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L'ingegnere fuori dagli schemi Nikola Tesla diede il suo contributo anche nel campo dell'ingegneria meccanica. Ecco una delle sue invenzioni preferite: una turbina senza pale, o turbina di Tesla. La turbina di Tesla aveva un design semplice e unico, eppure era in grado di superare i livelli di efficienza delle turbine a vapore dell’epoca. Le turbine normali hanno un design complesso, con pale dalla geometria complicata e parti statoriche. Nikola Tesla disse che questa turbina era la sua invenzione preferita e arrivò persino ad affermare un livello di efficienza del 97% per questa turbina. Iniziamo oggi un viaggio per comprendere questo interessante pezzo di tecnologia e, verso la fine, verificheremo anche l’affermazione di Tesla sull’efficienza.
Le turbine moderne funzionano secondo il principio del profilo alare. Puoi vedere che il fluido che scorre sopra la sezione trasversale del profilo genera una forza di sollevamento su di esso e fa girare la pala. Tuttavia, per far girare la sua turbina, Nikola Tesla si affidò a un fenomeno totalmente diverso: l'effetto viscoso del fluido sulle superfici solide.
Potresti aver già visto questo effetto. Quando l'acqua scorre sopra una pietra arrotondata, fa muovere la pietra a causa della forza viscosa tra l'acqua e la superficie della pietra. Nikola Tesla ha esteso proprio questa forza per far funzionare la sua turbina. Chissà, forse Tesla ha tratto ispirazione per la sua turbina proprio da questo esempio.
Se produci la forza viscosa tangenzialmente a un disco, questo inizierà a girare. Ecco! Hai prodotto la forma più semplice di turbina Tesla. Tuttavia, questa è una turbina piuttosto inefficiente: qui si perde la maggior parte dell’energia del getto. Rendiamo questo progetto più efficiente e pratico.
Inseriamo questa coppia albero-disco all’interno di un carter. Ora il fluido entra attraverso l’involucro esterno, in modo tangenziale. Al centro della turbina si trova l’uscita per il fluido. Supponiamo che un fluido in ingresso con una pressione leggermente superiore a quella atmosferica entri nell’ugello di ingresso a bassa velocità. Cosa pensi del percorso che questo fluido intraprenderà? Poiché il fluido ha una bassa velocità, la forza viscosa tra il disco e il fluido sarà molto minima e il disco non ruoterà. Il foro di uscita è a pressione atmosferica, il che significa che il fluido avrà una pressione leggermente più alta dell’atmosfera e fluirà naturalmente verso il centro, quasi in linea retta.
Ora, aumentiamo la velocità del fluido e vediamo cosa succede. Qui, poiché il fluido ha una velocità maggiore, l’interazione tra il fluido e la superficie del disco produrrà una forza viscosa sufficiente a far ruotare il disco. Ecco che arriva una svolta interessante. Quando le particelle di fluido stanno ruotando, hanno bisogno di una certa quantità di forza centripeta per mantenere quel moto. Una particella fluida con la stessa velocità richiede più forza centripeta vicino al centro rispetto a più lontano. Per questo motivo, le particelle fluide rotanti tendono ad allontanarsi dal centro. Tuttavia, l’uscita della turbina è al centro, quindi le particelle fluide devono comunque raggiungerla. A causa di questi effetti opposti nel caso rotante, il moto delle particelle sarà curvato come mostrato. Se confronti i raggi della particella A in questi due casi, chiaramente le particelle sul percorso curvo hanno un raggio maggiore.
Ora aumentiamo gradualmente la velocità del fluido. Puoi vedere che la curvatura delle particelle fluide aumenterà ulteriormente e formerà una sorta di spirale. Questo concetto è più chiaro quando si traccia la stessa particella fluida per diverse velocità del disco. Maggiore è la velocità del disco, più la particella si allontana dal centro.
La forma a spirale aumenta l’area di contatto tra le particelle fluide e la superficie del disco, aumentando così la produzione di forza viscosa sul disco. Questo effetto significa anche che più velocemente ruota la turbina, più energia essa estrarrà dal fluido. In altre parole, la turbina di Tesla mostra alta efficienza durante le operazioni ad alta velocità. Per migliorare ulteriormente questo design, dobbiamo comprendere un concetto chiave chiamato “spessore dello strato limite”. Possiamo osservare in questo sistema che le particelle di fluido che sono a stretto contatto con il disco vi aderiscono e formano uno strato stazionario. Lo strato successivo di molecole cerca di trascinare lo strato stazionario nella direzione del flusso. Tuttavia, in questo processo, perdono parte dell’energia a favore delle molecole dello strato stazionario. La stessa cosa accade con gli strati successivi. Questa tendenza delle particelle fluide a resistere al flusso delle altre particelle è nota come “viscosità.” In questo modo, si può osservare chiaramente una variazione di velocità.
Le turbine moderne funzionano secondo il principio del profilo alare. Puoi vedere che il fluido che scorre sopra la sezione trasversale del profilo genera una forza di sollevamento su di esso e fa girare la pala. Tuttavia, per far girare la sua turbina, Nikola Tesla si affidò a un fenomeno totalmente diverso: l'effetto viscoso del fluido sulle superfici solide.
Potresti aver già visto questo effetto. Quando l'acqua scorre sopra una pietra arrotondata, fa muovere la pietra a causa della forza viscosa tra l'acqua e la superficie della pietra. Nikola Tesla ha esteso proprio questa forza per far funzionare la sua turbina. Chissà, forse Tesla ha tratto ispirazione per la sua turbina proprio da questo esempio.
Se produci la forza viscosa tangenzialmente a un disco, questo inizierà a girare. Ecco! Hai prodotto la forma più semplice di turbina Tesla. Tuttavia, questa è una turbina piuttosto inefficiente: qui si perde la maggior parte dell’energia del getto. Rendiamo questo progetto più efficiente e pratico.
Inseriamo questa coppia albero-disco all’interno di un carter. Ora il fluido entra attraverso l’involucro esterno, in modo tangenziale. Al centro della turbina si trova l’uscita per il fluido. Supponiamo che un fluido in ingresso con una pressione leggermente superiore a quella atmosferica entri nell’ugello di ingresso a bassa velocità. Cosa pensi del percorso che questo fluido intraprenderà? Poiché il fluido ha una bassa velocità, la forza viscosa tra il disco e il fluido sarà molto minima e il disco non ruoterà. Il foro di uscita è a pressione atmosferica, il che significa che il fluido avrà una pressione leggermente più alta dell’atmosfera e fluirà naturalmente verso il centro, quasi in linea retta.
Ora, aumentiamo la velocità del fluido e vediamo cosa succede. Qui, poiché il fluido ha una velocità maggiore, l’interazione tra il fluido e la superficie del disco produrrà una forza viscosa sufficiente a far ruotare il disco. Ecco che arriva una svolta interessante. Quando le particelle di fluido stanno ruotando, hanno bisogno di una certa quantità di forza centripeta per mantenere quel moto. Una particella fluida con la stessa velocità richiede più forza centripeta vicino al centro rispetto a più lontano. Per questo motivo, le particelle fluide rotanti tendono ad allontanarsi dal centro. Tuttavia, l’uscita della turbina è al centro, quindi le particelle fluide devono comunque raggiungerla. A causa di questi effetti opposti nel caso rotante, il moto delle particelle sarà curvato come mostrato. Se confronti i raggi della particella A in questi due casi, chiaramente le particelle sul percorso curvo hanno un raggio maggiore.
Ora aumentiamo gradualmente la velocità del fluido. Puoi vedere che la curvatura delle particelle fluide aumenterà ulteriormente e formerà una sorta di spirale. Questo concetto è più chiaro quando si traccia la stessa particella fluida per diverse velocità del disco. Maggiore è la velocità del disco, più la particella si allontana dal centro.
La forma a spirale aumenta l’area di contatto tra le particelle fluide e la superficie del disco, aumentando così la produzione di forza viscosa sul disco. Questo effetto significa anche che più velocemente ruota la turbina, più energia essa estrarrà dal fluido. In altre parole, la turbina di Tesla mostra alta efficienza durante le operazioni ad alta velocità. Per migliorare ulteriormente questo design, dobbiamo comprendere un concetto chiave chiamato “spessore dello strato limite”. Possiamo osservare in questo sistema che le particelle di fluido che sono a stretto contatto con il disco vi aderiscono e formano uno strato stazionario. Lo strato successivo di molecole cerca di trascinare lo strato stazionario nella direzione del flusso. Tuttavia, in questo processo, perdono parte dell’energia a favore delle molecole dello strato stazionario. La stessa cosa accade con gli strati successivi. Questa tendenza delle particelle fluide a resistere al flusso delle altre particelle è nota come “viscosità.” In questo modo, si può osservare chiaramente una variazione di velocità.
La regione entro la quale esiste questa variazione di velocità è chiamata “regione dello strato limite.” Chiaramente, all’interno dello strato limite, uno strato fluido produce una forza di attrito sullo strato adiacente, poiché tra gli strati c’è moto relativo. Tuttavia, al di fuori dello strato limite non si verifica alcun moto relativo tra gli strati, o la forza tra gli strati è nulla.
Per sfruttare questo fenomeno dello strato limite, Nikola Tesla ebbe un’idea unica. Aggiunse due dischi paralleli in più. Ora osserviamo il flusso. Uno strato limite si forma su ogni superficie. Come abbiamo visto in precedenza, le particelle nella regione dello strato limite cercheranno di trascinare o ruotare il rispettivo disco. Tuttavia, si può vedere una regione al di fuori di entrambi gli strati limite dove le particelle fluide scorrono liberamente, senza alcun gradiente di velocità. Questo flusso libero non trasferisce alcuna energia al disco e contribuisce poco alla generazione di coppia. Per rendere la sua turbina più efficiente, Nikola Tesla avvicinò i dischi, mantenendo uno spazio pari a circa il doppio dello strato limite. In questo caso, non si verifica alcun flusso libero. Le due regioni dello strato limite si toccano e possiamo osservare che gli effetti di taglio sono ora dominanti nello spazio tra i dischi. Per il vapore, questa distanza ideale è di 0,4 mm. Utilizzando questo metodo, Tesla migliorò la coppia erogata dalla sua turbina.
Tesla scoprì che aumentando l'area effettiva tra disco e fluido, la turbina poteva produrre più coppia, quindi aggiunse più dischi. Questo modello aveva un diametro di 15 cm.
Tuttavia, questo progetto fallì miseramente. Il problema era che questa turbina avrebbe funzionato a una velocità molto elevata: 35.000 giri al minuto. Nikola Tesla non avrebbe mai pensato che questa turbina avrebbe prodotto un numero di giri così elevato, e la resistenza dei dischi non era sufficiente a resistere all'enorme forza centrifuga prodotta nel materiale, con conseguente espansione del materiale e rottura dei dischi per deformazione. Nikola Tesla non riuscì a trovare alcun materiale in grado di resistere a un numero di giri così elevato in quel momento. Alla fine, dovette ridurre il numero di giri a meno di 10.000 per evitare guasti meccanici ai dischi.
Ora, la domanda cruciale: nonostante le turbine Tesla siano così facili da costruire, perché non vengono utilizzate nelle industrie di produzione di energia? Il motivo è che le moderne turbine a vapore hanno un'efficienza superiore al 90%.
Sappiamo che la turbina Tesla diventa più efficiente all'aumentare della velocità del rotore, ma affinché la turbina Tesla raggiunga un livello di efficienza così elevato, il rotore deve girare a un numero di giri molto elevato, forse 50.000! La sfida principale è che per le applicazioni industriali sono necessari dischi di due o tre metri di diametro. Consideriamo questi ipotetici dischi di turbina Tesla, con un diametro di 3 metri. È ingegneristicamente impossibile far funzionare dischi di diametro così grande a una velocità di 50.000 giri al minuto. Il problema principale è la velocità alle estremità delle pale. Le pale delle turbine a vapore più moderne sono in grado di raggiungere un numero di Mach di 1,8 alle estremità, ovvero 1,8 volte la velocità del suono. Un calcolo approssimativo mostra che questi dischi ipotetici avranno un numero di Mach di 13 alle estremità, un'impresa ingegneristica decisamente impossibile. L'unica opzione rimasta è ridurre il numero di giri al minuto, e sappiamo che questa azione porterà a un calo drastico dell'efficienza della turbina.
Pertanto, l'affermazione di Nikola Tesla di un'efficienza del 97% per il suo modello da 15 cm sembra irrealistica. Ricordiamo che era in grado di far funzionare questa turbina solo a meno di 10.000 giri al minuto.
Nonostante questi inconvenienti, la turbina Tesla ha trovato alcune applicazioni di nicchia. È interessante notare, ad esempio, che la turbina Tesla è reversibile. Può funzionare come pompa se si fornisce energia al rotore. Inoltre, sappiamo che le turbine Tesla funzionano sfruttando gli effetti viscosi dei fluidi, quindi questo tipo di pompe viene utilizzato in applicazioni ad alta viscosità come gli impianti di depurazione, l'industria petrolifera e le pompe di assistenza ventricolare.
Per sfruttare questo fenomeno dello strato limite, Nikola Tesla ebbe un’idea unica. Aggiunse due dischi paralleli in più. Ora osserviamo il flusso. Uno strato limite si forma su ogni superficie. Come abbiamo visto in precedenza, le particelle nella regione dello strato limite cercheranno di trascinare o ruotare il rispettivo disco. Tuttavia, si può vedere una regione al di fuori di entrambi gli strati limite dove le particelle fluide scorrono liberamente, senza alcun gradiente di velocità. Questo flusso libero non trasferisce alcuna energia al disco e contribuisce poco alla generazione di coppia. Per rendere la sua turbina più efficiente, Nikola Tesla avvicinò i dischi, mantenendo uno spazio pari a circa il doppio dello strato limite. In questo caso, non si verifica alcun flusso libero. Le due regioni dello strato limite si toccano e possiamo osservare che gli effetti di taglio sono ora dominanti nello spazio tra i dischi. Per il vapore, questa distanza ideale è di 0,4 mm. Utilizzando questo metodo, Tesla migliorò la coppia erogata dalla sua turbina.
Tesla scoprì che aumentando l'area effettiva tra disco e fluido, la turbina poteva produrre più coppia, quindi aggiunse più dischi. Questo modello aveva un diametro di 15 cm.
Tuttavia, questo progetto fallì miseramente. Il problema era che questa turbina avrebbe funzionato a una velocità molto elevata: 35.000 giri al minuto. Nikola Tesla non avrebbe mai pensato che questa turbina avrebbe prodotto un numero di giri così elevato, e la resistenza dei dischi non era sufficiente a resistere all'enorme forza centrifuga prodotta nel materiale, con conseguente espansione del materiale e rottura dei dischi per deformazione. Nikola Tesla non riuscì a trovare alcun materiale in grado di resistere a un numero di giri così elevato in quel momento. Alla fine, dovette ridurre il numero di giri a meno di 10.000 per evitare guasti meccanici ai dischi.
Ora, la domanda cruciale: nonostante le turbine Tesla siano così facili da costruire, perché non vengono utilizzate nelle industrie di produzione di energia? Il motivo è che le moderne turbine a vapore hanno un'efficienza superiore al 90%.
Sappiamo che la turbina Tesla diventa più efficiente all'aumentare della velocità del rotore, ma affinché la turbina Tesla raggiunga un livello di efficienza così elevato, il rotore deve girare a un numero di giri molto elevato, forse 50.000! La sfida principale è che per le applicazioni industriali sono necessari dischi di due o tre metri di diametro. Consideriamo questi ipotetici dischi di turbina Tesla, con un diametro di 3 metri. È ingegneristicamente impossibile far funzionare dischi di diametro così grande a una velocità di 50.000 giri al minuto. Il problema principale è la velocità alle estremità delle pale. Le pale delle turbine a vapore più moderne sono in grado di raggiungere un numero di Mach di 1,8 alle estremità, ovvero 1,8 volte la velocità del suono. Un calcolo approssimativo mostra che questi dischi ipotetici avranno un numero di Mach di 13 alle estremità, un'impresa ingegneristica decisamente impossibile. L'unica opzione rimasta è ridurre il numero di giri al minuto, e sappiamo che questa azione porterà a un calo drastico dell'efficienza della turbina.
Pertanto, l'affermazione di Nikola Tesla di un'efficienza del 97% per il suo modello da 15 cm sembra irrealistica. Ricordiamo che era in grado di far funzionare questa turbina solo a meno di 10.000 giri al minuto.
Nonostante questi inconvenienti, la turbina Tesla ha trovato alcune applicazioni di nicchia. È interessante notare, ad esempio, che la turbina Tesla è reversibile. Può funzionare come pompa se si fornisce energia al rotore. Inoltre, sappiamo che le turbine Tesla funzionano sfruttando gli effetti viscosi dei fluidi, quindi questo tipo di pompe viene utilizzato in applicazioni ad alta viscosità come gli impianti di depurazione, l'industria petrolifera e le pompe di assistenza ventricolare.