турбинах весьма эффективен даже у одноступенчатых конструкций. Весомым же показателем, по которому лопаточные турбины превосходят дисковые турбины Теслы, является удельная мощность на единицу массы. Однако этот недостаток, наверное, может быть устранен за счет улучшений в конструкции турбины Теслы.Турбина Теслы может быть изготовлена из простых сортаментных материалов – листовой стали, труб, круглых и квадратных балок. Это принципиально позволяет организовать крупносерийный выпуск таких тепловых двигателей для ТЭС при низких производственных затратах.
Кроме вышеперечисленного, турбина Теслы может стать одним из тепловых двигателей, который будет способствовать решению такой мировой проблемы, как «устойчивое развитие», то есть достижение глобального прогресса без загрязнения окружающей среды. Один из путей решения данной проблемы состоит в переходе от централизованного снабжения потребителей электрической и тепловой энергией к децентрализованному, выгодному потребителям. Самостоятельная выработка энергии на месте ее потребления принципиально может быть реализована с использованием паровых либо газовых турбин Теслы. При этом следует отметить, что Никола Тесла для своих турбин разработал и конструкцию оригинального клапана (патент США US 1,329,559).
Если говорить о децентрализованной выработке электрической и тепловой энергии, то наиболее подходящими объектами генерации, на которых могут быть применены турбины Теслы, являются паровые конденсационные мини-ТЭС и когенерационные энергетические установки (мини-ТЭЦ). Разумеется, что внедрению турбин Теслы должны предшествовать обстоятельные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы. Пока же в большинстве своем такие тепловые двигатели разрабатываются, строятся и исследуются силами многочисленных энтузиастов как в нашей стране, так и за рубежом.
Перспективы
При создании и внедрении технических объектов, необычных для сегодняшнего профессионального сообщества, важно понимать, что первые проекты необходимо разрабатывать для малых энергетических установок. Как вариант можно рассматривать создание комбинированной ТЭС с первичным двигателем традиционной конструкции (например, с газопоршневым двигателем мощностью в несколько мегаватт) и турбиной Теслы (к примеру, в паровом варианте для работы от парового котла-утилизатора выхлопных газов газопоршневого двигателя).Другой путь – разработка и последующая реализация пилотных проектов микромощных ТЭС, то есть с электрическими мощностями до 100 кВт. Такие энергетические установки могут найти применение, например, в дачных и деревенских хозяйствах. Дешевизна и простота турбин Теслы в эксплуатации делает их очень привлекательным тепловым двигателем именно в сельской местности, где всегда есть проблемы с ремонтом энергетического оборудования в части квалификации обслуживающего персонала, которого может не быть вообще.
Нельзя исключать и вариант создания автономной паровой мини-ТЭЦ с турбиной Теслы для снабжения электрической энергией небольшой группы потребителей через однопроводную резонансную линию электропередачи. Ее варианты тоже являются развитием научного наследия Николы Теслы, многократно запатентованы в нашей стране и продолжают разрабатываться во Всероссийском научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) под научным руководством академика РАН Дмитрия Семеновича Стребкова (Д. С. Стребков, А. И. Некрасов. Резонансные методы передачи и применения электрической энергии / Под ред. Д. С. Стребкова. – 4?е изд., перераб. и доп. – М., 2013). Снабжение потребителей теплом и, при необходимости, холодом от такой мини-ТЭЦ принципиально возможно предусмотреть по непротяженным тепловым сетям. Для аккумулирования электрической и тепловой энергии целесообразно использовать соответствующие накопительные установки.
Таким образом, технология преобразования энергии в таком тепловом двигателе, как турбина Теслы, не нашедшая применения в прошлом, может быть по?новому реализована на современном этапе развития техники и производства. Сегодня существуют и успешно применяются уникальные технологии компьютерного трехмерного моделирования с последующим численным моделированием физических процессов, происходящих в будущем изделии. Сто лет назад такое невозможно было себе представить. При проектировании турбин Теслы с применением САПР этот процесс будет более продуктивным.
Комментариев нет:
Отправить комментарий