特斯拉渦輪機

特斯拉渦輪機

特斯拉渦輪機(Tesla turbine)是一種無葉片,由流體剪下力驅動的渦輪機,傳奇科學家尼古拉·特斯拉的發明,于1913年取得專利。它被稱為無葉片渦輪 ,因為它套用了邊界層效應 ,而非傳統的用流體直接沖擊渦輪葉片。此外,特斯拉渦輪機還被稱為"邊界層渦輪機(boundary layer turbine)"、"凝聚型渦輪機(cohesion-type turbine)"和"普朗特層渦輪機(Prandtl layer turbine)"(以紀念德國力學大師路德維格·普朗特)。生物工程學研究者將其看作一種"多碟式離心泵(multiple disk centrifugal pump)"。特斯拉曾夢想用它來利用地熱發電,成為"我們未來的能源"。

  • 中文名稱
    特斯拉渦輪機
  • 外文名稱
    Tesla turbine
  • 發明者
    尼古拉·特斯拉
  • 取得專利時間
    1913年
  • 又稱
    無葉片渦輪
  • 原理
    流體的邊界層效應

原理

特斯拉渦輪機的原理是流體的邊界層效應(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,固定表面的流速為0,離表面越遠速度越大。利用這個效應就可以讓高速運動的液體帶動一組圓盤轉動。因此它的效率比普通的葉片渦輪機高得多。

特斯拉渦輪機三維效果圖特斯拉渦輪機三維效果圖

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。當氣流速度放慢,同時給圓盤施加以能量,氣體會作螺旋向心運動並排出。由于轉子的表面光滑沒有隆起,這個設計極其堅固(普通有葉片的渦輪就可想而知了)。

特斯拉渦輪機的特斯拉渦輪機的

特斯拉寫道:"這是一個高效的自啓動式原動機(根據原文意思,這裏指這是一種無需外力就可以自行啓動的原動裝置),可作為蒸汽渦輪機或混流式渦輪機工作,而無需對其構造進行改動,因此十分方便。隻需對原有渦輪機進行小幅改造,或是根據原有渦輪機實際情況進行修改,但隻要是遵循以上(特斯拉渦輪機的)這些原則,對于蒸汽設備使用者來說,其(特斯拉渦輪機)接駁在其原有設備上工作顯然是值得推薦的,可以獲得極其可觀的效益。"

這種渦輪機也可以成功地利用高真空進行冷凝工作。 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,但是其最終的經濟效益完全可以平衡當初建設的高成本。

所有的圓盤與墊片都通過一個嵌在邊緣的套筒互相咬合,並使用螺母和套環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。

該機的整體構造允許每一片圓盤的單獨地根據實際情況,包括熱能和向心力造成的各種影響進行拓展性或收縮性改造,許多實際套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造更高的效率。必須避免圓盤發生形變,並將圓盤的側間隙盡量做小,以減少漏氣和摩擦造成的能量損失。轉子也要盡量做到完全對稱,因為偏心造成的滑動摩擦會帶來極大的負面影響,並使得渦輪機無法安靜地運轉。(請會工程學的朋友查看原文並糾正我本段的翻譯。)

特斯拉渦輪機系統特斯拉渦輪機系統

特斯拉渦輪機的設計特點使得它通常由蒸汽和燃氣燃燒的混合物驅動,排出的廢氣則可以繼續提供可供渦輪機工作蒸汽,通過閥門對上面提到的迴圈蒸汽進行調節,使得渦輪機的工作溫度和壓力處在最佳狀態。

如圖所示,特斯拉渦輪機的構造必須做到:

僅用蒸汽就可啓動

圓盤可以在高溫流體中工作

一個高效的特斯拉渦輪機需要很小的圓盤間距。比如,以蒸汽為動力的機型必須保持0.4毫米(0.016英寸)間盤的間距。 圓盤必須最大限度地光滑,以將表面摩擦和剪下損失降至最低。 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代是一項重大挑戰。據稱,正因為人們無力阻止圓盤的形變,特斯拉渦輪機才走向商業上的失敗,因為當時的冶金技術根本無法生產出具有如此精度和剛度的圓盤。

特斯拉泵

如果一個相似的圓盤和外罩系統具有漸開線的形狀(對比圓形的渦輪系統),該設備可以用作泵。將一個發動機連線到該設備軸上,流體進入中心附近,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(雖然通常人們認為是),確切地說,是在避免摩擦力,並使用附著力(即附壁效應 )和粘度代替。 它利用圓盤"葉片"上的邊界層效應。

原本特斯拉的構想是用光滑的圓盤,但這樣會使得啓動轉矩太弱。特斯拉後來發現在直徑10英寸的光滑的圓盤轉子圓周上12至24處,以及半徑處用6至12個墊圈連線起來,能夠顯著地提高啓動轉矩,而且不影響效率。

套用

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,以區別于別的流體推進和壓縮裝置的專利申請(雖然該設備的確可用于這些用途)。 直至2006年,特斯拉渦輪自發明以來還是沒有廣泛用于商業用途。 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,高剪下力敏感性,含有固體,或是其他泵難以處理的流體。 特斯拉本人並沒有接到過大宗生產契約。 在他那個時代的主要困擾,如前所述,是材料學知識和對高溫材料研究的貧乏。 當時最好的冶金技術仍不能防止渦輪盤在運轉中的扭曲和變形。

今天,在該領域的許多業餘的實驗已經在有意使用以壓縮空氣或蒸汽為動力源的特斯拉渦輪機(蒸汽由燃料燃燒產生的熱製造,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套用,如使用碳纖維來製造渦輪盤。一個很好的例子是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計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。因為工廠和研磨廠的普通泵經常會被廢料卡住。

特斯拉渦輪的另一需求離心多碟式血泵的研究已經取得了可喜的成果。 生物工程科學家將在21世紀持續對其進行研究。

效率計算

在特斯拉的年代,傳統的渦輪機效率低,因為設計高效率效葉片所需要的空氣動力學原理不存在,低質量的材料沒法製造出能在極端速度和溫度下工作的葉片。 一個傳統的渦輪效率取決于其進氣和排氣壓力差,為了達到更高的壓力差,必須要極端高溫的蒸汽,所以隻有高溫材料才能創造高效率。 如果渦輪機在室溫下用液體工作,那麽你可以在排氣口使用一個冷凝器來增加壓力差。

特斯拉的設計回避了渦輪葉片的主要缺點。 它的確還存在剪下流動的限製等問題。 特斯拉渦輪的一些優點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形成湍流,圓盤要盡可能薄。 因此大流量的機器就需要更多的圓盤。最高效率時,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,流體性質不同,邊界層厚度也不相同,所以一種設計就可用于各種燃料和液體的說法不正確的。特斯拉渦輪機與傳統渦輪機的區別僅限于將能量從流體轉換到軸上的方式不同而已。實驗證明特斯拉渦輪負載越大效率越低。負載小時,流體從進入到排出經歷了很大的旋轉,在大負載下,這種旋轉數量下降並逐漸變得更短。這將增加剪下損失,也降低了效率,因為氣體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並不隻是特斯拉渦輪機的特點。

特斯拉渦輪機的效率預計為60% 。請記住,水輪機的效率是從使用渦輪發,最高不超過95%。記住渦輪的效率和渦輪發動機的迴圈效率是不同的。軸式渦輪機在如今的蒸汽設備中效率可達60%到70%(西門子公司資料),而整體設備的迴圈效率也就在25%到42%,而且上限無論如何低于卡諾迴圈效率。 特斯拉聲稱,他的一個蒸汽版本的裝置將達到95%左右的效率。西屋公司對特斯拉蒸汽渦輪機的實際測試顯示每輸出1馬力小時平均需要38磅蒸汽,對于渦輪來說效率在20%左右,而當代的蒸汽渦輪往往可以達到超過50%效率。流體推進的理論和技術以及熱力學的能量轉換已在各種專利中現身。 熱力學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,是理想狀態下輸入效率和輸出效率的比值。 這可以被視為是理想狀態下焓的變化和壓力變化的比值。(如有翻譯錯誤請數學和物理好的朋友糾正。)

在20世紀50年代, 沃倫賴斯嘗試重新建立特斯拉的實驗,但他在早期測試中沒有嚴格地按照特斯拉的專利設計來製造他的渦輪機(這個機器既不是一個特斯拉多段式渦輪機,也沒有特斯拉設計的噴嘴)。賴斯的單級實驗系統的工作流體是空氣。 早先發布的報告中賴斯的測試表明單級渦輪的效率是36%至41%。他表示如果嚴格按照特斯拉的設計來測試,預計效率可能會更高。

在賴斯退休之前他完成了特斯拉渦輪機最後的測試並做了大量的關于多級渦輪的層流資料分析。他聲明這個設計具有極高的效率(不是連線機器後的整體系統工作效率),在1991年出版了題為"特斯拉的渦輪機"的報告,報告做了以下陳述:

"隨著分析結果正確使用,轉子層流使用效率是非常高,甚至超過95%。然而,為了實現轉子高效率,流量必須盡量小,這意味著高效率的代價是必須要有足夠多數量的渦盤,組成一個體型巨大的轉子。"

現代多級式有葉渦輪機通常達到60% - 70%的效率,而在實踐中大型汽輪發電機組常常表現出90%以上的效率。 在配合了特斯拉的設計後,一定大小的渦形轉子使用常規流體(蒸汽,氣體或水)也可以達到預想的60%至70%的效率以及更高。(如有翻譯錯誤請工程學好的朋友幫忙糾正。)

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