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原理

特(te)斯拉渦(wo)輪(lun)機的(de)原理是(shi)流體(ti)(ti)的(de)邊(bian)(bian)界層(ceng)效應(ying)（boundary layer effect），流體(ti)(ti)受黏滯(zhi)力影響，會在(zai)管壁或者其(qi)它(ta)物(wu)體(ti)(ti)邊(bian)(bian)緣形成(cheng)一層(ceng)很薄的(de)邊(bian)(bian)界層(ceng)，在(zai)邊(bian)(bian)界層(ceng)內，固定表(biao)面的(de)流速(su)為0，離表(biao)面越遠速(su)度(du)越大。利用(yong)這(zhe)個效應(ying)就可以讓高(gao)速(su)運動的(de)液體(ti)(ti)帶動一組圓盤轉動。因(yin)此(ci)它(ta)的(de)效率比(bi)普通(tong)的(de)葉片渦(wo)輪(lun)機高(gao)得(de)多(duo)。

結構

特(te)斯拉(la)渦輪由一組光滑圓盤(pan)(pan)組成，盤(pan)(pan)上(shang)有(you)噴嘴向盤(pan)(pan)邊緣持(chi)續吹入(ru)氣流。這種(zhong)氣流會(hui)由于(yu)流體(ti)(ti)粘度(du)和氣體(ti)(ti)在表(biao)面(mian)層的粘滯性而吸附(fu)在圓盤(pan)(pan)上(shang)。當氣流速度(du)放(fang)慢，同時給(gei)圓盤(pan)(pan)施加(jia)以能量(liang)，氣體(ti)(ti)會(hui)作螺旋(xuan)向心運動并排出(chu)。由于(yu)轉子的表(biao)面(mian)光滑沒有(you)隆起，這個(ge)設計極其堅固。

特(te)斯(si)(si)拉(la)寫(xie)道：“這是(shi)一(yi)個(ge)高(gao)效的(de)(de)自(zi)啟動式(shi)原(yuan)動機(ji)(ji)（根據原(yuan)文意思，這里指這是(shi)一(yi)種(zhong)無(wu)需外力就可以自(zi)行(xing)(xing)啟動的(de)(de)原(yuan)動裝置），可作(zuo)為蒸汽渦(wo)輪(lun)(lun)(lun)機(ji)(ji)或(huo)混流式(shi)渦(wo)輪(lun)(lun)(lun)機(ji)(ji)工作(zuo)，而無(wu)需對其(qi)構造(zao)進(jin)行(xing)(xing)改動，因此十分方(fang)便。只需對原(yuan)有渦(wo)輪(lun)(lun)(lun)機(ji)(ji)進(jin)行(xing)(xing)小幅改造(zao)，或(huo)是(shi)根據原(yuan)有渦(wo)輪(lun)(lun)(lun)機(ji)(ji)實際(ji)情況進(jin)行(xing)(xing)修改，但只要是(shi)遵(zun)循以上（特(te)斯(si)(si)拉(la)渦(wo)輪(lun)(lun)(lun)機(ji)(ji)的(de)(de)）這些原(yuan)則(ze)，對于蒸汽設備(bei)使用者來說，其(qi)（特(te)斯(si)(si)拉(la)渦(wo)輪(lun)(lun)(lun)機(ji)(ji)）接(jie)駁(bo)在其(qi)原(yuan)有設備(bei)上工作(zuo)顯然是(shi)值得推(tui)薦的(de)(de)，可以獲得極其(qi)可觀的(de)(de)效益(yi)。”

這種渦輪機(ji)也可以(yi)成功地利用高(gao)真空(kong)進行冷凝工(gong)作。在這種情況下，由于很大的(de)(de)膨脹比，排出的(de)(de)氣體(ti)混合物(wu)具有(you)相對(dui)較低的(de)(de)溫度，可供(gong)冷凝器使用。雖然需要更好的(de)(de)燃(ran)料和配套的(de)(de)特殊泵(beng)動裝置(zhi)，但是其最終(zhong)的(de)(de)經濟效益完全可以(yi)平衡當(dang)初建設的(de)(de)高(gao)成本。

所有的(de)(de)圓(yuan)盤與墊(dian)片都通過一(yi)(yi)個(ge)嵌在邊緣的(de)(de)套(tao)筒互(hu)相咬合(he)，并使用螺母和(he)套(tao)環來將(jiang)那些邊緣厚的(de)(de)圓(yuan)盤固定(ding)在一(yi)(yi)起，或者，如果需要的(de)(de)話，可以直(zhi)接在圓(yuan)盤上沖壓套(tao)環。

該機(ji)的(de)整體構造(zao)允許每一片圓盤(pan)的(de)單(dan)獨地(di)根據實(shi)際情況，包括熱能(neng)(neng)和向心(xin)力造(zao)成(cheng)的(de)各種影(ying)響(xiang)進行拓展性(xing)或收縮性(xing)改造(zao)，許多(duo)實(shi)際應用說(shuo)明這(zhe)樣做可以帶來很多(duo)額外(wai)的(de)好處。更多(duo)的(de)圓盤(pan)和更多(duo)的(de)能(neng)(neng)量(liang)可以創造(zao)更高的(de)效率。必須避(bi)免(mian)圓盤(pan)發(fa)生形變(bian)，并將圓盤(pan)的(de)側間(jian)隙(xi)盡量(liang)做小，以減少漏氣和摩擦(ca)造(zao)成(cheng)的(de)能(neng)(neng)量(liang)損(sun)失。轉(zhuan)子也要盡量(liang)做到(dao)完全對稱，因(yin)為偏心(xin)造(zao)成(cheng)的(de)滑(hua)動摩擦(ca)會帶來極大的(de)負面(mian)影(ying)響(xiang)，并使得(de)渦輪機(ji)無(wu)法安靜(jing)地(di)運轉(zhuan)。

特(te)斯拉渦輪機(ji)(ji)的(de)設計(ji)特(te)點使(shi)得(de)它通(tong)常由蒸汽和燃(ran)氣(qi)燃(ran)燒的(de)混(hun)合物驅動，排出的(de)廢氣(qi)則可以(yi)繼(ji)續(xu)提(ti)(ti)供(gong)可供(gong)渦輪機(ji)(ji)工(gong)作蒸汽，通(tong)過閥門(men)對(dui)上(shang)面(mian)提(ti)(ti)到的(de)循環蒸汽進(jin)行調節，使(shi)得(de)渦輪機(ji)(ji)的(de)工(gong)作溫度(du)和壓(ya)力(li)處在最佳狀態。

如圖1所示，特斯拉渦輪機(ji)的構造必須做到：

僅用蒸汽就可啟動，圓(yuan)盤可以(yi)在高(gao)溫流(liu)體中工(gong)作。一個高(gao)效的(de)特(te)斯拉(la)渦輪(lun)機需要(yao)很小的(de)圓(yuan)盤間(jian)(jian)(jian)距。比如，以(yi)蒸汽為動力的(de)機型必(bi)須(xu)保持0.4毫(hao)米(mi)（0.016英寸）間(jian)(jian)(jian)盤的(de)間(jian)(jian)(jian)距。圓(yuan)盤必(bi)須(xu)最(zui)大(da)限度(du)地光(guang)滑(hua)，以(yi)將表面摩(mo)擦和(he)剪切損失(shi)(shi)降至(zhi)最(zui)低。圓(yuan)盤也必(bi)須(xu)最(zui)大(da)限度(du)地薄，以(yi)防止在圓(yuan)盤邊(bian)緣造(zao)成相互吸引和(he)擾流(liu)。不(bu)幸的(de)是，防止圓(yuan)盤扭曲和(he)變(bian)形在特(te)斯拉(la)的(de)時代是一項重大(da)挑戰(zhan)。據(ju)稱，正因(yin)為人們無力阻止圓(yuan)盤的(de)形變(bian)，特(te)斯拉(la)渦輪(lun)機才走向商業上的(de)失(shi)(shi)敗，因(yin)為當時的(de)冶(ye)金技術根本無法(fa)生產出具有如此(ci)精(jing)度(du)和(he)剛度(du)的(de)圓(yuan)盤。

特斯拉泵

如果一個(ge)相似的(de)圓(yuan)盤(pan)和外罩(zhao)系(xi)統具有漸(jian)開線的(de)形(xing)狀（對比圓(yuan)形(xing)的(de)渦輪系(xi)統），該設備可以用作泵。將一個(ge)發動機連接到該設備軸上(shang)，流體(ti)進入中心附近，接收圓(yuan)盤(pan)的(de)能量(liang)，散射(she)到四周去(qu)。特斯拉(la)渦輪不是(shi)(shi)在利用摩擦力（雖然通常人(ren)們認為(wei)是(shi)(shi)），確切(qie)地說，是(shi)(shi)在避免摩擦力，并(bing)使用附著(zhu)力（即附壁效應）和粘度代替。它(ta)利用圓(yuan)盤(pan)“葉(xie)片”上(shang)的(de)邊界(jie)層效應。

原(yuan)本特斯拉的設(she)想是用光(guang)滑的圓(yuan)(yuan)盤(pan)，但這(zhe)樣會使得啟(qi)動轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)矩(ju)太弱。特斯拉后來(lai)發(fa)現在直(zhi)徑10英(ying)寸的光(guang)滑的圓(yuan)(yuan)盤(pan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子圓(yuan)(yuan)周上12至24處，以及半(ban)徑處用6至12個墊圈連接(jie)起來(lai)，能夠顯著(zhu)地提(ti)高(gao)啟(qi)動轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)矩(ju)，而且不(bu)影響效率。

應用

用途

特(te)(te)斯(si)(si)拉(la)在專(zhuan)利中宣稱，該裝置是(shi)(shi)(shi)用(yong)(yong)于(yu)使用(yong)(yong)流(liu)體作為動力(li)介(jie)質(zhi)，以(yi)區別于(yu)別的流(liu)體推進(jin)和壓縮裝置的專(zhuan)利申請（雖然該設(she)備的確可用(yong)(yong)于(yu)這些用(yong)(yong)途）。直至(zhi)2006年(nian)，特(te)(te)斯(si)(si)拉(la)渦輪(lun)(lun)自(zi)發明(ming)以(yi)來還(huan)是(shi)(shi)(shi)沒有(you)廣泛用(yong)(yong)于(yu)商(shang)業用(yong)(yong)途。然而特(te)(te)斯(si)(si)拉(la)泵自(zi)1982年(nian)以(yi)來一直市售，用(yong)(yong)來輸送具(ju)有(you)腐(fu)蝕(shi)性(xing)(xing)，高粘度，高剪切力(li)敏感性(xing)(xing)，含有(you)固體，或是(shi)(shi)(shi)其他泵難以(yi)處理的流(liu)體。特(te)(te)斯(si)(si)拉(la)本人并(bing)沒有(you)接到過大宗生產合同。在他那個時代(dai)的主(zhu)要困擾，如前所述，是(shi)(shi)(shi)材料學知識和對(dui)高溫材料研究(jiu)的貧乏。當(dang)時最好的冶金(jin)技術仍(reng)不能防止渦輪(lun)(lun)盤(pan)在運轉中的扭曲和變形。

今天，在(zai)該領域的(de)許多業余的(de)實驗已經在(zai)有意使用(yong)(yong)以壓(ya)縮(suo)空氣或(huo)(huo)蒸汽為動力源(yuan)的(de)特斯(si)拉渦(wo)(wo)輪機（蒸汽由燃料燃燒(shao)產生的(de)熱制(zhi)造，通(tong)常來源(yuan)于汽車的(de)渦(wo)(wo)輪增壓(ya)器(qi)或(huo)(huo)太陽能輻射(she)）。渦(wo)(wo)輪圓盤(pan)的(de)形變問題已被部分解決，主要是歸功于新材料的(de)應用(yong)(yong)，如使用(yong)(yong)碳(tan)纖維來制(zhi)造渦(wo)(wo)輪盤(pan)。一個(ge)很好的(de)例子(zi)是PNGinc公司(si)和(he)國際渦(wo)(wo)輪與動力有限公司(si)都在(zai)他們的(de)特斯(si)拉渦(wo)(wo)輪設計中用(yong)(yong)到了碳(tan)纖維材料。

對特斯(si)拉泵(beng)(beng)有需求(qiu)的是作為廢料泵(beng)(beng)。因為工廠和研磨廠的普(pu)通泵(beng)(beng)經常會被廢料卡(ka)住。

特(te)斯拉渦輪(lun)的(de)另(ling)一需求離心(xin)多碟(die)式血泵的(de)研究已經取得了(le)可喜的(de)成果。生物工程(cheng)科(ke)學家將在21世(shi)紀持(chi)續對(dui)其進行研究。

效率計算

在(zai)(zai)特(te)斯拉的(de)年代，傳統的(de)渦輪(lun)(lun)機效(xiao)率低，因為設計(ji)高(gao)(gao)效(xiao)率效(xiao)葉片(pian)所需要的(de)空氣(qi)(qi)(qi)動(dong)力(li)學(xue)原理(li)不存在(zai)(zai)，低質量的(de)材(cai)(cai)料沒法(fa)制造(zao)出能在(zai)(zai)極端(duan)速度和(he)溫度下(xia)工(gong)作的(de)葉片(pian)。一(yi)(yi)個(ge)傳統的(de)渦輪(lun)(lun)效(xiao)率取決于其進氣(qi)(qi)(qi)和(he)排氣(qi)(qi)(qi)壓力(li)差(cha)，為了達到更(geng)高(gao)(gao)的(de)壓力(li)差(cha)，必須要極端(duan)高(gao)(gao)溫的(de)蒸汽，所以只有高(gao)(gao)溫材(cai)(cai)料才能創造(zao)高(gao)(gao)效(xiao)率。如果渦輪(lun)(lun)機在(zai)(zai)室溫下(xia)用(yong)液體工(gong)作，那么你可以在(zai)(zai)排氣(qi)(qi)(qi)口使用(yong)一(yi)(yi)個(ge)冷凝(ning)器來增加壓力(li)差(cha)。

特(te)斯拉的(de)(de)(de)(de)(de)設計回避了(le)渦(wo)輪(lun)葉片的(de)(de)(de)(de)(de)主要(yao)缺點。它的(de)(de)(de)(de)(de)確還存在(zai)剪切流(liu)動的(de)(de)(de)(de)(de)限制等問題。特(te)斯拉渦(wo)輪(lun)的(de)(de)(de)(de)(de)一些優點在(zai)于(yu)適用于(yu)低流(liu)速和(he)小(xiao)流(liu)量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)需求。為(wei)了(le)不在(zai)流(liu)體(ti)(ti)(ti)吹出圓(yuan)盤(pan)邊(bian)緣時(shi)形(xing)成湍流(liu)，圓(yuan)盤(pan)要(yao)盡可能薄。因(yin)此(ci)大(da)流(liu)量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)機(ji)器就(jiu)需要(yao)更多(duo)的(de)(de)(de)(de)(de)圓(yuan)盤(pan)。最高效(xiao)(xiao)率時(shi)，圓(yuan)盤(pan)之間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)間(jian)距(ju)必須接近邊(bian)界層(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)厚(hou)度(du)(du)，而(er)且由于(yu)流(liu)體(ti)(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)邊(bian)界層(ceng)厚(hou)度(du)(du)取(qu)決(jue)于(yu)其粘度(du)(du)和(he)壓(ya)力，流(liu)體(ti)(ti)(ti)性質不同，邊(bian)界層(ceng)厚(hou)度(du)(du)也(ye)(ye)不相同，所以(yi)一種設計就(jiu)可用于(yu)各種燃料和(he)液體(ti)(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)說法(fa)不正確的(de)(de)(de)(de)(de)。特(te)斯拉渦(wo)輪(lun)機(ji)與傳統渦(wo)輪(lun)機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)區別僅限于(yu)將能量(liang)從流(liu)體(ti)(ti)(ti)轉換到(dao)軸上的(de)(de)(de)(de)(de)方式不同而(er)已。實驗證明(ming)特(te)斯拉渦(wo)輪(lun)負載越大(da)效(xiao)(xiao)率越低。負載小(xiao)時(shi)，流(liu)體(ti)(ti)(ti)從進入到(dao)排(pai)出經歷了(le)很大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)旋(xuan)轉，在(zai)大(da)負載下，這種旋(xuan)轉數量(liang)下降并逐漸(jian)變(bian)得(de)更短。這將增加(jia)剪切損失，也(ye)(ye)降低了(le)效(xiao)(xiao)率，因(yin)為(wei)氣體(ti)(ti)(ti)與圓(yuan)盤(pan)的(de)(de)(de)(de)(de)接觸更少了(le)。

效(xiao)(xiao)率是描(miao)述輸(shu)出功率的。輕載下高(gao)效(xiao)(xiao)率而重載下效(xiao)(xiao)率損失提高(gao)并不只是特斯拉(la)渦輪機的特點。

特斯拉(la)渦(wo)輪機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)(lv)預計為60%。請記住，水輪機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)(lv)是(shi)從使用渦(wo)輪發，最高不(bu)超(chao)(chao)過(guo)95%。記住渦(wo)輪的(de)(de)(de)(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)(lv)和渦(wo)輪發動機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)循(xun)環效(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)(lv)是(shi)不(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。軸式渦(wo)輪機(ji)在(zai)如(ru)今的(de)(de)(de)(de)(de)(de)蒸(zheng)汽設(she)(she)備(bei)中(zhong)效(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)(lv)可達60%到70%（西門子公司數據），而整(zheng)體設(she)(she)備(bei)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)循(xun)環效(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)(lv)也就在(zai)25%到42%，而且上(shang)限(xian)無(wu)論如(ru)何低于卡諾(nuo)循(xun)環效(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)(lv)。特斯拉(la)聲稱，他(ta)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)一個蒸(zheng)汽版本(ben)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)裝置將達到95%左(zuo)(zuo)右(you)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)(lv)。西屋(wu)公司對特斯拉(la)蒸(zheng)汽渦(wo)輪機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)實際測試顯示每輸出(chu)1馬力小時平均需要38磅(bang)蒸(zheng)汽，對于渦(wo)輪來(lai)說效(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)(lv)在(zai)20%左(zuo)(zuo)右(you)，而當(dang)代的(de)(de)(de)(de)(de)(de)蒸(zheng)汽渦(wo)輪往往可以達到超(chao)(chao)過(guo)50%效(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)(lv)。流體推進(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)理論和技術以及熱力學(xue)(xue)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)能量轉換已(yi)在(zai)各種專利中(zhong)現身。熱力學(xue)(xue)效(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)(lv)是(shi)用來(lai)衡量相(xiang)比(bi)(bi)等熵(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)情(qing)況之下到底工作效(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)(lv)如(ru)何的(de)(de)(de)(de)(de)(de)，是(shi)理想狀態(tai)下輸入效(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)(lv)和輸出(chu)效(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)比(bi)(bi)值。這可以被視為是(shi)理想狀態(tai)下焓的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變化和壓力變化的(de)(de)(de)(de)(de)(de)比(bi)(bi)值。

在(zai)20世紀50年代，沃倫賴(lai)斯(si)(si)試圖(tu)重新創建特(te)(te)斯(si)(si)拉(la)(la)的(de)(de)實(shi)驗，但他(ta)在(zai)早期測試中沒有嚴格地按照特(te)(te)斯(si)(si)拉(la)(la)的(de)(de)專利設計來制(zhi)造他(ta)的(de)(de)渦(wo)輪機(ji)（這(zhe)個機(ji)器(qi)既(ji)不(bu)是(shi)一個特(te)(te)斯(si)(si)拉(la)(la)多段式渦(wo)輪機(ji)，也沒有特(te)(te)斯(si)(si)拉(la)(la)設計的(de)(de)噴(pen)嘴）。賴(lai)斯(si)(si)的(de)(de)單級實(shi)驗系統的(de)(de)工(gong)作流體是(shi)空氣。早先發布(bu)的(de)(de)報告中賴(lai)斯(si)(si)的(de)(de)測試表(biao)明單級渦(wo)輪的(de)(de)效率(lv)是(shi)36%至(zhi)41%。他(ta)表(biao)示如果嚴格按照特(te)(te)斯(si)(si)拉(la)(la)的(de)(de)設計來測試，預(yu)計效率(lv)可能會更高。

在(zai)賴斯(si)退休之(zhi)前他完成(cheng)了特(te)斯(si)拉渦(wo)(wo)(wo)輪(lun)機(ji)最后的測試(shi)并做(zuo)了大量的關于多級(ji)渦(wo)(wo)(wo)輪(lun)的層流數據分析。他聲(sheng)明(ming)這個設計具有(you)極高的效率(lv)，在(zai)1991年(nian)出版了題(ti)為“特(te)斯(si)拉的渦(wo)(wo)(wo)輪(lun)機(ji)”的報告，報告做(zuo)了以(yi)下陳述：

“隨著分析結果(guo)正確使用，轉子層流使用效率(lv)是非(fei)常高(gao)，甚至超過95%。然而(er)，為了實現轉子高(gao)效率(lv)，流量(liang)必須(xu)(xu)盡量(liang)小，這意味(wei)著高(gao)效率(lv)的代價是必須(xu)(xu)要有足(zu)夠多數量(liang)的渦盤，組成一個體型巨(ju)大(da)的轉子。“

現(xian)代多級式有葉(xie)渦輪機通常(chang)達(da)到60%-70%的(de)(de)(de)效(xiao)率(lv)，而在實踐(jian)中大(da)型汽輪發電機組常(chang)常(chang)表現(xian)出90%以上的(de)(de)(de)效(xiao)率(lv)。在配(pei)合了特斯拉的(de)(de)(de)設計(ji)后，一定大(da)小的(de)(de)(de)渦形轉子(zi)使(shi)用常(chang)規流體（蒸汽，氣體或水）也可以達(da)到預想的(de)(de)(de)60%至70%的(de)(de)(de)效(xiao)率(lv)以及(ji)更高。