特斯(si)拉渦輪機(ji)的原理是流(liu)體(ti)的邊界(jie)層效(xiao)應(ying)（boundary layer effect），流(liu)體(ti)受黏(nian)滯力影響(xiang)，會在管壁或者其它物體(ti)邊緣形成一層很薄的邊界(jie)層，在邊界(jie)層內，固定(ding)表面(mian)(mian)的流(liu)速為0，離表面(mian)(mian)越(yue)遠(yuan)速度越(yue)大。利用(yong)這個效(xiao)應(ying)就可(ke)以讓高速運動的液體(ti)帶動一組圓盤轉動。因此它的效(xiao)率比普通的葉片渦輪機(ji)高得(de)多。
特斯拉渦輪(lun)由一組(zu)光滑(hua)圓(yuan)盤(pan)組(zu)成，盤(pan)上有(you)噴嘴(zui)向盤(pan)邊(bian)緣(yuan)持續吹(chui)入(ru)氣流(liu)。這種氣流(liu)會由于流(liu)體(ti)粘度(du)和氣體(ti)在(zai)表(biao)面(mian)層的粘滯性而吸附(fu)在(zai)圓(yuan)盤(pan)上。當氣流(liu)速(su)度(du)放慢，同時給圓(yuan)盤(pan)施加以(yi)能量(liang)，氣體(ti)會作螺旋向心(xin)運動并排出。由于轉子(zi)的表(biao)面(mian)光滑(hua)沒有(you)隆起，這個設計極其(qi)堅固(gu)。
特斯(si)拉寫道(dao)：“這是一(yi)(yi)個高效的(de)(de)自啟動(dong)(dong)(dong)式(shi)原動(dong)(dong)(dong)機(ji)（根據原文意思(si)，這里指這是一(yi)(yi)種(zhong)無(wu)需外力就(jiu)可(ke)以(yi)自行(xing)(xing)啟動(dong)(dong)(dong)的(de)(de)原動(dong)(dong)(dong)裝(zhuang)置），可(ke)作(zuo)為(wei)蒸汽渦輪機(ji)或(huo)混(hun)流式(shi)渦輪機(ji)工(gong)作(zuo)，而(er)無(wu)需對其構造進(jin)行(xing)(xing)改動(dong)(dong)(dong)，因(yin)此十分方便。只需對原有(you)渦輪機(ji)進(jin)行(xing)(xing)小幅改造，或(huo)是根據原有(you)渦輪機(ji)實際情(qing)況進(jin)行(xing)(xing)修改，但只要(yao)是遵循以(yi)上（特斯(si)拉渦輪機(ji)的(de)(de)）這些原則，對于(yu)蒸汽設備使用者來說，其（特斯(si)拉渦輪機(ji)）接駁在其原有(you)設備上工(gong)作(zuo)顯然是值得(de)推薦的(de)(de)，可(ke)以(yi)獲得(de)極其可(ke)觀的(de)(de)效益(yi)。”
這種渦輪機也可(ke)以成(cheng)功地(di)利用(yong)高真空進(jin)行(xing)冷凝(ning)工(gong)作。在這種情(qing)況下，由于(yu)很大(da)的膨(peng)脹比，排(pai)出的氣(qi)體混合物具(ju)有相對較(jiao)低的溫度，可(ke)供冷凝(ning)器(qi)使用(yong)。雖然需要更好的燃料(liao)和配套的特殊泵動(dong)裝置，但(dan)是(shi)其最終的經濟效益(yi)完(wan)全(quan)可(ke)以平(ping)衡當初建設的高成(cheng)本(ben)。
所有的(de)圓(yuan)盤(pan)與墊片都通過一個(ge)嵌(qian)在邊(bian)緣的(de)套(tao)筒互(hu)相咬合，并(bing)使用(yong)螺母和套(tao)環來(lai)將那些邊(bian)緣厚的(de)圓(yuan)盤(pan)固定在一起，或者(zhe)，如果需要的(de)話，可(ke)以直接在圓(yuan)盤(pan)上沖(chong)壓套(tao)環。
該機的(de)(de)(de)整體構造(zao)允許每一(yi)片圓盤的(de)(de)(de)單獨地根(gen)據實際(ji)情況，包括熱能和向心力造(zao)成(cheng)的(de)(de)(de)各(ge)種影(ying)響進行拓展性(xing)(xing)或收縮性(xing)(xing)改(gai)造(zao)，許多(duo)實際(ji)應用說(shuo)明這樣做(zuo)可以帶來很多(duo)額(e)外的(de)(de)(de)好處。更(geng)多(duo)的(de)(de)(de)圓盤和更(geng)多(duo)的(de)(de)(de)能量可以創造(zao)更(geng)高的(de)(de)(de)效率(lv)。必(bi)須避免圓盤發生形變，并(bing)將圓盤的(de)(de)(de)側間隙(xi)盡量做(zuo)小(xiao)，以減少漏氣和摩(mo)(mo)擦(ca)造(zao)成(cheng)的(de)(de)(de)能量損(sun)失(shi)。轉子也(ye)要盡量做(zuo)到完全對稱，因為偏心造(zao)成(cheng)的(de)(de)(de)滑動(dong)摩(mo)(mo)擦(ca)會帶來極大的(de)(de)(de)負(fu)面影(ying)響，并(bing)使得渦(wo)輪(lun)機無法安靜(jing)地運轉。
特斯拉渦(wo)輪(lun)機的(de)設計(ji)特點使得它通常(chang)由蒸汽(qi)和燃氣(qi)燃燒(shao)的(de)混合物驅動，排出的(de)廢氣(qi)則(ze)可以繼續提供(gong)可供(gong)渦(wo)輪(lun)機工(gong)(gong)作蒸汽(qi)，通過閥門對上面(mian)提到的(de)循環(huan)蒸汽(qi)進行調節，使得渦(wo)輪(lun)機的(de)工(gong)(gong)作溫(wen)度和壓力處在(zai)最佳狀態。
如圖1所(suo)示，特斯拉渦輪(lun)機的構造必(bi)須做(zuo)到：
僅用蒸汽就可(ke)啟動，圓(yuan)(yuan)(yuan)盤(pan)(pan)可(ke)以在高溫(wen)流體中(zhong)工(gong)作。一個(ge)高效的(de)(de)(de)特斯拉渦輪機(ji)(ji)需要(yao)很(hen)小的(de)(de)(de)圓(yuan)(yuan)(yuan)盤(pan)(pan)間(jian)(jian)距。比如(ru)，以蒸汽為(wei)動力的(de)(de)(de)機(ji)(ji)型(xing)必(bi)須保持0.4毫米（0.016英寸(cun)）間(jian)(jian)盤(pan)(pan)的(de)(de)(de)間(jian)(jian)距。圓(yuan)(yuan)(yuan)盤(pan)(pan)必(bi)須最(zui)(zui)大限度地光(guang)滑，以將表面摩擦和(he)剪切損失(shi)降至最(zui)(zui)低。圓(yuan)(yuan)(yuan)盤(pan)(pan)也(ye)必(bi)須最(zui)(zui)大限度地薄，以防止在圓(yuan)(yuan)(yuan)盤(pan)(pan)邊緣造(zao)成相互吸引和(he)擾流。不幸的(de)(de)(de)是，防止圓(yuan)(yuan)(yuan)盤(pan)(pan)扭(niu)曲和(he)變形(xing)在特斯拉的(de)(de)(de)時(shi)代是一項重大挑戰(zhan)。據稱，正因(yin)為(wei)人們(men)無力阻止圓(yuan)(yuan)(yuan)盤(pan)(pan)的(de)(de)(de)形(xing)變，特斯拉渦輪機(ji)(ji)才走向商(shang)業上(shang)的(de)(de)(de)失(shi)敗，因(yin)為(wei)當時(shi)的(de)(de)(de)冶金技術根(gen)本無法生(sheng)產(chan)出具有如(ru)此精度和(he)剛度的(de)(de)(de)圓(yuan)(yuan)(yuan)盤(pan)(pan)。
如果一個(ge)相(xiang)似(si)的(de)圓(yuan)盤(pan)和(he)外(wai)罩(zhao)系統具有漸開線的(de)形狀（對比圓(yuan)形的(de)渦輪(lun)系統），該(gai)(gai)設備可以用(yong)作泵(beng)。將一個(ge)發動(dong)機連(lian)接到該(gai)(gai)設備軸上(shang)，流體(ti)進入(ru)中心(xin)附近，接收圓(yuan)盤(pan)的(de)能量，散(san)射到四周去。特(te)斯拉渦輪(lun)不是(shi)在(zai)利用(yong)摩(mo)擦力(li)(li)（雖然(ran)通常人們認為是(shi)），確切地說，是(shi)在(zai)避免(mian)摩(mo)擦力(li)(li)，并(bing)使用(yong)附著力(li)(li)（即附壁(bi)效應）和(he)粘度代(dai)替。它利用(yong)圓(yuan)盤(pan)“葉片(pian)”上(shang)的(de)邊界層(ceng)效應。
原本特斯拉的設想是(shi)用光滑的圓盤(pan)，但這樣會使得啟動轉矩太弱。特斯拉后來(lai)發現在(zai)直徑10英寸(cun)的光滑的圓盤(pan)轉子圓周上12至(zhi)24處(chu)，以及半(ban)徑處(chu)用6至(zhi)12個墊圈連(lian)接起來(lai)，能夠顯著地提高啟動轉矩，而且(qie)不影響效率。
特斯拉(la)(la)在專利中宣稱，該裝置是(shi)用(yong)(yong)(yong)于(yu)使用(yong)(yong)(yong)流體(ti)(ti)作(zuo)為動力介質，以區別(bie)于(yu)別(bie)的(de)(de)(de)流體(ti)(ti)推進和壓(ya)縮裝置的(de)(de)(de)專利申請（雖然該設備的(de)(de)(de)確可用(yong)(yong)(yong)于(yu)這些(xie)用(yong)(yong)(yong)途）。直(zhi)至2006年(nian)，特斯拉(la)(la)渦(wo)輪自發明以來還(huan)是(shi)沒(mei)(mei)有(you)廣泛用(yong)(yong)(yong)于(yu)商業用(yong)(yong)(yong)途。然而特斯拉(la)(la)泵(beng)自1982年(nian)以來一直(zhi)市售，用(yong)(yong)(yong)來輸送具有(you)腐蝕性(xing)，高粘(zhan)度，高剪切力敏感(gan)性(xing)，含有(you)固體(ti)(ti)，或是(shi)其(qi)他(ta)(ta)泵(beng)難以處理的(de)(de)(de)流體(ti)(ti)。特斯拉(la)(la)本(ben)人并沒(mei)(mei)有(you)接到過大宗(zong)生產(chan)合同。在他(ta)(ta)那個時(shi)代(dai)的(de)(de)(de)主要困(kun)擾，如(ru)前(qian)所述(shu)，是(shi)材料(liao)(liao)學(xue)知(zhi)識和對(dui)高溫材料(liao)(liao)研究的(de)(de)(de)貧乏。當時(shi)最(zui)好的(de)(de)(de)冶(ye)金(jin)技術仍(reng)不能防(fang)止渦(wo)輪盤在運轉中的(de)(de)(de)扭曲和變形。
今天(tian)，在(zai)該(gai)領域的(de)許多業余的(de)實驗(yan)已經在(zai)有意使(shi)用(yong)以(yi)壓(ya)縮空氣或(huo)蒸汽為動(dong)力源的(de)特斯(si)拉渦(wo)輪(lun)機(ji)（蒸汽由燃料燃燒(shao)產生的(de)熱(re)制造，通常來源于(yu)汽車的(de)渦(wo)輪(lun)增壓(ya)器或(huo)太陽能輻射）。渦(wo)輪(lun)圓盤的(de)形(xing)變問題已被部分解決(jue)，主要是(shi)歸功于(yu)新材料的(de)應用(yong)，如使(shi)用(yong)碳(tan)纖維來制造渦(wo)輪(lun)盤。一個很好的(de)例子是(shi)PNGinc公(gong)司和國際渦(wo)輪(lun)與(yu)動(dong)力有限公(gong)司都在(zai)他(ta)們的(de)特斯(si)拉渦(wo)輪(lun)設計中用(yong)到了碳(tan)纖維材料。
對特斯拉泵(beng)(beng)有需求的是作為廢料泵(beng)(beng)。因為工(gong)廠(chang)和研磨廠(chang)的普(pu)通泵(beng)(beng)經常會被(bei)廢料卡住(zhu)。
特斯拉渦輪(lun)的(de)另(ling)一需求離心(xin)多碟式血泵的(de)研(yan)究已經取(qu)得了可喜的(de)成果(guo)。生(sheng)物(wu)工(gong)程科(ke)學家將在21世紀持續對其進行研(yan)究。
在(zai)特斯拉的(de)年代，傳統的(de)渦輪機效(xiao)(xiao)率(lv)低(di)，因為(wei)設計高(gao)效(xiao)(xiao)率(lv)效(xiao)(xiao)葉(xie)片所需要(yao)的(de)空(kong)氣動力學(xue)原理不存在(zai)，低(di)質量的(de)材料沒法制造出能(neng)在(zai)極端速度(du)(du)和溫度(du)(du)下工(gong)作的(de)葉(xie)片。一個傳統的(de)渦輪效(xiao)(xiao)率(lv)取決于其進(jin)氣和排(pai)氣壓(ya)力差(cha)，為(wei)了達到更高(gao)的(de)壓(ya)力差(cha)，必須要(yao)極端高(gao)溫的(de)蒸汽(qi)，所以(yi)(yi)只(zhi)有高(gao)溫材料才能(neng)創造高(gao)效(xiao)(xiao)率(lv)。如果渦輪機在(zai)室溫下用液體工(gong)作，那(nei)么你可以(yi)(yi)在(zai)排(pai)氣口使用一個冷凝器來增加(jia)壓(ya)力差(cha)。
特(te)斯(si)拉(la)的(de)(de)(de)設(she)(she)計回避了(le)(le)渦(wo)(wo)輪(lun)葉片的(de)(de)(de)主要(yao)缺點(dian)。它的(de)(de)(de)確(que)(que)還(huan)存在(zai)(zai)剪切流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)動的(de)(de)(de)限(xian)制(zhi)等問(wen)題。特(te)斯(si)拉(la)渦(wo)(wo)輪(lun)的(de)(de)(de)一(yi)些優點(dian)在(zai)(zai)于(yu)(yu)適(shi)用于(yu)(yu)低(di)流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)速和(he)小流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)量的(de)(de)(de)需求。為了(le)(le)不(bu)(bu)在(zai)(zai)流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)體(ti)(ti)吹(chui)出圓盤(pan)邊(bian)(bian)緣(yuan)時形成湍流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)，圓盤(pan)要(yao)盡可能薄(bo)。因此(ci)大流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)量的(de)(de)(de)機器就需要(yao)更多的(de)(de)(de)圓盤(pan)。最高效(xiao)率時，圓盤(pan)之間的(de)(de)(de)間距(ju)必須(xu)接近(jin)邊(bian)(bian)界層(ceng)的(de)(de)(de)厚度，而且由(you)于(yu)(yu)流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)邊(bian)(bian)界層(ceng)厚度取(qu)決于(yu)(yu)其粘度和(he)壓力，流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)體(ti)(ti)性質不(bu)(bu)同，邊(bian)(bian)界層(ceng)厚度也(ye)不(bu)(bu)相同，所以一(yi)種(zhong)(zhong)設(she)(she)計就可用于(yu)(yu)各(ge)種(zhong)(zhong)燃料和(he)液體(ti)(ti)的(de)(de)(de)說法(fa)不(bu)(bu)正確(que)(que)的(de)(de)(de)。特(te)斯(si)拉(la)渦(wo)(wo)輪(lun)機與(yu)傳統渦(wo)(wo)輪(lun)機的(de)(de)(de)區別僅限(xian)于(yu)(yu)將能量從(cong)流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)體(ti)(ti)轉(zhuan)換到(dao)軸(zhou)上的(de)(de)(de)方式不(bu)(bu)同而已。實驗證(zheng)明(ming)特(te)斯(si)拉(la)渦(wo)(wo)輪(lun)負載越大效(xiao)率越低(di)。負載小時，流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)體(ti)(ti)從(cong)進入到(dao)排出經歷了(le)(le)很大的(de)(de)(de)旋轉(zhuan)，在(zai)(zai)大負載下(xia)，這(zhe)種(zhong)(zhong)旋轉(zhuan)數量下(xia)降并逐(zhu)漸(jian)變得(de)更短(duan)。這(zhe)將增(zeng)加剪切損失，也(ye)降低(di)了(le)(le)效(xiao)率，因為氣(qi)體(ti)(ti)與(yu)圓盤(pan)的(de)(de)(de)接觸(chu)更少了(le)(le)。
效(xiao)率(lv)是描述輸(shu)出功率(lv)的。輕載下(xia)(xia)高效(xiao)率(lv)而重(zhong)載下(xia)(xia)效(xiao)率(lv)損(sun)失(shi)提高并不(bu)只是特(te)斯拉渦輪機的特(te)點(dian)。
特(te)斯拉渦(wo)輪(lun)機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)預計為60%。請(qing)記(ji)住，水輪(lun)機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)是(shi)從使(shi)用渦(wo)輪(lun)發，最高不超(chao)過(guo)95%。記(ji)住渦(wo)輪(lun)的(de)(de)(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)和渦(wo)輪(lun)發動機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)循(xun)環(huan)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)是(shi)不同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)。軸式(shi)渦(wo)輪(lun)機(ji)在(zai)(zai)如今的(de)(de)(de)(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽設(she)(she)備中效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)可(ke)(ke)達(da)60%到(dao)(dao)70%（西(xi)門(men)子公司數據(ju)），而整體設(she)(she)備的(de)(de)(de)(de)(de)循(xun)環(huan)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)也就在(zai)(zai)25%到(dao)(dao)42%，而且上限無(wu)論如何低于卡(ka)諾循(xun)環(huan)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)。特(te)斯拉聲稱，他的(de)(de)(de)(de)(de)一個蒸(zheng)(zheng)汽版本的(de)(de)(de)(de)(de)裝置(zhi)將(jiang)達(da)到(dao)(dao)95%左(zuo)右(you)的(de)(de)(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)。西(xi)屋公司對(dui)特(te)斯拉蒸(zheng)(zheng)汽渦(wo)輪(lun)機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)實際測試顯示(shi)每輸(shu)(shu)出1馬(ma)力(li)小時平(ping)均需要38磅蒸(zheng)(zheng)汽，對(dui)于渦(wo)輪(lun)來(lai)說效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)在(zai)(zai)20%左(zuo)右(you)，而當代(dai)的(de)(de)(de)(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽渦(wo)輪(lun)往(wang)往(wang)可(ke)(ke)以(yi)達(da)到(dao)(dao)超(chao)過(guo)50%效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)。流體推進的(de)(de)(de)(de)(de)理(li)論和技術以(yi)及熱力(li)學的(de)(de)(de)(de)(de)能量轉換(huan)已在(zai)(zai)各種專利中現身。熱力(li)學效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)是(shi)用來(lai)衡量相比(bi)等熵的(de)(de)(de)(de)(de)情況之(zhi)下(xia)到(dao)(dao)底工(gong)作效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)如何的(de)(de)(de)(de)(de)，是(shi)理(li)想狀(zhuang)態下(xia)輸(shu)(shu)入效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)和輸(shu)(shu)出效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)比(bi)值(zhi)。這(zhe)可(ke)(ke)以(yi)被視為是(shi)理(li)想狀(zhuang)態下(xia)焓的(de)(de)(de)(de)(de)變化和壓力(li)變化的(de)(de)(de)(de)(de)比(bi)值(zhi)。
在20世(shi)紀50年代，沃(wo)倫賴斯(si)試圖(tu)重新創建(jian)特(te)斯(si)拉的(de)實(shi)(shi)驗，但他在早(zao)(zao)期(qi)測試中沒有嚴(yan)格地按照特(te)斯(si)拉的(de)專利設(she)(she)計來制造他的(de)渦輪機（這(zhe)個機器(qi)既不是一個特(te)斯(si)拉多段(duan)式(shi)渦輪機，也(ye)沒有特(te)斯(si)拉設(she)(she)計的(de)噴嘴）。賴斯(si)的(de)單級實(shi)(shi)驗系統的(de)工作流體是空氣。早(zao)(zao)先發(fa)布的(de)報告中賴斯(si)的(de)測試表(biao)明單級渦輪的(de)效(xiao)(xiao)率是36%至41%。他表(biao)示(shi)如果嚴(yan)格按照特(te)斯(si)拉的(de)設(she)(she)計來測試，預計效(xiao)(xiao)率可能會更高。
在賴斯(si)退休之前他(ta)(ta)完成了(le)特斯(si)拉渦(wo)輪機最后的(de)測試并做(zuo)了(le)大量的(de)關(guan)于(yu)多(duo)級渦(wo)輪的(de)層流數據(ju)分析(xi)。他(ta)(ta)聲明這個(ge)設計具有極(ji)高(gao)的(de)效率，在1991年(nian)出版(ban)了(le)題為“特斯(si)拉的(de)渦(wo)輪機”的(de)報告，報告做(zuo)了(le)以下陳述：
“隨著分析結(jie)果(guo)正確使(shi)用，轉子層流(liu)使(shi)用效(xiao)(xiao)率是非常高(gao)，甚(shen)至超過95%。然而，為了實現轉子高(gao)效(xiao)(xiao)率，流(liu)量必須盡量小，這意味(wei)著高(gao)效(xiao)(xiao)率的(de)代價是必須要有足夠多數量的(de)渦盤(pan)，組成一(yi)個(ge)體型(xing)巨(ju)大的(de)轉子。“
現代多級式有葉渦輪(lun)機(ji)通常(chang)達到(dao)60%-70%的(de)效率，而在實踐中大型汽(qi)輪(lun)發電機(ji)組常(chang)常(chang)表現出90%以(yi)(yi)上的(de)效率。在配合了特斯拉的(de)設(she)計后，一定大小的(de)渦形轉子(zi)使用常(chang)規流體(ti)（蒸汽(qi)，氣體(ti)或水(shui)）也可(ke)以(yi)(yi)達到(dao)預想的(de)60%至70%的(de)效率以(yi)(yi)及更高。
歲月靜好
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