Turbina di Tesla

tipo di turbina a vapore

La Turbina di Tesla è una turbina senza palette, inventata da Nikola Tesla nel 1913. Per funzionare la turbina sfrutta uno degli effetti dello strato limite quale quello di rallentare un fluido che scorra in prossimità di una superficie. Tale rallentamento porta ad una riduzione della energia cinetica del fluido, cedendola alla superficie stessa, se la superficie ha forma di un disco, questi sarà indotto a trasformare l'energia cinetica in energia di rotazione e quindi, intermini meccani, ad una coppia motrice.
La turbina di Tesla è anche detta: Turbina a strato limite (boundary layer turbine) oppure Turbina a coesione (cohesion-type turbine) o anche Turbina a strato di Prandtl (Prandtl layer turbine). Uno dei campi di applicazione per il quale Tesla aveva ideato questo tipo di turbina era lo sfruttamento dell'energia geotermica come descritto in Our Future Motive Power[1].

Descrizione

 
Disegno del brevetto originale della turbina senza palette

La turbina Tesla consiste di una serie di dischi perfettamente lisci, attraversati da un fluido che viene immesso da degli ugelli posti tangenzialmente sul bordo. Il fluido causa la sua viscosità, tende ad aderire alla superficie trasmettendo, ai dischi, una parte della propria energia cinetica, tale cessione di energia porta da un lato alla produzione di una coppia meccanica da parte dei dischi e dell'altro ad un rallentamento del fluido, il quale tenderà a compiere una traiettoria a spirale fin verso il centro dei dischi ove è posto lo scarico.

Il fatto che il rotore sia costituito solo da dischi, fa si che questi sia estremamente robusto e semplice da costruire. In oltre, il principio utilizzato è simile a quello di una turbina idraulica, non deve quindi sottostare alle leggi termodinamiche relative al rendimento di una macchina termica (ciclo di Carnot). La turbina di Tesla può funzionare indifferentemente sia con fluidi caldi che freddi in quanto la componente di energia utilizzata non è termica, ma cinetica.
Questo fa si che è importante, per una turbina di Tesla, progettare in modo attento il canale di imbocco del fluido all'interno del carter che contiene i dischi della turbina. Tale imbocco, costituito da un ugello, deve permettere la trasformazione, con minime perdite, dell'energia potenziale del fluido in energia cinetica.

Tesla affermava che la turbina da lui progetta era molto efficiente, fino al 92%, e che poteva essere mossa anche da vapore misto a liquido, per il suo funzionamento su di un impianto a vapore, non richiedeva particolari trasformazioni tecnologiche e quindi era possibile utilizzarla come aggiornamento tecnologico di un impianto preesistente. Comunque Tesla riconosceva che le migliori performance si ottenevano con impianti progettati allo scopo.

Questa turbina può essere applicata con successo ad impianti con condensatori operanti ad alto vuoto, in quanto, a causa della grande espansione, la temperatura dei fluidi, all'uscita della turbina, risulta sufficientemente bassa per l'immissione diretta nel condensatore, giustificano la maggiore complessità costruttiva di tali impianti.

Costruzione del rotore

Il rotore è costituito da una serie distanziata di dischi, forati al centro in modo da permettere la fuoriuscita dei gas, montati su di un albero a sua volta montato su cuscinetti oppure bronzine.

Non è assolutamente necessario che il diametro esterno dei dischi sia uguale al diametro interno del carter che li contiene, perciò può essere sensibilmente inferiore, tale da permettere a questi una certa possibilità di dilatazione. Tutto questo fa si che la costruzione del dispositivo sia semplice e con tolleranze limitate, permettendone una facile realizzazione in serie.

La turbina di Tesla, come del resto le turbine a palette utilizzate per la produzione di energia da vapore, genera una elevatissima velocità di rotazione, ma di contro una coppia moderata. La coppia si può incrementare aumentando il numero di piatti e il loro diametro, questo fa si che una turbina di Tesla efficiente risente pesantemente, come del resto le turbine a palette, delle dimensioni costruttive.

L'efficienza della turbina di Tesla può dipende da vari parametri quali:

  • Il diametro del rotore.
  • Lo spazio tra le superfici dei dischi che costituiscono il rotore.
    Ad esempio, per il vapore, è necessaria una spaziatura di circa 0,4 mm, è bene poi che i dischi abbiano uno spessore minimo, questo ovviamente può essere un problema per dischi grandi funzionanti ad elevate velocità di rotazione. In effetti la prevenzione della possibilità di innesco di oscillazioni nei dischi è uno dei maggiori problemi di tale turbina.
    Tanto che proprio questa difficoltà, si pensa, sia stata la causa del fallimento commerciale di tale invenzione. Comunque, proprio in questi ultimi anni, con le nuove tecnologie spesso derivate dai turbogetti, è possibile realizzare dischi sottili e rigidi con una buona finitura superficiale, tutti elementi che possono concorrere a massimalizare l'efficienza del dispositivo.
  • Rifinitura superficiale della superficie dei dischi
    Anche se può sembrare un controsenso, ma una superficie scabra, può generare vortici che riducono l'efficienza della turbina, quindi è importante che questi siano realizzati con superfici ottimamente rifinite.
  • La dimensione e geometria della luce di scarico.

Utilizzazione come pompa

È possibile utilizzare la turbina di Tesla come pompa, in questo caso l'albero deve essere mosso per mezzo di un motore ad alta velocità. Per effetto Coanda il gas, fatto entrare dal centro, viene via via trascinato dai dischi in rotazione, facendo una traiettoria a spirale, in modo che parte dell'energia di rotazione dei dischi venga trasmessa al gas, il quale verrà poi espulso dall'orifizio esterno.

Note

  1. ^ Nikola Tesla, Our Future Motive Power

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