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  • N E RG I E

    NEXUS 81102 juillet-aot 2012 103NEXUS 81 juillet-aot 2012

    Quest-ce qui possde une simplicit enfantine double dune efficacit suppose redoutable et est capable de rapparatre, aprs quasiment un sicle doubli, sous la forme dun moteur combustion interne totale-

    ment rvolutionnaire ? La turbomachine de Tesla bien sr !Sans aucune pale et parfaitement rversible, son rendement est suprieur dau moins 10 % aux meilleures turbines classiques et mme beaucoup plus selon Tesla. Sa fiabilit est toute preuve, et pourtant cette turbomachine aux caractristiques exceptionnelles na pas encore russi, bizarrement, convaincre les industriels.

    Un rendement recordLentreprise Control System Development LLC1, dont le fondateur et ing-nieur en chef est Daniel Woody, fabrique actuellement une version moderne du moteur combustion interne de Tesla (voir historique page 104). Ainsi, ce dispositif appel Internal Combustion Boundary Layer Turbine Engine (en abrg BLTE) intgre une simple turbine de Tesla les tapes classiques de prise dair, compression, injection de carburant et allumage, combustion/dtente et chappement dune turbine conventionnelle. Lattrait principal et loin dtre exclusif de cette turbine trs inhabituelle est son rendement. partir de donnes exprimentales et de simulations numriques, ce dernier est estim par lentreprise amricaine 45 % minimum. Rappelons que les meilleurs rendements actuels avoisinent 35 % (moteurs diesel). Ils rsultent pourtant, faut-il le souligner, de cent vingt annes de perfectionnementsControl System Development LLC a dpos un brevet couvrant les tats-Unis seulement dans un premier temps. Elle est actuellement en recherche de financements pour poursuivre la commercialisation de son moteur-turbine couche limite (voir explications plus loin).

    Turbomachine de Tesla :Une technologie oublie risque de refaire surface prochainement. Si elle tient ses promesses, elle peut mme bouleverser notablement le paysage des motoristes et autres fabricants de turbines et compresseurs Mme sil est beaucoup plus connu et clbre pour ses inventions dans le domaine de llectricit, cest Tesla qui est lorigine de cette approche extrmement innovante.

    propos de lauteurJrme Dangmann est enseignant en physique et passionn depuis de nombreuses annes par les approches non conventionnelles.

    Roue eau sans aube expose dans la ville natale de Tesla Smiljan, en Croatie.

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    Au regard de la complexit reconnue dune turbine traditionnelle, la simplicit de la turbine de Tesla est rellement stupfiante. Elle est en effet constitue dun ensemble de disques identiques parfaitement lisses monts sur un mme axe et spars entre eux dune distance de lordre du millimtre. Ces disques sont dis-poss dans une chambre hermtique qui possde des ouvertures dentre/sortie (figure 1).

    Comment a marche ?Sur quel mystrieux procd le fonctionnement de cette turbine est-il bas ? En fait, lexplication repose sur deux proprits affrentes aux fluides. Celles-l mmes qui entranent un pot de yaourt en rotation lorsquon le brasse, nous obligeant alors le maintenir immobile de lautre main ! Il sagit en fait de ladhsion et de la viscosit de tout2 fluide.Ladhsion rsulte des forces dattraction qui existent entre des molcules diffrentes, en particulier ici entre les molcules de fluide et celles qui constituent la paroi. La viscosit est due par contre aux forces attractives entre les molcules du fluide et engendre une rsistance lcoulement de ce dernier.Le mcanisme de la turbomachine sexplique alors sim-plement : les molcules du fluide qui scoulent au voi-sinage de la surface dun disque tendent ralentir et se coller celui-ci. Par ailleurs, les molcules de fluide situes un peu plus loin de la paroi sont dclres,

    cause de la viscosit, par les molcules qui adhrent au disque. Lcoulement est alors frein. Simultanment et de faon rciproque, les forces visqueuses agissent sur le disque en tendant le faire tourner dans le sens de dplacement du fluide.

    la fois turbine et pompeAinsi est-il possible de transfrer de lnergie, dans un sens comme dans lautre, entre le fluide et les disques du rotor. Autrement dit, le mme dispositif peut agir comme une turbine (transfert fluide -> rotor) mais aussi comme une pompe/compresseur (rotor -> fluide).La fine couche de fluide qui interagit au voisinage dune surface est appele couche limite . Do lappellation de turbine couche limite parfois donne cette remarquable invention.Une dernire remarque simpose pour les lecteurs rendus perplexes par la prsence du phnomne de viscosit dans le fonctionnement de la turbomachine. En effet, il est bien connu que la viscosit entrane des pertes nergtiques non ngligeables par lva-tion de temprature. Ces pertes sont par consquent incompatibles avec un rendement lev. Dautant que celui annonc par Tesla, au niveau des disques, est proche de 98 % ! Lexplication est fort simple et rsulte dun seul paramtre : la trs faible distance entre les disques, en gnral moins dun millimtre. Cela assure la prdominance du phnomne dadhsion par rap-

    port celui de la viscosit, qui devient alors ngligeable

    Tout en douceurContrairement aux autres turbines qui meuvent le rotor soit par effet de choc, de pression ou encore par rac-tion suivant leur type, la machine de Tesla opre tout en douceur. En effet, il ny a aucun changement brusque de vitesse ou de direction pour le fluide qui traverse la turbine selon la tra-jectoire indique par des tirets sur la figure 2 (page suivante).Lentre du fluide est en B ou B, sui-vant le sens de rotation choisi pour la turbine. La sortie est en C (voir la vue en coupe). Le fluide pntre dans la turbine travers lajutage3 B. En labsence de rotation, la trajec-toire suivie par le fluide (de la vapeur par exemple) est reprsente en trait continu noir. Il suit le plus court che-min pour schapper, comme on peut

    Par Jrme Dangmann

    le grand retour

    Axe

    Entre du fluide (gaz ou liquide) Disque du rotor

    Orifice de sortie

    Gnrateur/moteur

    Stator

    Sorties du stator

    Fig. 1 : Schma de fonctionnement de la turbine de Tesla.

    Axe

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    le voir sur la figure ci-dessus. Dans le cas de la turbine en rotation, le fluide en revanche par-court une spirale (tirets) avant de la quitter. Le pas de cette spirale crot avec la vitesse de rotation du disque.Grce cette configuration trs particulire, les particules fluides perdent progressivement leur vitesse tout en continuant entraner le disque en rotation. En effet, mesure que le fluide ralentit en se rapprochant du centre du disque, la vitesse locale de celui-ci diminue elle aussi ! Cette situation particulirement favo-rable explique le rendement trs lev du fluide au niveau du rotor : 95 % selon des simulations numriques rcentes incontestes.Dans le souci dtre le plus complet possible, notons une amlioration importante apporte par Tesla la suite de ses diverses expri-mentations. Pour pallier les faibles couples de dmarrage des turbines disques lisses, Tesla a imagin une parade efficace. Il a ajout une srie de rondelles (12 24 suivant le diamtre

    des disques) entre deux disques, positionnes prs de la bordure de ceux-ci. Une deuxime srie de rondelles (6 12) est ajoute, proche cette fois de laxe de rotation. Cette modifica-tion augmenterait logiquement le couple de la turbine sans pour autant altrer son rendement.

    Avantages et inconvnientsLes avantages sont trs nombreux : pas de systme de refroidissement, compli-qu et volumineux en gnral ; processus de combustion continu qui offre une puissance de sortie constante et rduit la pollution par comparaison avec les moteurs classiques ; large panel de carburants admissibles (es-sence, gazole, mthane) ; quasi-absence de pices ralisant une tan-chit dynamique (pas de segment, car pas de piston !) ; grande simplicit de construction avec seule-ment un assemblage sur laxe du rotor ; fiabilit exceptionnelle ; taille rduite/faible poids ; rversibilit totale du dispositif (turbine ou pompe/compresseur) ; possibilit dinversion du sens de rotation de la turbine ; absence de cavitation pour les pompes ; chelle de fabrication trs flexible : le passage des modles de faibles puissances aux plus grosses nintroduit pas dobstacle technolo-gique spcifique ; quasi-absence de vibrations ; bruits de fonctionnement trs rduits (bruit de type bruit blanc ), consquence de lavantage prcdent ;

    Fig. 2 : Coupes latrale et transversale de la turbine de Tesla.

    C'est en septembre 1911 que Tesla prsente ses travaux pour la premire fois dans la presse technique. Bien quil nen soit pas linventeur initial, cest lui qui perfectionne ce type trs particulier de turbine rversible pour lequel il dpose des brevets ds 19091.Son premier prototype, fabriqu Long Island en 1906, dveloppait une puissance de 22 kW (30 hp2) en tant connect une source dair comprim. Le poids de cette turbine tait infrieur 4,5 kg, sa plus grande dimension tait de 15 cm et la vitesse de rotation des disques pouvait atteindre jusqu 35 000 tours par minute3 ! Ces caractristiques incroyables ont fait dire son inventeur quil sagissait dune centrale lectrique dans un chapeau Combustion interne. Pour saffranchir de la chaudire classique, Tesla a cr et fabriqu une turbine combustion interne. Celle-ci possde des canalisations qui agissent comme des valves (do le nom du brevet correspondant : Valvular conduit ) acheminant le gaz dans une direction uniquement. En envoyant des jets pulss sur les disques du

    rotor une frquence suffisamment leve (frquence dans le domaine sonore), une rotation continue est alors obtenue.De grosses turbines vapeur ont aussi t fabriques. Ainsi en 1911, avec des disques de seulement 25 cm de diamtre, la tu