特(te)斯(si)拉渦(wo)輪機的(de)原理(li)是流體(ti)的(de)邊(bian)界(jie)(jie)層(ceng)(ceng)效應（boundary layer effect），流體(ti)受黏滯力影(ying)響，會在管壁或者(zhe)其它物體(ti)邊(bian)緣形(xing)成一層(ceng)(ceng)很(hen)薄的(de)邊(bian)界(jie)(jie)層(ceng)(ceng)，在邊(bian)界(jie)(jie)層(ceng)(ceng)內，固定表面(mian)的(de)流速為0，離(li)表面(mian)越遠速度越大(da)。利用(yong)這個效應就可(ke)以讓(rang)高速運動(dong)的(de)液(ye)體(ti)帶動(dong)一組圓盤轉動(dong)。因此它的(de)效率比普(pu)通的(de)葉片渦(wo)輪機高得(de)多。
特斯拉渦輪由一組(zu)光滑(hua)圓(yuan)盤(pan)組(zu)成，盤(pan)上(shang)有噴(pen)嘴(zui)向(xiang)盤(pan)邊緣(yuan)持續吹(chui)入氣(qi)(qi)流(liu)。這(zhe)種氣(qi)(qi)流(liu)會(hui)由于流(liu)體(ti)粘度和氣(qi)(qi)體(ti)在(zai)表(biao)面層的(de)粘滯(zhi)性而吸附(fu)在(zai)圓(yuan)盤(pan)上(shang)。當氣(qi)(qi)流(liu)速度放(fang)慢，同時給圓(yuan)盤(pan)施加以能量，氣(qi)(qi)體(ti)會(hui)作螺旋向(xiang)心運動并排出。由于轉子(zi)的(de)表(biao)面光滑(hua)沒(mei)有隆起，這(zhe)個設計極其堅固(gu)。
特(te)斯(si)(si)拉寫道(dao)：“這是一(yi)個高效的(de)(de)自(zi)(zi)啟(qi)動(dong)(dong)(dong)式(shi)原(yuan)動(dong)(dong)(dong)機（根據原(yuan)文意思，這里(li)指這是一(yi)種無需外力就可以(yi)自(zi)(zi)行(xing)啟(qi)動(dong)(dong)(dong)的(de)(de)原(yuan)動(dong)(dong)(dong)裝置），可作(zuo)為蒸汽渦輪機或混流(liu)式(shi)渦輪機工(gong)作(zuo)，而無需對(dui)其構造(zao)進行(xing)改動(dong)(dong)(dong)，因(yin)此十分方便。只需對(dui)原(yuan)有(you)渦輪機進行(xing)小(xiao)幅改造(zao)，或是根據原(yuan)有(you)渦輪機實際(ji)情況進行(xing)修改，但只要是遵循以(yi)上(shang)（特(te)斯(si)(si)拉渦輪機的(de)(de)）這些原(yuan)則(ze)，對(dui)于蒸汽設備(bei)使用者(zhe)來(lai)說，其（特(te)斯(si)(si)拉渦輪機）接駁在(zai)其原(yuan)有(you)設備(bei)上(shang)工(gong)作(zuo)顯(xian)然是值(zhi)得推薦的(de)(de)，可以(yi)獲得極其可觀的(de)(de)效益。”
這種渦輪機也可(ke)(ke)以(yi)成功地利(li)用高真空(kong)進行冷凝工(gong)作。在這種情況下，由于很大(da)的膨脹比，排出的氣(qi)體(ti)混合物具有相對(dui)較(jiao)低的溫度，可(ke)(ke)供冷凝器使用。雖然需要更好的燃料和(he)配套(tao)的特殊(shu)泵(beng)動(dong)裝置，但是其最終的經(jing)濟效益完全(quan)可(ke)(ke)以(yi)平衡當初建(jian)設的高成本(ben)。
所(suo)有(you)的(de)圓(yuan)盤(pan)與墊片都通過一(yi)個嵌在邊(bian)(bian)緣的(de)套(tao)(tao)筒(tong)互相(xiang)咬合，并使用(yong)螺母和套(tao)(tao)環(huan)來將那些邊(bian)(bian)緣厚的(de)圓(yuan)盤(pan)固定在一(yi)起，或(huo)者，如果(guo)需要的(de)話，可(ke)以直接在圓(yuan)盤(pan)上沖壓套(tao)(tao)環(huan)。
該機的(de)(de)整(zheng)體構造(zao)(zao)允許每一片圓(yuan)盤的(de)(de)單獨(du)地根據(ju)實際情況(kuang)，包括熱能和向(xiang)心(xin)力造(zao)(zao)成的(de)(de)各種影響(xiang)進(jin)行(xing)拓展性或收縮性改造(zao)(zao)，許多實際應用說明這樣做(zuo)可以帶來(lai)很(hen)多額外的(de)(de)好(hao)處(chu)。更(geng)多的(de)(de)圓(yuan)盤和更(geng)多的(de)(de)能量可以創造(zao)(zao)更(geng)高的(de)(de)效率。必(bi)須避免圓(yuan)盤發生形(xing)變，并將圓(yuan)盤的(de)(de)側(ce)間隙盡(jin)量做(zuo)小，以減少漏氣和摩擦造(zao)(zao)成的(de)(de)能量損失。轉子也(ye)要盡(jin)量做(zuo)到完全對稱，因為偏(pian)心(xin)造(zao)(zao)成的(de)(de)滑(hua)動摩擦會帶來(lai)極大的(de)(de)負面影響(xiang)，并使得(de)渦(wo)輪機無(wu)法安靜地運轉。
特斯拉渦(wo)(wo)輪機(ji)(ji)的(de)設計特點(dian)使得它通常由蒸汽和(he)燃氣燃燒(shao)的(de)混合物驅動，排出的(de)廢(fei)氣則(ze)可以繼(ji)續提供(gong)(gong)可供(gong)(gong)渦(wo)(wo)輪機(ji)(ji)工作蒸汽，通過閥門對上面提到的(de)循環蒸汽進行(xing)調(diao)節，使得渦(wo)(wo)輪機(ji)(ji)的(de)工作溫度(du)和(he)壓力(li)處在最佳狀態。
如圖1所示，特斯拉渦(wo)輪機的構造(zao)必須做到：
僅用蒸汽(qi)就可啟動，圓(yuan)盤(pan)可以(yi)在(zai)高溫流體(ti)中工作。一(yi)(yi)個高效的(de)(de)(de)特斯(si)拉(la)渦輪(lun)機需(xu)要很小的(de)(de)(de)圓(yuan)盤(pan)間(jian)(jian)距(ju)。比(bi)如(ru)，以(yi)蒸汽(qi)為動力的(de)(de)(de)機型必(bi)須(xu)(xu)保(bao)持0.4毫米（0.016英(ying)寸）間(jian)(jian)盤(pan)的(de)(de)(de)間(jian)(jian)距(ju)。圓(yuan)盤(pan)必(bi)須(xu)(xu)最大(da)限(xian)度地(di)光滑，以(yi)將表面摩擦和(he)剪切損失降(jiang)至最低(di)。圓(yuan)盤(pan)也必(bi)須(xu)(xu)最大(da)限(xian)度地(di)薄，以(yi)防止(zhi)在(zai)圓(yuan)盤(pan)邊緣造成相互吸引和(he)擾流。不幸的(de)(de)(de)是，防止(zhi)圓(yuan)盤(pan)扭曲和(he)變形在(zai)特斯(si)拉(la)的(de)(de)(de)時代是一(yi)(yi)項重大(da)挑戰。據稱，正因為人(ren)們無力阻止(zhi)圓(yuan)盤(pan)的(de)(de)(de)形變，特斯(si)拉(la)渦輪(lun)機才走向商業上(shang)的(de)(de)(de)失敗(bai)，因為當時的(de)(de)(de)冶金技術根本無法生產出具有(you)如(ru)此精度和(he)剛度的(de)(de)(de)圓(yuan)盤(pan)。
如果一(yi)個相似的圓盤(pan)和(he)外(wai)罩系統具有漸開線的形(xing)狀(zhuang)（對比(bi)圓形(xing)的渦輪系統），該設備可以用作泵。將一(yi)個發動(dong)機(ji)連接(jie)(jie)到(dao)該設備軸上(shang)，流體進入(ru)中心附(fu)近，接(jie)(jie)收(shou)圓盤(pan)的能量，散射到(dao)四周去(qu)。特斯拉渦輪不(bu)是(shi)在(zai)利(li)用摩擦力(li)（雖(sui)然(ran)通常(chang)人們(men)認(ren)為是(shi)），確切地說，是(shi)在(zai)避免(mian)摩擦力(li)，并(bing)使用附(fu)著力(li)（即附(fu)壁(bi)效(xiao)應）和(he)粘度代替。它利(li)用圓盤(pan)“葉(xie)片”上(shang)的邊(bian)界層效(xiao)應。
原(yuan)本特斯拉(la)的(de)設想是用(yong)光滑的(de)圓(yuan)(yuan)盤，但這樣會使得啟(qi)動(dong)轉矩(ju)太弱。特斯拉(la)后來發現在(zai)直徑10英寸的(de)光滑的(de)圓(yuan)(yuan)盤轉子圓(yuan)(yuan)周上12至24處，以及半徑處用(yong)6至12個(ge)墊(dian)圈連接起來，能夠(gou)顯著地(di)提(ti)高(gao)啟(qi)動(dong)轉矩(ju)，而且不影響效(xiao)率。
特斯(si)拉在(zai)(zai)專(zhuan)利中(zhong)宣(xuan)稱，該裝置是(shi)(shi)用(yong)于(yu)使用(yong)流體(ti)作為動力(li)介質，以區別于(yu)別的(de)流體(ti)推進和(he)壓縮裝置的(de)專(zhuan)利申請（雖然該設備的(de)確(que)可用(yong)于(yu)這些用(yong)途）。直至2006年，特斯(si)拉渦輪自發(fa)明以來還是(shi)(shi)沒(mei)有(you)(you)(you)廣泛用(yong)于(yu)商業用(yong)途。然而特斯(si)拉泵(beng)自1982年以來一(yi)直市售，用(yong)來輸送具有(you)(you)(you)腐蝕性，高(gao)粘度，高(gao)剪切力(li)敏感性，含有(you)(you)(you)固體(ti)，或(huo)是(shi)(shi)其他泵(beng)難(nan)以處理的(de)流體(ti)。特斯(si)拉本(ben)人并沒(mei)有(you)(you)(you)接到(dao)過大(da)宗生(sheng)產合同。在(zai)(zai)他那個(ge)時代的(de)主要困擾，如前所(suo)述，是(shi)(shi)材(cai)料(liao)學知識和(he)對高(gao)溫材(cai)料(liao)研究的(de)貧(pin)乏。當時最好的(de)冶金技術仍不(bu)能(neng)防止渦輪盤在(zai)(zai)運轉中(zhong)的(de)扭(niu)曲和(he)變形。
今天，在該領域的(de)(de)許多業余的(de)(de)實驗已經在有(you)意使用(yong)以壓(ya)縮(suo)空氣或蒸汽(qi)為動(dong)(dong)力(li)源(yuan)的(de)(de)特斯拉(la)渦(wo)(wo)(wo)(wo)輪機（蒸汽(qi)由燃(ran)料(liao)燃(ran)燒產生(sheng)的(de)(de)熱(re)制造，通常來源(yuan)于汽(qi)車的(de)(de)渦(wo)(wo)(wo)(wo)輪增壓(ya)器(qi)或太(tai)陽能輻(fu)射）。渦(wo)(wo)(wo)(wo)輪圓盤的(de)(de)形變問題已被部分解決，主要(yao)是(shi)歸功(gong)于新(xin)材(cai)料(liao)的(de)(de)應用(yong)，如使用(yong)碳纖(xian)維來制造渦(wo)(wo)(wo)(wo)輪盤。一個很好的(de)(de)例子是(shi)PNGinc公(gong)司(si)和國際渦(wo)(wo)(wo)(wo)輪與(yu)動(dong)(dong)力(li)有(you)限公(gong)司(si)都在他(ta)們的(de)(de)特斯拉(la)渦(wo)(wo)(wo)(wo)輪設計中用(yong)到了碳纖(xian)維材(cai)料(liao)。
對特(te)斯拉(la)泵(beng)有(you)需求的(de)是作為(wei)廢料泵(beng)。因為(wei)工廠和研磨廠的(de)普(pu)通泵(beng)經(jing)常會被廢料卡住。
特斯拉渦(wo)輪的另一需求離心多碟(die)式血泵的研(yan)究(jiu)已(yi)經取得(de)了(le)可(ke)喜的成果(guo)。生物工(gong)程科學家將在21世紀(ji)持續(xu)對其進(jin)行研(yan)究(jiu)。
在特斯拉的年代(dai)，傳(chuan)(chuan)統的渦(wo)輪(lun)機效(xiao)率(lv)低(di)，因(yin)為設計高(gao)效(xiao)率(lv)效(xiao)葉片(pian)所需要(yao)的空(kong)氣動力(li)學(xue)原(yuan)理不存在，低(di)質量的材(cai)料沒(mei)法(fa)制造(zao)出能在極端速度和溫(wen)度下工作(zuo)的葉片(pian)。一(yi)個傳(chuan)(chuan)統的渦(wo)輪(lun)效(xiao)率(lv)取決(jue)于其進氣和排氣壓(ya)力(li)差，為了達到更高(gao)的壓(ya)力(li)差，必須要(yao)極端高(gao)溫(wen)的蒸汽，所以只有(you)高(gao)溫(wen)材(cai)料才能創造(zao)高(gao)效(xiao)率(lv)。如果(guo)渦(wo)輪(lun)機在室(shi)溫(wen)下用液體工作(zuo)，那么你可以在排氣口使用一(yi)個冷凝器(qi)來(lai)增(zeng)加壓(ya)力(li)差。
特(te)斯(si)(si)拉的(de)(de)(de)(de)設計回避了(le)渦輪葉片的(de)(de)(de)(de)主(zhu)要(yao)缺點。它的(de)(de)(de)(de)確還存在(zai)剪切(qie)流(liu)動的(de)(de)(de)(de)限制等(deng)問題。特(te)斯(si)(si)拉渦輪的(de)(de)(de)(de)一些優點在(zai)于(yu)適用于(yu)低(di)流(liu)速和小(xiao)流(liu)量(liang)的(de)(de)(de)(de)需求。為(wei)了(le)不(bu)(bu)在(zai)流(liu)體(ti)(ti)吹出(chu)圓(yuan)盤(pan)(pan)(pan)邊(bian)緣時形(xing)成湍(tuan)流(liu)，圓(yuan)盤(pan)(pan)(pan)要(yao)盡可能薄。因此大流(liu)量(liang)的(de)(de)(de)(de)機(ji)(ji)器就需要(yao)更多的(de)(de)(de)(de)圓(yuan)盤(pan)(pan)(pan)。最高效率(lv)時，圓(yuan)盤(pan)(pan)(pan)之間(jian)的(de)(de)(de)(de)間(jian)距(ju)必須接近邊(bian)界(jie)層的(de)(de)(de)(de)厚度，而(er)且由于(yu)流(liu)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)邊(bian)界(jie)層厚度取決于(yu)其粘度和壓(ya)力(li)，流(liu)體(ti)(ti)性質不(bu)(bu)同，邊(bian)界(jie)層厚度也不(bu)(bu)相同，所以(yi)一種設計就可用于(yu)各種燃料和液(ye)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)說法不(bu)(bu)正確的(de)(de)(de)(de)。特(te)斯(si)(si)拉渦輪機(ji)(ji)與(yu)傳(chuan)統渦輪機(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)區別僅限于(yu)將能量(liang)從流(liu)體(ti)(ti)轉(zhuan)換到(dao)軸上的(de)(de)(de)(de)方式不(bu)(bu)同而(er)已。實驗證明特(te)斯(si)(si)拉渦輪負載越(yue)大效率(lv)越(yue)低(di)。負載小(xiao)時，流(liu)體(ti)(ti)從進入到(dao)排出(chu)經歷了(le)很(hen)大的(de)(de)(de)(de)旋轉(zhuan)，在(zai)大負載下，這種旋轉(zhuan)數(shu)量(liang)下降(jiang)并逐(zhu)漸變得更短。這將增加剪切(qie)損失(shi)，也降(jiang)低(di)了(le)效率(lv)，因為(wei)氣體(ti)(ti)與(yu)圓(yuan)盤(pan)(pan)(pan)的(de)(de)(de)(de)接觸更少(shao)了(le)。
效率是描述輸出(chu)功率的(de)。輕載下高(gao)效率而重(zhong)載下效率損失提高(gao)并(bing)不(bu)只是特斯拉渦(wo)輪機的(de)特點。
特斯拉(la)渦(wo)(wo)(wo)輪(lun)(lun)(lun)機(ji)的(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)預計為60%。請記住(zhu)，水輪(lun)(lun)(lun)機(ji)的(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)是(shi)從使用渦(wo)(wo)(wo)輪(lun)(lun)(lun)發(fa)，最高不(bu)超(chao)過95%。記住(zhu)渦(wo)(wo)(wo)輪(lun)(lun)(lun)的(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)和(he)渦(wo)(wo)(wo)輪(lun)(lun)(lun)發(fa)動(dong)機(ji)的(de)(de)(de)循(xun)環效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)是(shi)不(bu)同的(de)(de)(de)。軸式渦(wo)(wo)(wo)輪(lun)(lun)(lun)機(ji)在(zai)如(ru)今的(de)(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)設(she)備中效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)可(ke)達60%到(dao)(dao)70%（西(xi)門子公司(si)數據），而(er)整體(ti)設(she)備的(de)(de)(de)循(xun)環效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)也就(jiu)在(zai)25%到(dao)(dao)42%，而(er)且上限無(wu)論如(ru)何(he)低于(yu)卡(ka)諾循(xun)環效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)。特斯拉(la)聲稱，他(ta)的(de)(de)(de)一(yi)個(ge)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)版本的(de)(de)(de)裝置(zhi)將達到(dao)(dao)95%左(zuo)右的(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)。西(xi)屋公司(si)對特斯拉(la)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)渦(wo)(wo)(wo)輪(lun)(lun)(lun)機(ji)的(de)(de)(de)實際(ji)測(ce)試(shi)顯示每(mei)輸出1馬力(li)(li)小時平均需要38磅蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)，對于(yu)渦(wo)(wo)(wo)輪(lun)(lun)(lun)來(lai)說效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)在(zai)20%左(zuo)右，而(er)當代的(de)(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)渦(wo)(wo)(wo)輪(lun)(lun)(lun)往往可(ke)以達到(dao)(dao)超(chao)過50%效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)。流體(ti)推進的(de)(de)(de)理論和(he)技術(shu)以及(ji)熱力(li)(li)學(xue)的(de)(de)(de)能量轉(zhuan)換已在(zai)各種(zhong)專利中現身(shen)。熱力(li)(li)學(xue)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)是(shi)用來(lai)衡量相比等熵(shang)的(de)(de)(de)情況之下(xia)(xia)到(dao)(dao)底工作效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)如(ru)何(he)的(de)(de)(de)，是(shi)理想狀(zhuang)態下(xia)(xia)輸入效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)和(he)輸出效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)的(de)(de)(de)比值。這可(ke)以被視為是(shi)理想狀(zhuang)態下(xia)(xia)焓(han)的(de)(de)(de)變(bian)(bian)化和(he)壓(ya)力(li)(li)變(bian)(bian)化的(de)(de)(de)比值。
在20世紀50年代，沃(wo)倫賴(lai)斯(si)試圖重新創(chuang)建特(te)斯(si)拉的(de)實驗，但他(ta)(ta)在早期測(ce)試中沒(mei)有嚴格地按照特(te)斯(si)拉的(de)專利設計來(lai)(lai)制造他(ta)(ta)的(de)渦輪機(ji)（這(zhe)個機(ji)器既不是一個特(te)斯(si)拉多段(duan)式渦輪機(ji)，也(ye)沒(mei)有特(te)斯(si)拉設計的(de)噴嘴）。賴(lai)斯(si)的(de)單(dan)級(ji)實驗系(xi)統的(de)工作流體是空氣。早先發布(bu)的(de)報告中賴(lai)斯(si)的(de)測(ce)試表明單(dan)級(ji)渦輪的(de)效率是36%至41%。他(ta)(ta)表示如果嚴格按照特(te)斯(si)拉的(de)設計來(lai)(lai)測(ce)試，預計效率可能會更高。
在賴斯退(tui)休之(zhi)前他(ta)完成了特斯拉渦輪機(ji)最(zui)后的(de)測試并做(zuo)了大量的(de)關(guan)于多級(ji)渦輪的(de)層流數據分析。他(ta)聲明這個(ge)設計具有極高的(de)效率，在1991年出版了題為(wei)“特斯拉的(de)渦輪機(ji)”的(de)報告，報告做(zuo)了以下陳述：
“隨(sui)著分析結果正(zheng)確使用，轉子層(ceng)流(liu)使用效率是非常高(gao)(gao)，甚(shen)至超過95%。然(ran)而(er)，為了實現轉子高(gao)(gao)效率，流(liu)量(liang)必須盡量(liang)小(xiao)，這(zhe)意(yi)味著高(gao)(gao)效率的(de)代價是必須要(yao)有足夠多(duo)數(shu)量(liang)的(de)渦盤，組成一個體型巨大的(de)轉子。“
現代多級式有葉渦輪機(ji)通常(chang)(chang)達到60%-70%的(de)(de)效(xiao)率(lv)，而(er)在(zai)實踐中大(da)型汽(qi)輪發電(dian)機(ji)組常(chang)(chang)常(chang)(chang)表現出90%以(yi)上的(de)(de)效(xiao)率(lv)。在(zai)配(pei)合了特斯拉(la)的(de)(de)設(she)計后，一定大(da)小的(de)(de)渦形轉子(zi)使用常(chang)(chang)規(gui)流(liu)體（蒸汽(qi)，氣體或水）也可以(yi)達到預想的(de)(de)60%至70%的(de)(de)效(xiao)率(lv)以(yi)及更高。
歲月靜好
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