特斯拉渦(wo)輪機的(de)(de)(de)原理是流(liu)體(ti)的(de)(de)(de)邊界(jie)層(ceng)(ceng)效(xiao)(xiao)應(ying)(boundary layer effect),流(liu)體(ti)受(shou)黏滯(zhi)力影響,會(hui)在管壁或(huo)者其它物體(ti)邊緣形成一(yi)層(ceng)(ceng)很薄的(de)(de)(de)邊界(jie)層(ceng)(ceng),在邊界(jie)層(ceng)(ceng)內(nei),固定(ding)表面(mian)的(de)(de)(de)流(liu)速(su)為0,離表面(mian)越遠速(su)度越大。利用這個效(xiao)(xiao)應(ying)就(jiu)可以讓高速(su)運動(dong)的(de)(de)(de)液體(ti)帶動(dong)一(yi)組圓盤(pan)轉動(dong)。因此它的(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)率比普通的(de)(de)(de)葉片渦(wo)輪機高得多。
特斯拉渦輪由(you)一組光滑(hua)圓盤(pan)組成,盤(pan)上(shang)有(you)噴嘴向盤(pan)邊緣持續吹(chui)入(ru)氣流。這種氣流會(hui)由(you)于流體(ti)(ti)粘度(du)和氣體(ti)(ti)在表面層的粘滯性(xing)而吸(xi)附在圓盤(pan)上(shang)。當氣流速度(du)放(fang)慢,同時給圓盤(pan)施加(jia)以能量,氣體(ti)(ti)會(hui)作(zuo)螺旋向心運動并排出(chu)。由(you)于轉子的表面光滑(hua)沒有(you)隆起,這個設計極其堅固。
特(te)斯拉寫道:“這是(shi)(shi)一個高效(xiao)的(de)自啟動(dong)式原動(dong)機(ji)(根據原文(wen)意思,這里指(zhi)這是(shi)(shi)一種無(wu)需外力就可(ke)以(yi)自行(xing)啟動(dong)的(de)原動(dong)裝置),可(ke)作為蒸汽渦(wo)輪(lun)機(ji)或混(hun)流(liu)式渦(wo)輪(lun)機(ji)工作,而無(wu)需對(dui)其構(gou)造進行(xing)改動(dong),因此十分方便。只需對(dui)原有渦(wo)輪(lun)機(ji)進行(xing)小幅改造,或是(shi)(shi)根據原有渦(wo)輪(lun)機(ji)實際(ji)情(qing)況進行(xing)修改,但只要是(shi)(shi)遵循以(yi)上(特(te)斯拉渦(wo)輪(lun)機(ji)的(de))這些原則(ze),對(dui)于蒸汽設(she)備(bei)(bei)使用者來說,其(特(te)斯拉渦(wo)輪(lun)機(ji))接駁在其原有設(she)備(bei)(bei)上工作顯然是(shi)(shi)值(zhi)得推薦的(de),可(ke)以(yi)獲得極其可(ke)觀(guan)的(de)效(xiao)益。”
這種渦輪(lun)機也可(ke)以成功地利用(yong)高真空(kong)進行(xing)冷凝(ning)工作。在這種情況(kuang)下,由于很大的(de)膨(peng)脹比,排(pai)出的(de)氣體混合物具有相對較低的(de)溫(wen)度,可(ke)供(gong)冷凝(ning)器使用(yong)。雖然需要更好的(de)燃料和(he)配套的(de)特殊泵動裝置,但是其最(zui)終的(de)經濟效益(yi)完全可(ke)以平衡當初建(jian)設的(de)高成本。
所有的(de)(de)圓(yuan)盤(pan)(pan)與墊(dian)片(pian)都通過一個(ge)嵌在(zai)邊緣(yuan)的(de)(de)套筒互(hu)相咬合,并(bing)使用螺(luo)母和(he)套環(huan)(huan)來將(jiang)那些邊緣(yuan)厚的(de)(de)圓(yuan)盤(pan)(pan)固定(ding)在(zai)一起,或者(zhe),如果需要的(de)(de)話,可以直接在(zai)圓(yuan)盤(pan)(pan)上沖壓套環(huan)(huan)。
該機的(de)(de)整(zheng)體(ti)構造(zao)允許每一片圓盤(pan)(pan)的(de)(de)單獨(du)地(di)根據(ju)實(shi)際情(qing)況,包括熱能和向(xiang)心力造(zao)成的(de)(de)各種(zhong)影響進行(xing)拓展性或收縮性改造(zao),許多(duo)實(shi)際應用說明(ming)這(zhe)樣做(zuo)可以帶來很(hen)多(duo)額外的(de)(de)好處。更(geng)多(duo)的(de)(de)圓盤(pan)(pan)和更(geng)多(duo)的(de)(de)能量(liang)(liang)(liang)可以創造(zao)更(geng)高的(de)(de)效率(lv)。必須(xu)避免圓盤(pan)(pan)發生形(xing)變(bian),并將(jiang)圓盤(pan)(pan)的(de)(de)側間隙盡量(liang)(liang)(liang)做(zuo)小,以減少漏氣和摩擦造(zao)成的(de)(de)能量(liang)(liang)(liang)損(sun)失。轉子也要盡量(liang)(liang)(liang)做(zuo)到完全對稱,因為偏心造(zao)成的(de)(de)滑動摩擦會(hui)帶來極大的(de)(de)負面影響,并使(shi)得渦輪機無法安靜地(di)運轉。
特斯拉渦(wo)輪機的設計特點使得(de)它通常(chang)由(you)蒸(zheng)汽(qi)(qi)和燃(ran)氣燃(ran)燒的混合(he)物驅(qu)動,排出的廢氣則可以繼續提供(gong)可供(gong)渦(wo)輪機工作蒸(zheng)汽(qi)(qi),通過閥(fa)門對上面提到的循環蒸(zheng)汽(qi)(qi)進行調節,使得(de)渦(wo)輪機的工作溫(wen)度(du)和壓(ya)力(li)處(chu)在最佳(jia)狀態(tai)。
如(ru)圖(tu)1所示,特(te)斯拉渦輪機的構造必須做到:
僅用蒸汽就可啟動(dong)(dong),圓(yuan)盤可以在高(gao)溫流體中(zhong)工(gong)作。一(yi)個高(gao)效的特(te)斯拉渦(wo)輪機需要很小(xiao)的圓(yuan)盤間距。比如,以蒸汽為動(dong)(dong)力的機型必須(xu)保(bao)持0.4毫(hao)米(0.016英寸)間盤的間距。圓(yuan)盤必須(xu)最(zui)大限(xian)(xian)度地光滑,以將表面(mian)摩擦(ca)和(he)剪切損失(shi)降至(zhi)最(zui)低。圓(yuan)盤也必須(xu)最(zui)大限(xian)(xian)度地薄,以防止(zhi)(zhi)在圓(yuan)盤邊緣造成相互吸引和(he)擾流。不幸的是,防止(zhi)(zhi)圓(yuan)盤扭曲和(he)變形(xing)在特(te)斯拉的時(shi)代是一(yi)項重大挑(tiao)戰。據稱,正因為人們無力阻止(zhi)(zhi)圓(yuan)盤的形(xing)變,特(te)斯拉渦(wo)輪機才走向商(shang)業上的失(shi)敗,因為當時(shi)的冶金技術(shu)根本無法生產出具(ju)有如此精度和(he)剛度的圓(yuan)盤。
如果一個相似的(de)圓盤和外罩系統具有漸開(kai)線的(de)形(xing)狀(對比(bi)圓形(xing)的(de)渦輪系統),該設(she)備可以用(yong)作泵。將一個發動機連接(jie)到(dao)該設(she)備軸上,流體進(jin)入中(zhong)心附近,接(jie)收圓盤的(de)能量,散(san)射(she)到(dao)四周(zhou)去。特(te)斯拉渦輪不是在利用(yong)摩擦力(li)(雖然(ran)通常人們認為是),確切地說,是在避免摩擦力(li),并使用(yong)附著力(li)(即(ji)附壁效應(ying))和粘度代(dai)替。它利用(yong)圓盤“葉片(pian)”上的(de)邊界層效應(ying)。
原本(ben)特(te)斯(si)拉(la)(la)的設想是用光滑(hua)的圓(yuan)盤(pan),但(dan)這樣會使(shi)得啟(qi)動轉矩太(tai)弱。特(te)斯(si)拉(la)(la)后來(lai)發現(xian)在直(zhi)徑(jing)10英寸的光滑(hua)的圓(yuan)盤(pan)轉子(zi)圓(yuan)周上12至(zhi)24處(chu),以及半徑(jing)處(chu)用6至(zhi)12個(ge)墊(dian)圈連接起來(lai),能夠顯著地提(ti)高啟(qi)動轉矩,而且不影響效率。
特(te)斯(si)拉在專(zhuan)利(li)(li)中宣稱,該裝(zhuang)置是(shi)(shi)用(yong)于使(shi)用(yong)流(liu)體作為動力介(jie)質,以區別于別的(de)(de)流(liu)體推進和壓(ya)縮裝(zhuang)置的(de)(de)專(zhuan)利(li)(li)申請(qing)(雖然該設備的(de)(de)確可(ke)用(yong)于這(zhe)些用(yong)途)。直(zhi)至2006年,特(te)斯(si)拉渦輪(lun)自發明以來(lai)還(huan)是(shi)(shi)沒(mei)(mei)有廣泛用(yong)于商業用(yong)途。然而特(te)斯(si)拉泵自1982年以來(lai)一(yi)直(zhi)市(shi)售,用(yong)來(lai)輸送具(ju)有腐蝕性,高(gao)粘度(du),高(gao)剪切力敏感(gan)性,含(han)有固體,或(huo)是(shi)(shi)其他(ta)泵難以處理(li)的(de)(de)流(liu)體。特(te)斯(si)拉本人(ren)并沒(mei)(mei)有接到過(guo)大宗生產(chan)合同(tong)。在他(ta)那個時代(dai)的(de)(de)主要困擾,如前所述,是(shi)(shi)材(cai)料(liao)學知識和對高(gao)溫材(cai)料(liao)研究的(de)(de)貧乏。當時最好(hao)的(de)(de)冶金技(ji)術(shu)仍不能防(fang)止渦輪(lun)盤(pan)在運轉中的(de)(de)扭曲和變(bian)形。
今(jin)天,在(zai)該領(ling)域的(de)許多業余的(de)實(shi)驗已經在(zai)有(you)(you)意(yi)使用(yong)(yong)以壓縮空氣或蒸汽為動力源的(de)特(te)斯拉渦(wo)輪(lun)機(蒸汽由(you)燃料燃燒產生(sheng)的(de)熱(re)制造(zao),通常來源于汽車的(de)渦(wo)輪(lun)增壓器或太陽能(neng)輻射)。渦(wo)輪(lun)圓盤(pan)的(de)形變問題已被部分解決(jue),主(zhu)要是歸功(gong)于新(xin)材料的(de)應(ying)用(yong)(yong),如使用(yong)(yong)碳纖維來制造(zao)渦(wo)輪(lun)盤(pan)。一個(ge)很好的(de)例子是PNGinc公司(si)和(he)國際渦(wo)輪(lun)與(yu)動力有(you)(you)限公司(si)都在(zai)他們的(de)特(te)斯拉渦(wo)輪(lun)設計中用(yong)(yong)到了碳纖維材料。
對特(te)斯拉泵有需求(qiu)的是作為(wei)廢料泵。因為(wei)工(gong)廠和研磨(mo)廠的普(pu)通泵經(jing)常會(hui)被廢料卡(ka)住。
特斯(si)拉渦(wo)輪的另一需求(qiu)離心多碟式血泵的研究已經(jing)取得了可喜的成果。生物(wu)工程科(ke)學家將(jiang)在21世(shi)紀持續對其(qi)進行研究。
在特斯拉的年代,傳統的渦輪(lun)機效率低,因為設(she)計(ji)高(gao)效率效葉片所需要的空(kong)氣(qi)動力學原理不(bu)存(cun)在,低質量(liang)的材(cai)料沒法制造出(chu)能在極端(duan)速度和(he)溫(wen)(wen)度下工作的葉片。一個(ge)傳統的渦輪(lun)效率取(qu)決于(yu)其進(jin)氣(qi)和(he)排(pai)(pai)氣(qi)壓力差,為了達到更高(gao)的壓力差,必須要極端(duan)高(gao)溫(wen)(wen)的蒸汽,所以只(zhi)有(you)高(gao)溫(wen)(wen)材(cai)料才能創(chuang)造高(gao)效率。如果渦輪(lun)機在室溫(wen)(wen)下用液體工作,那么(me)你可(ke)以在排(pai)(pai)氣(qi)口使用一個(ge)冷凝(ning)器來增加壓力差。
特(te)斯拉的(de)(de)設計回避了(le)渦(wo)輪葉片的(de)(de)主(zhu)要缺(que)點(dian)。它的(de)(de)確(que)還(huan)存在(zai)(zai)剪切流(liu)(liu)動的(de)(de)限(xian)制(zhi)等問題。特(te)斯拉渦(wo)輪的(de)(de)一些優點(dian)在(zai)(zai)于(yu)(yu)適用于(yu)(yu)低流(liu)(liu)速和小流(liu)(liu)量(liang)(liang)的(de)(de)需(xu)求。為了(le)不(bu)在(zai)(zai)流(liu)(liu)體(ti)吹(chui)出圓盤邊(bian)緣時形成湍流(liu)(liu),圓盤要盡可(ke)能(neng)薄。因(yin)此大流(liu)(liu)量(liang)(liang)的(de)(de)機(ji)器就需(xu)要更(geng)多的(de)(de)圓盤。最高效(xiao)率時,圓盤之間的(de)(de)間距必須接近邊(bian)界層(ceng)的(de)(de)厚(hou)度,而(er)且由于(yu)(yu)流(liu)(liu)體(ti)的(de)(de)邊(bian)界層(ceng)厚(hou)度取決(jue)于(yu)(yu)其粘度和壓力(li),流(liu)(liu)體(ti)性(xing)質不(bu)同(tong),邊(bian)界層(ceng)厚(hou)度也不(bu)相同(tong),所(suo)以一種(zhong)設計就可(ke)用于(yu)(yu)各種(zhong)燃料(liao)和液體(ti)的(de)(de)說法不(bu)正確(que)的(de)(de)。特(te)斯拉渦(wo)輪機(ji)與(yu)傳(chuan)統渦(wo)輪機(ji)的(de)(de)區別僅限(xian)于(yu)(yu)將能(neng)量(liang)(liang)從(cong)流(liu)(liu)體(ti)轉換(huan)到軸上的(de)(de)方式不(bu)同(tong)而(er)已(yi)。實驗證明特(te)斯拉渦(wo)輪負載(zai)越大效(xiao)率越低。負載(zai)小時,流(liu)(liu)體(ti)從(cong)進入到排出經歷了(le)很大的(de)(de)旋轉,在(zai)(zai)大負載(zai)下(xia),這(zhe)種(zhong)旋轉數量(liang)(liang)下(xia)降(jiang)并逐漸變得更(geng)短。這(zhe)將增(zeng)加剪切損失,也降(jiang)低了(le)效(xiao)率,因(yin)為氣體(ti)與(yu)圓盤的(de)(de)接觸更(geng)少了(le)。
效(xiao)率(lv)(lv)是描述輸出(chu)功率(lv)(lv)的。輕載下(xia)高效(xiao)率(lv)(lv)而重載下(xia)效(xiao)率(lv)(lv)損失提高并不(bu)只是特(te)斯拉渦輪(lun)機的特(te)點。
特(te)(te)斯(si)(si)拉渦(wo)輪(lun)(lun)機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)預計為60%。請記(ji)住,水(shui)輪(lun)(lun)機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)是從使用渦(wo)輪(lun)(lun)發(fa),最高不超(chao)過95%。記(ji)住渦(wo)輪(lun)(lun)的(de)(de)(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)和(he)(he)渦(wo)輪(lun)(lun)發(fa)動機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)循環效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)是不同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)。軸式渦(wo)輪(lun)(lun)機(ji)在如今的(de)(de)(de)(de)(de)蒸(zheng)汽(qi)設(she)備中(zhong)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)可(ke)(ke)達(da)(da)60%到(dao)70%(西門(men)子公(gong)司數(shu)據(ju)),而整體(ti)設(she)備的(de)(de)(de)(de)(de)循環效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)也就在25%到(dao)42%,而且(qie)上(shang)限無(wu)論(lun)如何低于卡諾循環效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)。特(te)(te)斯(si)(si)拉聲稱,他(ta)的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)個蒸(zheng)汽(qi)版本的(de)(de)(de)(de)(de)裝置將達(da)(da)到(dao)95%左右的(de)(de)(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)。西屋(wu)公(gong)司對(dui)特(te)(te)斯(si)(si)拉蒸(zheng)汽(qi)渦(wo)輪(lun)(lun)機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)實際測試顯(xian)示每輸出(chu)1馬力(li)小(xiao)時平均需(xu)要38磅蒸(zheng)汽(qi),對(dui)于渦(wo)輪(lun)(lun)來說效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)在20%左右,而當代的(de)(de)(de)(de)(de)蒸(zheng)汽(qi)渦(wo)輪(lun)(lun)往往可(ke)(ke)以(yi)(yi)達(da)(da)到(dao)超(chao)過50%效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)。流體(ti)推進的(de)(de)(de)(de)(de)理論(lun)和(he)(he)技(ji)術以(yi)(yi)及熱力(li)學的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)量(liang)轉換已(yi)在各種(zhong)專(zhuan)利中(zhong)現身。熱力(li)學效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)是用來衡量(liang)相比(bi)(bi)等熵(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)情況之下到(dao)底工作效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)如何的(de)(de)(de)(de)(de),是理想狀態(tai)下輸入(ru)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)和(he)(he)輸出(chu)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)比(bi)(bi)值(zhi)。這可(ke)(ke)以(yi)(yi)被視為是理想狀態(tai)下焓(han)的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化和(he)(he)壓力(li)變(bian)化的(de)(de)(de)(de)(de)比(bi)(bi)值(zhi)。
在20世紀50年(nian)代,沃倫賴(lai)斯(si)(si)試圖重新創(chuang)建(jian)特(te)(te)斯(si)(si)拉(la)(la)的(de)(de)(de)實驗,但他在早期測試中沒有(you)嚴格(ge)地按照(zhao)(zhao)特(te)(te)斯(si)(si)拉(la)(la)的(de)(de)(de)專利設(she)計(ji)來(lai)(lai)制造他的(de)(de)(de)渦輪機(ji)(這個(ge)機(ji)器(qi)既不是一個(ge)特(te)(te)斯(si)(si)拉(la)(la)多段式渦輪機(ji),也沒有(you)特(te)(te)斯(si)(si)拉(la)(la)設(she)計(ji)的(de)(de)(de)噴嘴)。賴(lai)斯(si)(si)的(de)(de)(de)單級實驗系統的(de)(de)(de)工(gong)作流體是空氣。早先發布的(de)(de)(de)報(bao)告中賴(lai)斯(si)(si)的(de)(de)(de)測試表(biao)明單級渦輪的(de)(de)(de)效率(lv)是36%至41%。他表(biao)示如果嚴格(ge)按照(zhao)(zhao)特(te)(te)斯(si)(si)拉(la)(la)的(de)(de)(de)設(she)計(ji)來(lai)(lai)測試,預計(ji)效率(lv)可(ke)能(neng)會更高。
在賴斯(si)退休(xiu)之(zhi)前他完(wan)成了(le)(le)(le)特斯(si)拉渦輪(lun)(lun)機最后的(de)(de)(de)測試并做了(le)(le)(le)大量的(de)(de)(de)關于多級渦輪(lun)(lun)的(de)(de)(de)層流(liu)數據分析。他聲明這個設計具(ju)有極高的(de)(de)(de)效率,在1991年出版了(le)(le)(le)題為“特斯(si)拉的(de)(de)(de)渦輪(lun)(lun)機”的(de)(de)(de)報(bao)告(gao),報(bao)告(gao)做了(le)(le)(le)以下陳(chen)述:
“隨著分析結(jie)果正確使(shi)用(yong),轉(zhuan)子(zi)層流使(shi)用(yong)效率(lv)是非常高(gao),甚至超過95%。然而,為(wei)了實現轉(zhuan)子(zi)高(gao)效率(lv),流量必(bi)須(xu)盡量小,這意味著高(gao)效率(lv)的代價是必(bi)須(xu)要有足夠(gou)多數量的渦盤,組成一個體(ti)型巨大(da)的轉(zhuan)子(zi)。“
現(xian)代(dai)多級式有葉渦輪機(ji)通常(chang)達(da)到60%-70%的(de)效(xiao)率(lv)(lv),而在實(shi)踐中大型汽(qi)輪發電機(ji)組常(chang)常(chang)表現(xian)出90%以(yi)上的(de)效(xiao)率(lv)(lv)。在配合了特斯(si)拉的(de)設計后,一定大小的(de)渦形(xing)轉子(zi)使用常(chang)規流體(蒸汽(qi),氣體或水)也可以(yi)達(da)到預想的(de)60%至(zhi)70%的(de)效(xiao)率(lv)(lv)以(yi)及更高。