ほとんどの人は、1884年にニューヨーク市に到着したエキセントリックで輝かしい男であるニコラテスラを、ほとんどすべての家庭や企業に電力を供給する交流の父として知っています。しかし、テスラは彼の天才を幅広い実用的な問題に適用した驚異的な発明家でした。総じて、彼は25か国で272の特許を保有しており、米国だけで112の特許を保有しています。テスラは、このすべての仕事の中で、電気工学の発明、つまり発電機、変圧器、送電線、モーター、照明の完全なシステムを説明する発明を心から愛していたと思うかもしれません。しかし、1913年に、テスラは彼が彼の最も重要な発明であると述べたものについて特許を取得しました。その発明は、今日テスラタービン、境界層タービン、またはフラットディスクタービンとして知られているタービンでした。
興味深いことに、テスラの発明を説明するために「タービン」という言葉を使用することは、少し誤解を招くように思われます。これは、ほとんどの人がタービンを、ファンブレードのようなブレードが取り付けられたシャフトと考えているためです。実際、Websterの辞書では、タービンをファンブレードにかかるガスまたは水の力によって回転するエンジンとして定義しています。しかし、テスラタービンにはブレードがありません。それは、シャフトに取り付けられ、密閉されたチャンバー内に配置された一連の密に詰まった平行ディスクを持っています。流体がチャンバーに入り、ディスク間を通過できるようになると、ディスクが回転し、それによってシャフトが回転します。この回転運動は、ポンプ、ブロワー、コンプレッサーへの電力供給から、車や飛行機の走行まで、さまざまな方法で使用できます。実際、テスラは、タービンがこれまでに設計された中で最も効率的で最も単純に設計されたロータリーエンジンであると主張しました。
もしこれが本当なら、なぜテスラタービンはもっと広く使われなかったのでしょうか？テスラの他の傑作であるAC送電のようにユビキタスにならないのはなぜですか？これらは重要な質問ですが、テスラタービンがどのように機能するのか、テクノロジーを非常に革新的なものにしているのかなど、より基本的な質問の二次的なものです。次の数ページで、これらすべての質問に答えます。しかし、最初に、長年にわたって開発されたさまざまなタイプのエンジンに関するいくつかの基本を確認する必要があります。次のページでは、テスラが新しい発明で解決したいと考えていた特定の問題について、より良いアイデアを得ることができます。
コンテンツエンジンの仕事は、燃料源からのエネルギーを機械的エネルギーに変換することです。自然源が空気、移動水、石炭、石油のいずれであっても、入力エネルギーは流体です。そして、流体とは、非常に特殊なものを意味します。つまり、加えられた応力の下で流れる物質です。したがって、気体と液体はどちらも流体であり、水で例示できます。エンジニアに関する限り、液体の水と気体の水、または蒸気は流体として機能します。
20世紀初頭には、2種類のエンジンが一般的でした。移動する水または温水から生成される蒸気によって駆動されるブレードタービンと、ガソリンの燃焼中に生成されるガスによって駆動されるピストンエンジンです。前者はロータリーエンジンの一種であり、後者はレシプロエンジンの一種です。どちらのタイプのエンジンも複雑なマシンであり、構築が困難で時間がかかりました。
例としてピストンを考えてみましょう。ピストンは、通常は別のシリンダー内で上下に動く円筒形の金属片です。ピストンとシリンダー自体に加えて、エンジンの他の部分には、バルブ、カム、ベアリング、ガスケット、リングが含まれます。これらの各部分は、失敗の機会を表しています。そして、全体として、それらはエンジン全体の重量と非効率性を高めます。
ブレード付きタービンは可動部品が少なかったが、それ自体に問題があった。ほとんどは、公差が非常に狭い巨大な機械でした。適切に構築されていないと、ブレードが破損したり、ひびが入ったりする可能性があります。実際、造船所で行われた観察により、テスラはより良いものを思いついた。「タービンを装備した最初の蒸気船のタービンケーシングから海を渡ったときに集められた壊れたブレードのブッシェルを思い出し、この[新しいエンジン]の重要性」[出典：ニューヨーク市のヘラルドトリビューン]。
テスラの新しいエンジンはブレードレスタービンでした。これは、エネルギーの媒体として流体を使用しますが、流体エネルギーを運動に変換するのにはるかに効率的です。一般に信じられていることとは反対に、彼はブレードレスタービンを発明しませんでしたが、1832年にヨーロッパで最初に特許を取得した基本的な概念を採用し、いくつかの改良を加えました。彼はほぼ10年にわたってアイデアを洗練し、実際にマシンに関連する3つの特許を取得しました。
最初の特許で、テスラはポンプまたはコンプレッサーとして構成された彼の基本的なブレードレス設計を紹介しました。 2番目の特許では、テスラがタービンとして機能するように基本設計を変更しました。そして最後に、3番目の特許で、彼はタービンを内燃機関として動作させるために必要な変更を加えました。
機械の基本的な設計は、その構成に関係なく同じです。次のセクションでは、その設計について詳しく見ていきます。
ピストンまたは蒸気エンジンと比較して、テスラタービンはそれ自体が単純です。実際、テスラは1911年10月15日にニューヨークヘラルドトリビューンに掲載されたインタビューでこのように説明しています。ある時点で入り、別の時点で出て行きます。」明らかにこれは過度に単純化されていますが、それほどではありません。タービンの2つの基本的な部分であるローターとステーターを詳しく見てみましょう。
従来のタービンでは、ローターはブレードが取り付けられたシャフトです。テスラタービンはブレードを廃止し、代わりに一連のディスクを使用します。ディスクのサイズと数は、特定のアプリケーションに関連する要因に基づいて変化する可能性があります。テスラの特許書類は特定の数を定義していませんが、ローターには「適切な直径」のディスクの「複数」が含まれている必要があるという、より一般的な説明を使用しています。後で見るように、テスラ自身がディスクのサイズと数をかなり実験しました。
各ディスクは、シャフトを囲む開口部で作られています。これらの開口部は、流体が出る排気ポートとして機能します。流体がディスク間を自由に通過できるようにするために、金属ワッシャーが仕切りとして使用されます。繰り返しになりますが、ワッシャーの厚さは厳密には設定されていませんが、間にあるスペースは通常2〜3ミリメートルを超えません。
ねじ山付きナットは、ローターアセンブリの最後の部品であるシャフト上の所定の位置にディスクを保持します。ディスクはシャフトに固定されているため、ディスクの回転はシャフトに伝達されます。
ローターアセンブリは、円筒形のステーター、またはタービンの静止部分に収容されています。ローターを収容するには、シリンダーの内部チャンバーの直径がローターディスク自体よりもわずかに大きくなければなりません。ステーターの両端には、シャフト用のベアリングが含まれています。固定子には、ノズルが挿入される1つまたは2つの入口も含まれています。テスラの元の設計では、2つの入口が必要でした。これにより、タービンを時計回りまたは反時計回りに動かすことができました。
これが基本設計です。タービンを作動させるために、高圧流体がステータ入口のノズルに入ります。流体はローターディスク間を通過し、ローターを回転させます。最終的に、流体はタービンの中央にある排気口から排出されます。
テスラタービンの素晴らしいところの1つは、そのシンプルさです。すぐに利用できる材料で構築でき、ディスク間の間隔を正確に制御する必要はありません。実際、作成は非常に簡単であるため、いくつかの主流の雑誌には、家庭用品を使用した完全な組み立て手順が含まれています。ポピュラーサイエンスの1955年9月号には、段ボール製のテスラタービン設計を使用してブロワーを構築する段階的な計画が掲載されていました。
しかし、一連のディスクは、タービンに期待される回転運動をどのように生成するのでしょうか。これが次のセクションで取り上げる質問です。
流体のエネルギーがどのようにして金属ディスクを回転させるのか不思議に思うかもしれません。結局のところ、ディスクが完全に滑らかで、流体を「キャッチ」するためのブレード、ベーン、またはバケットがない場合、ロジックは、流体がディスク上を流れるだけで、ディスクを動かないままにすることを示唆しています。もちろん、これは何が起こるかではありません。テスラタービンのローターは回転するだけでなく、急速に回転します。
その理由は、すべての流体の2つの基本的な特性である接着性と粘度に見られます。付着力とは、引力によって異なる分子がくっつく傾向のことです。粘度は、物質の流れに対する抵抗です。これらの2つの特性は、テスラタービンで連携して、流体からローターに、またはその逆にエネルギーを伝達します。方法は次のとおりです。
このようにディスク表面と相互作用する流体の薄層は、境界層と呼ばれます。 、および流体と固体表面との相互作用は、境界層効果と呼ばれます。 。この効果の結果として、推進流体は、適切な出口に到達するまで、ディスク面に沿って急速に加速されたスパイラルパスをたどります。流体は、ベーンやブレードによって引き起こされる拘束や破壊的な力から解放され、抵抗が最小の自然な経路を移動するため、速度と方向が徐々に変化します。これは、より多くのエネルギーがタービンに供給されることを意味します。実際、テスラは、当時の他のタービンよりもはるかに高い95％のタービン効率を主張しました。
しかし、次のセクションで説明するように、テスラタービンの理論効率は生産モデルではそれほど簡単には実現されていません。
境界層：それは本当の抗力です境界層効果は、飛行機の翼に抗力がどのように発生するかも説明します。翼の上を移動する空気は流体として動作します。つまり、空気分子は接着力と粘性力の両方を持っています。空気が翼の表面に付着すると、航空機の前進運動に抵抗する力が発生します。
テスラは、多くの現代の科学者や実業家と同様に、彼の新しいタービンが多くの属性に基づいて革命的であると信じていました。小さくて製造も簡単でした。可動部分は1つだけでした。そしてそれは可逆的でした。
これらの利点を実証するために、テスラはいくつかのマシンを構築しました。テスラの長年の機械工の息子であるJuilusC。Czitoは、いくつかのバージョンを作成しました。 1906年に建てられた最初のディスクは、それぞれ直径6インチ（15.2センチメートル）の8つのディスクを備えていました。マシンの重量は10ポンド（4.5キログラム）未満で、30馬力を発生しました。また、マシンの継続的な開発を困難にする欠陥も明らかになりました。ローターは非常に高速（毎分35,000回転（rpm））に達したため、金属ディスクがかなり伸び、効率が低下しました。
1910年、CzitoとTeslaは、直径12インチ（30.5センチメートル）のディスクを備えたより大きなモデルを構築しました。 10,000 rpmで回転し、100馬力を発生しました。その後、1911年に、ペアは直径9.75インチ（24.8センチメートル）のディスクを備えたモデルを構築しました。これにより、速度は9,000 rpmに低下しましたが、出力は110馬力に増加しました。
小規模でのこれらの成功に支えられて、テスラはより大きなダブルユニットを構築し、ニューヨークエジソンカンパニーの主要な発電所で蒸気でテストすることを計画しました。各タービンには、直径18インチ（45.7センチメートル）のローターベアリングディスクがありました。 2つのタービンは1つのベースに一列に配置されました。テスト中、テスラは9,000 rpmを達成し、200馬力を生成することができました。しかし、エジソンに忠実なテストに出席した一部のエンジニアは、新しいマシンのトルクを測定する方法の誤解に基づいて、タービンが故障したと主張しました。この悪い報道は、主要な電力会社がすでにブレード付きタービンに多額の投資を行っていたという事実と相まって、テスラが投資家を引き付けることを困難にしました。
テスラが発明を商品化する最後の試みで、彼はミルウォーキーのAllis-Chalmers ManufacturingCompanyに3つのタービンを製造するように説得しました。 2つは直径18インチの20個のディスクを持ち、それぞれ12,000rpmと10,000rpmの速度を開発しました。 3つ目は、直径60インチ（1.5メートル）のディスクが15個あり、3,600 rpmで動作するように設計されており、675馬力を生成します。テスト中、Allis-Chalmersのエンジニアは、タービンの機械効率と、長期間の使用に耐える能力の両方について懸念を抱きました。彼らは、ディスクが大幅に歪んでいることを発見し、タービンが最終的に故障したと結論付けました。
1970年代になってからも、研究者はテスラによって報告された結果を再現するのに苦労していました。アリゾナ州立大学の工学教授であるウォーレンライスは、41％の効率で作動するテスラタービンのバージョンを作成しました。ライスのモデルがテスラの正確な仕様から逸脱していると主張する人もいました。しかし、流体力学とテスラタービンの専門家であるライスは、1990年代までに研究の文献レビューを実施し、テスラの発明の最新バージョンで30〜40パーセントの効率を超えるものはないことを発見しました。
これは、何よりも、テスラタービンがより広く使用されることを妨げました。
ワシントンDCの海軍研究局は、次のように明確に述べています。「パーソンズタービンは、その周りに産業全体が構築され、それをサポートしてきた長い間存在していました。業界がそれほど簡単に覆されることはないので、ネズミの穴にお金を注いでください…」[出典：Cheney]。
それで、それは今日テスラタービンをどこに残しますか？次のセクションで説明するように、エンジニアと自動車デザイナーは、この100年前のテクノロジーに再び注意を向けています。
テスラは常に先見の明がありました。 彼は自分のブレードレスタービンをそれ自体が目的ではなく、目的を達成するための手段と見なしていました。 彼の最終的な目標は、ピストン燃焼エンジンを、彼の技術に基づいたはるかに効率的で信頼性の高いエンジンに置き換えることでした。 最も効率的なピストン燃焼エンジンは、燃料から仕事への変換において27〜28パーセントの効率を超えることはありませんでした。 テスラは、効率が40％であっても、タービンを改善と見なしていました。 彼は紙の上でタービン自動車を設計しましたが、それは非常に効率的で、ガソリンの1つのタンクで米国中を運転できると主張しました。
テスラは車が生産されるのを見たことがありませんでしたが、彼の革新的なタービンが最終的に新世代のよりクリーンでより効率的な車に組み込まれているのを見て、彼は今日満足するかもしれません。深刻な進歩を遂げている企業の1つは、ミシガン州マンシングにあるPhoenix Navigation and Guidance Inc.（PNGinc）です。 PNGincは、ディスクタービン技術とパルスデトネーション燃焼器をエンジンに組み合わせて、前例のない効率を実現していると同社は述べています。 29個のアクティブディスクがあり、それぞれ直径10インチ（25.4センチメートル）で、2つのテーパーエンドディスクの間に挟まれています。エンジンは18,000rpmと130馬力を生成します。タービンに固有の極端な遠心力を克服するために、PNGincは、炭素繊維、チタン含浸プラスチック、ケブラー強化ディスクなど、さまざまな高度な材料を使用しています。
明らかに、テスラタービンが商業的成功を収めるには、これらのより強く、より耐久性のある材料が重要です。ケブラーのような材料がテスラの生涯で利用可能であったならば、タービンがより多くの使用を見たであろうことはかなりありそうです。しかし、発明者の仕事でよくあることですが、テスラタービンは時代をはるかに超えた機械でした。
テスラ、電気、および関連トピックの詳細については、稲妻のように次のセクションに移動してください。
ニコラテスラの電気自動車テスラは車でタービンをテストしたことはありませんでしたが、いくつかの説明によれば、1931年に電気自動車を開発しました。車はピアスアローで、80馬力、1,800rpmの電気モーターで構成されていました。ガス駆動エンジン。話によると、テスラは真空管、ワイヤー、抵抗器を含む謎のブラックボックスを組み立てました。 2本のロッドが箱から突き出ていました。ロッドがボックスに押し込まれると、車に電力が供給されました。テスラは車を1週間運転しました-時速90マイル（時速145キロ）の速度まで。残念ながら、多くの人は彼が未知の危険な自然の力を利用したと信じていました。他の人は彼をクレイジーと呼んだ。憤慨して、彼は車から箱を取り出し、それを彼の研究室に戻しました、そしてそれは二度と見られませんでした。今日まで、テスラの電気自動車の基本的な動作原理は謎のままです。
初版：2008年7月14日