特(te)斯(si)拉渦輪(lun)機(ji)的(de)(de)原理是流體(ti)(ti)的(de)(de)邊界(jie)(jie)層效應(ying)（boundary layer effect），流體(ti)(ti)受(shou)黏滯力影響，會在管壁或者其(qi)它(ta)物體(ti)(ti)邊緣形成(cheng)一層很薄的(de)(de)邊界(jie)(jie)層，在邊界(jie)(jie)層內，固定表(biao)(biao)面的(de)(de)流速(su)為0，離表(biao)(biao)面越遠速(su)度(du)越大。利用(yong)這(zhe)個效應(ying)就(jiu)可(ke)以讓高(gao)速(su)運動的(de)(de)液體(ti)(ti)帶動一組圓盤轉動。因此它(ta)的(de)(de)效率比(bi)普(pu)通的(de)(de)葉(xie)片渦輪(lun)機(ji)高(gao)得多(duo)。
特斯拉(la)渦輪由(you)(you)一組光滑(hua)圓(yuan)(yuan)(yuan)盤組成，盤上有(you)噴嘴(zui)向盤邊緣持續吹入氣流。這種(zhong)氣流會由(you)(you)于(yu)流體(ti)粘(zhan)度(du)和氣體(ti)在表(biao)面(mian)層的粘(zhan)滯(zhi)性而吸(xi)附在圓(yuan)(yuan)(yuan)盤上。當氣流速度(du)放慢(man)，同時給圓(yuan)(yuan)(yuan)盤施加以能(neng)量，氣體(ti)會作(zuo)螺旋向心運動并排(pai)出。由(you)(you)于(yu)轉子的表(biao)面(mian)光滑(hua)沒有(you)隆起，這個設(she)計(ji)極其堅固(gu)。
特(te)斯拉寫道(dao)：“這(zhe)是(shi)(shi)(shi)一(yi)個高效的自啟(qi)動(dong)(dong)式原(yuan)動(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)（根據原(yuan)文意思，這(zhe)里指這(zhe)是(shi)(shi)(shi)一(yi)種無需外力就可(ke)以(yi)自行(xing)啟(qi)動(dong)(dong)的原(yuan)動(dong)(dong)裝置），可(ke)作為蒸汽渦(wo)(wo)輪(lun)(lun)(lun)機(ji)(ji)(ji)或(huo)(huo)混流式渦(wo)(wo)輪(lun)(lun)(lun)機(ji)(ji)(ji)工(gong)作，而無需對其(qi)構造(zao)進行(xing)改動(dong)(dong)，因此(ci)十分(fen)方便。只需對原(yuan)有渦(wo)(wo)輪(lun)(lun)(lun)機(ji)(ji)(ji)進行(xing)小(xiao)幅改造(zao)，或(huo)(huo)是(shi)(shi)(shi)根據原(yuan)有渦(wo)(wo)輪(lun)(lun)(lun)機(ji)(ji)(ji)實際情況進行(xing)修改，但只要是(shi)(shi)(shi)遵(zun)循以(yi)上（特(te)斯拉渦(wo)(wo)輪(lun)(lun)(lun)機(ji)(ji)(ji)的）這(zhe)些(xie)原(yuan)則，對于蒸汽設(she)備(bei)使用者來說，其(qi)（特(te)斯拉渦(wo)(wo)輪(lun)(lun)(lun)機(ji)(ji)(ji)）接駁在其(qi)原(yuan)有設(she)備(bei)上工(gong)作顯然是(shi)(shi)(shi)值(zhi)得推薦的，可(ke)以(yi)獲得極其(qi)可(ke)觀的效益。”
這種渦輪機也可(ke)以(yi)成功地利用高(gao)真(zhen)空進行冷凝工作。在這種情況下(xia)，由于很大的(de)(de)(de)膨脹比，排(pai)出的(de)(de)(de)氣體混合物(wu)具(ju)有相對較低的(de)(de)(de)溫度，可(ke)供(gong)冷凝器使用。雖然需(xu)要更好(hao)的(de)(de)(de)燃料和(he)配套的(de)(de)(de)特殊泵動裝置，但是(shi)其最終的(de)(de)(de)經(jing)濟效益完(wan)全(quan)可(ke)以(yi)平衡當初建設的(de)(de)(de)高(gao)成本。
所有的(de)圓盤(pan)與墊片(pian)都(dou)通(tong)過(guo)一(yi)個嵌在(zai)邊緣的(de)套筒互相(xiang)咬合，并使用螺(luo)母(mu)和套環(huan)來將那些(xie)邊緣厚(hou)的(de)圓盤(pan)固(gu)定在(zai)一(yi)起，或者，如果需要(yao)的(de)話，可以直接在(zai)圓盤(pan)上(shang)沖壓套環(huan)。
該(gai)機的(de)(de)(de)整體構造(zao)允許每(mei)一片圓盤(pan)(pan)的(de)(de)(de)單獨(du)地根據實際(ji)情(qing)況，包括熱能(neng)和向心力造(zao)成(cheng)的(de)(de)(de)各種影(ying)響進行(xing)拓展性或收(shou)縮性改造(zao)，許多(duo)(duo)實際(ji)應用說明這樣做(zuo)可(ke)以帶(dai)(dai)來(lai)很多(duo)(duo)額外的(de)(de)(de)好處。更(geng)多(duo)(duo)的(de)(de)(de)圓盤(pan)(pan)和更(geng)多(duo)(duo)的(de)(de)(de)能(neng)量(liang)(liang)可(ke)以創造(zao)更(geng)高的(de)(de)(de)效率。必須(xu)避免圓盤(pan)(pan)發生形(xing)變，并將圓盤(pan)(pan)的(de)(de)(de)側間(jian)隙盡(jin)量(liang)(liang)做(zuo)小(xiao)，以減少漏氣(qi)和摩(mo)擦造(zao)成(cheng)的(de)(de)(de)能(neng)量(liang)(liang)損(sun)失。轉(zhuan)子(zi)也要盡(jin)量(liang)(liang)做(zuo)到完全對稱，因(yin)為偏心造(zao)成(cheng)的(de)(de)(de)滑動(dong)摩(mo)擦會帶(dai)(dai)來(lai)極大(da)的(de)(de)(de)負面影(ying)響，并使(shi)得渦輪機無法安靜地運轉(zhuan)。
特(te)斯拉渦(wo)輪機的設計(ji)特(te)點使(shi)得(de)它通常由蒸(zheng)汽和燃氣燃燒的混合物(wu)驅動，排出的廢氣則可以(yi)繼(ji)續提供可供渦(wo)輪機工(gong)作蒸(zheng)汽，通過(guo)閥門對(dui)上(shang)面(mian)提到的循環(huan)蒸(zheng)汽進行調節，使(shi)得(de)渦(wo)輪機的工(gong)作溫度(du)和壓力處在最佳(jia)狀態(tai)。
如圖(tu)1所示，特斯拉渦輪機的(de)構造必須做到：
僅用(yong)蒸汽就可啟動，圓(yuan)盤(pan)可以(yi)在高溫流體中工作(zuo)。一個高效的(de)特斯拉渦輪機(ji)需要很小(xiao)的(de)圓(yuan)盤(pan)間距。比如，以(yi)蒸汽為動力(li)的(de)機(ji)型(xing)必(bi)須保持(chi)0.4毫米（0.016英寸）間盤(pan)的(de)間距。圓(yuan)盤(pan)必(bi)須最大限度(du)(du)地光(guang)滑，以(yi)將(jiang)表面摩擦和剪(jian)切損失降至最低(di)。圓(yuan)盤(pan)也必(bi)須最大限度(du)(du)地薄，以(yi)防(fang)止(zhi)(zhi)在圓(yuan)盤(pan)邊緣造成相互吸引和擾流。不(bu)幸(xing)的(de)是(shi)，防(fang)止(zhi)(zhi)圓(yuan)盤(pan)扭曲和變形在特斯拉的(de)時代是(shi)一項重大挑戰。據稱，正因為人們(men)無力(li)阻止(zhi)(zhi)圓(yuan)盤(pan)的(de)形變，特斯拉渦輪機(ji)才走(zou)向(xiang)商業上的(de)失敗(bai)，因為當時的(de)冶金技術根本無法(fa)生產(chan)出具有如此精度(du)(du)和剛度(du)(du)的(de)圓(yuan)盤(pan)。
如果(guo)一個(ge)相似的(de)(de)(de)(de)圓(yuan)盤(pan)(pan)和(he)外罩系(xi)統(tong)具有(you)漸(jian)開線的(de)(de)(de)(de)形狀（對(dui)比圓(yuan)形的(de)(de)(de)(de)渦輪(lun)系(xi)統(tong)），該(gai)設備(bei)可以用(yong)作泵。將一個(ge)發動機(ji)連接到該(gai)設備(bei)軸上，流體進入中心(xin)附(fu)近，接收圓(yuan)盤(pan)(pan)的(de)(de)(de)(de)能量，散(san)射(she)到四周去。特斯拉渦輪(lun)不是(shi)在利用(yong)摩擦力（雖然通常人(ren)們認為是(shi)），確切地說，是(shi)在避(bi)免摩擦力，并使用(yong)附(fu)著力（即附(fu)壁效應）和(he)粘度代(dai)替。它利用(yong)圓(yuan)盤(pan)(pan)“葉片”上的(de)(de)(de)(de)邊界層(ceng)效應。
原本特斯(si)拉的設想是用(yong)光滑的圓盤(pan)，但這樣(yang)會使得啟(qi)動(dong)轉矩(ju)太弱。特斯(si)拉后來發現在直徑10英(ying)寸(cun)的光滑的圓盤(pan)轉子(zi)圓周上(shang)12至24處(chu)，以及半徑處(chu)用(yong)6至12個墊圈(quan)連接起來，能夠顯著地提高啟(qi)動(dong)轉矩(ju)，而(er)且(qie)不影響效(xiao)率。
特斯(si)拉在專利中宣稱，該裝置是(shi)用(yong)于(yu)使用(yong)流(liu)體(ti)作為動(dong)力(li)(li)介質(zhi)，以(yi)區別于(yu)別的(de)流(liu)體(ti)推進和(he)壓縮裝置的(de)專利申請（雖然(ran)(ran)該設備的(de)確可用(yong)于(yu)這些用(yong)途(tu)）。直(zhi)至2006年(nian)，特斯(si)拉渦輪自(zi)發明以(yi)來還是(shi)沒有(you)廣泛用(yong)于(yu)商業(ye)用(yong)途(tu)。然(ran)(ran)而特斯(si)拉泵自(zi)1982年(nian)以(yi)來一直(zhi)市售，用(yong)來輸(shu)送具(ju)有(you)腐蝕性，高(gao)粘(zhan)度(du)，高(gao)剪切力(li)(li)敏感性，含有(you)固(gu)體(ti)，或是(shi)其他(ta)泵難以(yi)處理的(de)流(liu)體(ti)。特斯(si)拉本(ben)人(ren)并(bing)沒有(you)接(jie)到(dao)過大宗生產(chan)合同。在他(ta)那個時代的(de)主(zhu)要困擾，如前所述，是(shi)材(cai)料學知識(shi)和(he)對(dui)高(gao)溫(wen)材(cai)料研究(jiu)的(de)貧乏。當時最(zui)好(hao)的(de)冶金技術仍不能防(fang)止渦輪盤在運轉中的(de)扭(niu)曲和(he)變形。
今(jin)天，在(zai)(zai)該(gai)領域的(de)(de)許多業余的(de)(de)實驗已(yi)經在(zai)(zai)有意使(shi)用(yong)以壓(ya)縮空氣或蒸汽(qi)(qi)為動(dong)力(li)源(yuan)的(de)(de)特斯(si)拉(la)渦(wo)輪(lun)(lun)機(ji)（蒸汽(qi)(qi)由燃料(liao)(liao)燃燒產生的(de)(de)熱制(zhi)造，通常(chang)來源(yuan)于(yu)汽(qi)(qi)車的(de)(de)渦(wo)輪(lun)(lun)增壓(ya)器或太(tai)陽能輻射(she)）。渦(wo)輪(lun)(lun)圓盤的(de)(de)形(xing)變問題已(yi)被部分解決，主要(yao)是歸功(gong)于(yu)新(xin)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)應用(yong)，如使(shi)用(yong)碳(tan)纖(xian)維來制(zhi)造渦(wo)輪(lun)(lun)盤。一個很好的(de)(de)例子是PNGinc公(gong)司和(he)國(guo)際渦(wo)輪(lun)(lun)與動(dong)力(li)有限公(gong)司都在(zai)(zai)他(ta)們的(de)(de)特斯(si)拉(la)渦(wo)輪(lun)(lun)設計中用(yong)到(dao)了碳(tan)纖(xian)維材(cai)料(liao)(liao)。
對特斯(si)拉泵(beng)有(you)需求的是作為(wei)廢料泵(beng)。因為(wei)工廠和研磨廠的普(pu)通泵(beng)經常會被(bei)廢料卡(ka)住(zhu)。
特斯拉渦輪的另一需求離心多碟式血泵的研究已經取得了可喜(xi)的成(cheng)果。生物(wu)工程科(ke)學家(jia)將在(zai)21世紀持(chi)續對(dui)其進行研究。
在特斯拉的(de)年代(dai)，傳(chuan)統(tong)的(de)渦(wo)輪機(ji)效(xiao)率低，因為設計高(gao)效(xiao)率效(xiao)葉(xie)片所需(xu)要的(de)空氣動(dong)力學原理不存在，低質(zhi)量的(de)材(cai)(cai)料(liao)(liao)沒法制造出能在極端速度(du)和溫(wen)(wen)度(du)下工(gong)作(zuo)的(de)葉(xie)片。一個傳(chuan)統(tong)的(de)渦(wo)輪效(xiao)率取決于其進氣和排(pai)氣壓力差，為了達到更高(gao)的(de)壓力差，必須要極端高(gao)溫(wen)(wen)的(de)蒸(zheng)汽，所以(yi)只有高(gao)溫(wen)(wen)材(cai)(cai)料(liao)(liao)才(cai)能創造高(gao)效(xiao)率。如果渦(wo)輪機(ji)在室溫(wen)(wen)下用(yong)液體工(gong)作(zuo)，那么你可以(yi)在排(pai)氣口使用(yong)一個冷凝(ning)器來增加壓力差。
特斯(si)拉(la)的(de)(de)(de)(de)設計(ji)回避了渦(wo)(wo)(wo)(wo)輪(lun)葉片的(de)(de)(de)(de)主要缺點。它的(de)(de)(de)(de)確還(huan)存(cun)在剪切流動(dong)的(de)(de)(de)(de)限(xian)制(zhi)等問題。特斯(si)拉(la)渦(wo)(wo)(wo)(wo)輪(lun)的(de)(de)(de)(de)一(yi)些(xie)優點在于(yu)(yu)適用于(yu)(yu)低(di)流速和(he)小(xiao)(xiao)流量(liang)的(de)(de)(de)(de)需(xu)求(qiu)。為(wei)了不在流體(ti)(ti)(ti)吹出圓(yuan)盤邊緣時(shi)形(xing)成(cheng)湍流，圓(yuan)盤要盡可(ke)(ke)能(neng)薄。因(yin)此大(da)流量(liang)的(de)(de)(de)(de)機器就需(xu)要更(geng)多的(de)(de)(de)(de)圓(yuan)盤。最高效(xiao)率時(shi)，圓(yuan)盤之間(jian)的(de)(de)(de)(de)間(jian)距必須(xu)接近邊界層(ceng)的(de)(de)(de)(de)厚度，而且由于(yu)(yu)流體(ti)(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)邊界層(ceng)厚度取決于(yu)(yu)其粘度和(he)壓力，流體(ti)(ti)(ti)性(xing)質(zhi)不同(tong)，邊界層(ceng)厚度也不相同(tong)，所(suo)以一(yi)種設計(ji)就可(ke)(ke)用于(yu)(yu)各種燃料和(he)液體(ti)(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)說法不正確的(de)(de)(de)(de)。特斯(si)拉(la)渦(wo)(wo)(wo)(wo)輪(lun)機與(yu)傳統渦(wo)(wo)(wo)(wo)輪(lun)機的(de)(de)(de)(de)區別(bie)僅限(xian)于(yu)(yu)將能(neng)量(liang)從流體(ti)(ti)(ti)轉換到軸上的(de)(de)(de)(de)方式不同(tong)而已。實驗證明特斯(si)拉(la)渦(wo)(wo)(wo)(wo)輪(lun)負(fu)載(zai)越(yue)大(da)效(xiao)率越(yue)低(di)。負(fu)載(zai)小(xiao)(xiao)時(shi)，流體(ti)(ti)(ti)從進入(ru)到排(pai)出經歷了很大(da)的(de)(de)(de)(de)旋轉，在大(da)負(fu)載(zai)下(xia)，這種旋轉數量(liang)下(xia)降并逐漸變得(de)更(geng)短。這將增(zeng)加剪切損失，也降低(di)了效(xiao)率，因(yin)為(wei)氣體(ti)(ti)(ti)與(yu)圓(yuan)盤的(de)(de)(de)(de)接觸更(geng)少了。
效(xiao)率(lv)(lv)是描(miao)述輸出功率(lv)(lv)的。輕載(zai)下高效(xiao)率(lv)(lv)而重(zhong)載(zai)下效(xiao)率(lv)(lv)損失提高并(bing)不(bu)只是特斯(si)拉(la)渦輪機的特點(dian)。
特斯拉(la)渦(wo)(wo)(wo)輪(lun)機(ji)的(de)(de)(de)效(xiao)率(lv)(lv)預計為(wei)60%。請記住，水輪(lun)機(ji)的(de)(de)(de)效(xiao)率(lv)(lv)是(shi)從使(shi)用渦(wo)(wo)(wo)輪(lun)發，最高不(bu)超過(guo)95%。記住渦(wo)(wo)(wo)輪(lun)的(de)(de)(de)效(xiao)率(lv)(lv)和渦(wo)(wo)(wo)輪(lun)發動機(ji)的(de)(de)(de)循環(huan)效(xiao)率(lv)(lv)是(shi)不(bu)同的(de)(de)(de)。軸式渦(wo)(wo)(wo)輪(lun)機(ji)在如(ru)今的(de)(de)(de)蒸(zheng)汽(qi)設(she)備中(zhong)效(xiao)率(lv)(lv)可達60%到(dao)(dao)70%（西門(men)子公(gong)司數據），而(er)整體設(she)備的(de)(de)(de)循環(huan)效(xiao)率(lv)(lv)也就在25%到(dao)(dao)42%，而(er)且上限無論如(ru)何(he)低(di)于(yu)卡(ka)諾循環(huan)效(xiao)率(lv)(lv)。特斯拉(la)聲稱，他(ta)的(de)(de)(de)一個(ge)蒸(zheng)汽(qi)版本的(de)(de)(de)裝(zhuang)置將達到(dao)(dao)95%左右的(de)(de)(de)效(xiao)率(lv)(lv)。西屋公(gong)司對特斯拉(la)蒸(zheng)汽(qi)渦(wo)(wo)(wo)輪(lun)機(ji)的(de)(de)(de)實際測試顯(xian)示每(mei)輸(shu)(shu)出(chu)1馬力(li)小時平均需要38磅蒸(zheng)汽(qi)，對于(yu)渦(wo)(wo)(wo)輪(lun)來說效(xiao)率(lv)(lv)在20%左右，而(er)當代的(de)(de)(de)蒸(zheng)汽(qi)渦(wo)(wo)(wo)輪(lun)往(wang)往(wang)可以達到(dao)(dao)超過(guo)50%效(xiao)率(lv)(lv)。流體推進的(de)(de)(de)理(li)論和技術以及(ji)熱力(li)學的(de)(de)(de)能量轉(zhuan)換已(yi)在各種專利中(zhong)現身。熱力(li)學效(xiao)率(lv)(lv)是(shi)用來衡量相比等熵的(de)(de)(de)情況之下到(dao)(dao)底工(gong)作效(xiao)率(lv)(lv)如(ru)何(he)的(de)(de)(de)，是(shi)理(li)想狀(zhuang)態下輸(shu)(shu)入效(xiao)率(lv)(lv)和輸(shu)(shu)出(chu)效(xiao)率(lv)(lv)的(de)(de)(de)比值。這(zhe)可以被視為(wei)是(shi)理(li)想狀(zhuang)態下焓的(de)(de)(de)變(bian)化和壓力(li)變(bian)化的(de)(de)(de)比值。
在20世紀50年代(dai)，沃倫賴斯(si)(si)試圖重新(xin)創建特斯(si)(si)拉(la)(la)(la)的(de)(de)實(shi)驗(yan)，但他在早期測(ce)(ce)試中沒有嚴(yan)格(ge)地按照特斯(si)(si)拉(la)(la)(la)的(de)(de)專利設(she)計(ji)(ji)來制造(zao)他的(de)(de)渦輪機（這個(ge)機器(qi)既不是(shi)(shi)一個(ge)特斯(si)(si)拉(la)(la)(la)多段(duan)式渦輪機，也(ye)沒有特斯(si)(si)拉(la)(la)(la)設(she)計(ji)(ji)的(de)(de)噴嘴）。賴斯(si)(si)的(de)(de)單級(ji)實(shi)驗(yan)系統的(de)(de)工(gong)作流體是(shi)(shi)空氣。早先發(fa)布的(de)(de)報告中賴斯(si)(si)的(de)(de)測(ce)(ce)試表(biao)明單級(ji)渦輪的(de)(de)效(xiao)率(lv)是(shi)(shi)36%至41%。他表(biao)示如果嚴(yan)格(ge)按照特斯(si)(si)拉(la)(la)(la)的(de)(de)設(she)計(ji)(ji)來測(ce)(ce)試，預計(ji)(ji)效(xiao)率(lv)可能會(hui)更高。
在賴斯(si)(si)退休之前他完成了特斯(si)(si)拉渦輪機最后的測(ce)試(shi)并做了大量(liang)的關于多級渦輪的層流(liu)數據分析。他聲明這個設計具有極高的效率，在1991年出版了題為“特斯(si)(si)拉的渦輪機”的報告，報告做了以下陳(chen)述(shu)：
“隨(sui)著分析結(jie)果正確使用，轉(zhuan)子(zi)(zi)層流(liu)使用效(xiao)(xiao)率(lv)是(shi)(shi)非常高，甚(shen)至超過95%。然(ran)而，為(wei)了實現(xian)轉(zhuan)子(zi)(zi)高效(xiao)(xiao)率(lv)，流(liu)量必須盡(jin)量小(xiao)，這意味著高效(xiao)(xiao)率(lv)的(de)代價是(shi)(shi)必須要有(you)足夠多數量的(de)渦(wo)盤，組成一個體(ti)型巨(ju)大(da)的(de)轉(zhuan)子(zi)(zi)。“
現代(dai)多級式有葉渦輪機(ji)通(tong)常(chang)(chang)(chang)達到60%-70%的(de)(de)(de)(de)效率(lv)(lv)，而在實(shi)踐中大型(xing)汽輪發(fa)電機(ji)組常(chang)(chang)(chang)常(chang)(chang)(chang)表(biao)現出(chu)90%以上的(de)(de)(de)(de)效率(lv)(lv)。在配合了特斯拉的(de)(de)(de)(de)設計后(hou)，一定大小(xiao)的(de)(de)(de)(de)渦形(xing)轉子使用常(chang)(chang)(chang)規流體(ti)（蒸汽，氣體(ti)或(huo)水）也可以達到預想的(de)(de)(de)(de)60%至70%的(de)(de)(de)(de)效率(lv)(lv)以及(ji)更高。
歲月靜好
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