La plupart des gens connaissent Nikola Tesla, l'homme excentrique et brillant qui est arrivé à New York en 1884, comme le père du courant alternatif, la forme d'électricité qui alimente presque toutes les maisons et entreprises. Mais Tesla était un inventeur prodigieux qui a appliqué son génie à un large éventail de problèmes pratiques. Au total, il détenait 272 brevets dans 25 pays, dont 112 aux États-Unis seulement. Vous pourriez penser que, de tout ce travail, Tesla aurait tenu ses inventions en génie électrique - celles qui décrivaient un système complet de générateurs, de transformateurs, de lignes de transmission, de moteurs et d'éclairage - les plus chères à son cœur. Mais en 1913, Tesla a reçu un brevet pour ce qu'il a décrit comme son invention la plus importante. Cette invention était une turbine, connue aujourd'hui sous le nom de turbine Tesla, turbine à couche limite ou turbine à disque plat.
Fait intéressant, utiliser le mot "turbine" pour décrire l'invention de Tesla semble un peu trompeur. C'est parce que la plupart des gens pensent qu'une turbine est un arbre avec des pales - comme des pales de ventilateur - qui y sont attachées. En fait, le dictionnaire Webster définit une turbine comme un moteur entraîné par la force du gaz ou de l'eau sur les pales du ventilateur. Mais la turbine Tesla n'a pas de pales. Il a une série de disques parallèles étroitement emballés attachés à un arbre et disposés dans une chambre scellée. Lorsqu'un fluide est autorisé à entrer dans la chambre et à passer entre les disques, les disques tournent, ce qui à son tour fait tourner l'arbre. Ce mouvement rotatif peut être utilisé de différentes manières, de l'alimentation de pompes, de soufflantes et de compresseurs à la conduite de voitures et d'avions. En fait, Tesla a affirmé que la turbine était le moteur rotatif le plus efficace et le plus simple jamais conçu.
Si cela est vrai, pourquoi la turbine Tesla n'a-t-elle pas été plus largement utilisée ? Pourquoi n'est-il pas devenu aussi omniprésent que l'autre chef-d'œuvre de Tesla, la transmission de courant alternatif ? Ce sont des questions importantes, mais elles sont secondaires à des questions plus fondamentales, telles que comment fonctionne la turbine Tesla et qu'est-ce qui rend la technologie si innovante ? Nous répondrons à toutes ces questions dans les pages suivantes. Mais d'abord, nous devons revoir quelques notions de base sur les différents types de moteurs développés au fil des ans. Sur la page suivante, nous aurons une meilleure idée du problème spécifique que Tesla espérait résoudre avec sa nouvelle invention.
ContenuLe travail de tout moteur est de convertir l'énergie d'une source de carburant en énergie mécanique. Que la source naturelle soit l'air, l'eau en mouvement, le charbon ou le pétrole, l'énergie d'entrée est un fluide. Et par fluide, nous entendons quelque chose de très spécifique - c'est toute substance qui s'écoule sous une contrainte appliquée. Les gaz et les liquides sont donc des fluides, qui peuvent être illustrés par l'eau. Pour un ingénieur, l'eau liquide et l'eau gazeuse, ou vapeur, fonctionnent comme un fluide.
Au début du XXe siècle, deux types de moteurs étaient courants :les turbines à aubes, entraînées soit par de l'eau en mouvement, soit par de la vapeur générée à partir d'eau chauffée, et les moteurs à pistons, entraînés par les gaz produits lors de la combustion de l'essence. Le premier est un type de moteur rotatif, le second un type de moteur alternatif. Les deux types de moteurs étaient des machines compliquées qui étaient difficiles et longues à construire.
Considérons un piston comme exemple. Un piston est une pièce métallique cylindrique qui monte et descend, généralement à l'intérieur d'un autre cylindre. Outre les pistons et les cylindres eux-mêmes, d'autres parties du moteur comprennent les soupapes, les cames, les roulements, les joints et les bagues. Chacune de ces parties représente une opportunité d'échec. Et, collectivement, ils ajoutent au poids et à l'inefficacité du moteur dans son ensemble.
Les turbines à aubes avaient moins de pièces mobiles, mais elles présentaient leurs propres problèmes. La plupart étaient d'énormes pièces de machinerie avec des tolérances très étroites. Si elles ne sont pas construites correctement, les lames peuvent se casser ou se fissurer. En fait, c'est une observation faite dans un chantier naval qui a inspiré Tesla à concevoir quelque chose de mieux :"Je me suis souvenu des boisseaux de pales cassées qui ont été extraits des carters de turbine du premier navire à vapeur équipé de turbines à traverser l'océan, et j'ai réalisé l'importance de ce [nouveau moteur]" [source :The New York City Herald Tribune].
Le nouveau moteur de Tesla était une turbine sans lame, qui utiliserait toujours un fluide comme véhicule d'énergie, mais serait beaucoup plus efficace pour convertir l'énergie du fluide en mouvement. Contrairement à la croyance populaire, il n'a pas inventé la turbine sans aubes, mais il a pris le concept de base, breveté pour la première fois en Europe en 1832, et a apporté plusieurs améliorations. Il a affiné l'idée sur une période de près d'une décennie et a en fait reçu trois brevets liés à la machine :
Dans le premier brevet, Tesla a présenté sa conception de base sans lame configurée comme une pompe ou un compresseur. Dans le deuxième brevet, Tesla a modifié la conception de base pour qu'elle fonctionne comme une turbine. Et enfin, avec le troisième brevet, il a apporté les modifications nécessaires pour faire fonctionner la turbine comme un moteur à combustion interne.
La conception fondamentale de la machine est la même, quelle que soit sa configuration. Dans la section suivante, nous examinerons de plus près cette conception.
Comparée à une machine à piston ou à vapeur, la turbine Tesla est la simplicité même. En fait, Tesla l'a décrit ainsi dans une interview parue dans le New York Herald Tribune le 15 octobre 1911 :"Tout ce dont on a besoin, ce sont des disques montés sur un arbre, espacés d'une petite distance et enveloppés de manière à ce que le fluide puisse entrer à un moment donné et sortir à un autre." Il s'agit clairement d'une simplification excessive, mais pas de beaucoup. Examinons plus en détail les deux parties de base de la turbine :le rotor et le stator.
Dans une turbine traditionnelle, le rotor est un arbre avec des pales attachées. La turbine Tesla supprime les pales et utilise à la place une série de disques. La taille et le nombre de disques peuvent varier en fonction de facteurs liés à une application particulière. Les documents de brevet de Tesla ne définissent pas un nombre spécifique, mais utilisent une description plus générale, indiquant que le rotor doit contenir une "pluralité" de disques avec un "diamètre approprié". Comme nous le verrons plus tard, Tesla lui-même a beaucoup expérimenté la taille et le nombre de disques.
Chaque disque est réalisé avec des ouvertures entourant l'arbre. Ces ouvertures agissent comme des orifices d'échappement par lesquels le fluide sort. Pour s'assurer que le fluide peut passer librement entre les disques, des rondelles métalliques sont utilisées comme séparateurs. Encore une fois, l'épaisseur d'une rondelle n'est pas fixée de manière rigide, bien que les espaces intermédiaires ne dépassent généralement pas 2 à 3 millimètres.
Un écrou fileté maintient les disques en position sur l'arbre, la dernière pièce de l'assemblage du rotor. Parce que les disques sont calés sur l'arbre, leur rotation est transférée à l'arbre.
L'ensemble rotor est logé dans un stator cylindrique, ou la partie fixe de la turbine. Pour accueillir le rotor, le diamètre de la chambre intérieure du cylindre doit être légèrement plus grand que les disques du rotor eux-mêmes. Chaque extrémité du stator contient un palier pour l'arbre. Le stator contient également une ou deux entrées, dans lesquelles sont insérées des buses. La conception originale de Tesla prévoyait deux entrées, ce qui permettait à la turbine de tourner dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse.
C'est la conception de base. Pour faire tourner la turbine, un fluide à haute pression pénètre dans les tuyères aux entrées du stator. Le fluide passe entre les disques du rotor et fait tourner le rotor. Finalement, le fluide sort par les orifices d'échappement au centre de la turbine.
L'une des grandes choses à propos de la turbine Tesla est sa simplicité. Il peut être construit avec des matériaux facilement disponibles et l'espacement entre les disques n'a pas besoin d'être contrôlé avec précision. Il est si facile à construire, en fait, que plusieurs magazines grand public ont inclus des instructions de montage complètes utilisant des matériaux ménagers. Le numéro de septembre 1955 de Popular Science présentait un plan étape par étape pour construire une soufflante à l'aide d'une conception de turbine Tesla en carton !
Mais comment une série de disques génère-t-elle exactement le mouvement de rotation que nous attendons d'une turbine ? C'est la question que nous aborderons dans la section suivante.
Vous vous demandez peut-être comment l'énergie d'un fluide peut faire tourner un disque métallique. Après tout, si un disque est parfaitement lisse et n'a pas de pales, d'aubes ou de godets pour "attraper" le fluide, la logique suggère que le fluide coulera simplement sur le disque, laissant le disque immobile. Ce n'est bien sûr pas ce qui se passe. Non seulement le rotor d'une turbine Tesla tourne, mais il tourne rapidement.
La raison réside dans deux propriétés fondamentales de tous les fluides :l'adhérence et la viscosité. L'adhésion est la tendance de molécules dissemblables à s'accrocher ensemble en raison de forces d'attraction. La viscosité est la résistance d'une substance à s'écouler. Ces deux propriétés fonctionnent ensemble dans la turbine Tesla pour transférer l'énergie du fluide au rotor ou vice versa. Voici comment :
La fine couche de fluide qui interagit avec la surface du disque de cette manière est appelée la couche limite , et l'interaction du fluide avec la surface solide est appelée effet de couche limite . En conséquence de cet effet, le fluide propulseur suit un chemin en spirale rapidement accéléré le long des faces du disque jusqu'à ce qu'il atteigne une sortie appropriée. Parce que le fluide se déplace dans des trajectoires naturelles de moindre résistance, exempt des contraintes et des forces perturbatrices causées par les aubes ou les aubes, il subit des changements graduels de vitesse et de direction. Cela signifie que plus d'énergie est fournie à la turbine. En effet, Tesla revendiquait une efficacité de turbine de 95 %, bien supérieure à celle des autres turbines de l'époque.
Mais comme nous le verrons dans la section suivante, l'efficacité théorique de la turbine Tesla n'a pas été si facilement réalisée dans les modèles de production.
La couche limite :c'est un véritable freinL'effet de couche limite explique également comment la traînée est créée sur une aile d'avion. L'air se déplaçant au-dessus de l'aile se comporte comme un fluide, ce qui signifie que les molécules d'air possèdent à la fois des forces adhésives et visqueuses. Lorsque l'air colle à la surface de l'aile, il produit une force qui résiste au mouvement vers l'avant de l'avion.
Tesla, ainsi que de nombreux scientifiques et industriels contemporains, pensaient que sa nouvelle turbine était révolutionnaire sur la base d'un certain nombre d'attributs. Il était petit et facile à fabriquer. Il n'avait qu'une seule pièce mobile. Et c'était réversible.
Pour démontrer ces avantages, Tesla a fait construire plusieurs machines. Juilus C. Czito, le fils du machiniste de longue date de Tesla, a construit plusieurs versions. Le premier, construit en 1906, comportait huit disques de 15,2 centimètres de diamètre chacun. La machine pesait moins de 10 livres (4,5 kilogrammes) et développait 30 chevaux. Il a également révélé une lacune qui rendrait difficile le développement continu de la machine. Le rotor a atteint des vitesses si élevées - 35 000 tours par minute (tr/min) - que les disques métalliques se sont considérablement étirés, ce qui a nui à l'efficacité.
En 1910, Czito et Tesla ont construit un modèle plus grand avec des disques de 12 pouces (30,5 centimètres) de diamètre. Il tournait à 10 000 tr/min et développait 100 chevaux. Puis, en 1911, le duo construit un modèle avec des disques de 9,75 pouces (24,8 centimètres) de diamètre. Cela a réduit la vitesse à 9 000 tr/min mais a augmenté la puissance de sortie à 110 chevaux.
Fort de ces succès à petite échelle, Tesla a construit une unité double plus grande, qu'il prévoyait de tester à la vapeur dans la centrale électrique principale de la New York Edison Company. Chaque turbine avait un rotor portant des disques de 18 pouces (45,7 centimètres) de diamètre. Les deux turbines étaient placées en ligne sur une seule base. Lors du test, Tesla a pu atteindre 9 000 tr/min et générer 200 chevaux. Cependant, certains ingénieurs présents au test, fidèles à Edison, ont affirmé que la turbine était une panne basée sur une mauvaise compréhension de la façon de mesurer le couple dans la nouvelle machine. Cette mauvaise presse, combinée au fait que les grandes compagnies d'électricité avaient déjà beaucoup investi dans les turbines à aubes, a rendu difficile pour Tesla d'attirer les investisseurs.
Lors de la dernière tentative de Tesla pour commercialiser son invention, il a persuadé la Allis-Chalmers Manufacturing Company de Milwaukee de construire trois turbines. Deux avaient 20 disques de 18 pouces de diamètre et développaient des vitesses de 12 000 et 10 000 tr/min respectivement. Le troisième avait 15 disques de 60 pouces (1,5 mètre) de diamètre et était conçu pour fonctionner à 3 600 tr/min, générant 675 chevaux. Au cours des tests, les ingénieurs d'Allis-Chalmers se sont inquiétés à la fois de l'efficacité mécanique des turbines et de leur capacité à supporter une utilisation prolongée. Ils ont constaté que les disques s'étaient déformés dans une large mesure et ont conclu que la turbine finirait par tomber en panne.
Même dans les années 1970, les chercheurs avaient du mal à reproduire les résultats rapportés par Tesla. Warren Rice, professeur d'ingénierie à l'Arizona State University, a créé une version de la turbine Tesla qui fonctionnait à 41 % d'efficacité. Certains ont fait valoir que le modèle de Rice s'écartait des spécifications exactes de Tesla. Mais Rice, un expert en dynamique des fluides et en turbine Tesla, a mené une revue de la littérature sur la recherche jusque dans les années 1990 et a découvert qu'aucune version moderne de l'invention de Tesla ne dépassait 30 à 40 % d'efficacité.
Ceci, plus que tout, a empêché la turbine Tesla de devenir plus largement utilisée.
Comme l'a clairement déclaré l'Office of Naval Research de Washington, DC :"La turbine Parsons existe depuis longtemps avec des industries entières construites autour d'elle et la soutenant. Si la turbine Tesla n'est pas d'un ordre de grandeur supérieur, alors elle serait verser de l'argent dans le trou à rat parce que l'industrie ne va pas être renversée aussi facilement…" [source :Cheney].
Alors, où cela laisse-t-il la turbine Tesla aujourd'hui ? Comme nous le verrons dans la section suivante, les ingénieurs et les concepteurs automobiles se tournent à nouveau vers cette technologie centenaire.
Tesla a toujours été un visionnaire. Il ne considérait pas sa turbine sans pales comme une fin en soi, mais comme un moyen pour parvenir à une fin. Son objectif ultime était de remplacer le moteur à combustion à piston par un moteur beaucoup plus efficace et plus fiable basé sur sa technologie. Les moteurs à combustion à piston les plus efficaces n'ont pas dépassé 27 à 28 % d'efficacité dans leur conversion du carburant en travail. Même à des taux d'efficacité de 40 %, Tesla considérait sa turbine comme une amélioration. Il a même conçu, sur papier, une voiture à turbine qui, selon lui, serait si efficace qu'elle pourrait traverser les États-Unis avec un seul réservoir d'essence.
Tesla n'a jamais vu la voiture produite, mais il pourrait être heureux aujourd'hui de voir que sa turbine révolutionnaire est enfin intégrée dans une nouvelle génération de véhicules plus propres et plus efficaces. Une entreprise qui fait de sérieux progrès est Phoenix Navigation and Guidance Inc. (PNGinc), située à Munising, Michigan. PNGinc a combiné la technologie de la turbine à disque avec une chambre de combustion à détonation pulsée dans un moteur qui, selon la société, offre une efficacité sans précédent. Il y a 29 disques actifs, chacun de 10 pouces (25,4 centimètres) de diamètre, pris en sandwich entre deux disques d'extrémité coniques. Le moteur génère 18 000 tr/min et 130 chevaux. Pour surmonter les forces centrifuges extrêmes inhérentes à la turbine, PNGinc utilise une variété de matériaux avancés, tels que la fibre de carbone, le plastique imprégné de titane et les disques renforcés de Kevlar.
De toute évidence, ces matériaux plus solides et plus durables sont essentiels pour que la turbine Tesla connaisse un succès commercial. Si des matériaux tels que le Kevlar avaient été disponibles du vivant de Tesla, il est fort probable que la turbine aurait été davantage utilisée. Mais comme c'était souvent le cas avec le travail de l'inventeur, la turbine Tesla était une machine très en avance sur son temps.
Pour plus d'informations sur Tesla, l'électricité et les sujets connexes, passez comme l'éclair à la section suivante.
La voiture électrique de Nikola TeslaBien que Tesla n'ait jamais testé sa turbine dans une voiture, il a, selon certains témoignages, développé une voiture électrique en 1931. La voiture était une Pierce-Arrow, qui avait été configurée avec un moteur électrique de 80 chevaux et 1 800 tr/min au lieu d'un moteur à essence. Selon l'histoire, Tesla a assemblé une mystérieuse boîte noire contenant des tubes à vide, des fils et des résistances. Deux tiges sorties de la boîte. Lorsque les tiges ont été poussées dans la boîte, la voiture a été alimentée. Tesla a conduit la voiture pendant une semaine - jusqu'à des vitesses de 90 miles par heure (145 kilomètres par heure). Malheureusement, beaucoup pensaient qu'il avait puisé dans une force inconnue et dangereuse de la nature. D'autres l'ont traité de fou. Enragé, il a retiré la boîte de la voiture, l'a ramenée à son laboratoire et elle n'a jamais été revue. À ce jour, les principes de fonctionnement fondamentaux de la voiture électrique de Tesla restent un mystère.
Publié à l'origine :14 juillet 2008
