Pedeorelha | Cómo funciona la turbina Tesla

Peter Tucker
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Un niño observa un barco controlado por radio en la ciudad de Smiljan, Croacia, la ciudad natal de Nikola Tesla. Cerca se encuentra una turbina de rueda hidráulica sin cuchillas del diseño de Tesla. El mismo principio impulsa su famoso motor de turbina. Hrvoje Polan / AFP / Getty Images

La mayoría de la gente conoce a Nikola Tesla, el excéntrico y brillante hombre que llegó a la ciudad de Nueva York en 1884, como el padre de la corriente alterna, la forma de electricidad que suministra energía a casi todos los hogares y negocios. Pero Tesla fue un inventor prodigioso que aplicó su genio a una amplia gama de problemas prácticos. En total, tenía 272 patentes en 25 países, con 112 patentes solo en los Estados Unidos. Podrías pensar que, de todo este trabajo, Tesla habría tenido sus inventos en ingeniería eléctrica, aquellos que describían un sistema completo de generadores, transformadores, líneas de transmisión, motor e iluminación, más queridos en su corazón. Pero en 1913, Tesla recibió una patente por lo que describió como su invención más importante. Ese invento fue una turbina, conocida hoy como la turbina de Tesla, la turbina de capa límite o la turbina de disco plano..

Curiosamente, usar la palabra "turbina" para describir el invento de Tesla parece un poco engañoso. Eso se debe a que la mayoría de la gente piensa en una turbina como un eje con aspas, como aspas de ventilador, unidas a ella. De hecho, el diccionario Webster define una turbina como un motor accionado por la fuerza del gas o del agua en las aspas del ventilador. Pero la turbina Tesla no tiene palas. Tiene una serie de discos paralelos muy compactos unidos a un eje y dispuestos dentro de una cámara sellada. Cuando se permite que un fluido ingrese a la cámara y pase entre los discos, los discos giran, lo que a su vez hace girar el eje. Este movimiento rotatorio se puede utilizar de diversas formas, desde accionar bombas, sopladores y compresores hasta hacer funcionar automóviles y aviones. De hecho, Tesla afirmó que la turbina era el motor rotativo más eficiente y de diseño más simple jamás diseñado..

Si esto es cierto, ¿por qué la turbina Tesla no ha disfrutado de un uso más generalizado? ¿Por qué no se ha vuelto tan omnipresente como la otra obra maestra de Tesla, la transmisión de energía CA? Estas son preguntas importantes, pero son secundarias a preguntas más fundamentales, como ¿cómo funciona la turbina Tesla y qué hace que la tecnología sea tan innovadora? Responderemos a todas estas preguntas en las próximas páginas. Pero primero, debemos revisar algunos conceptos básicos sobre los diferentes tipos de motores desarrollados a lo largo de los años. En la página siguiente, tendremos una mejor idea del problema específico que Tesla esperaba resolver con su nuevo invento..

Contenido

El motor de turbina de Tesla
Partes de la turbina Tesla
Operación de la turbina Tesla
Barreras para la comercialización de turbinas Tesla
El futuro de la turbina Tesla

Las turbinas eólicas, como estas en Palm Springs, California, son ejemplos de otras turbinas que se utilizan para generar electricidad. A diferencia del modelo de Tesla, estas son turbinas de palas. Imágenes de David McNew / Getty

El trabajo de cualquier motor es convertir la energía de una fuente de combustible en energía mecánica. Ya sea que la fuente natural sea aire, agua en movimiento, carbón o petróleo, la energía de entrada es un fluido. Y por fluido nos referimos a algo muy específico: es cualquier sustancia que fluye bajo una tensión aplicada. Por tanto, tanto los gases como los líquidos son fluidos, que pueden ejemplificarse con el agua. En lo que respecta a un ingeniero, el agua líquida y el agua gaseosa, o vapor, funcionan como un fluido..

A principios del siglo XX, eran comunes dos tipos de motores: turbinas de palas, impulsadas por agua en movimiento o vapor generado a partir de agua caliente, y motores de pistón, impulsados por gases producidos durante la combustión de gasolina. El primero es un tipo de motor rotativo, el segundo un tipo de motor alternativo. Ambos tipos de motores eran máquinas complicadas que eran difíciles de construir y llevaban mucho tiempo..

Considere un pistón como ejemplo. Un pistón es una pieza cilíndrica de metal que se mueve hacia arriba y hacia abajo, generalmente dentro de otro cilindro. Además de los pistones y cilindros en sí, otras partes del motor incluyen válvulas, levas, cojinetes, juntas y anillos. Cada una de estas partes representa una oportunidad de fracaso. Y, colectivamente, aumentan el peso y la ineficiencia del motor en su conjunto..

Las turbinas de palas tenían menos partes móviles, pero presentaban sus propios problemas. La mayoría eran enormes piezas de maquinaria con tolerancias muy estrechas. Si no se construye correctamente, las cuchillas podrían romperse o rajarse. De hecho, fue una observación realizada en un astillero que inspiró a Tesla a concebir algo mejor: "Recordé las fanegas de palas rotas que se recogieron de las carcasas de las turbinas del primer barco de vapor equipado con turbinas que cruzó el océano, y me di cuenta la importancia de este [nuevo motor] "[fuente: The New York City Herald Tribune].

El nuevo motor de Tesla era una turbina sin aspas, que aún usaría un fluido como vehículo de energía, pero sería mucho más eficiente para convertir la energía del fluido en movimiento. Contrariamente a la creencia popular, no inventó la turbina sin palas, pero tomó el concepto básico, patentado por primera vez en Europa en 1832, e hizo varias mejoras. Refinó la idea durante casi una década y de hecho recibió tres patentes relacionadas con la máquina:

Número de patente 1.061.142, "Propulsión fluida", presentada el 21 de octubre de 1909 y patentada el 6 de mayo de 1913.
Número de patente 1.061.206, "Turbina", presentada el 17 de enero de 1911 y patentada el 6 de mayo de 1913.
Patente número 1.329.559, "Conducto valvular", presentada el 21 de febrero de 1916, renovada el 18 de julio de 1919 y patentada el 3 de febrero de 1920.

En la primera patente, Tesla presentó su diseño básico sin cuchillas configurado como bomba o compresor. En la segunda patente, Tesla modificó el diseño básico para que funcionara como turbina. Y finalmente, con la tercera patente, realizó los cambios necesarios para operar la turbina como motor de combustión interna..

El diseño fundamental de la máquina es el mismo, independientemente de su configuración. En la siguiente sección, veremos más de cerca ese diseño.

En comparación con un motor de pistón o de vapor, la turbina Tesla es la simplicidad en sí misma. De hecho, Tesla lo describió de esta manera en una entrevista que apareció en el New York Herald Tribune el 15 de octubre de 1911: "Todo lo que uno necesita son algunos discos montados en un eje, espaciados un poco entre sí y revestidos para que el fluido pueda entrar en un punto y salir en otro ". Claramente, esto es una simplificación excesiva, pero no mucho. Echemos un vistazo a las dos partes básicas de la turbina, el rotor y el estator, con mayor detalle..

El rotor

En una turbina tradicional, el rotor es un eje con palas adjuntas. La turbina Tesla elimina las palas y utiliza una serie de discos en su lugar. El tamaño y la cantidad de discos pueden variar según factores relacionados con una aplicación en particular. El papeleo de la patente de Tesla no define un número específico, pero usa una descripción más general, diciendo que el rotor debe contener una "pluralidad" de discos con un "diámetro adecuado". Como veremos más adelante, el propio Tesla experimentó bastante con el tamaño y la cantidad de discos.

Cada disco está hecho con aberturas que rodean el eje. Estas aberturas actúan como puertos de escape a través de los cuales sale el fluido. Para asegurarse de que el fluido pueda pasar libremente entre los discos, se utilizan arandelas metálicas como divisores. Nuevamente, el grosor de una arandela no está rígidamente establecido, aunque los espacios intermedios no suelen exceder de 2 a 3 milímetros..

Una tuerca roscada mantiene los discos en posición en el eje, la pieza final del conjunto del rotor. Debido a que los discos están enchavetados al eje, su rotación se transfiere al eje..

El estator

El conjunto del rotor está alojado dentro de un estator cilíndrico, o la parte estacionaria de la turbina. Para acomodar el rotor, el diámetro de la cámara interior del cilindro debe ser ligeramente mayor que los propios discos del rotor. Cada extremo del estator contiene un cojinete para el eje. El estator también contiene una o dos entradas, en las que se insertan las boquillas. El diseño original de Tesla requería dos entradas, lo que permitía que la turbina funcionara en sentido horario o antihorario..

Este es el diseño básico. Para hacer funcionar la turbina, un fluido a alta presión ingresa a las boquillas en las entradas del estator. El fluido pasa entre los discos del rotor y hace que el rotor gire. Finalmente, el fluido sale a través de los puertos de escape en el centro de la turbina..

Una de las mejores cosas de la turbina Tesla es su simplicidad. Puede construirse con materiales fácilmente disponibles y no es necesario controlar con precisión el espacio entre los discos. De hecho, es tan fácil de construir que varias revistas convencionales han incluido instrucciones de montaje completas utilizando materiales domésticos. La edición de septiembre de 1955 de Popular Science presentó un plan paso a paso para construir un soplador con un diseño de turbina Tesla hecho de cartón.!

Pero, ¿exactamente cómo genera una serie de discos el movimiento giratorio que esperamos de una turbina? Esa es la pregunta que cubriremos en la siguiente sección..

Quizás se pregunte cómo la energía de un fluido puede hacer que gire un disco de metal. Después de todo, si un disco es perfectamente liso y no tiene palas, paletas o cubos para "atrapar" el fluido, la lógica sugiere que el fluido simplemente fluirá sobre el disco, dejando el disco inmóvil. Esto, por supuesto, no es lo que sucede. El rotor de una turbina Tesla no solo gira, sino que gira rápidamente..

-La razón por la que se puede encontrar en dos propiedades fundamentales de todos los fluidos: adherencia y viscosidad. La adhesión es la tendencia de moléculas diferentes a adherirse debido a fuerzas de atracción. La viscosidad es la resistencia de una sustancia a fluir. Estas dos propiedades trabajan juntas en la turbina Tesla para transferir energía del fluido al rotor o viceversa. Así es cómo:

A medida que el fluido pasa por cada disco, las fuerzas adhesivas hacen que las moléculas de fluido que se encuentran justo encima de la superficie del metal se ralenticen y se peguen..
Las moléculas justo por encima de las de la superficie se ralentizan cuando chocan con las moléculas que se adhieren a la superficie..
Estas moléculas, a su vez, ralentizan el flujo justo encima de ellas..
Cuanto más se aleja uno de la superficie, menos colisiones se ven afectadas por la superficie del objeto..
Al mismo tiempo, las fuerzas viscosas hacen que las moléculas del fluido resistan la separación..
Esto genera una fuerza de tracción que se transmite al disco, lo que hace que el disco se mueva en la dirección del fluido..

La capa delgada de fluido que interactúa con la superficie del disco de esta manera se llama capa límite, y la interacción del fluido con la superficie sólida se llama efecto de capa límite. Como resultado de este efecto, el fluido propulsor sigue una trayectoria en espiral rápidamente acelerada a lo largo de las caras del disco hasta que alcanza una salida adecuada. Debido a que el fluido se mueve en trayectorias naturales de menor resistencia, libre de las limitaciones y fuerzas disruptivas causadas por las paletas o palas, experimenta cambios graduales de velocidad y dirección. Esto significa que se entrega más energía a la turbina. De hecho, Tesla reclamó una eficiencia de turbina del 95 por ciento, mucho más alta que otras turbinas de la época..

Pero como veremos en la siguiente sección, la eficiencia teórica de la turbina Tesla no se ha realizado tan fácilmente en los modelos de producción..

La capa límite: es una verdadera resistencia

El efecto de capa límite también explica cómo se crea el arrastre en el ala de un avión. El aire que se mueve sobre el ala se comporta como un fluido, lo que significa que las moléculas de aire poseen fuerzas adhesivas y viscosas. A medida que el aire se adhiere a la superficie del ala, produce una fuerza que resiste el movimiento de avance del avión..

Nikola Tesla Mansell / Time Life Pictures / Getty Images

Tesla, así como muchos científicos e industriales contemporáneos, creían que su nueva turbina era revolucionaria basándose en una serie de atributos. Era pequeño y fácil de fabricar. Solo tenía una parte móvil. Y fue reversible.

Para demostrar estos beneficios, Tesla hizo construir varias máquinas. Juilus C. Czito, el hijo del maquinista de Tesla durante mucho tiempo, construyó varias versiones. El primero, construido en 1906, incluía ocho discos, cada uno de seis pulgadas (15,2 centímetros) de diámetro. La máquina pesaba menos de 10 libras (4,5 kilogramos) y desarrollaba 30 caballos de fuerza. También reveló una deficiencia que dificultaría el desarrollo continuo de la máquina. El rotor alcanzó velocidades tan altas, 35.000 revoluciones por minuto (rpm), que los discos de metal se estiraron considerablemente, lo que obstaculizó la eficiencia..

En 1910, Czito y Tesla construyeron un modelo más grande con discos de 30,5 centímetros (12 pulgadas) de diámetro. Giró a 10,000 rpm y desarrolló 100 caballos de fuerza. Luego, en 1911, la pareja construyó un modelo con discos de 9,75 pulgadas (24,8 centímetros) de diámetro. Esto redujo la velocidad a 9,000 rpm pero aumentó la potencia de salida a 110 caballos de fuerza..

Fortalecido por estos éxitos a pequeña escala, Tesla construyó una unidad doble más grande, que planeaba probar con vapor en la central eléctrica principal de la New York Edison Company. Cada turbina tenía un rotor con discos de 18 pulgadas (45,7 centímetros) de diámetro. Las dos turbinas se colocaron en línea sobre una sola base. Durante la prueba, Tesla pudo alcanzar 9.000 rpm y generar 200 caballos de fuerza. Sin embargo, algunos ingenieros presentes en la prueba, leales a Edison, afirmaron que la turbina era una falla debido a un malentendido sobre cómo medir el torque en la nueva máquina. Esta mala prensa, combinada con el hecho de que las principales empresas eléctricas ya habían invertido mucho en turbinas de palas, dificultó que Tesla atrajera inversores..

En el último intento de Tesla de comercializar su invento, persuadió a la Allis-Chalmers Manufacturing Company en Milwaukee para que construyera tres turbinas. Dos tenían 20 discos de 18 pulgadas de diámetro y desarrollaron velocidades de 12.000 y 10.000 rpm respectivamente. El tercero tenía 15 discos de 60 pulgadas (1,5 metros) de diámetro y estaba diseñado para funcionar a 3.600 rpm, generando 675 caballos de fuerza. Durante las pruebas, los ingenieros de Allis-Chalmers se preocuparon tanto por la eficiencia mecánica de las turbinas como por su capacidad para soportar un uso prolongado. Descubrieron que los discos se habían distorsionado en gran medida y concluyeron que la turbina eventualmente habría fallado..

Incluso en la década de 1970, los investigadores tuvieron dificultades para replicar los resultados informados por Tesla. Warren Rice, profesor de ingeniería en la Universidad Estatal de Arizona, creó una versión de la turbina Tesla que operaba con una eficiencia del 41 por ciento. Algunos argumentaron que el modelo de Rice se desvió de las especificaciones exactas de Tesla. Pero Rice, un experto en dinámica de fluidos y la turbina de Tesla, realizó una revisión de la literatura de la investigación hasta la década de 1990 y descubrió que ninguna versión moderna del invento de Tesla excedía el 30 o el 40 por ciento de eficiencia..

Esto, más que nada, evitó que la turbina Tesla se usara más ampliamente..

Como dijo claramente la Oficina de Investigación Naval en Washington, DC: "La turbina Parsons ha existido durante mucho tiempo con industrias enteras construidas a su alrededor y apoyándola. Si la turbina Tesla no es un orden de magnitud superior, entonces gastar dinero en el agujero de la rata porque la industria no se va a revertir tan fácilmente ... "[fuente: Cheney].

Entonces, ¿dónde deja eso la turbina de Tesla hoy? Como veremos en la siguiente sección, los ingenieros y diseñadores de automóviles vuelven a centrar su atención en esta tecnología centenaria..

Tesla siempre fue un visionario. No veía su turbina sin cuchillas como un fin en sí mismo, sino como un medio para un fin.. Su objetivo final era reemplazar el motor de combustión de pistón por un motor mucho más eficiente y confiable basado en su tecnología.. Los motores de combustión de pistón más eficientes no superaron el 27 al 28 por ciento de eficiencia en su conversión de combustible en trabajo.. Incluso con tasas de eficiencia del 40 por ciento, Tesla vio su turbina como una mejora. Incluso diseñó, en papel, un automóvil de turbina, que afirmó que sería tan eficiente que podría atravesar los Estados Unidos con un solo tanque de gasolina..

Tesla nunca vio el automóvil producido, pero podría estar satisfecho hoy de ver que su revolucionaria turbina finalmente se está incorporando a una nueva generación de vehículos más limpios y eficientes. Una empresa que está haciendo un gran progreso es Phoenix Navigation and Guidance Inc. (PNGinc), ubicada en Munising, Michigan. PNGinc ha combinado la tecnología de turbinas de disco con una cámara de combustión de detonación por pulsos en un motor que, según la compañía, ofrece eficiencias sin precedentes. Hay 29 discos activos, cada uno de 10 pulgadas (25,4 centímetros) de diámetro, intercalados entre dos discos terminales ahusados. El motor genera 18.000 rpm y 130 caballos de fuerza. Para superar las fuerzas centrífugas extremas inherentes a la turbina, PNGinc utiliza una variedad de materiales avanzados, como fibra de carbono, plástico impregnado de titanio y discos reforzados con Kevlar..

Claramente, estos materiales más resistentes y duraderos son fundamentales si la turbina Tesla va a disfrutar de algún éxito comercial. Si los materiales como el Kevlar hubieran estado disponibles durante la vida de Tesla, es bastante probable que la turbina hubiera tenido un mayor uso. Pero como sucedía a menudo con el trabajo del inventor, la turbina Tesla era una máquina muy adelantada a su tiempo..

Para obtener más información sobre Tesla, la electricidad y temas relacionados, pase como un rayo a la página siguiente.

Coche eléctrico de Nikola Tesla

Aunque Tesla nunca probó su turbina en un automóvil, según algunos relatos, desarrolló un automóvil eléctrico en 1931. El automóvil era un Pierce-Arrow, que había sido configurado con un motor eléctrico de 80 caballos de fuerza y 1.800 rpm en lugar de uno. motor de gasolina. Según la historia, Tesla ensambló una misteriosa caja negra que contenía tubos de vacío, cables y resistencias. Dos varillas sobresalieron de la caja. Cuando las varillas se empujaron dentro de la caja, el automóvil recibió energía. Tesla condujo el automóvil durante una semana, hasta velocidades de 90 millas por hora (145 kilómetros por hora). Desafortunadamente, muchos creían que había aprovechado alguna fuerza desconocida y peligrosa de la naturaleza. Otros lo llamaron loco. Enfurecido, sacó la caja del automóvil, se la llevó a su laboratorio y nunca más se la volvió a ver. Hasta el día de hoy, los principios de funcionamiento fundamentales del coche eléctrico de Tesla siguen siendo un misterio..

Más enlaces geniales

Tesla: maestro del relámpago en PBS
El sitio web del Museo Nikola Tesla
La Fundación Tesla de América del Norte
Asociación de Fabricantes de Motores Tesla
Artículos, patentes y enlaces de turbinas / bombas de disco

Fuentes

Allan, Sterling D. "Turbina Tesla: ¿Motor del siglo XXI?" Noticias de Pure Energy Systems. 14 de abril de 2007. http://pesn.com/Radio/Free_Energy_Now/shows/2007/04/14/9700225_KenReili_TeslaTurbine/
Cheney, Margaret. "Tesla: Hombre fuera del tiempo" Simon & Schuster. Nueva York. 1981.
Artículos, patentes y enlaces de turbinas / bombas de disco http://www.rexresearch.com/teslatur/teslatur.htm
Enciclopedia Británica 2005. "Tesla, Nikola". CD-ROM, 2005.
Gingery, Vincent R., Gingery, David J. "Construcción de la turbina Tesla" David J. Gingery Publishing LLC. Misuri. 2004.
Germano, Frank. "Turbina de disco de Nikola Tesla" http://www.frank.germano.com/teslaturbine2.htm
Hait, John. "El científico genial: la turbina de Tesla". Tribuna de Saipan. 13 de mayo de 2005. http://www.saipantribune.com/newsstory.aspx?cat=9&newsID=47147
Sistemas de energía de turbina láser. http://www.laserturbinepower.com/index.php?option=com_content&task=view&id=3&Itemid=68
"El Touring Car 'Magia Negra' de Nikola Tesla". EV World. http://www.evworld.com/article.cfm?storyid=1062
PBS. "Tesla: Maestro del Rayo". http://www.pbs.org/tesla/
Phoenix Navigation and Guidance Inc. http://www.phoenixnavigation.com/turbines/index.htm
Asociación de constructores de motores Tesla http://www.teslaengine.org/main.html
Libros del siglo XXI http://www.tfcbooks.com/default.htm
Libro del Mundo 2005. "Tesla, Nikola".

Cómo funciona la turbina Tesla

El rotor

El estator

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Fuentes