A Tesla‑turbina egy lapát nélküli, centripetális áramlású turbina, amelyet a legendás fizikus, Nikola Tesla talált fel 1913-ban. A hatásfoka a határréteg‑jelenségen alapul, nem pedig azon, hogy a gáz vagy folyadék közvetlenül lapátokra csapódik. A hagyományos turbinák (pl. gőzturbina, gázturbina, vízturbina) lapátokat használnak. Ezekben az eszközökben a gyorsan áramló közeg (víz, gáz stb.) a lapátokra csapódik, de a lapátok alakja miatt irányt változtat, és közben erőt fejt ki a lapátra, ez forgatja meg aztán a tengelyt.
Ezzel szemben a Tesla-turbinában még lapátok sincsenek. Amikor egy folyadék vagy gáz egy szilárd felület mellett áramlik, a felülethez legközelebb lévő réteg elkezd „tapadni” a felülethez súrlódás miatt. Ez a legközelebbi vékony réteg a határréteg. A Tesla‑turbina ezt használja ki, mert a levegő vagy a közeg nem csapódik lapátokra, hanem ráfolyik sima tárcsákra és a határréteg miatt magával húzza azokat. Ahogy halad befelé a közeg spirálisan, energiát is ad a tárcsáknak. Nagyon magas fordulatszámot tud adni, ráadásul nagyon olcsó egy hagyományos turbinához képest.
Ezt a LEGO Tesla-turbinát bárki el tudja készíteni
Nemrégiben valaki LEGO-ból készített egy ilyen turbinát, hogy megmutassa mennyire jól működik ez a turbina a hagyományos lapátos megoldásokhoz képest. Mivel a határréteget a felület adja, ezért a lehető legnagyobb felületre van szükség, ami a gyakorlatban sok-sok kis átmérőjű tárcsát jelent, a köztük lévő megfelelő távolsággal. A turbina ellen irányított levegő befelé, a tárcsák tengelye felé áramlik, ezért valamilyen módon azt el is kell vezetni – ez adja a LEGO-s küldetés kihívását is. A videóban több prototípust is kipróbálnak, mire kialakul egy jól működő, generátorhoz is alkalmas változat. Ez maga a teljes videó:
Az első tárcsák egy biológiailag lebomló műanyagból, PLA-ból készültek FDM-nyomtatóval, ami a 3D-nyomtatás legelterjedtebb technológiája. A tengelyen 1 mm-es távtartók voltak. Ezek a turbinák elképesztően magas fordulatszámot érhetnek el, viszont a nyomaték nagyon gyenge, amíg a fordulatszám nem haladja meg a 10 000 RPM-et. Ez problémát jelent, ha terhelést kell meghajtani, különösen induláskor, bár egy járó robotot azért sikerült megmozdítani vele.
A sok kísérlet után a megfelelő tárcsaanyag kiválasztása következett. A PLA mellett a tesztelők „PLA Tough”, PETG, PC és TPU anyagokat is kipróbáltak. A PLA ugye könnyen nyomtatható, de törékeny és hőre érzékeny, a PLA Tough ennek erősebb, törésállóbb változata. Ugyanilyen a PETG is, ami egy rugalmasabb, hőállóbb anyag, keményebb terhelést is kibír. A polikarbonát (PC) bírja a legjobban a terhelést, de ezért cserébe nagyon nehéz nyomtatni, míg a TPU egy gumiszerű anyag, ami hajlik és ütésálló, de pont a hajlékonysága miatt nem segít egy turbina esetén sokat. Végül a tesztben a PLA Tough bizonyult a legjobb választásnak, ugyanazon légnyomás mellett a legmagasabb fordulatszámot produkálta.
Ebből készült egy alap generátor, de a turbina továbbra is kevés nyomatékot adott le. A megoldás egy olyan egyedi generátor megépítése lett, amely sokkal könnyebben felpörgethető. Ehhez egy nagyobb turbina is készült 0,3 mm vastag tárcsákkal, amely már érezhető teljesítményt és jóval nagyobb nyomatékot adott. A turbina és a generátor közötti fordulatszám‑átalakításhoz először CVT-t használtak, de ezt végül fém fogaskerekekre kellett cserélni. A CVT magyarul folyamatosan változó áttételű váltót jelent, amelyben az áttétel nem lépcsőkben (1-es, 2-es, 3-as fokozat), hanem folyamatosan, megszakítás nélkül változik két határérték között.
A Tesla‑turbina esetében ezt azért próbálták ki, mert így könnyebb lett volna a nagyon magas fordulatszámot a generátor számára megfelelő tartományba átalakítani. A módosítás után a generátor kb. 14 watt teljesítményt adott le 30 volt mellett, 85 PSI bemeneti nyomással. Ez bőven elég egy okostelefon töltéséhez vagy egy nagy LED panel meghajtásához. A LEGO‑ból épített Tesla‑turbina sűrített levegővel működött, amelyet kompresszorból vezettek rá a turbina bemenetére, mert egy ilyen eszköz komoly légáramot igényel.
A kísérlethez használt összes terv elérhető a MakerWorldön, például a nagy turbina modellje is.
De ne felejtsük el, hogy a Tesla-turbinák nem igazán terjedtek el ipari felhasználásban, pont a kísérletben tapasztaltak miatt. Mivel a határréteg súrlódásával működik, csak akkor hatékony, ha a tárcsák és a levegő között nagyon nagy a relatív sebesség. Induláskor ez nincs meg, tehát nincs nyomaték és csak nagyon magas fordulaton kezd érdemi teljesítményt adni, ami ipari felhasználásban nem igazán hasznos. A hagyományos turbinák hatásfoka akár 90% fölötti, a Tesla‑turbina jóval alacsonyabb.
