El ingeniero inconformista Nikola Tesla hizo importantes contribuciones al campo de la ingeniería mecánica. Uno de sus inventos favoritos, la turbina Tesla, tenía un diseño único y sencillo que superaba la eficiencia de las turbinas de vapor de la época. Profundicemos en el diseño de esta fascinante tecnología y exploremos sus afirmaciones de eficiencia.
El concepto detrás de la turbina Tesla
A diferencia de las turbinas modernas que funcionan según el principio del perfil aerodinámico, la turbina Tesla se basaba en el efecto viscoso del fluido sobre superficies sólidas. Es posible que hayas presenciado este efecto cuando el agua fluye sobre una piedra redondeada, provocando que se mueva debido a la fuerza viscosa entre el agua y la superficie de la piedra. Tesla aplicó esta fuerza a su turbina, creando la forma más simple de turbina Tesla, aunque bastante ineficiente.
Para hacer el diseño más eficiente y práctico, Tesla colocó el par eje-disco dentro de una carcasa. El fluido entra tangencialmente a través de la carcasa exterior, con la provisión para la salida del fluido en el centro de la turbina. Cuando el fluido tiene baja velocidad, la fuerza viscosa es mínima y el disco permanece estacionario. A medida que aumenta la velocidad del fluido, la interacción entre el fluido y la superficie del disco produce suficiente fuerza viscosa para hacer girar el disco.
La formación de un flujo en espiral
Se produce un giro interesante cuando las partículas del fluido comienzan a girar. Requieren una cierta cantidad de fuerza centrípeta para mantener su movimiento. Sin embargo, las partículas de fluido en rotación tienden a alejarse del centro debido a la diferencia en la fuerza centrípeta requerida. La salida de la turbina está en el centro, por lo que las partículas de fluido deben llegar hasta ella eventualmente. Este efecto opuesto hace que el movimiento de las partículas se curve, creando un flujo en espiral.
La forma en espiral del flujo de fluido aumenta el área de contacto entre las partículas de fluido y la superficie del disco, mejorando así la producción de fuerza viscosa. Esto significa que cuanto más rápido gira la turbina, más energía extrae del fluido, lo que resulta en una alta eficiencia durante operaciones de alta velocidad.
Utilizando el fenómeno de la capa límite
Tesla incorporó una idea única para mejorar aún más la eficiencia de la turbina: agregar dos discos paralelos. El flujo forma una capa límite en cada superficie, donde las partículas del fluido intentan arrastrar o girar el disco respectivo. Fuera de la capa límite, las partículas de fluido fluyen libremente sin ningún gradiente de velocidad, lo que contribuye poco a la generación de par. Al mantener la brecha entre los discos aproximadamente el doble del espesor de la capa límite, Tesla maximizó los efectos de corte y mejoró la salida de torque de la turbina.
Desafíos y limitaciones
El visionario diseño de Tesla enfrentó varios desafíos y limitaciones. A medida que aumentaba el tamaño de la turbina, funcionar a muy altas RPM se volvió poco práctico debido a las limitaciones de resistencia del material y las fuerzas centrífugas. A pesar de estos inconvenientes, la turbina Tesla encontró aplicaciones específicas, como ser reversible y funcionar como bomba en industrias de alta viscosidad como el tratamiento de aguas residuales y la industria petrolera.
Si bien Tesla afirmó un nivel de eficiencia del 97% para su modelo de 6 pulgadas, lograr niveles tan altos en turbinas de escala industrial más grandes resulta ser una imposibilidad de ingeniería. A pesar de sus limitaciones, la turbina Tesla sigue encontrando aplicaciones en industrias específicas.
