توربين تسلا

تربينة تسلا هي تربينة مركزية السريان خالية من الريش، اخترعت بواسطة نيكولا تسلا في 1913. تعرف أيضا تربينة تسلا بتربينة الطبقة الحدية و التربينة المتماسكة و تربينة طبقة براندتل (نسبة إلى لدويج براندتل) لأنها تستخدم تأثير الطبقة الحدية و ليس إرتطام المائع بالريش كما في التربينة التقليدية.

و لقد أشار إليها باحثون الهندسة الحيوية على أنها مضخة طرد مركزي متعددة الأقراص الدوارة.
 
و تعتبر الطاقة الحرارية الجوفية الموصوفة في "قوتنا المحركة المستقبلية" -أحد كتابات تسلا- أحد الأسباب الدافعة لتسلا لتنفيذ هذه التربينة.

مضخة

يمكن استخدام نفس الجهاز كمضخة، إن تم استخدام نفس الأقراص الدوارة وغلاف بشكل منحني (عكس الشكل الدائري المستخدم للتوربين). عند إجراء هذا التعديل يتم توصيل محرك بالعمود الدوار لإدارة المضخة. يدخل المائع بالقرب من المركز، تزداد طاقته نتيجة تحويل الطاقة الميكانيكة للأقراص إليه، ثم يخرج من محيط المضخة. 
لا تستخدم تربينة تسلا الإحتكاك بالمعنى التقليدي، لكنها تتجنبه، و تستخدم بدلا من ذلك قوة التماسك (تأثير كواندا) و اللزوجة. كما تستخدم تأثير الطبقة الحدية على ريش القرص الدوار.
في البداية اقترحت الأقراص الدوارة الناعمة و لكنها أعطت عزم دوران قليل لبداية التشغيل، ثم اكتشف تسلا أن استخدام أقراص دوارة ناعمة مع حلقات معدنية صغيرة في 12-24 موضع مختلف حول قرص 10 بوصة، و حلقة أخرى مع 6-12 حلقة معدنية أظهر تحسنا ملحوظا في عزم بداية التشغيل، لكن بدون تأثير على الكفاءة.

التطبيقات

نصت براءة إختراعتسلا أن هذا الجهاز اخترع لإستخدام الموائع كمواد محركة، للتمييز عن الاستخدام للدفع أو لضغط الموائع (برغم أن الجهاز يمن إستخدامه لهذه الأغراض). اعتبارا من عام 2006 ، لم تكن تربينة تسلا واسعة الإنتشار تجاريا منذ إختراعها، ومع ذلك كانت مضخة تسلا متاحة تجاريا منذ عام 1982
 و استخدمت لضخ الموائع اللزجة و الحساسة لإجهاد القص و المحتوية على مواد صلبة و أي موائع  من الصعب ضخها بالمضخات الأخرى. 
لم يحصل تسلا نفسه على عقد كبير للإنتاج، حيث كما ذكرنا من قبل، كان العيب الرئيسي في زمنه، فقر المعرفة بتكنولوجيا المعادن و خصائصها و تصرفاتها عند درجات الحرارة المرتفعة. 
و اليوم لا تستطيع أفضل تكنولوجيا المعادن أن تمنع أقراص التربينة من التحرك أو التشوه بشكل غير مقبول أثناء التشغيل.
في عام 2003، حصل سكوت أوهيرين على براءة إختراع لنظام التربينة النصف قطرية ذات الريش.  استخدم هذا النظام مزيج من مفاهيم السطح الأملس للقرص الدوار لمائع تشغيل لا إحتكاكي عند التلامس و إسقاط الريش محوريا بشكل مستعرض لوجوه القرص الدوار.
اليوم، أجريت العديد من تجارب الهواه في هذا المجال بإستخدام توربينات تسلا التي تستخدم الهواء المضغوط، أو البخار كمصدر لطاقتها (يتم توليد البخار عن طريق الحرارة المتولدة من حرق الوقود، من شاحن توربيني لعربة أو من الإشعاع الشمسي).
تم حل مشكلة تشوه الأقراص الدواره،، جزئيا عن طريق استخدام بعض المواد الجديدة مثل ألياف الكربون. على سبيل المثال كل من طائر الفينيق للملاحة و الإرشاد , و إل إل سي العالمية للطاقة و التربينات، استخدموا أقراص دواره مصنوعه من ألياف الكربون في تصاميمهم لتربينة تسلا.
تطبيق آخر مقترح للجهاز هو استخدامه كمضخة نفايات، في المصانع و المطاحن، حيث تنسد المضخات التوربينة العادية.
و لقد أسفرت تطبيقات تربينة تسلا عن نتائج واعدة كمضخة طرد مركزيللدم متعددة الأقراص.

كما استمرت البحوث الهندسية الطبية الحيوية على مثل هذه التطبيقات في القرن الواحد و عشرين.
في عام 2010, صدرت براءة الإختراع رقم 7695242 في الولايات المتحدة لهوارد فولر، لتربينة رياح أسست بناء على تصميم تسلا.

الكفاءة و العمليات الحسابية

في زمن تسلا، كانت كفاءة التوربينات التقليدية منخفضة حيث لم تكن متوافرة آنذاك نظرية الديناميكا الهوائية اللازمة لتصميم ريش فعالة إضافة لانخفاض جودة المواد المتاحة لتصنيع هذه الريش مما يضع حدود صارمة لسرعات التشغيل و درجات الحرارة.
ترتبط كفاءة التربينة التقليدية بفرق الضغط بين مدخل و مخرج التربينة، و حيث أن تربينة تسلا كان يمكنها أن تعمل عند درجات حرارة مرتفعة للغازات أكبر من التوربينات التقليدية ذات الريش فإن ذلك يمكن أن يؤدي لكفاءة أكبر لها.
مع مرور الوقت، أصبحت التوربينات المحورية المنافسة للأنواع الأخرى أكثر كفاءة و قدرة بشكل درامي، كما ظهرت مجموعة ثانية من تروس التخفيض في السفن المتطورة و الحديثة للأسطول الأمريكي عام 1930.

أيضا أدت التحسينات في تكنولوجيا البخار إلى إعطاء حاملات الطائرات الأمريكية ميزة السرعة عن حاملات طائرات الحلفاء و الأعداء، و لذلك أصبحت التربينة المحورية الخيار المفضل للدفع حتى حدوث الحظر النفطي عام 1973.

أدت أزمة النفط إلى لجوء غالبية السفن المدنية الجديدة إلى محركات الديزل بدلا من التوربينات البخارية، كما لم تتجاوز كفاءةالتوربينات المحورية 50% آنذاك، و لذلك اختارت السفن المدنية استخدام محركات الديزل نظرا لكفاءتها العالية. 
بمرور الوقت أصبح عمر تربينة تسلا الكفؤ نسبيا يتجاوز 60 عاما.

حاولت تربينة تسلا تلاشي العيوب الرئيسية للتربينة المحورية ذات الريش ، حتى أن التقديرات المنخفضة لكفائتها مازالت أفضل من كفاءة التوربينات البخارية المحورية الموجودة اليوم. و مع ذلك، فإنه في الاختبارات الفعلية، كانت كفاءة التمدد لتربينة تسلا أقل من التوربينات البخارية و أقل من المحركات البخارية أيضا.
لتربينة تسلا أيضا بعض المشاكل، مثل مفاقيد اجهاد القص و قيود السريان، لكن هذا يمكن التغاضي عنه بسبب الانخفاض النسبي في وزن و حجم التربينة.
و تكمن بعض من مميزات تربينة تسلا في التطبيقات ذات معدل السريان المنخفض نسبيا، أو في التطبيقات الصغيرة.
يجب أن تكون أقراص التربينة قليلة السمك بقدر ما يمكن عند الحواف، لتجنب اضطراب سريان المائع عند الخروج. و هذا يفسر الحاجة إلى زيادة عدد أقراص التربينة بزيادة معدل سريان المائع.
تتحقق أقصى كفاءة في هذا النظام عندما تكون المسافة الداخلية الفاصلة بين الأقراص مساوية لسُمك الطبقة الحدية، و حيث أن سُمك الطبقة الحدية يعتمد على الضغط و اللزوجة، فإن الإدعاء بأن تصميما واحدا يُمكن أن يعمل بكفاءة مع أنواع مختلفة من الوقود و الموائع، هو إدعاء غير صحيح.
تختلف تربينة تسلا عن التربينة التقليدية في كيفية انتقال الطاقة إلى العمود الدوار.
وضحت عدة تحليلات أنه يجب أن يبقى معدل سريان المائع بين الأقراص منخفض نسبيا، لكي تتحقق الكفاءة.
و يقال أن كفاءة تربينة تسلا، تنخفض مع زيادة الحِمل. في حالة الحِمل الخفيف، تكون الحركة الدوامية للمائع من المدخل إلى المخرج، دوامة ضيقة تمر بالعديد من الدورات. مع إرتفاع الحِمل، تنخفض الدورات للدوامة، و تصبح الدومة أقصر تدريجيا.
و هذا سيؤدي لزيادة المفاقيد الناتجة عن اجهاد القص، و سيقلل الكفاءة أيضا، لأن الغاز يتلامس مع الأقراص لمسافة أقل.
الكفاءة هي دالة في القدرة الناتجة.  تتحقق الكفاءة المرتفعة مع الأحمال المتوسطة، بينما في حالة الأحمال المرتفعة جدا، فإن الكفاءة تنخفض، نظرا لزيادة الانزلاق في التربينة.
أما في حالة الأحمال المنخفضة جدا، فإنه يتم استخراج جزء بسيط من قدرة التربينة، مما يقلل الكفاءة (إلى صفر نظريا). هذا الأمر لا يقتصر على تربينة تسلا فقط.
تقدر كفاءة تربينة تسلا الغازية بما يزيد عن 60%، و تصل إلى 95% بحد أقصى.
يجب الأخذ في الاعتبار اختلاف كفاءة التربينة  -كفاءة ميكانيكية- عن كفاءة دورة المحرك -كفاءة حرارية- المستخدم للتربينة.
تبلغ كفاءة التوربينات المحورية، التي تعمل اليوم في محطات الطاقة البخارية أو المحركات النفاثة، حوالي 60_70% (بيانات توربينات سيمينز).
و يختلف هذا عن كفاءات دورة المحطة أو المحرك، التي تقع بين 25% و 42% تقريبا، و تكون محدودة بسبب المفاقيد، التي تجعلها تنخفض عن كفاءةدورة كارنوت المثالية.
زعم تسلا أن النسخة البخارية للتربينة، ستحقق كفاءة  حوالي 95%.
أسفرت نتائج الاختبارات الفعلية لتربينة تسلا البخارية في وستنجهاوس عن معدل سريان للبخار يبلغ 38 رطل لكل وحدة قدرة حصانية في الساعة, عند كفاءةللتربينة حوالى 20% تقريبا, بينما تحقق التوربينات التقليدية دائما، كفاءة تزيد عن 50%.
تعتبر الكفاءة الديناميكية الحرارية مقياس لكيفية أداء التربينة بالنسبة للحالة الأيزنتروبية. و تعرف أنها النسبة بين الشغل المثالي إلى الشغل الحقيقي للتربينة.
بشكل عام تعرف كفاءة التربينة  -كفاءة حرارية- على أنها النسبة بين مقدار التغير النظري في المحتوى الحراري (الانثالبي) إلى مقدار التغير الفعلي، لنفس التغير في الضغط.
في عام 1950، سعى وارين ريس إلى إعادة تجارب تسلا، لكنه لم يقم بتلك التجارب المبكرة على مضخة بُنيت بتطابق مع تصميم تسلا.

كان الهواء هو مائع التشغيل لنظام وارين رايس أحادي المرحلة. بلغت الكفاءة الكلية  36-41%  للمرحلة الواحدة في التقارير المبكرة المنشورة عن توربينات اختبار رايس.
و يعتقد أن التربينة كانت لتحقق كفاءة أكبر إذا صممت مثل التصميم الأصلي الذي وضعه تسلا.
أجرى رايس في عمله النهائي مع توربينات تسلا، قبل تقاعده، تحليل كبير للمتغيرات في تجربة نموذج سريان رقائقي في تربينة متعددة الأقراص.
و في عام 1991 نُشرت أوراق عن كفاءة العضو الدوار (على نقيض الكفاءة الكلية للألة) كان عنوانها "ألة تسلا االتوربينية".
جاء في هذه الأوراق:

تصل كفاءة التوربينات الحديثة متعددة المراحل ذات الريش إلى 60-70%، بينما تحقق التوربينات البخارية الكبيرة كفاءة تتجاوز 90% عمليا.  و من المتوقع ان يحقق العضو الدوار حلزوني الشكل -العضو الدوار للمضخة- المتطابق مع ألات تسلا ذات حجم مناسب، كفاءة في حدود 60-70% مع الموائع الشائعة مثل البخار و الغاز و الماء.