Tesla Turbine (테슬라 터빈)

일반적인 터빈은 airfoil 블레이드의 위 아래로 지나는 유체의 압력 차이에 의해 발생하는 lift force로 블레이드를 돌린다.

하지만 테슬라 터빈은 액체의 점성을 이용해서 터빈을 돌리는 방법을 고안해낸다.

만약에 위 사진처럼 disc에 평행한 방향으로 viscous force를 발생시키면 disc가 회전하기 시작할 것이다. 이것이 가장 단순한 형태의 테슬라 터빈이다.

하지만 이러한 형태는 대부분의 jet의 에너지가 사라지기 때문에 상당히 비효율적이다.

이를 개선한 모델은 위 사진과 같은 형태이다. Disc와 shaft를 케이스에 넣고, inlet nozzle을 통해서 유체를 넣어주고, 중앙에 위치한 부분을 통해서 배출된다.

기압보다 약간 높은 압력을 가지는 유체를 느린 속도로 넣어주는 경우를 살펴보자. 이 경우에는 viscous force가 거의 0이 되기 때문에 disc가 회전하지 않고 유체는 outlet으로 거의 직선으로 나가게 된다.

만약에 유체의 속도가 빨라지게 되면 disc는 회전할 수 있을 것이다. 이때, 유체는 disc를 따라서 돌기 위해서는 구심력이 있어야한다.

유체 입자들은 속도가 같을 때, 중심에 가까울수록 더욱 큰 구심력이 필요하다. 따라서 입자들은 중심에서 멀어지려고 하는 경향이 있다. 하지만 outlet이 중앙에 위치하고 있기 때문에 입자들은 결국 중심으로 가야한다.

이러한 두 가지 요인에 의해서 유체 입자들은 위 사진 처럼 커브 모양을 띄는 path를 따라서 흐르게 된다.

만약에 유체의 속도를 더욱 빠르게 하면 path의 곡률이 더욱 커지게 되고, 나선형을 띄게 된다. 나선형의 path는 disc와 유체 입자 사이에 접촉 면적이 크기 때문에 viscous force가 더욱 커지게 된다.

즉, 터빈이 빠르게 돌수록 유체에서 더욱 많은 에너지를 얻을 수 있게 되는 것이다. 따라서 테슬라 터빈은 high speed operation 하에서 더욱 높은 효율을 얻을 수 있다.

한편, disc의 표면에는 위 사진과 같은 boundary layer가 생기게 되는데, boundary layer 내에 각 layer의 속도 차이로 인해서 viscous force가 발생하는 것이다.

이를 이용해서 터빈을 더욱 개선할 수 있다. 위 사진과 같이 disc를 두 개를 더 추가하고, 각 디스크 사이의 간격을 boundary layer의 2배 정도로 만들어 free flow가 발생하지 않게 하여 viscous force를 최대로 만드는 것이다.

디스크와 유체 사이에 유효 접촉 면적이 늘어날수록 더욱 큰 토크를 만들어 낼 수 있기 때문에 니콜라 테슬라는 디스크의 개수를 더욱 늘렸다. 디스크의 지름은 6인치였는데, 이 터빈은 35000 rpm 이라는 매우 빠른 속도로 회전했다.

매우 빠른 속도로 회전하면서 생기는 힘을 재료가 버티지 못하면서 disk warping과 같은 failure가 발생했다.

구조적 단순함에도 불구하고 테슬라 터빈은 실제 산업에서 사용되고 있지는 않다. 일반적으로 사용하는 스팀 터빈은 90% 정도의 효율을 가지고 있는데, 테슬라 터빈에서 이정도의 효율을 만들기 위해서는 디스크가 50000 rpm으로 회전해야한다.

하지만 보통 스팀 터빈의 디스크가 2-3m인데, 테슬라 터빈에서 마찬가지 크기의 디스크를 50000rpm으로 돌리는 것은 현실적으로 불가능하다.

(* 보통 터빈의 블레이드 끝 부분의 회전 속도가 마하 1.8이지만, 50000rpm으로 회전하는 디스크의 끝 부분 속도는 마하 13이다.)

하지만 테슬라 터빈은 모터를 통해서 disc를 돌려주면 pump로 사용할 수 있다. 따라서 지금은 high viscosity 유체를 다루는 폐수, 석유, 인공 심장 등과 같은 산업 분야에서 사용되고 있다.

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