Mendesain Turbin Tesla Cetak 3D – Bagian 1

Pengantar

Selamat datang di seri mini dua bagian tentang perkuatan Turbin Tesla dengan suku cadang Markforged. Blog-blog ini adalah rekayasa aplikasi dalam bentuknya yang paling murni; kami akan menggunakan teknik yang ditentukan dalam posting blog instruksional sebelumnya untuk merancang dan mencetak bagian ini. Pada akhirnya, semoga kita memiliki Turbin Tesla yang berfungsi dengan suku cadang Markforged, yang mampu berputar pada kecepatan yang sangat tinggi. Pada bagian pertama, kita akan membahas dasar-dasar Turbin Tesla dan reproduksi rumah turbin Onyx.

Apa itu Turbin Tesla?

Turbin Tesla adalah turbin aliran sentripetal tanpa bilah yang dipatenkan oleh Nikola Tesla pada awal abad ke-20. Seperti rekan turbin berbilahnya, ia mengubah cairan yang bergerak menjadi energi. Namun, alih-alih menggunakan bilah miring untuk memutar poros, ia menggunakan cakram paralel yang halus. Fluida memasuki turbin bergerak bersinggungan dengan cakram di tepi luar turbin, memaksa rotasi melalui viskositas dan adhesi lapisan permukaan. Saat fluida melambat dan kehilangan energi, ia berputar ke arah pusat turbin dan keluar melalui lubang pembuangan. GIF di bawah ini menunjukkan gerakan fluida dan transfer energi dalam Turbin Tesla.

Ketika Nikola Tesla pertama kali menciptakan Turbin Tesla-nya, dia menggambarkannya sebagai penemuannya yang "paling penting". Dia berteori bahwa turbin dapat mempertahankan efisiensi 90% dan kesederhanaan dalam desain dan konstruksi dapat menyebabkan revolusi dalam pembangkit listrik. Dia benar:dua mesin rotari lain yang digunakan pada saat itu (mesin piston dan turbin berbilah) mahal untuk diproduksi dan memiliki banyak bagian yang sering rusak. Tidak seperti kedua mesin ini, Turbin Tesla sangat sederhana. Tidak ada fitur kompleks untuk diproduksi; sebenarnya, bilahnya bahkan tidak harus ditempatkan dengan sempurna. Secara teori, ini adalah langkah sempurna berikutnya dalam mesin rotari.

Sayangnya, dalam praktiknya, mesin tersebut memiliki dua titik kegagalan utama. Sementara Tesla pertama kali mengiklankan turbin sebagai hampir sangat efisien, pada kenyataannya itu hanya bekerja pada efisiensi sekitar 40%. Pemahamannya tentang dinamika lapisan batas tidak memperhitungkan hambatan dengan benar. Perkembangan ini sangat disayangkan, tetapi tidak memberatkan sama sekali; turbin yang bekerja pada efisiensi 40% masih jauh lebih baik daripada turbin berbilah, yang bekerja dalam kisaran 25-30%. Jika mereka dapat dengan andal menghasilkan daya pada tingkat yang lebih tinggi dari turbin berbilah, turbin Tesla akan menjadi nama rumah tangga. Mereka tidak bisa. Turbin Tesla berputar dengan kecepatan yang sangat tinggi — turbin uji asli Tesla berputar pada kecepatan antara 9.000 dan 36.000 rpm — begitu cepat sehingga bilah pada turbin akan melengkung parah selama operasi. Deformasi hampir tidak menginspirasi kepercayaan, dan penemuan "paling penting" Tesla jatuh ke dalam ketidakjelasan. Saat ini, turbin Tesla diproduksi dalam skala kecil sebagai alat peraga pengajaran atau demonstrasi. Meskipun mereka tidak pernah memenuhi tagihan mereka, mereka tetap merupakan mesin yang menarik.

Menggambar Ulang Turbin dengan Bagian Cetakan 3D

Untuk proyek ini, kami menggunakan desain Turbin Tesla dari Olin College Machine Shop yang memiliki tiga sistem inti:Rakitan poros dan rotor, rumah bantalan, dan rumah turbin. Rakitan poros sepenuhnya dibatasi oleh rumah bantalan dan ditampung oleh rumah turbin. Rumah bantalan dan rumah turbin cocok bersama dengan fitur penempatan logam yang pas dan delapan sekrup.

Kesederhanaan turbin ini cocok untuk pemesinan. Ini memiliki berbagai macam suku cadang baik dalam material dan operasi, dari poros baja yang dikeraskan hingga penutup rumah polikarbonat. Setiap bagian pada turbin dapat dibuat dengan mesin CNC 2 Sumbu atau kurang. Di bawah ini adalah BOM singkat dari machined bagian dalam turbin.

Rumah Turbin: Aluminium Giling CNC

Pemegang Bantalan: Aluminium yang Diputar dan Digiling CNC

Poros: Baja Berubah

Penjarak Poros: Baja Waterjet

Pisau: Waterjet kemudian Menjadi Baja

Piring Penjepit: Aluminium Giling CNC

Katrol: Mengubah Aluminium

Blok Masuk: Aluminium Giling CNC

Beberapa bagian turbin tidak cocok untuk pembuatan aditif. Persyaratan presisi dan kekuatan aksial membuat poros baja sangat sulit untuk dicetak dan bilah turbin serta spacer diuntungkan karena bobotnya yang berat (dan dengan demikian memiliki inersia rotasi yang besar). Ini adalah salah satu aplikasi langka di mana rasio kekuatan terhadap berat kami yang mengesankan tidak bermanfaat. Untuk alasan ini, kami memutuskan untuk membiarkan seluruh rakitan poros (poros, spacer, bilah, dan pelat penjepit) sendiri dan fokus pada bagian luar turbin. Sebagai gantinya, kami fokus pada dua bagian:Rumah turbin dan rumah bantalan (yang akan kita bahas di bagian berikutnya). Berbeda dengan rakitan poros, housing adalah kandidat yang sempurna untuk penggantian. Ini sepenuhnya aluminium, digiling CNC, dan tidak memiliki toleransi yang lebih kecil dari 0,001". Dengan mencetak 3D, kami dapat mempertahankan kekuatan sekaligus mengurangi berat secara drastis.

Persyaratan Perumahan Turbin

Rumah turbin memiliki beberapa persyaratan penting. Pertama, itu perlu menyatu dengan rumah bantalan dengan mulus. Ini berarti bahwa itu harus +.001/-0 sehubungan dengan fitur penempatan pada rumah bantalan. Bisa dibilang fitur paling penting di seluruh housing, mesh yang rapat mengurangi getaran yang dapat merobek turbin pada kecepatan tinggi. Kedua, rumah turbin membutuhkan enam belas lubang yang disadap; delapan di pelat belakang untuk memasang rumah bantalan dan delapan lagi di depan untuk memasang pelat penutup. Pelat penutup polikarbonat adalah bagian kecil dari perspektif struktural, tetapi sangat penting dalam memastikan bahwa udara bertekanan tinggi mengalir melalui bilah turbin. Terakhir, rongga turbin harus memiliki jarak bebas yang sangat kecil dengan sudu-sudu. Jarak bebas yang kecil memberikan jarak bebas bagi blade untuk berputar sekaligus meminimalkan celah antara blade dan dinding rongga, yang menyebabkan hilangnya efisiensi yang signifikan.

Desain dan Perutean Fiber

Mendesain ulang turbin untuk pencetakan melibatkan beberapa perubahan kecil untuk memenuhi persyaratan di atas. Pertama, kami menggunakan unit test untuk memverifikasi secara dimensi toleransi yang diperlukan untuk mesh housing bantalan. Untuk memenuhi toleransi yang diperlukan, kami menyimpulkan bahwa kami perlu mengecilkan ukuran lubang di CAD sekitar 0,002” (Catatan:ini bukan angka universal, melainkan angka yang diperoleh dari pengujian unit yang kami jalankan. Untuk mempelajari lebih lanjut tentang pengujian unit, lihat posting blog ini). Selanjutnya, kami mengganti semua lubang yang disadap dalam versi aluminium dengan rongga untuk sisipan yang disadap panas (tautan di sini). Sisipan set panas adalah metode pengikatan yang andal pada bagian cetakan 3D, memastikan koneksi suara yang tidak dapat dilakukan oleh lubang yang disadap.

Kami mengarahkan serat karbon konsentris ke seluruh bagian untuk memperkuat desain. Untuk memastikan bahwa dudukan rumah bantalan dan gaya berikutnya tidak akan merusak bagian, kami mengisi dinding belakang bagian dengan cincin serat sebanyak yang kami bisa. Dinding bagian membutuhkan lebih sedikit kekuatan, jadi kami menyelesaikan dengan satu cincin serat di setiap lapisan dinding. Kami dapat meningkatkan kekuatan lingkaran bagian dengan serat minimal dengan strategi ini. Setelah bagian diletakkan di Eiger, kami siap untuk mencetak.

Verifikasi Dimensi

Badan turbin pas pada Tanda Dua; namun, kami memutuskan untuk mencetaknya di Mark X karena satu alasan sederhana:verifikasi dimensi laser. Tes unit memberi tahu kami bahwa dimensi kami harus akurat; sekarang, kita bisa memverifikasi akurasi mid-print. Kami mengonfigurasi dua pemindaian laser:satu dirancang untuk memeriksa fitur perkawinan dengan rumah bantalan dan satu lagi untuk memeriksa diameter rongga. Selama pencetakan, kami memeriksa setiap pemindaian di Eiger untuk memastikan akurasi dimensi. Pemindaian berdimensi menunjukkan kesalahan .0004″, jauh di dalam toleransi.

Langkah Selanjutnya

Setelah pencetakan selesai, kami memasukkan sisipan berulir dan memasang rumah bantalan aluminium. Termasuk sisipannya, turbin tercetak 170g, yang mikroskopis dibandingkan dengan rumah aluminium 570g. Setelah kami memverifikasi bahwa rumah logam dan rakitan poros berfungsi, kami merancang dan mencetak rumah bantalan, yang akan kami bahas dalam angsuran berikutnya dari seri ini.

Baca bagian kedua dari posting ini di sini, dan ikuti kami di Facebook, Twitter, Instagram, dan Linkedin untuk pembaruan lebih lanjut!