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Nikola Tesla und seine Erfindungen
Anders als beispielsweise der Name Albert Einstein ist der Name Nikola Tesla in der allgemeinen Bevölkerung nicht geläufig, dürfte aber zumindest in Fachkreisen durchaus bekannt sein. Nikola Tesla lebte von 1856 bis 1943 und revolutionierte mit einigen seiner zahlreichen Erfindungen die Welt. So erfand er unter anderem das Wechselstromsystem oder das Radio, die aus der heutigen Zeit nicht mehr wegzudenken sind.
Nikola Tesla forschte jedoch nicht nur auf dem Gebiet der Elektrotechnik, sondern widmete sich auch einige Zeit lang der Mechanik. Der Großteil seiner Erfindungen ist allerdings in der Öffentlichkeit überhaupt nicht oder nur wenig bekannt. Dazu gehört unter anderem die sogenannte Teslaturbine, die auch Scheibenläuferturbine genannt wird. Diese Turbine wurde bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts von Nikola Tesla zum Patent angemeldet und soll laut seinem Erfinder diverse Vorteile gegenüber herkömmlichen Schaufelturbinen besitzen. Besonders durch den relativ einfachen Aufbau im Gegensatz zu herkömmlichen Schaufelturbinen wäre die Annahme naheliegend, dass diese Turbine weltweit im Einsatz ist. Tatsächlich konnte sie sich aber bis heute in keinem Bereich durchsetzen. Äußerst verwunderlich ist es, dass es über diese mehr als 100 Jahre alte Erfindung erstaunlich wenige öffentlich zugängliche Forschungsergebnisse und dokumentierte Funktionstests gibt, obwohl ihr zum Teil Wirkungsgrade von bis zu 95% nachgesagt werden.
Es stellt sich somit die Frage:
Ist es wirklich gerechtfertigt, der Teslaturbine so wenig Beachtung zu schenken?
Theoretische Grundlagen
Prinzipieller Aufbau
Eine Teslaturbine besteht prinzipiell wie jede andere Turbine auch aus einem Rotor und einem Gehäuse. Der Rotor ist aus mehreren gleichen Scheiben aufgebaut, die drehstarr auf einer Welle montiert sind und jeweils durch Distanzscheiben kleineren Durchmessers voneinander getrennt werden, sodass die Scheiben einen gewissen Abstand zueinander aufweisen. Die Scheiben besitzen mehrere Öffnungen, die sich möglichst nahe an der Welle befinden und sind so ausgerichtet, dass die Öffnungen aller Scheiben entlang einer gemeinsamen Achse verlaufen. Der Rotor ist in einem Gehäuse eingebaut, das im Wesentlichen aus zwei miteinander verbunden Hälften besteht. An diesen beiden Hälften sind die Lager der Welle befestigt. Weiterhin sind Dichtungen sowie eine oder mehrere Auslassöffnungen vorhanden. Das Gehäuseteil, welches die beiden seitlichen Hälften miteinander verbindet, hat eine Ausbohrung, deren Durchmesser etwas größer als jener der Scheiben ist und besitzt tangentiale Einlassöffnungen mit Düsen und Ventilen, wobei eines der Ventile stets geschlossen ist.
Funktionsweise
Prinzipiell funktioniert eine Teslaturbine sowohl mit dem Medium Flüssigkeit als auch mit dem Medium Gas und kann durch Antreiben des Rotors auch als Pumpe eingesetzt werden. Zur folgenden Erklärung der Funktionsweise wird eine Flüssigkeit als Medium angenommen. Diese Flüssigkeit wird unter Druck durch das rechte Ventil tangential zu den Scheiben eingebracht. Durch die Viskosität des Mediums und der Adhäsion zwischen dem Medium und der Scheibenoberfläche, wird auf die Scheiben eine tangentiale Kraft ausgeübt, die den Rotor in eine Rechtsdrehung versetzt. Die Flüssigkeit bewegt sich hierbei mit abnehmender Geschwindigkeit auf einer spiralförmigen Bahn und wird schließlich durch die Öffnungen (dunkelblau) in axialer Richtung ausgestoßen. Unter der Annahme, dass der Rotor nahezu reibungslos gelagert ist, wird die Geschwindigkeit am Umfang der Scheiben ohne Belastung nahezu der Maximalgeschwindigkeit der Flüssigkeitsteilchen entsprechen und die Länge der Spiralbahn ist maximal, da sie aus vielen fast kreisförmigen Bahnen besteht. Wenn der Rotor belastet und somit abgebremst wird, verringert sich auch die Geschwindigkeit der Flüssigkeitsteilchen, wodurch sowohl die Anzahl der Bahnumläufe als auch die Länge der Spiralbahn abnehmen.
Grundlegendes Betriebsverhalten / Leistungsfähigkeit
Drehmoment
Im Stillstand des Rotors ist die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Medium und den Scheiben und somit auch das Drehmoment am größten. Mit zunehmender Geschwindigkeit des Rotors und bei gleichbleibender Eingangsleistung sinkt die Relativgeschwindigkeit und damit auch das Drehmoment, bis es bei Maximalgeschwindigkeit (= Leerlaufdrehzahl) Null wird. Viele Quellen im Internet behaupten (oder vermitteln zumindest den Eindruck), dass das Drehmoment in Abhängigkeit von der Drehzahl exakt linear abnimmt, jedoch bin ich nach langer Recherche zu der Erkenntnis gekommen, dass dies nur eine nicht bewiesene und meiner Meinung nach falsche Behauptung ist. In Wirklichkeit wird die Drehmoment(Drehzahl)-Kurve von diversen Faktoren abhängen und nur in sehr guter Näherung eine lineare Abnahme ergeben:
(Weiterführende Infos siehe: Huybrechts, N. / Berten, O. / Lenclud, E.: Numerical study of a Tesla turbine. Brüssel, Free University of Brussels, 2003).
Die Diagramme von den Messungen an meiner Teslaturbine sind hier zu sehen.
Leistung und Effizienz
Die Leistung an der Welle der Teslaturbine errechnet sich nach folgender Formel:
Unter der Annahme, dass das Drehmoment linear abnimmt, ergibt sich folglich zumindest theoretisch für die Leistung in Abhängigkeit von der Drehzahl (bei gleichbleibender Eingangsleistung) eine nach unten geöffnete Parabel mit dem Scheitelpunkt bei halber Maximaldrehzahl:
Dies bedeutet, dass die maximale Leistung dann erreicht wird, wenn die effektive Geschwindigkeit des Läufers etwa die Hälfte der Geschwindigkeit der Flüssigkeit beträgt.
(Die Diagramme von den Messungen an meiner Teslaturbine sind hier zu sehen.)
Die Leistung und die Effizienz einer Teslaturbine sind jedoch von weiteren Faktoren abhängig, wie z.B. der Drehzahl des Rotors, dem Durchmesser der Scheiben, der Effizienz der Düse, der Größe und Position der Auslassöffnungen, dem Plattenabstand, dem Medium und dessen Fließgeschwindigkeit. Des Weiteren spielen der Druck und die Temperatur des Mediums, die Anzahl und die Stärke der Scheiben sowie die Anzahl und Anordnung der Düsen eine wichtige Rolle für die Leistungsfähigkeit der Turbine. Die oftmals genannten Wirkungsgrade einer Teslaturbine von bis zu 95 % haben sich jedoch bereits als unrealistisch erwiesen. Untersuchungen von Warren Rice ergaben, dass der Rotor diese hohen Wirkungsgrade durchaus erreichen kann, allerdings würden beim Eintreten der Flüssigkeit und beim Verlassen des Rotors große Verluste auftreten, welche den Gesamtwirkungsgrad deutlich mindern. Realistisch seien daher (Pumpen-)Wirkungsgrade zwischen 40 - 60 %; das Maximum liege bei etwa 65 % (Rice, Warren: Tesla Turbomachinery. Conference Proceedings of the 4th International Tesla Symposium, Serbian Academy of Sciences and Arts, Belgrad, Yugoslavien, 22. - 25. September 1991)
Fazit
Auch wenn der realistische Wirkungsgrad einer Teslaturbine deutlich unter den vorhergesagten Werten liegt, so steckt dennoch genug Potenzial in dieser Erfindung. Ein äußerst wichtiger Punkt, der in großem Maße zur Effizienz der Turbine beiträgt, ist die Konstruktion einer optimalen Düse und deren Anordnung. Ein großes Hindernis für die Weiterentwicklung der Teslaturbine ist nicht nur die Tatsache, dass offensichtlich relativ wenig Forschungsarbeit stattfand, sondern auch, dass viele Informationen darüber vermutlich nicht an die Öffentlichkeit gelangen. Des Weiteren beziehen sich die meisten wissenschaftlichen Quellen auf die Teslaturbine als Pumpe und nicht als Turbine, wodurch die daraus gewonnenen Informationen nur bedingt verwendbar sind.
Es ist nicht zu erwarten, dass in nächster Zeit seitens der Industrie an der Teslaturbine geforscht wird, da es für die meisten Bereiche bereits genug ausreichend effiziente Maschinen gibt und die Entwicklungskosten somit nicht angemessen zum Nutzen wären. Ein oftmals genannter Grund, warum sich die Teslaturbine bisher nicht durchsetzen konnte, ist die Tatsache, dass die Turbine sehr hohe Drehzahlen erreicht und die somit auf die Scheiben wirkenden Kräfte bei längerem Betrieb Beschädigungen hervorrufen können. Da die Werkstoffe aber durch ständige Weiterentwicklung stets leistungsfähiger werden, tritt dieser Aspekt allmählich in den Hintergrund, sodass es durchaus vorstellbar ist, dass die Teslaturbine in der Zukunft doch noch zumindest in einigen wenigen Bereichen eine größere Wertschätzung erfährt.
