La Turbina di Tesla è una turbina senza palette, inventata da Nikola Tesla nel 1913. Per funzionare la turbina sfrutta uno degli effetti dello strato limite quale quello di rallentare un fluido che scorra in prossimità di una superficie. Tale rallentamento porta ad una riduzione della energia cinetica del fluido, cedendola alla superficie stessa, se la superficie ha forma di un disco, questi sarà indotto a trasformare l'energia cinetica in energia di rotazione ovvero la generazione di una coppia motrice.
La turbina di Tesla è anche detta: Turbina a strato limite (boundary layer turbine) oppure Turbina a coesione (cohesion-type turbine) o anche Turbina a strato di Prandtl (Prandtl layer turbine). Uno dei campi di applicazione per il quale Tesla aveva ideato questo tipo di turbina era lo sfruttamento dell'energia geotermica.
La turbina Tesla consiste di una serie di dischi perfettamente lisci, attraversati da un fluido che viene immesso da degli ugelli posti tangenzialmente sul bordo. Il fluido, causa la sua viscosità, tende ad aderire alla superficie trasmettendo, ai dischi, una parte della propria energia cinetica, tale cessione di energia porta da un lato alla produzione di una coppia meccanica da parte dei dischi e dell'altro ad un rallentamento del fluido, il quale tenderà a compiere una traiettoria a spirale fin verso il centro dei dischi ove è posto lo scarico.
Il fatto che il rotore sia costituito solo da dischi, fa sì che questo sia estremamente robusto e semplice da costruire. La turbina di Tesla può funzionare indifferentemente sia con fluidi caldi che freddi in quanto la componente di energia utilizzata non è termica, ma cinetica.
Questo fa sì che sia importante, per una turbina di Tesla, progettare in modo attento il canale di imbocco del fluido all'interno del carter che contiene i dischi della turbina. Tale imbocco, costituito da un ugello, deve permettere la trasformazione, con minime perdite, dell'energia potenziale del fluido in energia cinetica.
Tesla affermava che la turbina da lui progetta era molto efficiente, fino al 92%, e che poteva essere mossa anche da vapore misto a liquido, per il suo funzionamento su di un impianto a vapore, non richiedeva particolari trasformazioni tecnologiche e quindi era possibile utilizzarla come aggiornamento tecnologico di un impianto preesistente. Comunque Tesla riconosceva che le migliori prestazioni si ottenevano con impianti progettati allo scopo.
Questa turbina può essere applicata con successo ad impianti con condensatori operanti ad alto vuoto in quanto, a causa della grande espansione, la temperatura dei fluidi, all'uscita della turbina, risulta sufficientemente bassa per l'immissione diretta nel condensatore. Sebbene si renda necessario l'uso di carburanti e sistemi di pressurizzazione speciali, il vantaggio della resa giustifica ampiamente i costi di realizzazione ed esercizio.
Costruzione del rotore
Il rotore è costituito da una serie distanziata di dischi, forati al centro in modo da permettere la fuoriuscita dei gas, montati su di un albero a sua volta montato su cuscinetti oppure bronzine.
Non è assolutamente necessario che il diametro esterno dei dischi sia uguale al diametro interno del carter che li contiene, perciò può essere sensibilmente inferiore, tale da permettere a questi una certa possibilità di dilatazione. Tutto questo fa sì che la costruzione del dispositivo sia semplice e con tolleranze limitate, permettendone una facile realizzazione in serie.
La turbina di Tesla, come del resto le turbine a palette utilizzate per la produzione di energia da vapore, genera una elevatissima velocità di rotazione, ma di contro una coppia moderata. La coppia si può incrementare aumentando il numero di piatti e il loro diametro: questo comporta che il rendimento di una turbina di Tesla dipenda sensibilmente dalle dimensioni e dal tipo di fluido utilizzato.
Rendimento della turbina
La turbina di Tesla ha un rendimento teorico altissimo, circa 92%, ma di fatto nessun costruttore è riuscito ad avvicinarsi neppure lontanamente a prestazioni così alte, in quanto vi sono parecchi vincoli costruttivi che competono a ridurne le prestazioni generali, per meglio chiarire tali vincoli, qui di seguito se ne riporta un breve elenco:
Il diametro del rotore.
Il suo dimensionamento non deve essere disgiunto dalle caratteristiche fisiche del fluido che sarà utilizzato. Questo vincolo fa sì che per via teorica è possibile determinare un diametro ottimale del rotore: infatti un rotore troppo piccolo non riesce a convertire efficacemente tutta l'energia cinetica presente nel fluido immesso. Di contro, un rotore troppo grande può generare un eccessivo percorso per il fluido, con conseguenti perdite di carico.
Non solo, ma un disco troppo grande è difficile da costruire e, a causa degli elevati sforzi centrifughi a cui è sottoposto, la velocità massima di rotazione sarà limitata.
Lo spazio tra le superfici dei dischi che costituiscono il rotore.
Ad esempio: per il vapore è necessaria una spaziatura di circa 0,4 mm, è determinante poi che i dischi abbiano uno spessore minimo, questo ovviamente può essere un problema per dischi grandi funzionanti ad elevate velocità di rotazione. In effetti la prevenzione della possibilità di innesco di oscillazioni nei dischi è uno dei maggiori problemi di tale turbina.
La difficolta nel contenere le oscillazioni si pensa che sia la causa principale del fallimento commerciale di tale invenzione. Comunque, proprio in questi ultimi anni, con le nuove tecnologie spesso derivate dai turbogetti, è possibile realizzare dischi più sottili e rigidi con una buona finitura superficiale, tutti elementi che possono concorrere a migliorare l'efficienza del dispositivo.
Rifinitura superficiale dei dischi.
Anche se può sembrare un controsenso una superficie dei dischi scabra può generare facilmente vortici che riducono l'efficienza della turbina, quindi è importante che questi siano realizzati con superfici lisce e molto ben rifinite.
Posizionamento e geometria dell'ugello di ingresso.
Essendo la turbina di Tesla un dispositivo che sfrutta l'energia cinetica del fluido in esso immesso, le caratteristiche dell'ugello che porta il fluido ad avere una elevata velocità e quindi energia cinetica, sono determinanti, realizzare tali ugelli senza turbolenze è veramente critico.
La geometria del bordo di ingresso dei dischi.
La velocità del fluido che lambisce il bordo del disco può essere supersonica e quindi, in tale zona, si possono creare delle onde di compressione che possono generare perdite ed alterazioni nel percorso del fluido.
La dimensione e geometria della luce dei condotti di scarico.
Anche se all'uscita della turbina la velocità e pressione del fluido sono più basse, la progettazione dello scarico è critica e possono anche in questa fase realizzarsi vorticosità dannose con conseguenti perdite; il flusso è centripeto, (dalla periferie al centro del disco), con dischi rotanti a velocità elevata, il convogliamento di un fluido rotante in un condotto assiale senza turbolenze non è semplice.
Utilizzazione come pompa
È possibile utilizzare la turbina di Tesla come pompa, in questo caso l'albero deve essere mosso per mezzo di un motore ad alta velocità. Per effetto Coandă il fluido, fatto entrare dal centro, viene via via trascinato dai dischi in rotazione, facendo una traiettoria a spirale, in modo che parte dell'energia di rotazione dei dischi venga trasmessa al fluido, il quale verrà poi espulso dall'orifizio esterno tangenziale.
Curiosità
I costruttori artigianali di modellini della turbina di Tesla possono facilmente costruire modelli funzionanti della turbina utilizzando serie di Dischi Ottici (CD o Compact disc) per comporre la ruota, ovviamente con distanziali interposti e con foro centrale adeguato, lastre lavorate in Polimetilmetacrilato (Plexiglas) o tutta una serie di analoghi, per la cassa e l'ugello, che tra l'altro hanno il vantaggio di essere trasparenti, ed aria compressa ad alta pressione come fluido motore.
