Katedra Maszyn i Urządzeń Energetycznych Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki

Celem projektu była szczegółowa analiza zjawisk zachodzących w wąskich kanałach między dwoma wirującymi tarczami, a także zbadanie możliwości zwiększenia efektywności transferu momentu pędu między czynnikiem a tarczami. Temat ten jest istotny w wielu dziedzinach techniki i nauki, a w szczególności dla maszyn wiskotycznych, jak turbina Tesli. Zasada działania tych maszyn opiera się nie na wykorzystaniu reakcji czynnika na elementy wirnika, lecz na zjawisku dyfuzji pędu dzięki lepkości płynu oraz sile adhezji. Dzięki modyfikacji powierzchni wirujących dysków poprzez zastosowanie chropowatości lub mini kanałów, możliwe jest zwiększenie kontroli nad zjawiskami zachodzącymi w szczelinie między wirującymi tarczami.

Badania prowadzone były za pomocą metod analitycznych, numerycznych oraz eksperymentalnych. Metody analityczne polegały na rozwiązywaniu uproszczonych, dwuwymiarowych równań różniczkowych pola przepływu w zaproponowanej nowej formie uwzględniającej zmianę profilu prędkości w szczelinie oraz wpływ chropowatości powierzchni. Zaimplementowano metody umożliwiające zadawanie kształtu profilu prędkości w szczelinie oraz kątów wektorów prędkości wraz jednoczesną determinacją naprężeń generowanych na ściankach dysków. Model obliczeniowy rozszerzono do wersji umożliwiającej analizę przepływów gazów rzeczywistych.

Symulacja numeryczne prowadzono dla różnych modeli przepływu między tarczami, z uwzględnieniem aparatu kierowniczego zasilania turbiny i dla jednorodnego zasilania. W analizach wykorzystano metodę uśredniania Reynoldsa równań Naviera-Stokesa (uRANS), jak i metodę Large Eddy Simulation (LES). Dla modelu numerycznego przeprowadzono optymalizację która dla pozwoliła zdefiniować referencyjny model turbiny o maksymalnej sprawności z tarczami gładkimi. Zaproponowano sposób uwzględnienia chropowatości, który pozwolił na ocenę korzyści z zastosowania chropowatości powierzchni oraz kanałów na powierzchni tarcz. Wykazano, że chropowatość  może istotnie zwiększyć sprawność rzeczywistą całej turbiny. Dla powietrza, w zależności od parametrów pracy, przyrost sprawności wynosił od 5-10p.p. Podobne przyrosty sprawności można uzyskać wykorzystując kanały w postaci wyżłobień na powierzchni tarcz wirnikowych. Największe korzyści uzyskano dla kanałów promieniowych.

Analizy obliczeniowe wykonane dla czynnika organicznego, dla którego konieczne jest stosowanie modelu gazu rzeczywistego potwierdziły tendencje zaobserwowane dla powietrza. Czynnik organiczny, ze względu na swoje własności, wymagał zastosowania węższych szczelin dla osiągnięcia wyższych sprawności. W takim przypadku zastosowanie chropowatości powierzchni w optymalnych parametrach pracy pozwala na zwiększenie sprawności o 10p.p.

Badania eksperymentalne w celu weryfikacji wyników z analiz numerycznych i analitycznych prowadzono przy wykorzystaniu instalacji powietrznej. Instalacja powietrzna została zmodyfikowana, aby mogła pracować z nadciśnieniem, umożliwiającym uzyskanie parametrów krytycznych w dyszach kierowniczych. Badania prowadzono na turbinie referencyjnej, która posiada wirnik z 5 tarczami o średnicy 160mm. Jej uniwersalna konstrukcja pozwala na zmianę liczby tarcz, rozmiaru szczeliny między tarczami oraz konfiguracji dysz. Ważną częścią stanowiska jest zaawansowany system pomiarowy parametrów przepływu w turbinie i w instalacji oraz system pomiaru mocy.