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。

結(jié)構(gòu)

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)吹入氣流。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，這個設(shè)計(jì)極其堅(jiān)固。

特斯拉寫道：“這是一個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)。

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)。

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1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。

特斯拉泵

如果一個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。

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。

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。

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)（這個機(jī)器既不是一個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。他聲明這個設(shè)計(jì)具有極高的效率，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，組成一個體型巨大的轉(zhuǎn)子?！?/p>

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。