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Turbina Tesla
Descripción breve
La turbina Tesla es una turbina de flujo centrípeto sin álabes ni paletas, patentada por Nikola Tesla en 1913. Conocida también como turbina de capa límite o de cohesión, consiste en un conjunto de discos lisos y paralelos montados sobre un eje central e introducidos en una carcasa cilíndrica. En lugar de empujar el fluido contra álabes curvados, la turbina Tesla aprovecha la adhesión de la capa límite y el arrastre viscoso de un fluido en movimiento (vapor, aire comprimido o agua) para hacer girar los discos a velocidades extremadamente altas.
Uso / Función
- Uso principal: Accionamiento mecánico rotatorio de alta velocidad y generación compacta de energía mediante vapor, gas comprimido o líquidos a presión.
- Usos secundarios: Bomba o soplador reversible de fluidos cuando el eje es impulsado mecánicamente por un motor externo; bombeo de fluidos viscosos sin obstrucciones.
- Escala: Instalaciones mecánicas de pequeña a mediana escala y unidades portátiles de generación de energía.
Principio de funcionamiento
Dinámica de capa límite y arrastre viscoso:
- Inyección de fluido: El fluido de trabajo presurizado (vapor o aire comprimido) entra por toberas tangenciales situadas en el perímetro exterior de la carcasa cilíndrica.
- Adhesión y viscosidad: Debido a la tensión superficial y la adhesión molecular, una delgada capa de fluido se adhiere a la superficie lisa de los discos giratorios (capa límite). El arrastre viscoso transfiere la energía cinética del fluido a los discos.
- Trayectoria espiral descendente: A medida que el fluido pierde energía cinética y velocidad relativa respecto a los discos, avanza formando una espiral hacia los orificios de escape centrales situados cerca del eje.
- Descarga axial: El fluido agotado sale axialmente a través de las aperturas centrales de los discos y las lumbreras de la carcasa, proporcionando una rotación suave y continua sin erosión de álabes ni pérdidas por impacto.
Cómo crearla
1. Ensamblaje del paquete de discos del rotor
- Cortar varios discos circulares delgados y planos de grosor uniforme a partir de láminas de Acero o Bronce.
- Perforar orificios de escape centrales alrededor de la zona del cubo interno de cada disco y mecanizar chaveteros de precisión.
- Montar los discos sobre un eje central de Acero utilizando distanciadores anulares delgados para mantener una separación estrecha y uniforme (típicamente entre 0,5 mm y 1,0 mm) entre discos contiguos.
2. Carcasa cilíndrica y toberas tangenciales
- Mecanizar o moldear una carcasa exterior cilíndrica en Hierro fundido o chapa gruesa de acero.
- Perforar una o más toberas de entrada tangenciales en el perímetro de la carcasa, orientadas exactamente en tangencia con el borde exterior del conjunto de discos.
3. Cojinetes del eje y tapas laterales
- Fijar las tapas laterales a ambos lados de la carcasa con rodamientos de alta velocidad y baja fricción para soportar el eje.
- Sellante el perímetro de la carcasa para evitar fugas de fluido presurizado permitiendo al mismo tiempo el escape axial central.
Materiales necesarios
- Discos del rotor y eje: Chapa lisa de Acero o placa de Bronce y eje de acero rectificado.
- Carcasa y tapas: Cárter robusto de Hierro fundido o acero estructural.
- Fluido de trabajo: Agua presurizada, vapor o aire comprimido.
- Herrajes: Separadores de precisión, rodamientos para alta velocidad y sellos resistentes al calor.
Variantes y mejoras
- Turbina Tesla reversible: Dispone de toberas dobles simétricas orientadas en direcciones opuestas, lo que permite invertir instantáneamente el sentido de giro del eje mediante válvulas selectoras.
- Bomba Tesla: Invierte el funcionamiento haciendo girar el eje central con un motor externo para impulsar fluidos radialmente hacia fuera con una cizalladura mínima.
- Discos de material compuesto o plástico: Materiales ligeros modernos para reducir la inercia rotacional y permitir aceleraciones rápidas en aplicaciones de aire comprimido a baja temperatura.
Límites y riesgos
- Menor eficiencia térmica: A velocidades de operación convencionales, la eficiencia térmica es inferior a la de las turbinas de álabes multietapa debido a las pérdidas por cizalladura del fluido.
- Exigencia de alta velocidad de rotación: La eficiencia óptima exige un régimen de RPM muy elevado, lo que somete a los discos y rodamientos a intensas tensiones centrífugas.
- Criticidad de la separación entre discos: La separación debe ajustarse con precisión a la viscosidad y densidad del fluido de trabajo; una holgura incorrecta degrada drásticamente el rendimiento.