Performance analysis of a Tesla turbine using three-dimensional computational fluid dynamics

Tesla turbines offer a promising alternative to conventional turbomachinery in small-scale energy applications, where they contribute to energy recovery from pressure let-down processes. Tesla turbines operate on a bladeless, centripetal flow principle, which enables energy generation through shear stresses between the fluid and rotating disks. While these turbines are advantageous in manufacturing simplicity and cost, they suffer from efficiency limitations. This study explores the design and performance optimization of a Tesla turbine prototype, specifically developed to work with supercritical CO2 in a reverse cycle, as part of the SCO2OP-TES European project. This research uses three-dimensional computational fluid dynamics simulations with ANSYS Fluent to assess flow dynamics within the Tesla turbine prototype. The simulations focus on a novel configuration involving a single nozzle and a volute, adapted for managing the high density and low mass flow characteristics of the working fluid. The mesh was created in ANSYS ICEM, and the simulations utilized different strategies, specifically the laminar model, the k-ω SST turbulence model, and γ transition model. The results confirmed the effectiveness of the k-ω SST turbulence and γ transition models for simulating turbine behavior under the intended operational conditions, confirming their applicability for future analysis of similar designs. Critical performance factors, such as the gap size between disks, were analyzed to identify the optimal condition to maximize efficiency. The study also investigated the impact of the tangential velocity of the flow entering the rotor on the turbine’s efficiency. The actual value initially deviated from the optimal target, indicating the potential to enhance efficiency by tuning the operating conditions of the expander. Additionally, the analysis of fluid behavior in the nozzle and volute revealed supersonic velocities and shock waves, which led to energy losses in the stator, highlighting an area for potential improvement. Modifying nozzle geometry to mitigate these losses is a potential future development for optimizing overall turbine performance. The findings demonstrate that a single-nozzle Tesla turbine configuration is a promising option for efficient energy conversion in small-scale applications. This work thus lays essential groundwork for comprehensive Tesla turbine analysis and optimization, validating both the turbine design approach and the modeling strategies used.

Le turbine Tesla offrono un’alternativa promettente alle turbomacchine convenzionali nelle applicazioni energetiche su piccola scala, contribuendo al recupero di energia nei processi di riduzione della pressione. Le turbine Tesla, senza pale, funzionano secondo un principio di flusso centrifugo che consente la generazione di energia attraverso sforzi di taglio tra il fluido e i dischi rotanti. Queste turbine sono vantaggiose in termini di semplicità di fabbricazione e costo, ma presentano limitazioni in termini di efficienza. Questo studio esplora la progettazione e l’ottimizzazione delle prestazioni di un prototipo di turbina Tesla, sviluppato specificamente per funzionare con CO2 supercritica in un ciclo inverso, come parte del progetto europeo SCO2OP-TES. Lo studio utilizza simulazioni di fluidodinamica computazionale tridimensionali con ANSYS Fluent per valutare le dinamiche di flusso all’interno del prototipo di turbina Tesla. Le simulazioni si concentrano su una configurazione innovativa che prevede un singolo ugello e una voluta, adattati per gestire l’alta densità e la ridotta portata massica del fluido di lavoro. La mesh è stata creata in ANSYS ICEM, e le simulazioni hanno utilizzato diverse strategie, in particolare il modello laminare, il modello di turbolenza k-ω SST e il modello di transizione γ. I risultati hanno confermato l’efficacia dei modelli di turbolenza k-ω SST e di transizione γ nella simulazione del comportamento della turbina nelle condizioni operative previste, confermando la loro applicabilità per future analisi di progetti simili. Sono stati analizzati fattori critici di prestazione, come la dimensione dello spazio tra i dischi, per identificare la condizione ottimale che massimizza l’efficienza. Lo studio ha anche indagato l’impatto della velocità tangenziale del flusso in ingresso nel rotore sull’efficienza della turbina. Il valore iniziale si è discostato dall’obiettivo ottimale, indicando la possibilità di migliorare l’efficienza regolando le condizioni operative dell’espansore. Inoltre, l’analisi del comportamento del fluido nell’ugello e nella voluta ha rivelato velocità supersoniche e onde d’urto, che hanno portato a perdite di energia nello statore, evidenziando un’area di potenziale miglioramento. La modifica della geometria dell’ugello per ridurre queste perdite rappresenta uno sviluppo futuro potenziale per ottimizzare le prestazioni complessive della turbina. I risultati dimostrano che una configurazione di turbina Tesla a singolo ugello è un’opzione promettente per la conversione efficiente di energia in applicazioni su piccola scala. Questo lavoro fornisce quindi le basi per un’analisi e un’ottimizzazione approfondite della turbina Tesla, convalidando sia l’approccio progettuale della turbina sia le strategie di modellazione utilizzate.