Como funciona a turbina Tesla

Um menino observa um barco controlado por rádio na cidade de Smiljan, Croácia, cidade natal de Nikola Tesla. Perto está uma turbina de roda d'água sem lâmina do projeto de Tesla. O mesmo princípio alimenta seu famoso motor de turbina. Hrvoje Polan / AFP / Getty Images

A maioria das pessoas conhece Nikola Tesla, o homem excêntrico e brilhante que chegou à cidade de Nova York em 1884, como o pai da corrente alternada, a forma de eletricidade que fornece energia para quase todas as casas e empresas. Mas Tesla foi um inventor prodigioso que aplicou sua genialidade a uma ampla gama de problemas práticos. Ao todo, ele detinha 272 patentes em 25 países, com 112 patentes apenas nos Estados Unidos. Você pode pensar que, de todo esse trabalho, Tesla teria realizado suas invenções em engenharia elétrica - aquelas que descreviam um sistema completo de geradores, transformadores, linhas de transmissão, motor e iluminação - as mais queridas de seu coração. Mas em 1913, Tesla recebeu uma patente para o que ele descreveu como sua invenção mais importante. Essa invenção foi uma turbina, conhecida hoje como a turbina de Tesla, a turbina de camada limite ou a turbina de disco plano.

Curiosamente, usar a palavra "turbina" para descrever a invenção de Tesla parece um pouco enganador. Isso porque a maioria das pessoas pensa em uma turbina como um eixo com pás - como pás de ventilador - presas a ele. Na verdade, o dicionário Webster define turbina como um motor movido pela força do gás ou da água nas pás do ventilador. Mas a turbina Tesla não tem lâminas. Ele tem uma série de discos paralelos compactados presos a um eixo e dispostos dentro de uma câmara selada. Quando um fluido pode entrar na câmara e passar entre os discos, os discos giram, que por sua vez gira o eixo. Esse movimento rotativo pode ser usado de várias maneiras, desde bombas, sopradores e compressores até carros e aviões em funcionamento. Na verdade, Tesla afirmou que a turbina era o motor rotativo mais eficiente e mais simples já projetado.

Se isso for verdade, por que a turbina Tesla não teve um uso mais difundido? Por que não se tornou tão onipresente quanto a outra obra-prima de Tesla, a transmissão de energia CA? Essas são questões importantes, mas são secundárias a questões mais fundamentais, como como funciona a turbina Tesla e o que torna a tecnologia tão inovadora? Responderemos a todas essas perguntas nas próximas páginas. Mas, primeiro, precisamos revisar alguns princípios básicos sobre os diferentes tipos de motores desenvolvidos ao longo dos anos. Na próxima página, teremos uma ideia melhor do problema específico que Tesla esperava resolver com sua nova invenção.

Conteúdo

1. O motor de turbina Tesla
2. Partes da Turbina Tesla
3. Operação da turbina Tesla
4. Barreiras à comercialização de turbinas Tesla
5. O Futuro da Turbina Tesla

Turbinas eólicas, como essas em Palm Springs, Califórnia, são exemplos de outras turbinas sendo usadas para gerar eletricidade. Ao contrário do modelo de Tesla, essas são turbinas com pás. David McNew / Getty Images

O trabalho de qualquer motor é converter a energia de uma fonte de combustível em energia mecânica. Quer a fonte natural seja o ar, água em movimento, carvão ou petróleo, a energia de entrada é um fluido. E por fluido queremos dizer algo muito específico - é qualquer substância que flui sob um estresse aplicado. Tanto gases quanto líquidos, portanto, são fluidos, o que pode ser exemplificado pela água. Para um engenheiro, água líquida e água gasosa, ou vapor, funcionam como um fluido.

No início do século 20, dois tipos de motores eram comuns: turbinas de pás, movidas por água em movimento ou vapor gerado a partir de água aquecida, e motores a pistão, movidos por gases produzidos durante a combustão da gasolina. O primeiro é um tipo de motor rotativo, o último um tipo de motor alternativo. Ambos os tipos de motores eram máquinas complicadas que eram difíceis e demoradas de construir.

Considere um pistão como exemplo. Um pistão é uma peça cilíndrica de metal que se move para cima e para baixo, geralmente dentro de outro cilindro. Além dos próprios pistões e cilindros, outras partes do motor incluem válvulas, cames, rolamentos, juntas e anéis. Cada uma dessas partes representa uma oportunidade para o fracasso. E, coletivamente, eles aumentam o peso e a ineficiência do motor como um todo.

As turbinas com pás tinham menos peças móveis, mas apresentavam seus próprios problemas. A maioria eram peças enormes de maquinário com tolerâncias muito estreitas. Se não forem construídas corretamente, as lâminas podem quebrar ou rachar. Na verdade, foi uma observação feita em um estaleiro que inspirou Tesla a conceber algo melhor: "Eu me lembrei dos alqueires de lâminas quebradas que foram recolhidas das carcaças da turbina do primeiro navio a vapor equipado com turbina a cruzar o oceano, e percebi a importância deste [novo mecanismo] "[fonte: The New York City Herald Tribune].

O novo motor de Tesla era uma turbina sem lâmina, que ainda usaria um fluido como veículo de energia, mas seria muito mais eficiente em converter a energia do fluido em movimento. Ao contrário da crença popular, ele não inventou a turbina sem lâmina, mas pegou o conceito básico, patenteado pela primeira vez na Europa em 1832, e fez vários aprimoramentos. Ele refinou a ideia ao longo de quase uma década e na verdade recebeu três patentes relacionadas à máquina:

• Patente número 1.061.142, "Propulsão de fluido", depositada em 21 de outubro de 1909 e patenteada em 6 de maio de 1913
• Patente número 1.061.206, "Turbina", depositada em 17 de janeiro de 1911 e patenteada em 6 de maio de 1913
• Patente número 1.329.559, "Valvular Conduit", depositada em 21 de fevereiro de 1916, renovada em 18 de julho de 1919 e patenteada em 3 de fevereiro de 1920

Na primeira patente, Tesla apresentou seu design básico sem lâmina configurado como uma bomba ou compressor. Na segunda patente, Tesla modificou o projeto básico para que funcionasse como uma turbina. E, finalmente, com a terceira patente, ele fez as alterações necessárias para operar a turbina como motor de combustão interna.

O design fundamental da máquina é o mesmo, independentemente de sua configuração. Na próxima seção, veremos mais de perto esse design.

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Comparada a um pistão ou motor a vapor, a turbina Tesla é a própria simplicidade. Na verdade, Tesla descreveu dessa forma em uma entrevista que apareceu no New York Herald Tribune em 15 de outubro de 1911: "Tudo o que se precisa são alguns discos montados em um eixo, espaçados a uma pequena distância e revestidos de forma que o fluido possa entrar em um ponto e sair em outro. " Claramente, esta é uma simplificação exagerada, mas não muito. Vamos dar uma olhada nas duas partes básicas da turbina - o rotor e o estator - em mais detalhes.

O rotor

Em uma turbina tradicional, o rotor é um eixo com pás acopladas. A turbina Tesla acaba com as lâminas e usa uma série de discos. O tamanho e o número dos discos podem variar com base em fatores relacionados a um aplicativo específico. A papelada da patente da Tesla não define um número específico, mas usa uma descrição mais geral, dizendo que o rotor deve conter uma "pluralidade" de discos com um "diâmetro adequado". Como veremos mais tarde, o próprio Tesla experimentou bastante com o tamanho e o número de discos.

Cada disco é feito com aberturas em torno do eixo. Essas aberturas atuam como portas de escape através das quais o fluido sai. Para garantir que o fluido possa passar livremente entre os discos, arruelas de metal são usadas como divisórias. Novamente, a espessura de uma arruela não é rigidamente definida, embora os espaços intermediários normalmente não excedam 2 a 3 milímetros.

Uma porca rosqueada mantém os discos em posição no eixo, a peça final do conjunto do rotor. Como os discos são chaveados no eixo, sua rotação é transferida para o eixo.

O estator

O conjunto do rotor é alojado dentro de um estator cilíndrico ou na parte estacionária da turbina. Para acomodar o rotor, o diâmetro da câmara interna do cilindro deve ser ligeiramente maior do que os próprios discos do rotor. Cada extremidade do estator contém um rolamento para o eixo. O estator também contém uma ou duas entradas, nas quais são inseridos bicos. O projeto original de Tesla exigia duas entradas, o que permitia que a turbina funcionasse no sentido horário ou anti-horário.

Este é o design básico. Para fazer a turbina funcionar, um fluido de alta pressão entra nos bocais nas entradas do estator. O fluido passa entre os discos do rotor e faz com que o rotor gire. Eventualmente, o fluido sai pelas portas de exaustão no centro da turbina.

Uma das grandes coisas sobre a turbina Tesla é sua simplicidade. Ele pode ser construído com materiais disponíveis e o espaçamento entre os discos não precisa ser controlado com precisão. É tão fácil de construir, na verdade, que várias revistas convencionais incluíram instruções de montagem completas usando materiais domésticos. A edição de setembro de 1955 da Popular Science apresentou um plano passo a passo para construir um soprador usando um projeto de turbina Tesla feito de papelão!

Mas como exatamente uma série de discos gera o movimento rotativo que esperamos de uma turbina? Essa é a questão que abordaremos na próxima seção.

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Você pode se perguntar como a energia de um fluido pode fazer com que um disco de metal gire. Afinal, se um disco é perfeitamente liso e não tem lâminas, palhetas ou baldes para "pegar" o fluido, a lógica sugere que o fluido simplesmente fluirá sobre o disco, deixando o disco imóvel. Isso, é claro, não é o que acontece. Não apenas o rotor de uma turbina Tesla gira - ele gira rapidamente.

-A razão disso pode ser encontrada em duas propriedades fundamentais de todos os fluidos: adesão e viscosidade. A adesão é a tendência de moléculas diferentes se unirem devido a forças de atração. Viscosidade é a resistência de uma substância ao fluxo. Essas duas propriedades trabalham juntas na turbina Tesla para transferir energia do fluido para o rotor ou vice-versa. Veja como:

1. Conforme o fluido passa por cada disco, as forças adesivas fazem com que as moléculas de fluido logo acima da superfície do metal diminuam e grudem.
2. As moléculas logo acima das que estão na superfície diminuem a velocidade quando colidem com as moléculas que aderem à superfície.
3. Essas moléculas, por sua vez, diminuem o fluxo logo acima delas.
4. Quanto mais nos afastamos da superfície, menos colisões são afetadas pela superfície do objeto.
5. Ao mesmo tempo, as forças viscosas fazem com que as moléculas do fluido resistam à separação.
6. Isso gera uma força de tração que é transmitida ao disco, fazendo com que o disco se mova na direção do fluido.

A fina camada de fluido que interage com a superfície do disco desta forma é chamada de camada limite, e a interação do fluido com a superfície sólida é chamada de efeito de camada limite. Como resultado deste efeito, o fluido de propulsão segue um caminho em espiral rapidamente acelerado ao longo das faces do disco até atingir uma saída adequada. Como o fluido se move em caminhos naturais de menor resistência, livre das restrições e forças perturbadoras causadas por pás ou lâminas, ele experimenta mudanças graduais na velocidade e direção. Isso significa que mais energia é fornecida à turbina. Na verdade, Tesla afirmou uma eficiência da turbina de 95 por cento, muito maior do que outras turbinas da época.

Mas, como veremos na próxima seção, a eficiência teórica da turbina Tesla não foi tão facilmente percebida em modelos de produção.

A Camada Limite: É um Arrasto

O efeito da camada limite também explica como o arrasto é criado na asa de um avião. O ar que se move sobre a asa se comporta como um fluido, o que significa que as moléculas de ar possuem forças adesivas e viscosas. À medida que o ar adere à superfície da asa, ele produz uma força que resiste ao movimento de avanço da aeronave.

Nikola Tesla Mansell / Time Life Pictures / Getty Images

Tesla, assim como muitos cientistas e industriais contemporâneos, acreditava que sua nova turbina era revolucionária com base em uma série de atributos. Era pequeno e fácil de fabricar. Ele só tinha uma parte móvel. E era reversivel.

Para demonstrar esses benefícios, a Tesla construiu várias máquinas. Juilus C. Czito, filho do maquinista de Tesla de longa data, construiu várias versões. O primeiro, construído em 1906, apresentava oito discos, cada um com 15,2 centímetros de diâmetro. A máquina pesava menos de 10 libras (4,5 kg) e desenvolveu 30 cavalos de potência. Também revelou uma deficiência que dificultaria o desenvolvimento contínuo da máquina. O rotor atingiu velocidades tão altas - 35.000 rotações por minuto (rpm) - que os discos de metal esticaram consideravelmente, prejudicando a eficiência.

Em 1910, Czito e Tesla construíram um modelo maior com discos de 12 polegadas (30,5 centímetros) de diâmetro. Ele girou a 10.000 rpm e desenvolveu 100 cavalos de potência. Então, em 1911, a dupla construiu um modelo com discos de 9,75 polegadas (24,8 centímetros) de diâmetro. Isso reduziu a velocidade para 9.000 rpm, mas aumentou a potência de saída para 110 cavalos de potência.

Apoiado por esses sucessos em pequena escala, Tesla construiu uma unidade dupla maior, que planejava testar com vapor na principal casa de força da New York Edison Company. Cada turbina tinha discos de rolamento de rotor de 18 polegadas (45,7 centímetros) de diâmetro. As duas turbinas foram colocadas em uma linha em uma única base. Durante o teste, Tesla foi capaz de atingir 9.000 rpm e gerar 200 cavalos de potência. No entanto, alguns engenheiros presentes no teste, leais a Edison, alegaram que a turbina era uma falha baseada em um mal-entendido de como medir o torque na nova máquina. Essa má impressão, combinada com o fato de que as grandes empresas elétricas já haviam investido pesadamente em turbinas de pás, tornou difícil para a Tesla atrair investidores.

Na tentativa final de Tesla de comercializar sua invenção, ele persuadiu a Allis-Chalmers Manufacturing Company em Milwaukee a construir três turbinas. Dois tinham 20 discos de 18 polegadas de diâmetro e desenvolveram velocidades de 12.000 e 10.000 rpm, respectivamente. O terceiro tinha 15 discos de 60 polegadas (1,5 metros) de diâmetro e foi projetado para operar a 3.600 rpm, gerando 675 cavalos de potência. Durante os testes, os engenheiros da Allis-Chalmers ficaram preocupados tanto com a eficiência mecânica das turbinas quanto com sua capacidade de suportar o uso prolongado. Eles descobriram que os discos haviam se distorcido em grande medida e concluíram que a turbina teria eventualmente falhado.

Mesmo no final da década de 1970, os pesquisadores tiveram dificuldade em replicar os resultados relatados por Tesla. Warren Rice, professor de engenharia da Arizona State University, criou uma versão da turbina Tesla que operava com 41 por cento de eficiência. Alguns argumentaram que o modelo de Rice se desviava das especificações exatas de Tesla. Mas Rice, um especialista em dinâmica de fluidos e na turbina Tesla, conduziu uma revisão da literatura de pesquisas até a década de 1990 e descobriu que nenhuma versão moderna da invenção de Tesla excedia 30 a 40 por cento de eficiência.

Isso, mais do que tudo, impediu que a turbina Tesla se tornasse mais amplamente usada.

Como o Office of Naval Research em Washington, DC, declarou claramente: "A turbina Parsons existe há muito tempo com indústrias inteiras construídas em torno dela e apoiando-a. Se a turbina Tesla não fosse uma ordem de magnitude superior, então ela seria estar jogando dinheiro no buraco do rato porque a indústria não será derrubada tão facilmente ... "[fonte: Cheney].

Então, onde fica a turbina Tesla hoje? Como veremos na próxima seção, engenheiros e designers automotivos estão mais uma vez voltando sua atenção para esta tecnologia de 100 anos.

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Tesla sempre foi um visionário. Ele não via sua turbina sem lâmina como um fim em si, mas como um meio para um fim. Seu objetivo final era substituir o motor de combustão a pistão por um motor muito mais eficiente e confiável baseado em sua tecnologia. Os motores de combustão a pistão mais eficientes não obtiveram eficiência acima de 27 a 28 por cento na conversão de combustível para trabalho. Mesmo com taxas de eficiência de 40 por cento, Tesla viu sua turbina como uma melhoria. Ele até projetou, no papel, um automóvel com turbina, que afirmou ser tão eficiente que poderia atravessar os Estados Unidos com um único tanque de gasolina.

Tesla nunca viu o carro ser produzido, mas ele pode ficar satisfeito hoje ao ver que sua turbina revolucionária está finalmente sendo incorporada a uma nova geração de veículos mais limpos e eficientes. Uma empresa que está fazendo grandes progressos é a Phoenix Navigation and Guidance Inc. (PNGinc), localizada em Munising, Michigan. A PNGinc combinou a tecnologia de turbina a disco com um combustor de detonação de pulso em um motor que, segundo a empresa, oferece eficiências sem precedentes. Existem 29 discos ativos, cada um com 25,4 centímetros de diâmetro, ensanduichados entre dois discos terminais cônicos. O motor gera 18.000 rpm e 130 cavalos de potência. Para superar as forças centrífugas extremas inerentes à turbina, PNGinc usa uma variedade de materiais avançados, como fibra de carbono, plástico impregnado de titânio e discos reforçados com Kevlar.

Claramente, esses materiais mais resistentes e duráveis ​​são essenciais para que a turbina Tesla tenha algum sucesso comercial. Se materiais como o Kevlar estivessem disponíveis durante a vida de Tesla, é bem provável que a turbina tivesse tido um uso maior. Mas, como costumava acontecer com o trabalho do inventor, a turbina Tesla era uma máquina muito à frente de seu tempo.

Para obter mais informações sobre Tesla, eletricidade e tópicos relacionados, passe como um raio para a próxima página.

Carro elétrico de Nikola Tesla

Embora Tesla nunca tenha testado sua turbina em um carro, ele desenvolveu, segundo alguns relatos, um carro elétrico em 1931. O carro era um Pierce-Arrow, que tinha sido configurado com um motor elétrico de 80 cavalos e 1.800 rpm em vez de um motor movido a gás. De acordo com a história, Tesla montou uma misteriosa caixa preta contendo tubos de vácuo, fios e resistores. Duas hastes saíram da caixa. Quando as hastes foram empurradas para dentro da caixa, o carro recebeu energia. Tesla dirigiu o carro por uma semana - até velocidades de 90 milhas por hora (145 quilômetros por hora). Infelizmente, muitos acreditavam que ele havia explorado alguma força desconhecida e perigosa da natureza. Outros o chamaram de louco. Furioso, ele tirou a caixa do carro, levou-a de volta para o laboratório e nunca mais a viu. Até hoje, os princípios fundamentais de funcionamento do carro elétrico da Tesla permanecem um mistério.

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• Como funcionam os motores Stirling
• A revolução industrial

Mais ótimos links

• Tesla: Master of Lightning em PBS
• Site do Museu Nikola Tesla
• A Fundação Tesla da América do Norte
• Tesla Engine Builders Association
• Artigos, patentes e links de turbinas / bombas de disco

Fontes

• Allan, Sterling D. "Turbina Tesla: Motor do Século 21?" Notícias sobre sistemas de energia pura. 14 de abril de 2007. http://pesn.com/Radio/Free_Energy_Now/shows/2007/04/14/9700225_KenReili_TeslaTurbine/
• Cheney, Margaret. "Tesla: Man Out of Time" Simon & Schuster. Nova york. 1981.
• Artigos, patentes e links sobre turbinas / bombas de disco http://www.rexresearch.com/teslatur/teslatur.htm
• Encyclopedia Britannica 2005. "Tesla, Nikola." CD-ROM, 2005.
• Gingery, Vincent R., Gingery, David J. "Building the Tesla Turbine" David J. Gingery Publishing LLC. Missouri. 2004.
• Germano, Frank. "Nikola Tesla's Disk Turbine" http://www.frank.germano.com/teslaturbine2.htm
• Hait, John. "The Cool Scientist: Tesla's Turbine." Saipan Tribune. 13 de maio de 2005. http://www.saipantribune.com/newsstory.aspx?cat=9&newsID=47147
• Sistemas de energia de turbina a laser. http://www.laserturbinepower.com/index.php?option=com_content&task=view&id=3&Itemid=68
• "Carro de turismo 'Black Magic' de Nikola Tesla." EV World. http://www.evworld.com/article.cfm?storyid=1062
• PBS. "Tesla: Mestre do Relâmpago." http://www.pbs.org/tesla/
• Phoenix Navigation and Guidance Inc. http://www.phoenixnavigation.com/turbines/index.htm
• Tesla Engine Builders Association http://www.teslaengine.org/main.html
• Livros do século vinte e um http://www.tfcbooks.com/default.htm
• World Book 2005. "Tesla, Nikola."