Turbine de Tesla

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 aussi 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]

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. Puisque le rotor n'a pas d'aspérités, il est particulièrement robuste.

Tesla rédigé :'Cette turbine est un moteur efficace capable de démarrer par lui-même qui peut s'employer comme turbine à vapeur ou à fluide mixte librement, sans modification de sa construction et est particulièrement pratique de par cet aspect. Quelques changements divergeant de ce modèle de turbine, à chaque fois imposés par les circonstances, se proposeront sûrement spontanément, mais le développement suivant ces lignes générales sera sans doute jugé particulièrement rentable par les propriétaires d'une centrale à vapeur tout en donnant la possibilité la réutilisation de leur ancienne installation. Cependant, les meilleurs résultats économiques dans le cadre du développement de l'exploitation de la vapeur par la turbine de Tesla sera obtenue dans des centrales particulièrement adaptées. '

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

Toutes les plaques et les rondelles sont fixées sur un arbre fileté aux extrémités, et équipé d'écrous pour serrer la totalité. 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 par conséquent plus de puissance sont obtenus pour une épaisseur donnée. La torsion est virtuellement éliminée et qui plus est 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 uniquement de la vapeur
• adaptée pour travailler avec des fluides à haute température.

Une turbine de Tesla efficace nécessite un faible espacement entre les disques. A titre d'exemple, un modèle à vapeur doit maintenir un écart inter-disque de 0, 4mm. Les disques doivent être les plus lisses envisageables pour minimiser la surface et les pertes. Les disques doivent aussi être les plus fins envisageables, pour éviter la traînée et les turbulences 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 distorsion des disques a contribué à l'échec commercial de ces turbines, car la technologie métallurgique de l'époque n'était pas capable d'apporter des disques d'une qualité et d'une rigidité suffisante.

Pompe

Si un jeu de disques identiques et un boîtier en forme de volute (et non circulaire comme dans une turbine) sont utilisés, l'appareil peut être employé 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 turbine de Tesla n'utilise pas la friction dans son sens conventionnel ; exactement, 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 ont été initialement proposés, mais ils produisaient un faible couple de démarrage. Tesla a ensuite 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 apportait un progrès significative du couple de démarrage, sans compromettre l'efficacité.

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 utilisé commercialement 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 pouvaient éviter que les disques vibrent et se tordent lors du fonctionnement.

Aujourd'hui, énormément d'expérimentations d'amateurs ont été conduites avec des turbines de Tesla, y compris des turbines à vapeur (utilisant la vapeur produite par une chaudière, ou alors par énergie solaire) ou des turbocompresseurs d'automobile. Une application aujourd'hui 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 respectant les traditions se bloque rapidement. L'entreprise Discflo produit aujourd'hui des pompes à disque pour ces applications.

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 toujours, 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 particulièrement élevées pour atteindre un rendement raisonnable.

Le concept de Tesla contourne les principaux inconvénients de la turbine à pales. Il souffre cependant d'autres problèmes comme les pertes par cisaillement et par limitation de débit. Quelques-uns des avantages de la turbine de Tesla reposent dans des applications à débit assez faible, ou quand de petites puissances sont demandées. Les disques doivent être aussi fins que envisageable sur les bords pour ne pas introduire de turbulence quand 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 dispositif est maximal lorsque 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 est parfois utilisé efficacement pour divers carburants et fluides est incorrecte. ^{[réf.  souhaitée]} Une turbine de Tesla change d'une turbine conventionnelle uniquement par le mécanisme utilisé pour transférer l'énergie à l'arbre. Diverses analyses montrent que le débit entre les disques doit être tenu assez faible pour maintenir le rendement. ^{[réf.  souhaitée]} Le rendement de la turbine de Tesla diminue quand la charge (c'est-à-dire le couple sur l'arbre) augmente. ^{[réf.  souhaitée]} 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 diminué 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 aujourd'hui les centrales thermiques ou les turboréacteurs ont un rendement compris entre 80 et 95%. Des études complémentaires, surtout des diagrammes HS (enthalpie entropie) seraient nécessaires pour une caractérisation paramétrique de la turbine.

Dans les années 50, Warren Rice a essayé de recréer les expériences de Tesla, mais il n'a pas effectué ces essais avec une pompe construite strictement en conformité avec la conception brevetée par Tesla (ce n'était pas, entre autres, une turbine Tesla à étages multiples, et n'avait pas d'injecteur tels que dessinés par Tesla) ^[2]. Son dispositif n'était qu'une seule étape expérimentale qui utilisait l'air comme fluide de fonctionnement. Les turbines de l'essai de Rice, comme il l'a rédigé dans ces premiers rapports, ont eu un rendement global de 36% à 41% pour un et un seul étage ^[3]. Les rendements auraient sans doute été plus élevés si la conception avait suivi celle prévue à l'origine par Tesla.

Dans son travail final sur la turbine de Tesla et édité juste avant sa retraite, Rice a conduit une analyse du volume de l'écoulement laminaire dans des turbines à disques multiples. Un éloge à l'efficacité particulièrement élevée du rotor (par opposition à l'efficacité globale du système) de cette conception, éditée en 1991 dans «Tesla Turbomachinery»^[4]. Cet article énonce : "En utilisant convenablement les résultats analytiques, l'efficacité du rotor entraîné par la couche limite peut être particulièrement élevé, et dépasser 95%. Cependant, pour atteindre une efficacité de rotor élevée, le débit doit être faible ce qui veut dire que l'efficacité élevée du rotor est obtenue détrimentalement par l'augmentation du nombre de disques et par conséquent une taille plus importante du système. " ^[5] Les turbines à pales modernes à étages multiples atteignent une efficacité typique de 60% - 70%. Le rotor à volute correspondant aux machines de type Tesla de taille raisonnable employant des fluides courants (vapeur, gaz, et eau) devraient aussi arriver dans cette gamme (voire plus haut). ^[6]

Notes et références

Voir aussi

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

Liens externes

Brevets 

Tesla

• US1061206 Turbine - New and useful Improvements in Rotary Engines and Turbines
• US1329559 Valvular Conduit - Inclut la turbine de Tesla à gaz
• GB186082 Improvements in the Construction of Steam and Gas Turbines - Forme du rotor
• GB186083 Economic Transformation of the Energy of Steam by Turbines - Dispositif de turbine de Tesla

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". Projet Tesla Wardenclyffe : | | | |
• "Tesla turbine". PBS.

Kits 

• Tesla Engine Builders Association, par Jeff Hayes à Milwaukee (Wisconsin)
• Phœnix Turbine Builders Club, de Ken Rieli à Phœnix (Minnesota)
• Phœnix Navigation & Guidance Inc de Munising (Minnesota)

Couche limite

• Boundary Layer Effect du NACA (National Advisory Committee for Æronautics), un département de la 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". Mondial 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, de l'Uncle Taz Library.
• Tesla Turbine Kit, Turbo-Generator, par OBI Laser Products.
• Tesla Turbine, par Gyroscopes Online
• Gary L. Peterson", Nikola Tesla's Disk Turbing Tomorrow's Gas Engine". Feed Line No. 7, édité par Twenty First Century Books
• Jeff Hayes, "Tesla's Engine — A New Dimension For Power", édité par Twenty First Century Books; Hayes participe aussi à la Tesla Engine Builder's Association déjà citée
• Hayes, Jeffery A., "Boundary-layer breakthrough - the Tesla bladeless turbine", de Zero Point Physics, Vacuum Energy, Scalar Physics, qui affirme que "Toutes les grandes compagnies automobiles travaillent actuellement sur des véhicules à lévitation. "
• Tesla turbine. Par Sterling Allan et Chris Horianopolous, de Greater Things, un site Web de Sterling Allen de Manti (Utah) qui parle de "nouvelles formes d'énergie" ; voir aussi Pure Energy Systems Wiki
• Tesla Turbine Wiki dédié aux turbines de Tesla - pour publier information, projects et expériences, observations, etc.

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