特斯拉渦輪機(ji)的(de)原理是流(liu)(liu)體(ti)的(de)邊(bian)界層效(xiao)應（boundary layer effect），流(liu)(liu)體(ti)受黏滯力(li)影響，會在管壁或(huo)者其它物體(ti)邊(bian)緣形成一層很薄的(de)邊(bian)界層，在邊(bian)界層內，固定表面的(de)流(liu)(liu)速(su)為0，離表面越(yue)遠速(su)度越(yue)大(da)。利用這個(ge)效(xiao)應就可以讓(rang)高(gao)速(su)運動的(de)液體(ti)帶動一組圓盤轉動。因此(ci)它的(de)效(xiao)率比普(pu)通的(de)葉片渦輪機(ji)高(gao)得多。
特斯拉渦輪由(you)一(yi)組光(guang)滑(hua)圓盤(pan)(pan)組成(cheng)，盤(pan)(pan)上有噴嘴向(xiang)盤(pan)(pan)邊(bian)緣持續吹(chui)入(ru)氣(qi)(qi)(qi)流(liu)。這種氣(qi)(qi)(qi)流(liu)會由(you)于(yu)流(liu)體粘度(du)和(he)氣(qi)(qi)(qi)體在(zai)表面層(ceng)的(de)粘滯性而(er)吸附(fu)在(zai)圓盤(pan)(pan)上。當氣(qi)(qi)(qi)流(liu)速(su)度(du)放慢，同時給(gei)圓盤(pan)(pan)施加以(yi)能量(liang)，氣(qi)(qi)(qi)體會作螺旋向(xiang)心運(yun)動并排出(chu)。由(you)于(yu)轉子的(de)表面光(guang)滑(hua)沒有隆(long)起，這個設計(ji)極其(qi)堅固(gu)。
特(te)(te)(te)斯(si)拉寫道：“這是(shi)(shi)一個(ge)高效(xiao)的(de)(de)(de)(de)自啟動(dong)式原(yuan)動(dong)機（根據原(yuan)文意思，這里(li)指這是(shi)(shi)一種無需(xu)(xu)(xu)外力(li)就可(ke)以(yi)自行(xing)啟動(dong)的(de)(de)(de)(de)原(yuan)動(dong)裝置(zhi)），可(ke)作(zuo)為蒸(zheng)汽(qi)渦(wo)輪(lun)(lun)(lun)機或(huo)混流式渦(wo)輪(lun)(lun)(lun)機工作(zuo)，而無需(xu)(xu)(xu)對其(qi)(qi)構造進(jin)行(xing)改動(dong)，因此十分(fen)方便(bian)。只(zhi)需(xu)(xu)(xu)對原(yuan)有渦(wo)輪(lun)(lun)(lun)機進(jin)行(xing)小幅改造，或(huo)是(shi)(shi)根據原(yuan)有渦(wo)輪(lun)(lun)(lun)機實際情(qing)況進(jin)行(xing)修改，但只(zhi)要是(shi)(shi)遵循以(yi)上（特(te)(te)(te)斯(si)拉渦(wo)輪(lun)(lun)(lun)機的(de)(de)(de)(de)）這些原(yuan)則(ze)，對于蒸(zheng)汽(qi)設(she)備(bei)(bei)使用者來說，其(qi)(qi)（特(te)(te)(te)斯(si)拉渦(wo)輪(lun)(lun)(lun)機）接駁在其(qi)(qi)原(yuan)有設(she)備(bei)(bei)上工作(zuo)顯然是(shi)(shi)值得推薦的(de)(de)(de)(de)，可(ke)以(yi)獲得極其(qi)(qi)可(ke)觀的(de)(de)(de)(de)效(xiao)益。”
這種渦輪機也(ye)可以成功地利用高(gao)真空進行冷(leng)凝工作。在這種情況下(xia)，由于(yu)很大(da)的(de)膨脹比，排出(chu)的(de)氣體混合物具有相對(dui)較低的(de)溫度，可供(gong)冷(leng)凝器使用。雖(sui)然需要更(geng)好的(de)燃料和配套的(de)特殊(shu)泵動(dong)裝置，但是其最(zui)終的(de)經濟效益完全可以平衡當(dang)初建設的(de)高(gao)成本。
所有的圓(yuan)盤(pan)與墊片都通過一個嵌在邊緣(yuan)的套(tao)筒互相咬(yao)合(he)，并(bing)使用螺母和套(tao)環來將那些邊緣(yuan)厚的圓(yuan)盤(pan)固定(ding)在一起，或者(zhe)，如(ru)果(guo)需要的話(hua)，可以直接在圓(yuan)盤(pan)上沖壓套(tao)環。
該(gai)機(ji)的整體構造(zao)(zao)允許每一(yi)片圓(yuan)(yuan)盤(pan)的單獨地根據(ju)實際情況(kuang)，包括熱(re)能(neng)和(he)向心力造(zao)(zao)成的各種影響進行拓展(zhan)性(xing)或收縮性(xing)改造(zao)(zao)，許多(duo)實際應(ying)用說明這樣做可(ke)以帶(dai)來很多(duo)額(e)外(wai)的好處。更多(duo)的圓(yuan)(yuan)盤(pan)和(he)更多(duo)的能(neng)量(liang)可(ke)以創造(zao)(zao)更高的效率。必須避(bi)免圓(yuan)(yuan)盤(pan)發生(sheng)形變，并將圓(yuan)(yuan)盤(pan)的側間隙盡(jin)量(liang)做小(xiao)，以減少漏氣和(he)摩(mo)擦造(zao)(zao)成的能(neng)量(liang)損失。轉子也要盡(jin)量(liang)做到(dao)完全對稱，因為(wei)偏心造(zao)(zao)成的滑動(dong)摩(mo)擦會(hui)帶(dai)來極大(da)的負面影響，并使得(de)渦輪(lun)機(ji)無法安靜地運轉。
特(te)斯拉(la)渦(wo)輪機的設(she)計特(te)點使(shi)得它通常由蒸(zheng)汽和燃氣(qi)燃燒的混合物驅動，排(pai)出(chu)的廢氣(qi)則可以(yi)繼(ji)續(xu)提供(gong)可供(gong)渦(wo)輪機工(gong)作蒸(zheng)汽，通過閥門對上(shang)面提到的循環蒸(zheng)汽進行調節(jie)，使(shi)得渦(wo)輪機的工(gong)作溫(wen)度和壓(ya)力處在最佳狀態。
如圖1所(suo)示，特斯拉渦輪(lun)機的構造必(bi)須做(zuo)到：
僅用蒸汽就可啟(qi)動，圓(yuan)盤(pan)可以在高(gao)溫流(liu)體中工作。一個高(gao)效的(de)特(te)斯拉(la)渦輪(lun)機(ji)需要很小的(de)圓(yuan)盤(pan)間距。比(bi)如(ru)，以蒸汽為(wei)(wei)動力的(de)機(ji)型(xing)必(bi)須(xu)保持0.4毫米（0.016英寸）間盤(pan)的(de)間距。圓(yuan)盤(pan)必(bi)須(xu)最(zui)大限度(du)地光滑，以將表面摩(mo)擦和(he)剪切損(sun)失降至最(zui)低。圓(yuan)盤(pan)也必(bi)須(xu)最(zui)大限度(du)地薄，以防止在圓(yuan)盤(pan)邊(bian)緣造成相互吸引和(he)擾流(liu)。不幸的(de)是，防止圓(yuan)盤(pan)扭曲(qu)和(he)變形在特(te)斯拉(la)的(de)時代(dai)是一項(xiang)重大挑戰。據(ju)稱，正因為(wei)(wei)人們無力阻止圓(yuan)盤(pan)的(de)形變，特(te)斯拉(la)渦輪(lun)機(ji)才走(zou)向商業上(shang)的(de)失敗，因為(wei)(wei)當時的(de)冶金技術(shu)根本無法生產(chan)出具(ju)有如(ru)此精(jing)度(du)和(he)剛(gang)度(du)的(de)圓(yuan)盤(pan)。
如果一(yi)個相似的(de)圓盤和外罩系統具有漸開線的(de)形狀（對比圓形的(de)渦輪系統），該設備可以用(yong)(yong)作泵。將一(yi)個發動機(ji)連接到(dao)該設備軸上，流體(ti)進入中心附近(jin)，接收(shou)圓盤的(de)能(neng)量(liang)，散射(she)到(dao)四周去。特斯拉渦輪不是(shi)在利(li)用(yong)(yong)摩(mo)擦力（雖然通常人們(men)認為是(shi)），確切地說，是(shi)在避免摩(mo)擦力，并(bing)使用(yong)(yong)附著力（即附壁效(xiao)應(ying)）和粘度(du)代替。它(ta)利(li)用(yong)(yong)圓盤“葉片”上的(de)邊界層效(xiao)應(ying)。
原(yuan)本特斯(si)拉的設想是用光滑的圓(yuan)盤，但這樣會(hui)使得啟動轉(zhuan)矩(ju)太(tai)弱。特斯(si)拉后(hou)來發現在直徑10英寸的光滑的圓(yuan)盤轉(zhuan)子圓(yuan)周上12至(zhi)(zhi)24處，以及半(ban)徑處用6至(zhi)(zhi)12個墊圈連接起來，能夠顯著(zhu)地提高啟動轉(zhuan)矩(ju)，而且(qie)不影響效(xiao)率。
特(te)斯(si)拉在專利(li)中宣稱，該裝(zhuang)置是(shi)用(yong)于使(shi)用(yong)流體作為動力介(jie)質，以(yi)區別于別的(de)(de)流體推進和壓縮裝(zhuang)置的(de)(de)專利(li)申請（雖然(ran)該設備(bei)的(de)(de)確可用(yong)于這些用(yong)途）。直至2006年(nian)，特(te)斯(si)拉渦輪自發明(ming)以(yi)來還是(shi)沒有(you)廣泛用(yong)于商(shang)業用(yong)途。然(ran)而特(te)斯(si)拉泵自1982年(nian)以(yi)來一直市售，用(yong)來輸(shu)送具有(you)腐蝕性，高(gao)粘(zhan)度，高(gao)剪切力敏感性，含有(you)固體，或是(shi)其他(ta)(ta)泵難以(yi)處理的(de)(de)流體。特(te)斯(si)拉本人(ren)并(bing)沒有(you)接(jie)到(dao)過(guo)大宗生產合(he)同。在他(ta)(ta)那(nei)個時(shi)代的(de)(de)主要困擾，如前所述，是(shi)材(cai)料學知識和對高(gao)溫材(cai)料研究的(de)(de)貧(pin)乏。當(dang)時(shi)最好的(de)(de)冶金技術(shu)仍不能防止渦輪盤(pan)在運轉(zhuan)中的(de)(de)扭曲和變形。
今(jin)天(tian)，在該領域的許(xu)多(duo)業余(yu)的實驗已(yi)經在有意(yi)使用以壓(ya)縮空氣或蒸(zheng)汽(qi)為動(dong)力(li)源的特(te)斯拉渦(wo)(wo)(wo)輪(lun)(lun)機（蒸(zheng)汽(qi)由燃料燃燒產生的熱制造，通常來(lai)源于汽(qi)車(che)的渦(wo)(wo)(wo)輪(lun)(lun)增壓(ya)器(qi)或太陽(yang)能輻射）。渦(wo)(wo)(wo)輪(lun)(lun)圓(yuan)盤的形變問題已(yi)被部分解決，主(zhu)要是歸功于新(xin)材(cai)料的應(ying)用，如使用碳(tan)纖維來(lai)制造渦(wo)(wo)(wo)輪(lun)(lun)盤。一個很好的例子是PNGinc公司和國際渦(wo)(wo)(wo)輪(lun)(lun)與動(dong)力(li)有限公司都在他們的特(te)斯拉渦(wo)(wo)(wo)輪(lun)(lun)設計中用到了碳(tan)纖維材(cai)料。
對(dui)特(te)斯拉泵(beng)有需求的是(shi)作為(wei)廢(fei)料(liao)泵(beng)。因為(wei)工廠和研磨廠的普通(tong)泵(beng)經常會被(bei)廢(fei)料(liao)卡(ka)住。
特斯拉渦輪的另一需求(qiu)離心多(duo)碟(die)式血泵的研究已(yi)經取得(de)了可喜的成(cheng)果(guo)。生物工(gong)程(cheng)科學家將在(zai)21世紀持續對其進行研究。
在(zai)特斯(si)拉的(de)年代，傳統的(de)渦輪機效(xiao)(xiao)率(lv)低，因(yin)為(wei)設計高(gao)(gao)效(xiao)(xiao)率(lv)效(xiao)(xiao)葉片(pian)所需要的(de)空氣(qi)(qi)動力學原(yuan)理不存在(zai)，低質量的(de)材料沒(mei)法制造出能在(zai)極端速度和(he)溫度下(xia)工(gong)作的(de)葉片(pian)。一個傳統的(de)渦輪效(xiao)(xiao)率(lv)取(qu)決于其進氣(qi)(qi)和(he)排(pai)氣(qi)(qi)壓(ya)力差，為(wei)了達到更高(gao)(gao)的(de)壓(ya)力差，必須要極端高(gao)(gao)溫的(de)蒸(zheng)汽，所以只有高(gao)(gao)溫材料才(cai)能創造高(gao)(gao)效(xiao)(xiao)率(lv)。如果渦輪機在(zai)室溫下(xia)用液體(ti)工(gong)作，那么你可以在(zai)排(pai)氣(qi)(qi)口使用一個冷(leng)凝器來(lai)增加壓(ya)力差。
特斯(si)(si)(si)拉的(de)設計回避了渦(wo)(wo)輪(lun)(lun)(lun)葉片的(de)主要缺點(dian)。它的(de)確還(huan)存在剪切流(liu)動(dong)的(de)限制等(deng)問題。特斯(si)(si)(si)拉渦(wo)(wo)輪(lun)(lun)(lun)的(de)一(yi)(yi)些優點(dian)在于(yu)(yu)適用(yong)于(yu)(yu)低(di)流(liu)速和小(xiao)流(liu)量的(de)需(xu)求。為了不在流(liu)體(ti)吹出圓盤(pan)邊緣(yuan)時形(xing)成(cheng)湍流(liu)，圓盤(pan)要盡可能薄。因此大(da)流(liu)量的(de)機器就需(xu)要更多的(de)圓盤(pan)。最高效(xiao)率時，圓盤(pan)之間的(de)間距必須接近邊界層的(de)厚(hou)度，而且由于(yu)(yu)流(liu)體(ti)的(de)邊界層厚(hou)度取決于(yu)(yu)其粘(zhan)度和壓力，流(liu)體(ti)性質(zhi)不同，邊界層厚(hou)度也不相同，所以一(yi)(yi)種(zhong)設計就可用(yong)于(yu)(yu)各種(zhong)燃(ran)料和液體(ti)的(de)說法不正確的(de)。特斯(si)(si)(si)拉渦(wo)(wo)輪(lun)(lun)(lun)機與傳(chuan)統渦(wo)(wo)輪(lun)(lun)(lun)機的(de)區別僅限于(yu)(yu)將能量從流(liu)體(ti)轉換到(dao)軸上(shang)的(de)方(fang)式不同而已(yi)。實驗證明特斯(si)(si)(si)拉渦(wo)(wo)輪(lun)(lun)(lun)負(fu)(fu)載越(yue)大(da)效(xiao)率越(yue)低(di)。負(fu)(fu)載小(xiao)時，流(liu)體(ti)從進入到(dao)排出經歷了很大(da)的(de)旋(xuan)轉，在大(da)負(fu)(fu)載下，這(zhe)種(zhong)旋(xuan)轉數量下降并逐(zhu)漸變得更短。這(zhe)將增加(jia)剪切損失，也降低(di)了效(xiao)率，因為氣體(ti)與圓盤(pan)的(de)接觸更少(shao)了。
效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)是(shi)描(miao)述輸出功率(lv)(lv)的。輕(qing)載下高(gao)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)而(er)重(zhong)載下效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)損失(shi)提高(gao)并不只是(shi)特(te)斯拉渦(wo)輪機的特(te)點。
特斯拉(la)渦輪(lun)機(ji)的(de)(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)預(yu)計為60%。請記住，水輪(lun)機(ji)的(de)(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)是從(cong)使用渦輪(lun)發(fa)，最高不超過95%。記住渦輪(lun)的(de)(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)和(he)渦輪(lun)發(fa)動機(ji)的(de)(de)(de)(de)循環(huan)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)是不同的(de)(de)(de)(de)。軸式渦輪(lun)機(ji)在如(ru)(ru)今的(de)(de)(de)(de)蒸(zheng)汽(qi)設(she)備中(zhong)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)可達(da)60%到(dao)(dao)70%（西門子(zi)公司數據），而(er)(er)(er)整體設(she)備的(de)(de)(de)(de)循環(huan)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)也就在25%到(dao)(dao)42%，而(er)(er)(er)且上限無論如(ru)(ru)何(he)低(di)于卡(ka)諾循環(huan)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)。特斯拉(la)聲稱，他的(de)(de)(de)(de)一個(ge)蒸(zheng)汽(qi)版本的(de)(de)(de)(de)裝置(zhi)將(jiang)達(da)到(dao)(dao)95%左右(you)(you)的(de)(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)。西屋公司對(dui)特斯拉(la)蒸(zheng)汽(qi)渦輪(lun)機(ji)的(de)(de)(de)(de)實際測試顯示每(mei)輸出1馬(ma)力小時平均需要38磅蒸(zheng)汽(qi)，對(dui)于渦輪(lun)來(lai)說效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)在20%左右(you)(you)，而(er)(er)(er)當代的(de)(de)(de)(de)蒸(zheng)汽(qi)渦輪(lun)往往可以(yi)(yi)達(da)到(dao)(dao)超過50%效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)。流體推(tui)進的(de)(de)(de)(de)理論和(he)技術以(yi)(yi)及熱力學的(de)(de)(de)(de)能量轉換(huan)已在各種專(zhuan)利(li)中(zhong)現身(shen)。熱力學效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)是用來(lai)衡量相比等(deng)熵(shang)的(de)(de)(de)(de)情況(kuang)之下到(dao)(dao)底工作效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)如(ru)(ru)何(he)的(de)(de)(de)(de)，是理想(xiang)狀(zhuang)態下輸入效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)和(he)輸出效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)的(de)(de)(de)(de)比值。這(zhe)可以(yi)(yi)被視(shi)為是理想(xiang)狀(zhuang)態下焓(han)的(de)(de)(de)(de)變(bian)化和(he)壓力變(bian)化的(de)(de)(de)(de)比值。
在(zai)20世紀50年代(dai)，沃(wo)倫賴斯(si)(si)(si)試圖(tu)重新創建特(te)(te)斯(si)(si)(si)拉(la)的(de)(de)實驗(yan)，但(dan)他在(zai)早期測(ce)試中沒有嚴格地按(an)照特(te)(te)斯(si)(si)(si)拉(la)的(de)(de)專利設(she)計(ji)來制造(zao)他的(de)(de)渦輪(lun)(lun)(lun)機（這個機器(qi)既不(bu)是(shi)一個特(te)(te)斯(si)(si)(si)拉(la)多段(duan)式渦輪(lun)(lun)(lun)機，也沒有特(te)(te)斯(si)(si)(si)拉(la)設(she)計(ji)的(de)(de)噴(pen)嘴）。賴斯(si)(si)(si)的(de)(de)單級實驗(yan)系(xi)統(tong)的(de)(de)工作流體是(shi)空氣。早先發(fa)布的(de)(de)報告中賴斯(si)(si)(si)的(de)(de)測(ce)試表(biao)明單級渦輪(lun)(lun)(lun)的(de)(de)效率(lv)是(shi)36%至41%。他表(biao)示如果嚴格按(an)照特(te)(te)斯(si)(si)(si)拉(la)的(de)(de)設(she)計(ji)來測(ce)試，預計(ji)效率(lv)可能會更(geng)高。
在賴斯退休(xiu)之前他完(wan)成了(le)特(te)斯拉渦(wo)輪(lun)機最后的測試并做(zuo)了(le)大(da)量(liang)的關于多級(ji)渦(wo)輪(lun)的層流(liu)數據分析。他聲明(ming)這個(ge)設計具有極高的效率，在1991年出版了(le)題為“特(te)斯拉的渦(wo)輪(lun)機”的報告，報告做(zuo)了(le)以(yi)下陳述：
“隨著分析結果正確使用，轉(zhuan)子(zi)層流使用效(xiao)(xiao)率(lv)是非常(chang)高，甚至超過95%。然而，為了實現轉(zhuan)子(zi)高效(xiao)(xiao)率(lv)，流量必(bi)須盡量小，這意味(wei)著高效(xiao)(xiao)率(lv)的(de)代(dai)價(jia)是必(bi)須要(yao)有(you)足(zu)夠多(duo)數(shu)量的(de)渦盤，組成一(yi)個體型巨(ju)大的(de)轉(zhuan)子(zi)。“
現(xian)代多級式有葉(xie)渦輪機(ji)通常達(da)到60%-70%的(de)效率，而在實踐中大(da)型汽輪發電機(ji)組常常表現(xian)出90%以(yi)上的(de)效率。在配合(he)了特斯拉的(de)設計后，一(yi)定(ding)大(da)小(xiao)的(de)渦形轉(zhuan)子(zi)使用常規流體(ti)（蒸(zheng)汽，氣體(ti)或水(shui)）也可以(yi)達(da)到預想的(de)60%至70%的(de)效率以(yi)及更(geng)高(gao)。
歲(sui)月靜好(hao)
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