Features of the Boundary Layer Organization in Tesla Disc Turbines

Abstract

Для забезпечення максимальної ефективності безлопаткових турбін типу Тесла важливо забезпечити ламінарний режим течії в примежовому шарі, що виникає на поверхні дисків. В залежності від режиму течії, стану поверхонь дисків та геометрії міждискових щілин змінюється характер примежового шару. Важливо, щоб режим його течії зберігався ламінарним, а відстань між дисками повинна бути не більше здвоєної товщину примежового шару. Для визначення параметрів, які необхідні для забезпечення максимальної економічності пропонується використати експериментальні дослідження характеристик прикордонного шару при обтіканні турбінних лопаток, які були проведенні на аеродинамічному стенді, який забезпечував рівномірне поле швидкості спрямленого потоку з мінімальною турбулентністю (0,7 %) в діапазоні швидкостей до 0,33 Маха. В цих дослідженнях важливим було визначення місця перехідної зони течії в примежевому шарі, що дозволяє дослідити умови стійкого підтримання та характеристики саме ламінарної течії. Зона перехідної області визначалась в експериментах по характеру зміни дотичної напруги тертя. Отримані результати дозволили встановити необхідні розміри міждискових щілин та кращі з точки зору режиму течії значення критерію подібності Re. Для гладкої поверхні ламінарний характер течії в примежовому шарі зберігається ламінарним на відстані від початку поверхні до відносної координати x = 0,17 в досить широкому діапазоні числа Рейнольдса. Для шорсткої поверхні при Re=3,6∙105 протяжність зони з ламінарним примежовим шаром приблизно така ж як і для гладкої поверхні. Однак, при Re=7,4∙105 ламінарний характер течії закінчується дещо раніше – при x = 0,13 з дуже короткою перехідною зоною між ламінарним та турбулентним характером течії. Товщина примежового шару при ламінарному обтіканні гладкої поверхні становить 0,5…0,7 мм, а для шорсткої поверхні дещо більше – 0,7…0,8 мм. Тобто, для забезпечення високої економічності дискових турбін типу Тесла відстань між дисками повинна бути на рівні 1…1, 5 мм.

To ensure maximum efficiency of bladeless Tesla turbines, it is important to maintain a laminar flow regime within the boundary layer that forms on the disc surfaces. Depending on the flow regime, the state of the disc surfaces, and the geometry of the inter- disk gaps, the nature of the boundary layer varies. It is crucial for the flow regime to remain laminar, and the distance between the discs should not exceed twice the thickness of the boundary layer. Experimental investigations of the characteristics of the boundary layer during the flow around turbine blades were proposed to determine the parameters necessary for achieving maximum efficiency. These experiments were conducted in an aerodynamic test rig that provided a uniform velocity field with minimal turbulence (0.7 %) within a speed range up to 0.33 Mach. The primary focus of these studies was to determine the location of the transition zone within the boundary layer, which allows for the examination of conditions for stable maintenance and characteristics of laminar flow. The transition zone was determined based on changes in the tangential friction stress in the experiments. The obtained results facilitated the establishment of the necessary dimensions for the inter-disk gaps and the optimum values of the similarity criterion Re from the perspective of flow regime. For a smooth surface, laminar flow within the boundary layer is maintained up to a relative coordinate of x = 0.17 from the start of the surface, across a wide range of Reynolds numbers. For a rough surface, the extent of the zone with a laminar boundary layer is approximately the same as that for a smooth surface at Re=3.6∙105 . However, at Re=7.4∙105 the laminar flow terminates slightly earlier, at x = 0.13 , with a very short transitional zone between laminar and turbulent flow characteristics. The thickness of the laminar boundary layer on a smooth surface is 0.5…0.7 mm, while for a rough surface, it is slightly greater at 0.7…0.8 mm. Therefore, to ensure high efficiency of Tesla disc turbines, the distance between the discs should be maintained at 1…1.5 mm, considering the requirements for laminar flow.