대부분의 사람들은 1884년에 뉴욕에 도착한 기이하고 명석한 사람인 Nikola Tesla를 거의 모든 가정과 기업에 전력을 공급하는 전기 형태인 교류의 아버지로 알고 있습니다. 그러나 Tesla는 자신의 천재성을 광범위한 실제 문제에 적용한 천재적인 발명가였습니다. 그는 25개국에서 272개의 특허를 보유하고 있으며 미국에서만 112개의 특허를 보유하고 있습니다. 이 모든 작업 중에서 Tesla가 전기 공학의 발명품, 즉 발전기, 변압기, 송전선로, 모터 및 조명의 전체 시스템을 설명하는 발명품을 가장 소중히 여겼을 것이라고 생각할 수도 있습니다. 그러나 1913년 Tesla는 자신의 가장 중요한 발명품으로 기술한 특허를 받았습니다. 그 발명품은 오늘날 Tesla 터빈, 경계층 터빈 또는 평면 디스크 터빈으로 알려진 터빈이었습니다.
흥미롭게도 Tesla의 발명을 설명하기 위해 "터빈"이라는 단어를 사용하는 것은 약간 오해의 소지가 있는 것 같습니다. 이는 대부분의 사람들이 터빈을 팬 블레이드와 같은 블레이드가 부착된 샤프트로 생각하기 때문입니다. 사실, Webster의 사전은 터빈을 팬 블레이드의 가스나 물의 힘에 의해 회전하는 엔진으로 정의합니다. 그러나 Tesla 터빈에는 블레이드가 없습니다. 그것은 샤프트에 부착되고 밀봉된 챔버 내에 배열된 조밀하게 포장된 일련의 평행 디스크를 가지고 있습니다. 유체가 챔버에 들어가고 디스크 사이를 통과하면 디스크가 회전하고 샤프트가 회전합니다. 이 회전 운동은 펌프, 송풍기 및 압축기에 전원을 공급하는 것부터 자동차와 비행기를 달리는 것까지 다양한 방식으로 사용할 수 있습니다. 사실 Tesla는 터빈이 가장 효율적이고 가장 단순하게 설계된 회전 엔진이라고 주장했습니다.
이것이 사실이라면 Tesla 터빈이 더 널리 사용되지 않은 이유는 무엇입니까? Tesla의 또 다른 걸작인 AC 전력 전송만큼 널리 보급되지 않은 이유는 무엇입니까? 이것들은 중요한 질문이지만 Tesla 터빈이 어떻게 작동하고 기술을 혁신적으로 만드는 것과 같은 보다 근본적인 질문에 부차적인 것입니다. 다음 몇 페이지에서 이 모든 질문에 답할 것입니다. 그러나 먼저 수년에 걸쳐 개발된 다양한 유형의 엔진에 대한 몇 가지 기본 사항을 검토해야 합니다. 다음 페이지에서 우리는 Tesla가 그의 새로운 발명으로 해결하고자 했던 특정 문제에 대해 더 잘 알게 될 것입니다.
콘텐츠모든 엔진의 역할은 연료 소스의 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 것입니다. 천연 소스가 공기, 움직이는 물, 석탄 또는 석유이건 간에 입력 에너지는 유체입니다. 그리고 유체란 매우 특정한 것을 의미합니다. 적용된 응력 하에서 흐르는 모든 물질입니다. 따라서 기체와 액체는 모두 유체이며 물을 예로 들 수 있습니다. 엔지니어에 관한 한 액체 물과 기체 물 또는 증기는 유체 역할을 합니다.
20세기 초에는 두 가지 유형의 엔진이 일반적이었습니다. 움직이는 물이나 가열된 물에서 생성된 증기에 의해 구동되는 블레이드 터빈과 가솔린 연소 중에 생성된 가스에 의해 구동되는 피스톤 엔진입니다. 전자는 일종의 회전식 엔진이고 후자는 왕복식 엔진입니다. 두 유형의 엔진 모두 복잡한 기계로 제작이 어렵고 시간이 많이 소요되었습니다.
피스톤을 예로 들어보겠습니다. 피스톤은 일반적으로 다른 실린더 내부에서 위아래로 움직이는 원통형 금속 조각입니다. 피스톤과 실린더 자체 외에도 엔진의 다른 부분에는 밸브, 캠, 베어링, 개스킷 및 링이 포함됩니다. 이러한 각 부분은 실패의 기회를 나타냅니다. 그리고 전체적으로 엔진의 무게와 비효율성을 가중시킵니다.
블레이드형 터빈은 움직이는 부품이 적었지만 자체 문제가 있었습니다. 대부분은 허용 오차가 매우 좁은 거대한 기계 조각이었습니다. 제대로 제작되지 않으면 블레이드가 부러지거나 금이 갈 수 있습니다. 사실, Tesla가 더 나은 것을 생각하도록 영감을 준 한 조선소에서의 관찰은 다음과 같습니다. 이 [새 엔진]의 중요성" [출처:New York City Herald Tribune].
Tesla의 새 엔진은 여전히 유체를 에너지 차량으로 사용하지만 유체 에너지를 운동으로 변환하는 데 훨씬 더 효율적인 블레이드가 없는 터빈이었습니다. 대중의 믿음과 달리 그는 날개가 없는 터빈을 발명하지 않았지만 1832년 유럽에서 처음으로 특허를 받은 기본 개념을 취하고 몇 가지 개선을 했습니다. 그는 거의 10년에 걸쳐 아이디어를 구체화했으며 실제로 기계와 관련된 3개의 특허를 받았습니다.
첫 번째 특허에서 Tesla는 펌프 또는 압축기로 구성된 기본 블레이드리스 설계를 도입했습니다. 두 번째 특허에서 Tesla는 기본 설계를 수정하여 터빈으로 작동하도록 했습니다. 그리고 마지막으로 세 번째 특허로 터빈을 내연 기관으로 작동하는 데 필요한 변경 사항을 적용했습니다.
기계의 기본 설계는 구성에 관계없이 동일합니다. 다음 섹션에서는 해당 디자인을 더 자세히 살펴보겠습니다.
피스톤이나 증기 기관에 비해 Tesla 터빈은 단순합니다. 실제로 Tesla는 1911년 10월 15일 New York Herald Tribune에 실린 인터뷰에서 다음과 같이 설명했습니다. 한 지점에 들어갔다가 다른 지점으로 나간다." 분명히 이것은 지나치게 단순화한 것이지만 그다지 많지는 않습니다. 터빈의 두 가지 기본 부품인 회전자와 고정자를 더 자세히 살펴보겠습니다.
전통적인 터빈에서 로터는 블레이드가 부착된 샤프트입니다. Tesla 터빈은 블레이드를 없애고 대신 일련의 디스크를 사용합니다. 디스크의 크기와 수는 특정 응용 프로그램과 관련된 요소에 따라 달라질 수 있습니다. Tesla의 특허 문서에는 특정 번호가 정의되어 있지 않지만 로터에 "적절한 직경"의 "복수" 디스크가 포함되어야 한다는 보다 일반적인 설명을 사용합니다. 나중에 살펴보겠지만 Tesla는 디스크의 크기와 개수에 대해 꽤 많은 실험을 했습니다.
각 디스크는 샤프트를 둘러싼 구멍으로 만들어집니다. 이 구멍은 유체가 빠져나가는 배출 포트 역할을 합니다. 유체가 디스크 사이를 자유롭게 통과할 수 있도록 금속 와셔가 디바이더로 사용됩니다. 다시 말하지만, 중간 간격이 일반적으로 2~3mm를 초과하지 않지만 와셔의 두께는 엄격하게 설정되지 않습니다.
나사산이 있는 너트는 로터 어셈블리의 마지막 부분인 샤프트의 제 위치에 디스크를 고정합니다. 디스크가 샤프트에 맞춰져 있기 때문에 회전이 샤프트로 전달됩니다.
로터 어셈블리는 원통형 고정자 또는 터빈의 고정 부품 내에 수용됩니다. 로터를 수용하려면 실린더 내부 챔버의 직경이 로터 디스크 자체보다 약간 커야 합니다. 고정자의 각 끝은 샤프트용 베어링을 포함합니다. 고정자에는 노즐이 삽입되는 하나 또는 두 개의 입구도 있습니다. Tesla의 원래 설계에서는 터빈이 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 작동할 수 있도록 2개의 입구가 필요했습니다.
기본적인 디자인입니다. 터빈을 작동시키기 위해 고압 유체가 고정자 입구의 노즐로 들어갑니다. 유체는 로터 디스크 사이를 통과하여 로터를 회전시킵니다. 결국 유체는 터빈 중앙의 배기 포트를 통해 빠져 나옵니다.
Tesla 터빈의 가장 큰 장점 중 하나는 단순성입니다. 쉽게 구할 수 있는 재료로 만들 수 있으며 디스크 사이의 간격을 정밀하게 제어할 필요가 없습니다. 사실 제작이 너무 쉽기 때문에 여러 주류 잡지에 가정용 재료를 사용한 완전한 조립 지침이 포함되어 있습니다. Popular Science의 1955년 9월호에는 판지로 만든 Tesla 터빈 설계를 사용하여 송풍기를 제작하는 단계별 계획이 실렸습니다!
그러나 일련의 디스크가 터빈에서 기대하는 회전 운동을 정확히 어떻게 생성합니까? 이것이 바로 다음 섹션에서 다룰 질문입니다.
유체의 에너지가 어떻게 금속 디스크를 회전시킬 수 있는지 궁금할 것입니다. 결국, 디스크가 완벽하게 매끄럽고 유체를 "잡는" 블레이드, 베인 또는 버킷이 없는 경우 논리에 따르면 유체는 단순히 디스크 위로 흐르고 디스크는 움직이지 않습니다. 물론 이것은 일어나지 않습니다. Tesla 터빈의 로터는 회전할 뿐만 아니라 빠르게 회전합니다.
그 이유는 모든 유체의 두 가지 기본 특성인 접착력과 점도에서 찾을 수 있습니다. 접착력은 서로 다른 분자들이 인력으로 인해 서로 달라붙는 경향입니다. 점도는 흐름에 대한 물질의 저항입니다. 이 두 속성은 Tesla 터빈에서 함께 작동하여 유체에서 로터로 또는 그 반대로 에너지를 전달합니다. 방법은 다음과 같습니다.
이러한 방식으로 디스크 표면과 상호 작용하는 유체의 얇은 층을 경계 층이라고 합니다. , 유체와 고체 표면의 상호 작용을 경계층 효과라고 합니다. . 이 효과의 결과로 추진 유체는 적절한 출구에 도달할 때까지 디스크 면을 따라 빠르게 가속된 나선형 경로를 따릅니다. 유체는 베인이나 블레이드로 인한 제약과 방해력이 없고 저항이 가장 적은 자연 경로로 이동하기 때문에 속도와 방향에서 점진적인 변화를 경험합니다. 이것은 더 많은 에너지가 터빈에 전달된다는 것을 의미합니다. 실제로 Tesla는 당시의 다른 터빈보다 훨씬 높은 95%의 터빈 효율을 주장했습니다.
그러나 다음 섹션에서 볼 수 있듯이 Tesla 터빈의 이론적인 효율성은 생산 모델에서 그렇게 쉽게 실현되지 않았습니다.
경계 레이어:진짜 드래그입니다경계층 효과는 또한 비행기 날개에서 항력이 생성되는 방식을 설명합니다. 날개 위를 움직이는 공기는 유체처럼 거동하며, 이는 공기 분자가 접착력과 점성력을 모두 가지고 있음을 의미합니다. 공기가 날개 표면에 달라붙어 항공기의 전진 운동에 저항하는 힘을 생성합니다.
Tesla를 비롯한 많은 현대 과학자 및 산업가는 그의 새 터빈이 여러 속성을 기반으로 하여 혁명적이라고 믿었습니다. 작고 제작이 쉬웠습니다. 움직이는 부분이 하나뿐이었습니다. 그리고 그것은 되돌릴 수 있었습니다.
이러한 이점을 입증하기 위해 Tesla는 여러 대의 기계를 제작했습니다. Tesla의 오랜 기계공의 아들인 Juilus C. Czito는 여러 버전을 만들었습니다. 1906년에 제작된 첫 번째 디스크는 직경이 각각 6인치(15.2센티미터)인 8개의 디스크로 구성되어 있습니다. 기계의 무게는 10파운드(4.5kg) 미만이고 30마력을 개발했습니다. 또한 기계의 지속적인 개발을 어렵게 만드는 결함도 드러났습니다. 로터는 분당 35,000회전의 빠른 속도에 도달하여 금속 디스크가 상당히 늘어나 효율성이 저하되었습니다.
1910년에 Czito와 Tesla는 직경이 12인치(30.5센티미터)인 디스크로 더 큰 모델을 만들었습니다. 10,000rpm으로 회전하고 100마력을 냈습니다. 그런 다음 1911년에 두 사람은 직경 9.75인치(24.8센티미터)의 디스크로 모델을 만들었습니다. 이로 인해 속도는 9,000rpm으로 감소했지만 출력은 110마력으로 증가했습니다.
소규모의 이러한 성공에 힘입어 Tesla는 더 큰 이중 장치를 건설했으며 이를 New York Edison Company의 주요 발전소에서 증기로 테스트할 계획이었습니다. 각 터빈에는 직경이 18인치(45.7센티미터)인 로터 베어링 디스크가 있습니다. 두 개의 터빈은 단일 베이스에 일렬로 배치되었습니다. 테스트 기간 동안 Tesla는 9,000rpm을 달성하고 200마력을 생성할 수 있었습니다. 그러나 테스트에 참석한 Edison에 충실한 일부 엔지니어는 새 기계에서 토크를 측정하는 방법에 대한 오해로 인해 터빈이 고장났다고 주장했습니다. 주요 전기 회사가 이미 블레이드 터빈에 막대한 투자를 했다는 사실과 결합된 이 나쁜 언론은 Tesla가 투자자를 유치하기 어렵게 만들었습니다.
자신의 발명품을 상업화하려는 Tesla의 마지막 시도에서 그는 Milwaukee에 있는 Allis-Chalmers Manufacturing Company를 설득하여 3개의 터빈을 만들었습니다. 2개의 디스크는 직경이 18인치이고 각각 12,000 및 10,000rpm의 속도를 개발했습니다. 세 번째 엔진은 직경이 1.5미터(60인치)인 디스크 15개를 가지고 있으며 3,600rpm에서 작동하도록 설계되어 675마력을 생성합니다. 테스트 중에 Allis-Chalmers의 엔지니어들은 터빈의 기계적 효율성과 장기간 사용을 견딜 수 있는 능력에 대해 우려하게 되었습니다. 그들은 디스크가 크게 왜곡되었음을 발견하고 터빈이 결국 고장날 것이라고 결론지었습니다.
1970년대까지만 해도 연구자들은 Tesla가 보고한 결과를 재현하는 데 어려움을 겪었습니다. Arizona State University의 공학 교수인 Warren Rice는 41% 효율로 작동하는 Tesla 터빈 버전을 만들었습니다. 일각에서는 라이스의 모델이 테슬라의 정확한 사양과 다르다고 주장했다. 그러나 유체 역학 및 Tesla 터빈의 전문가인 Rice는 1990년대 후반까지 연구에 대한 문헌 검토를 수행했으며 Tesla의 최신 발명품은 효율성이 30~40%를 초과하지 않는다는 사실을 발견했습니다.
이것은 무엇보다 Tesla 터빈이 더 널리 사용되는 것을 막았습니다.
워싱턴 DC에 있는 해군 연구실(Office of Naval Research)은 다음과 같이 분명히 밝혔습니다. "파슨스 터빈은 전체 산업이 이를 중심으로 구축되고 지원하는 데 오랜 시간 동안 사용되어 왔습니다. Tesla 터빈이 훨씬 더 우수하지 않다면, 업계가 그렇게 쉽게 뒤집히지 않을 것이기 때문에 쥐구멍에 돈을 쏟아붓고 있는 것입니다..." [출처:Cheney].
그렇다면 오늘날 Tesla 터빈은 어디로 떠나게 될까요? 다음 섹션에서 살펴보겠지만, 엔지니어와 자동차 설계자는 이 100년 된 기술에 다시 한 번 관심을 돌리고 있습니다.
Tesla는 항상 선견지명이 있었습니다. 그는 블레이드가 없는 터빈을 목적 자체가 아니라 목적을 위한 수단으로 보았습니다. 그의 궁극적인 목표는 자신의 기술을 기반으로 피스톤 연소 엔진을 훨씬 더 효율적이고 안정적인 엔진으로 교체하는 것이었습니다. 가장 효율적인 피스톤 연소 엔진은 연료를 작동으로 전환하는 효율이 27~28%를 넘지 못했습니다. 40%의 효율성 비율에서도 Tesla는 터빈을 개선된 것으로 보았습니다. 그는 심지어 종이에 터빈 자동차를 설계했는데, 그 자동차는 휘발유 한 탱크로 미국 전역을 운전할 수 있을 정도로 효율적이라고 주장했습니다.
Tesla는 자동차가 생산되는 것을 한 번도 본 적이 없지만 그의 혁신적인 터빈이 마침내 더 깨끗하고 효율적인 차세대 자동차에 통합되는 것을 보고 만족할 수 있습니다. 심각한 발전을 이루고 있는 회사 중 하나는 미시간 주 무니징에 위치한 Phoenix Navigation and Guidance Inc.(PNGinc)입니다. PNGinc는 디스크 터빈 기술과 펄스 폭발 연소기를 엔진에 결합하여 전례 없는 효율성을 제공한다고 회사에서 밝혔습니다. 직경이 각각 10인치(25.4센티미터)인 29개의 활성 디스크가 2개의 테이퍼진 끝 디스크 사이에 끼워져 있습니다. 엔진은 18,000rpm 및 130마력을 생성합니다. 터빈 고유의 극단적인 원심력을 극복하기 위해 PNGinc는 탄소 섬유, 티타늄 함침 플라스틱 및 Kevlar 강화 디스크와 같은 다양한 고급 소재를 사용합니다.
분명히 Tesla 터빈이 상업적 성공을 거두려면 더 강력하고 내구성이 뛰어난 재료가 중요합니다. Tesla의 일생 동안 Kevlar와 같은 재료를 사용할 수 있었다면 터빈이 더 많이 사용되었을 가능성이 큽니다. 그러나 발명가의 작업에서 흔히 그렇듯이 Tesla 터빈은 시대를 훨씬 앞서는 기계였습니다.
Tesla, 전기 및 관련 주제에 대한 자세한 내용은 번개처럼 다음 섹션으로 이동하십시오.
니콜라 테슬라의 전기차Tesla는 자동차에서 터빈을 테스트한 적이 없지만 일부 설명에 따르면 1931년에 전기 자동차를 개발했습니다. 이 자동차는 Pierce-Arrow로, 대신에 80마력, 1,800rpm 전기 모터로 구성되었습니다. 가스 엔진. 이야기에 따르면 Tesla는 진공관, 전선 및 저항기가 포함된 신비한 블랙박스를 조립했습니다. 상자에서 두 개의 막대가 튀어나왔습니다. 막대를 상자에 밀어 넣으면 차는 힘을 받았습니다. Tesla는 최대 시속 90마일(시속 145km)의 속도로 자동차를 일주일 동안 운전했습니다. 불행히도 많은 사람들은 그가 알려지지 않은 위험한 자연의 힘을 이용했다고 믿었습니다. 다른 사람들은 그를 미쳤다고 했습니다. 분노한 그는 차에서 상자를 꺼내 연구실로 가져갔지만 다시는 보이지 않았습니다. 오늘날까지 Tesla 전기차의 기본 작동 원리는 수수께끼로 남아 있습니다.
최초 발행일:2008년 7월 14일
