Turbine Tesla - turbine sans pales

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. Un des souhaits d'application de Tesla pour cette turbine était l'énergie géothermique, qui est décrite dans "On Future Motive Power".

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 très robuste.

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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 extrémités, 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 virtuellement 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 un mélange 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 turbine de Tesla efficace nécessite un faible espacement entre les disques. Par exemple, un modèle à vapeur doit maintenir un écart inter-disque de 0,4 mm. Les disques doivent être les plus lisses possibles pour minimiser la surface et les pertes. Les disques doivent également être les plus fins possibles, 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 de fournir des disques d'une qualité et d'une rigidité suffisante.

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 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 ; 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.

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, beaucoup 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, 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.

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 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 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'une conception unique peut être utilisé efficacement pour divers carburants et fluides est incorrecte.[réf. souhaitée]
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 60 et 65% (Données Siemens). Des études complémentaires, notamment des diagrammes HS (enthalpie entropie) seraient nécessaires pour une caractérisation paramétrique de la turbine.

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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 très élevée du rotor (par opposition à l'efficacité globale du dispositif) 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 très élevé, et dépasser 95%. Cependant, pour atteindre une efficacité de rotor élevée, le débit doit être faible ce qui signifie que l'efficacité élevée du rotor est obtenue détrimentalement par l'augmentation du nombre de disques et donc une taille plus importante du dispositif." [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