Nikolai Tesla (sinh năm 1899) là một trong những nhà phát minh sáng tạo nhất thế giới, người nổi tiếng với việc mang điện đến thế giới bằng hệ thống dòng điện xoay chiều của mình. Trong số những phát minh ít được biết đến của ông có tuabin không cánh – hay còn gọi là tuabin Tesla – mà ông đã được cấp bằng sáng chế vào năm 1913. Ông tin rằng tuabin này không chỉ có hiệu suất cao hơn mà còn có chi phí sản xuất thấp hơn các tuabin khác.
Tua bin Tesla là một loại tuabin dòng hướng tâm không cánh. Các vòi phun đưa chất lỏng chuyển động vào các cạnh của một bộ đĩa. Động cơ sử dụng các đĩa trơn quay trong buồng để tạo ra chuyển động quay do sự trao đổi động lượng giữa chất lỏng và các đĩa. Các đĩa được sắp xếp theo hướng tương tự như một chồng đĩa CD trên một trục.
Tua bin Tesla sử dụng hiệu ứng lớp biên, thay vì phương pháp được sử dụng bởi các tuabin thông thường hơn, trong đó chất lỏng tác động lên các cánh quạt. Tua bin Tesla còn được gọi là tua bin không cánh, tua bin lớp biên, tua bin kiểu gắn kết và tua bin lớp Prandtl (đặt theo tên Ludwig Prandtl).
Một trong những dự định triển khai tuabin này của Tesla là để tạo ra năng lượng địa nhiệt, điều mà ông đã mô tả trong tác phẩm Sức mạnh động lực tương lai của chúng ta (Our Future Motive Power).
Động cơ mới của Tesla là một tuabin không cánh, vẫn sử dụng chất lỏng làm phương tiện cung cấp năng lượng nhưng sẽ hiệu quả hơn nhiều trong việc chuyển đổi năng lượng chất lỏng thành chuyển động. Ngược lại với suy nghĩ thông thường, ông không phát minh ra tuabin không cánh mà sử dụng khái niệm cơ bản, được cấp bằng sáng chế lần đầu tiên ở Châu Âu vào năm 1832, và thực hiện một số cải tiến. Ông đã chắt lọc ý tưởng này trong suốt gần một thập kỷ và thực sự đã nhận được ba bằng sáng chế liên quan đến chiếc máy này:
- Bằng sáng chế số 1,061,142, “Fluid Propulsion”
- Bằng sáng chế số 1,061,206, “Turbine”
- Bằng sáng chế số 1,329,559, “Valvular Conduit”
Trong bằng sáng chế đầu tiên, Tesla đã giới thiệu thiết kế không cánh cơ bản được cấu hình như một máy bơm hoặc máy nén. Trong bằng sáng chế thứ hai, Tesla đã sửa đổi thiết kế cơ bản để nó hoạt động như một tuabin. Và cuối cùng, với bằng sáng chế thứ ba, ông đã thực hiện những thay đổi cần thiết để vận hành tuabin như một động cơ đốt trong.
Thiết kế cơ bản của máy là giống nhau, bất kể cấu hình của nó. Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn về thiết kế đó.
Kết cấu của Tua bin Tesla
So với động cơ piston hoặc động cơ hơi nước, bản thân tuabin Tesla rất đơn giản. Trên thực tế, Tesla đã mô tả nó theo cách này trong một cuộc phỏng vấn đăng trên tờ New York Herald Tribune vào ngày 15 tháng 10 năm 1911: “Tất cả những gì người ta cần là một số đĩa được gắn trên một trục, đặt cách nhau một khoảng nhỏ và được bọc để chất lỏng có thể đi vào một điểm và thoát ra ở một điểm khác.” Rõ ràng đây là một sự đơn giản hóa quá mức, nhưng không nhiều. Chúng ta hãy xem xét hai bộ phận cơ bản của tuabin – rôto và stato – một cách chi tiết hơn.
Rotor
Trong tuabin truyền thống, rôto là một trục có gắn các cánh quạt. Tua bin Tesla loại bỏ các cánh quạt và thay vào đó sử dụng một loạt các đĩa. Kích thước và số lượng đĩa có thể thay đổi dựa trên các yếu tố liên quan đến một ứng dụng cụ thể. Bằng sáng chế của Tesla không xác định một con số cụ thể mà sử dụng một mô tả tổng quát hơn, nói rằng rôto phải chứa “nhiều” đĩa có “đường kính phù hợp”. Như chúng ta sẽ thấy sau, bản thân Tesla đã thử nghiệm khá nhiều về kích thước và số lượng đĩa.
Mỗi đĩa được tạo ra với các lỗ bao quanh trục. Những lỗ này đóng vai trò là cổng xả để chất lỏng thoát ra ngoài. Để đảm bảo chất lỏng có thể đi qua tự do giữa các đĩa, vòng đệm kim loại được sử dụng làm dải phân cách. Một lần nữa, độ dày của vòng đệm không được thiết lập một cách cứng nhắc, mặc dù các khoảng trống ở giữa thường không vượt quá 2 đến 3 mm.
Một đai ốc giữ các đĩa ở đúng vị trí trên trục, bộ phận cuối cùng của cụm rôto. Vì các đĩa được khóa vào trục nên chuyển động quay của chúng được truyền sang trục.
Stator
Cụm rôto được đặt trong một Stator hình trụ – xilanh. Để chứa rôto, đường kính của khoang bên trong xi lanh phải lớn hơn bản thân các đĩa rôto một chút. Mỗi đầu của Stator có một ổ trục. Stator cũng có một hoặc hai cửa vào để lắp các vòi phun vào. Thiết kế ban đầu của Tesla yêu cầu hai cửa vào, cho phép tuabin chạy theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ.
Đây là thiết kế cơ bản. Để làm cho tuabin chạy, chất lỏng áp suất cao đi vào các vòi phun ở cửa vào stato. Chất lỏng đi qua giữa các đĩa rôto và làm cho rôto quay. Cuối cùng, chất lỏng thoát ra qua các cổng xả ở trung tâm tuabin.
Một trong những điều tuyệt vời về tuabin Tesla là tính đơn giản của nó. Nó có thể được chế tạo bằng những vật liệu sẵn có và khoảng cách giữa các đĩa không cần phải kiểm soát chính xác. Số ra tháng 9 năm 1955 của tạp chí Popular Science đã đưa ra kế hoạch từng bước để chế tạo một chiếc máy thổi sử dụng thiết kế tuabin Tesla làm từ bìa cứng!
Tua bin Tesla hoạt động như thế nào?
Tua bin hoạt động bằng cách chuyển đổi động năng của chất lỏng thành dạng năng lượng khác. Trong tuabin gió, gió (chất lỏng) làm cho các cánh quạt quay. Các cánh quạt lần lượt quay một máy phát điện, biến năng lượng quay thành điện năng. Trong tuabin Tesla, các đĩa trơn quay để tạo ra năng lượng, trái ngược với các cánh quạt trong tuabin gió.
Lý do có thể được tìm thấy ở hai đặc tính cơ bản của mọi chất lỏng: độ bám dính và độ nhớt. Độ bám dính là xu hướng các phân tử khác nhau bám vào nhau do lực hấp dẫn. Độ nhớt là khả năng chống lại sự chuyển động của các lớp phân tử, đại diện cho ma sát trong của dòng chất lỏng. Hai đặc tính này phối hợp với nhau trong tuabin Tesla để truyền năng lượng từ chất lỏng sang rôto hoặc ngược lại.
Nguyên nhân làm cho các đĩa quay là sự trao đổi động lượng giữa chất lỏng và các đĩa. Một dòng chất lỏng (không khí, nước, v.v.) được truyền tiếp tuyến giữa các đĩa. Các phân tử chất lỏng gần đĩa nhất sẽ tương tác với các phân tử kim loại, về cơ bản bám chặt vào bề mặt. Điều này tạo ra một lớp cố định về mặt lý thuyết được gọi là lớp biên. Lớp trên (lớp thứ hai) sẽ bị làm chậm lại bởi các phân tử của lớp biên (lớp đầu tiên), và lớp thứ ba sẽ bị làm chậm lại bởi lớp thứ hai, v.v. Mức độ chậm lại giảm dần từ lớp này sang lớp khác, do đó các lớp gần tấm này sẽ chậm hơn so với các lớp ở ngay giữa hai tấm. Điều này tạo ra thứ gọi là dòng chảy tầng, trong đó chất lỏng chảy thành các lớp song song mà không bị nhiễu loạn.
Chuyển động nhanh hơn của các lớp cao hơn so với chuyển động chậm hơn của các lớp bên dưới tạo ra lực cản từ lực cắt nhớt. Điều này làm cho các lớp thấp hơn kéo theo các lớp cao hơn nhanh hơn, cuối cùng làm cho đĩa quay. Chất lỏng xoắn ốc về phía trung tâm từ mép ngoài của đĩa đến các lỗ đầu ra ở trung tâm.
- Khi chất lỏng di chuyển qua mỗi đĩa, lực dính làm cho các phân tử chất lỏng ngay phía trên bề mặt kim loại chậm lại và dính lại.
- Các phân tử ngay phía trên các phân tử ở bề mặt chậm lại khi chúng va chạm với các phân tử bám trên bề mặt.
- Những phân tử này lần lượt làm chậm dòng chảy ngay phía trên chúng.
- Càng di chuyển ra xa bề mặt thì va chạm do bề mặt vật chịu ảnh hưởng càng ít.
- Đồng thời, lực nhớt làm cho các phân tử chất lỏng chống lại sự phân tách.
- Điều này tạo ra một lực kéo được truyền tới đĩa, làm cho đĩa chuyển động theo hướng của chất lỏng.
Lớp chất lỏng mỏng tương tác với bề mặt đĩa theo cách này được gọi là lớp biên và sự tương tác của chất lỏng với bề mặt rắn được gọi là hiệu ứng lớp biên. Kết quả của hiệu ứng này là chất lỏng đẩy đi theo một đường xoắn ốc được tăng tốc nhanh dọc theo các mặt đĩa cho đến khi đạt đến một lối thoát thích hợp. Bởi vì chất lỏng di chuyển theo đường tự nhiên có ít lực cản nhất, không bị ràng buộc và lực phá vỡ do cánh quạt gây ra, nên nó trải qua những thay đổi dần dần về vận tốc và hướng. Điều này có nghĩa là nhiều năng lượng hơn được chuyển tới tuabin. Thật vậy, Tesla tuyên bố hiệu suất tuabin là 95%, cao hơn nhiều so với các tuabin khác vào thời điểm đó.
Nhưng sự thật là hiệu suất lý thuyết của tuabin Tesla không dễ dàng được hiện thực hóa trong các mô hình sản xuất.
Vấn đề
Mặc dù Tesla dự đoán hiệu suất lên tới 97% nhưng hiệu suất được báo cáo có xu hướng vào khoảng 40%. Warren Rice, giáo sư danh dự tại Đại học bang Arizona, đã thực hiện nghiên cứu sâu rộng về tuabin Tesla và nêu ra một số vấn đề với tuabin.
Đầu tiên, đó là “để đạt được hiệu suất rôto cao, lưu lượng dòng chảy phải được làm nhỏ, có nghĩa là đạt được hiệu suất rôto cao với chi phí sử dụng số lượng lớn đĩa và do đó phải sử dụng rôto lớn về mặt vật lý.” Ngoài ra, “với các chất lỏng thông thường, khoảng cách đĩa cần thiết rất nhỏ, khiến rôto dòng chảy tầng có xu hướng lớn và nặng đối với tốc độ dòng chảy quy định.” Ông cũng tuyên bố rằng đó là những tổn thất cố hữu trong dòng chất lỏng đi vào và ra khỏi rôto. Ngay cả khi rôto hoạt động hoàn toàn hiệu quả, thì sự thiếu hiệu quả của việc vào và ra của chất lỏng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể.
Kết luận
Mặc dù kém hiệu quả nhưng tuabin Tesla vẫn có một số ưu điểm. Chi phí sản xuất đĩa thấp hơn nhiều so với lưỡi dao và thiết kế tổng thể đơn giản hơn và dễ sản xuất hơn. Ngoài ra, tuabin có thể được sử dụng cho nhiều loại chất lỏng khác nhau mà không gây hư hại nhiều cho đĩa. Chúng bao gồm các hỗn hợp với chất rắn, chất lỏng và chất khí, cũng như chất lỏng nhớt, chất lỏng không nhớt và cả chất lỏng Newton và chất lỏng phi Newton. Dòng chất lỏng trong tuabin cũng có thể được đảo ngược thành máy bơm và các đĩa không gặp phải các vấn đề về xâm thực mà các tuabin cánh quạt thường gặp phải. Những tính năng này rất phù hợp với những ứng dụng tiềm năng trong việc tạo ra năng lượng từ hơi nước địa nhiệt và khí công nghiệp chứa nhiều hạt. Các ứng dụng tiềm năng khác bao gồm máy bơm cũng như trong tua-bin gió. Mặc dù tua-bin Tesla chưa được chứng minh là hiệu quả hơn tua-bin truyền thống nhưng vẫn có những ứng dụng thực tế tiềm năng.
Bài viết được biên soạn tổng hợp trong đó một phần từ Spencer Nam
