[科普中國(guó)]-特斯拉渦輪機(jī)

特斯拉渦輪機(jī)1（Tesla turbine）是一種無(wú)葉片，由流體剪切力驅(qū)動(dòng)的渦輪機(jī)，傳奇工程師尼古拉·特斯拉的發(fā)明，于1913年取得專利。它被稱為無(wú)葉片渦輪 ，因?yàn)樗鼞?yīng)用了邊界層效應(yīng) ，而非傳統(tǒng)的用流體直接沖擊渦輪葉片。此外，特斯拉渦輪機(jī)還被稱為“邊界層渦輪機(jī)（boundary layer turbine）”、“凝聚型渦輪機(jī)（cohesion-type turbine）”和“普朗特層渦輪機(jī)（Prandtl layer turbine）”（以紀(jì)念德國(guó)力學(xué)大師路德維格·普朗特）。生物工程學(xué)研究者將其看作一種“多碟式離心泵（multiple disk centrifugal pump）”。特斯拉曾夢(mèng)想用它來(lái)利用地?zé)岚l(fā)電，成為“我們未來(lái)的能源”。

原理特斯拉渦輪機(jī)的原理是流體的邊界層效應(yīng)（boundary layer effect），流體受黏滯力影響，會(huì)在管壁或者其它物體邊緣形成一層很薄的邊界層，在邊界層內(nèi)，固定表面的流速為0，離表面越遠(yuǎn)速度越大。利用這個(gè)效應(yīng)就可以讓高速運(yùn)動(dòng)的液體帶動(dòng)一組圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)。因此它的效率比普通的葉片渦輪機(jī)高得多。

結(jié)構(gòu)特斯拉渦輪由一組光滑圓盤(pán)組成，盤(pán)上有噴嘴向盤(pán)邊緣持續(xù)吹入氣流。這種氣流會(huì)由于流體粘度和氣體在表面層的粘滯性而吸附在圓盤(pán)上。當(dāng)氣流速度放慢，同時(shí)給圓盤(pán)施加以能量，氣體會(huì)作螺旋向心運(yùn)動(dòng)并排出。由于轉(zhuǎn)子的表面光滑沒(méi)有隆起，這個(gè)設(shè)計(jì)極其堅(jiān)固1。

特斯拉寫(xiě)道：“這是一個(gè)高效的自啟動(dòng)式原動(dòng)機(jī)（根據(jù)原文意思，這里指這是一種無(wú)需外力就可以自行啟動(dòng)的原動(dòng)裝置），可作為蒸汽渦輪機(jī)或混流式渦輪機(jī)工作，而無(wú)需對(duì)其構(gòu)造進(jìn)行改動(dòng)，因此十分方便。只需對(duì)原有渦輪機(jī)進(jìn)行小幅改造，或是根據(jù)原有渦輪機(jī)實(shí)際情況進(jìn)行修改，但只要是遵循以上（特斯拉渦輪機(jī)的）這些原則，對(duì)于蒸汽設(shè)備使用者來(lái)說(shuō)，其（特斯拉渦輪機(jī)）接駁在其原有設(shè)備上工作顯然是值得推薦的，可以獲得極其可觀的效益1?！?/p>

這種渦輪機(jī)也可以成功地利用高真空進(jìn)行冷凝工作。 在這種情況下，由于很大的膨脹比，排出的氣體混合物具有相對(duì)較低的溫度，可供冷凝器使用。 雖然需要更好的燃料和配套的特殊泵動(dòng)裝置，但是其最終的經(jīng)濟(jì)效益完全可以平衡當(dāng)初建設(shè)的高成本。

所有的圓盤(pán)與墊片都通過(guò)一個(gè)嵌在邊緣的套筒互相咬合，并使用螺母和套環(huán)來(lái)將那些邊緣厚的圓盤(pán)固定在一起，或者，如果需要的話，可以直接在圓盤(pán)上沖壓套環(huán)。

該機(jī)的整體構(gòu)造允許每一片圓盤(pán)的單獨(dú)地根據(jù)實(shí)際情況，包括熱能和向心力造成的各種影響進(jìn)行拓展性或收縮性改造，許多實(shí)際應(yīng)用說(shuō)明這樣做可以帶來(lái)很多額外的好處。更多的圓盤(pán)和更多的能量可以創(chuàng)造更高的效率。必須避免圓盤(pán)發(fā)生形變，并將圓盤(pán)的側(cè)間隙盡量做小，以減少漏氣和摩擦造成的能量損失。轉(zhuǎn)子也要盡量做到完全對(duì)稱，因?yàn)槠脑斐傻幕瑒?dòng)摩擦?xí)?lái)極大的負(fù)面影響，并使得渦輪機(jī)無(wú)法安靜地運(yùn)轉(zhuǎn)。

特斯拉渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)使得它通常由蒸汽和燃?xì)馊紵幕旌衔矧?qū)動(dòng)，排出的廢氣則可以繼續(xù)提供可供渦輪機(jī)工作蒸汽，通過(guò)閥門(mén)對(duì)上面提到的循環(huán)蒸汽進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得渦輪機(jī)的工作溫度和壓力處在最佳狀態(tài)。

如圖所示，特斯拉渦輪機(jī)的構(gòu)造必須做到：

僅用蒸汽就可啟動(dòng)，圓盤(pán)可以在高溫流體中工作。一個(gè)高效的特斯拉渦輪機(jī)需要很小的圓盤(pán)間距。比如，以蒸汽為動(dòng)力的機(jī)型必須保持0.4毫米（0.016英寸）間盤(pán)的間距。 圓盤(pán)必須最大限度地光滑，以將表面摩擦和剪切損失降至最低。 圓盤(pán)也必須最大限度地薄，以防止在圓盤(pán)邊緣造成相互吸引和擾流。 不幸的是，防止圓盤(pán)扭曲和變形在特斯拉的時(shí)代是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。據(jù)稱，正因?yàn)槿藗儫o(wú)力阻止圓盤(pán)的形變，特斯拉渦輪機(jī)才走向商業(yè)上的失敗，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的冶金技術(shù)根本無(wú)法生產(chǎn)出具有如此精度和剛度的圓盤(pán)1。

特斯拉泵如果一個(gè)相似的圓盤(pán)和外罩系統(tǒng)具有漸開(kāi)線的形狀（對(duì)比圓形的渦輪系統(tǒng)），該設(shè)備可以用作泵。將一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)連接到該設(shè)備軸上，流體進(jìn)入中心附近，接收?qǐng)A盤(pán)的能量，散射到四周去。特斯拉渦輪不是在利用摩擦力（雖然通常人們認(rèn)為是），確切地說(shuō)，是在避免摩擦力，并使用附著力（即附壁效應(yīng) ）和粘度代替。 它利用圓盤(pán)“葉片”上的邊界層效應(yīng)。

原本特斯拉的設(shè)想是用光滑的圓盤(pán)，但這樣會(huì)使得啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩太弱。特斯拉后來(lái)發(fā)現(xiàn)在直徑10英寸的光滑的圓盤(pán)轉(zhuǎn)子圓周上12至24處，以及半徑處用6至12個(gè)墊圈連接起來(lái)，能夠顯著地提高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而且不影響效率。

應(yīng)用用途特斯拉在專利中宣稱，該裝置是用于使用流體作為動(dòng)力介質(zhì)，以區(qū)別于別的流體推進(jìn)和壓縮裝置的專利申請(qǐng)（雖然該設(shè)備的確可用于這些用途）。 直至2006年，特斯拉渦輪自發(fā)明以來(lái)還是沒(méi)有廣泛用于商業(yè)用途。 然而特斯拉泵自1982年以來(lái)一直市售，用來(lái)輸送具有腐蝕性，高粘度，高剪切力敏感性，含有固體，或是其他泵難以處理的流體。 特斯拉本人并沒(méi)有接到過(guò)大宗生產(chǎn)合同。 在他那個(gè)時(shí)代的主要困擾，如前所述，是材料學(xué)知識(shí)和對(duì)高溫材料研究的貧乏。 當(dāng)時(shí)最好的冶金技術(shù)仍不能防止渦輪盤(pán)在運(yùn)轉(zhuǎn)中的扭曲和變形。

今天，在該領(lǐng)域的許多業(yè)余的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在有意使用以壓縮空氣或蒸汽為動(dòng)力源的特斯拉渦輪機(jī)（蒸汽由燃料燃燒產(chǎn)生的熱制造，通常來(lái)源于汽車(chē)的渦輪增壓器或太陽(yáng)能輻射）。 渦輪圓盤(pán)的形變問(wèn)題已被部分解決，主要是歸功于新材料的應(yīng)用，如使用碳纖維來(lái)制造渦輪盤(pán)。一個(gè)很好的例子是PNGinc公司和國(guó)際渦輪與動(dòng)力有限公司都在他們的特斯拉渦輪設(shè)計(jì)中用到了碳纖維材料。

目前對(duì)特斯拉泵有需求的是作為廢料泵。因?yàn)楣S和研磨廠的普通泵經(jīng)常會(huì)被廢料卡住。

特斯拉渦輪的另一需求離心多碟式血泵的研究已經(jīng)取得了可喜的成果。 生物工程科學(xué)家將在21世紀(jì)持續(xù)對(duì)其進(jìn)行研究。

效率計(jì)算在特斯拉的年代，傳統(tǒng)的渦輪機(jī)效率低，因?yàn)樵O(shè)計(jì)高效率效葉片所需要的空氣動(dòng)力學(xué)原理不存在，低質(zhì)量的材料沒(méi)法制造出能在極端速度和溫度下工作的葉片。 一個(gè)傳統(tǒng)的渦輪效率取決于其進(jìn)氣和排氣壓力差，為了達(dá)到更高的壓力差，必須要極端高溫的蒸汽，所以只有高溫材料才能創(chuàng)造高效率。 如果渦輪機(jī)在室溫下用液體工作，那么你可以在排氣口使用一個(gè)冷凝器來(lái)增加壓力差。

特斯拉的設(shè)計(jì)回避了渦輪葉片的主要缺點(diǎn)。 它的確還存在剪切流動(dòng)的限制等問(wèn)題。 特斯拉渦輪的一些優(yōu)點(diǎn)在于適用于低流速和小流量的需求。 為了不在流體吹出圓盤(pán)邊緣時(shí)形成湍流，圓盤(pán)要盡可能薄。 因此大流量的機(jī)器就需要更多的圓盤(pán)。最高效率時(shí)，圓盤(pán)之間的間距必須接近邊界層的厚度，而且由于流體的邊界層厚度取決于其粘度和壓力，流體性質(zhì)不同，邊界層厚度也不相同，所以一種設(shè)計(jì)就可用于各種燃料和液體的說(shuō)法不正確的。特斯拉渦輪機(jī)與傳統(tǒng)渦輪機(jī)的區(qū)別僅限于將能量從流體轉(zhuǎn)換到軸上的方式不同而已。實(shí)驗(yàn)證明特斯拉渦輪負(fù)載越大效率越低。負(fù)載小時(shí)，流體從進(jìn)入到排出經(jīng)歷了很大的旋轉(zhuǎn)，在大負(fù)載下，這種旋轉(zhuǎn)數(shù)量下降并逐漸變得更短。這將增加剪切損失，也降低了效率，因?yàn)闅怏w與圓盤(pán)的接觸更少了1。

效率是描述輸出功率的。 輕載下高效率而重載下效率損失提高并不只是特斯拉渦輪機(jī)的特點(diǎn)。

特斯拉渦輪機(jī)的效率預(yù)計(jì)為60% 。請(qǐng)記住，水輪機(jī)的效率是從使用渦輪發(fā)，最高不超過(guò)95%。記住渦輪的效率和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)效率是不同的。軸式渦輪機(jī)在如今的蒸汽設(shè)備中效率可達(dá)60%到70%（西門(mén)子公司數(shù)據(jù)），而整體設(shè)備的循環(huán)效率也就在25%到42%，而且上限無(wú)論如何低于卡諾循環(huán)效率。 特斯拉聲稱，他的一個(gè)蒸汽版本的裝置將達(dá)到95%左右的效率。西屋公司對(duì)特斯拉蒸汽渦輪機(jī)的實(shí)際測(cè)試顯示每輸出1馬力小時(shí)平均需要38磅蒸汽，對(duì)于渦輪來(lái)說(shuō)效率在20%左右，而當(dāng)代的蒸汽渦輪往往可以達(dá)到超過(guò)50%效率。流體推進(jìn)的理論和技術(shù)以及熱力學(xué)的能量轉(zhuǎn)換已在各種專利中現(xiàn)身。 熱力學(xué)效率是用來(lái)衡量相比等熵的情況之下到底工作效率如何的，是理想狀態(tài)下輸入效率和輸出效率的比值。 這可以被視為是理想狀態(tài)下焓的變化和壓力變化的比值。

在20世紀(jì)50年代， 沃倫賴斯試圖重新創(chuàng)建特斯拉的實(shí)驗(yàn)，但他在早期測(cè)試中沒(méi)有嚴(yán)格地按照特斯拉的專利設(shè)計(jì)來(lái)制造他的渦輪機(jī)（這個(gè)機(jī)器既不是一個(gè)特斯拉多段式渦輪機(jī)，也沒(méi)有特斯拉設(shè)計(jì)的噴嘴）。賴斯的單級(jí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作流體是空氣。 早先發(fā)布的報(bào)告中賴斯的測(cè)試表明單級(jí)渦輪的效率是36%至41%。他表示如果嚴(yán)格按照特斯拉的設(shè)計(jì)來(lái)測(cè)試，預(yù)計(jì)效率可能會(huì)更高。

在賴斯退休之前他完成了特斯拉渦輪機(jī)最后的測(cè)試并做了大量的關(guān)于多級(jí)渦輪的層流數(shù)據(jù)分析。他聲明這個(gè)設(shè)計(jì)具有極高的效率，在1991年出版了題為“特斯拉的渦輪機(jī)”的報(bào)告，報(bào)告做了以下陳述：

“隨著分析結(jié)果正確使用，轉(zhuǎn)子層流使用效率是非常高，甚至超過(guò)95%。然而，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子高效率，流量必須盡量小，這意味著高效率的代價(jià)是必須要有足夠多數(shù)量的渦盤(pán)，組成一個(gè)體型巨大的轉(zhuǎn)子。“

現(xiàn)代多級(jí)式有葉渦輪機(jī)通常達(dá)到60% - 70%的效率，而在實(shí)踐中大型汽輪發(fā)電機(jī)組常常表現(xiàn)出90%以上的效率。 在配合了特斯拉的設(shè)計(jì)后，一定大小的渦形轉(zhuǎn)子使用常規(guī)流體（蒸汽，氣體或水）也可以達(dá)到預(yù)想的60%至70%的效率以及更高。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學(xué)