1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)動的液體帶動一組圓盤轉(zhuǎn)動。因此它的效率比普通的葉片渦輪機(jī)高得多。
2描述
特斯拉渦輪由一組光滑圓盤組成,盤上有噴嘴向盤邊緣持續(xù)吹出氣流。這種氣流會由于流體粘度和氣體在表面層的粘滯性而吸附在圓盤上。當(dāng)氣流速度放慢,同時(shí)給圓盤施加以能量,氣體會作螺旋向心運(yùn)動并排出。由于轉(zhuǎn)子的表面光滑沒有隆起,這個(gè)設(shè)計(jì)極其堅(jiān)固(普通有葉片的渦輪就可想而知了)。
特斯拉渦輪機(jī)的“無葉片”設(shè)計(jì)
特斯拉寫道:“這是一個(gè)高效的自啟動式原動機(jī)(根據(jù)原文意思,這里指這是一種無需外力就可以自行啟動的原動裝置),可作為蒸汽渦輪機(jī)或混流式渦輪機(jī)工作,而無需對其構(gòu)造進(jìn)行改動,因此十分方便。只需對原有渦輪機(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,對于蒸汽設(shè)備使用者來說,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。”
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。
所有的圓盤與墊片都通過一個(gè)嵌在邊緣的套筒互相咬合,并使用螺母和套環(huán)來將那些邊緣厚的圓盤固定在一起,或者,如果需要的話,可以直接在圓盤上沖壓套環(huán)。(請會工程學(xué)的朋友查看原文并糾正我本段的翻譯。)(已經(jīng)糾正了。)
該機(jī)的整體構(gòu)造允許每一片圓盤的單獨(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)用說明這樣做可以帶來很多額外的好處。更多的圓盤和更多的能量可以創(chuàng)造更高的效率。必須避免圓盤發(fā)生形變,并將圓盤的側(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稱,因?yàn)槠脑斐傻幕瑒幽Σ習(xí)順O大的負(fù)面影響,并使得渦輪機(jī)無法安靜地運(yùn)轉(zhuǎn)。(請會工程學(xué)的朋友查看原文并糾正我本段的翻譯。)
特斯拉渦輪機(jī)系統(tǒng)
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,排出的廢氣則可以繼續(xù)提供可供渦輪機(jī)工作蒸汽,通過閥門對上面提到的循環(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
圓盤可以在高溫流體中工作
一個(gè)高效的特斯拉渦輪機(jī)需要很小的圓盤間距。比如,以蒸汽為動力的機(jī)型必須保持0.4毫米(0.016英寸)間盤的間距。 圓盤必須最大限度地光滑,以將表面摩擦和剪切損失降至最低。 圓盤也必須最大限度地薄,以防止在圓盤邊緣造成相互吸引和擾流。 不幸的是,防止圓盤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力阻止圓盤的形變,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)根本無法生產(chǎn)出具有如此精度和剛度的圓盤。
3特斯拉泵
如果一個(gè)相似的圓盤和外罩系統(tǒng)具有漸開線的形狀(對比圓形的渦輪系統(tǒng)),該設(shè)備可以用作泵。將一個(gè)發(fā)動機(jī)連接到該設(shè)備軸上,流體進(jìn)入中心附近,接收圓盤的能量,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,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“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,但這樣會使得啟動轉(zhuǎn)矩太弱。特斯拉后來發(fā)現(xiàn)在直徑10英寸的光滑的圓盤轉(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,能夠顯著地提高啟動轉(zhuǎn)矩,而且不影響效率。
4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(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)明以來還是沒有廣泛用于商業(yè)用途。 然而特斯拉泵自1982年以來一直市售,用來輸送具有腐蝕性,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。 特斯拉本人并沒有接到過大宗生產(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)知識和對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,通常來源于汽車的渦輪增壓器或太陽能輻射)。 渦輪圓盤的形變問題已被部分解決,主要是歸功于新材料的應(yīng)用,如使用碳纖維來制造渦輪盤。一個(gè)很好的例子是PNGinc公司和國際渦輪與動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力學(xué)原理不存在,低質(zhì)量的材料沒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的限制等問題。 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邊緣時(shí)形成湍流,圓盤要盡可能薄。 因此大流量的機(jī)器就需要更多的圓盤。最高效率時(shí),圓盤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與圓盤的接觸更少了。
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% 。請記住,水輪機(jī)的效率是從使用渦輪發(fā),最高不超過95%。記住渦輪的效率和渦輪發(fā)動機(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。西屋公司對特斯拉蒸汽渦輪機(jī)的實(shí)際測試顯示每輸出1馬力小時(shí)平均需要38磅蒸汽,對于渦輪來說效率在20%左右,而當(dāng)代的蒸汽渦輪往往可以達(dá)到超過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。(如有翻譯錯(cuò)誤請數(shù)學(xué)和物理好的朋友糾正。)
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),但他在早期測試中沒有嚴(yán)格地按照特斯拉的專利設(shè)計(jì)來制造他的渦輪機(jī)(這個(gè)機(jī)器既不是一個(gè)特斯拉多段式渦輪機(jī),也沒有特斯拉設(shè)計(jì)的噴嘴)。賴斯的單級實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作流體是空氣。 早先發(fā)布的報(bào)告中賴斯的測試表明單級渦輪的效率是36%至41%。他表示如果嚴(yán)格按照特斯拉的設(shè)計(jì)來測試,預(yù)計(jì)效率可能會更高。
在賴斯退休之前他完成了特斯拉渦輪機(jī)最后的測試并做了大量的關(guān)于多級渦輪的層流數(shù)據(jù)分析。他聲明這個(gè)設(shè)計(jì)具有極高的效率(不是連接機(jī)器后的整體系統(tǒng)工作效率),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,組成一個(gè)體型巨大的轉(zhuǎn)子。“
現(xiàn)代多級式有葉渦輪機(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。(如有翻譯錯(cuò)誤請工程學(xué)好的朋友幫忙糾正。)[1]
內(nèi)容來自百科網(wǎng)