[发明创造]改进型特斯拉涡轮机

发布时间：2016-05-18 09:00

  本文关键词：涡轮机，由笔耕文化传播整理发布。

　　改进型特斯拉涡轮机

　　首先,先科普一下(源自百度):
　　定义

　　尼古拉·特斯拉博物馆展出的特斯拉涡轮机
　　特斯拉涡轮机（Tesla turbine）是一种无叶片，由流体向心力驱动的涡轮机，传奇科学家尼古拉·特斯拉的发明，于1913年取得专利。它被称为无叶片涡轮 ，因为它应用了边界层效应 ，而非传统的用流体直接冲击涡轮叶片。此外，特斯拉涡轮机还被称为“边界层涡轮机（boundary layer turbine）”、“凝聚型涡轮机（cohesion-type turbine）”和“普朗特层涡轮机（Prandtl layer turbine）”（以纪念德国力学大师路德维格·普朗特）。生物工程学研究者将其看作一种“多碟式离心泵（multiple disk centrifugal pump）”。特斯拉曾梦想用它来利用地热发电，成为“我们未来的能源”。
　　2原理

　　特斯拉涡轮机三维效果图
　　特斯拉涡轮机的原理是流体的边界层效应（boundary layer effect），流体受黏滞力影响，会在管壁或者其它物体边缘形成一层很薄的边界层，在边界层内，固定表面的流速为0，离表面越远速度越大。利用这个效应就可以让高速运动的液体带动一组圆盘转动。因此它的效率比普通的叶片涡轮机高得多。
　　3描述
　　特斯拉涡轮由一组光滑圆盘组成，盘上有喷嘴向盘边缘持续吹出气流。这种气流会由于流体粘度和气体在表面层的粘滞性而吸附在圆盘上。当气流速度放慢，同时给圆盘施加以能量，气体会作螺旋向心运动并排出。由于转子的表面光滑没有隆起，这个设计极其坚固（普通有叶片的涡轮就可想而知了）。

　　特斯拉涡轮机的“无叶片”设计
　　特斯拉写道：“这是一个高效的自启动式原动机（根据原文意思，这里指这是一种无需外力就可以自行启动的原动装置），可作为蒸汽涡轮机或混流式涡轮机工作，而无需对其构造进行改动，因此十分方便。只需对原有涡轮机进行小幅改造，或是根据原有涡轮机实际情况进行修改，但只要是遵循以上（特斯拉涡轮机的）这些原则，对于蒸汽设备使用者来说，其（特斯拉涡轮机）接驳在其原有设备上工作显然是值得推荐的，可以获得极其可观的效益。”
　　这种涡轮机也可以成功地利用高真空进行冷凝工作。 在这种情况下，由于很大的膨胀比，排出的气体混合物具有相对较低的温度，可供冷凝器使用。 虽然需要更好的燃料和配套的特殊泵动装置，但是其最终的经济效益完全可以平衡当初建设的高成本。
　　所有的圆盘与洗涤器（应该指的就是喷嘴）都通过一个嵌在边缘的套筒互相咬合，并使用螺母和垫圈（此处也可能是套环的意思）来将那些边缘厚的圆盘固定在一起，或者，如果需要的话，可以直接将套环直接冲压在圆盘上。（请会工程学的朋友查看原文并纠正我本段的翻译。）
　　该机的整体构造允许每一片圆盘的单独地根据实际情况，包括热能和离心力造成的各种影响进行拓展性或收缩性改造，许多实际应用说明这样做可以带来很多额外的好处。更多的圆盘和更多的能量可以创造更高的效率。必须避免圆盘发生形变，并将圆盘的侧间隙尽量做小，以减少漏气和摩擦造成的能量损失。转子也要尽量做到完全对称，因为偏心造成的滑动摩擦会带来极大的负面影响，并使得涡轮机无法安静地运转。（请会工程学的朋友查看原文并纠正我本段的翻译。）
　　特斯拉涡轮机的设计特点使得它通常由蒸汽和燃气燃烧的混合物驱动，排出的废气则可以继续提供可供涡轮机工作蒸汽，通过阀门对上面提到的循环蒸汽进行调节，使得涡轮机的工作温度和压力处在最佳状态。

　　特斯拉涡轮机系统
　　如图所示，特斯拉涡轮机的构造必须做到：
　　仅用蒸汽就可启动
　　圆盘可以在高温流体中工作
　　一个高效的特斯拉涡轮机需要很小的圆盘间距。比如，以蒸汽为动力的机型必须保持0.4毫米（0.016英寸）间盘的间距。 圆盘必须最大限度地光滑，以将表面摩擦和剪切损失降至最低。 圆盘也必须最大限度地薄，以防止在圆盘边缘造成相互吸引和扰流。 不幸的是，防止圆盘扭曲和变形在特斯拉的时代是一项重大挑战。据称，正因为人们无力阻止圆盘的形变，特斯拉涡轮机才走向商业上的失败，因为当时的冶金技术根本无法生产出具有如此精度和刚度的圆盘。
　　4特斯拉泵
　　如果一个相似的圆盘和外罩系统具有渐开线的形状（对比圆形的涡轮系统），该设备可以用作泵。将一个发动机连接到该设备轴上，流体进入中心附近，接收圆盘的能量，散射到四周去。特斯拉涡轮不是在利用摩擦力（虽然通常人们认为是），确切地说，是在避免摩擦力，并使用附着力（即附壁效应 ）和粘度代替。 它利用圆盘“叶片”上的边界层效应。
　　原本设想圆盘转子是光滑的，但这使得启动扭矩过小。特斯拉后来发现，接有小型喷嘴的小型圆盘转子，如10吋圆盘边缘上接有12至24个喷嘴，内圈半径一半处接6至12个喷嘴时，可以显著提高启动扭矩，且效率未见降低。（请会工程学的朋友查看原文并纠正我本段的翻译。）
　　5应用
　　用途
　　特斯拉在专利中宣称，该装置是用于使用流体作为动力介质，以区别于别的流体推进和压缩装置的专利申请（虽然该设备的确可用于这些用途）。 直至2006年，特斯拉涡轮自发明以来还是没有广泛用于商业用途。 然而特斯拉泵自1982年以来一直市售，用来输送具有腐蚀性，高粘度，高剪切力敏感性，含有固体，或是其他泵难以处理的流体。 特斯拉本人并没有接到过大宗生产合同。 在他那个时代的主要困扰，如前所述，是材料学知识和对高温材料研究的贫乏。 当时最好的冶金技术仍不能防止涡轮盘在运转中的扭曲和变形。
　　今天，在该领域的许多业余的实验已经在有意使用以压缩空气或蒸汽为动力源的特斯拉涡轮机（蒸汽由燃料燃烧产生的热制造，通常来源于汽车的涡轮增压器或太阳能辐射）。 涡轮圆盘的形变问题已被部分解决，主要是归功于新材料的应用，如使用碳纤维来制造涡轮盘。一个很好的例子是PNGinc公司和国际涡轮与动力有限公司都在他们的特斯拉涡轮设计中用到了碳纤维材料。
　　目前对特斯拉泵有需求的是作为废料泵。因为工厂和研磨厂的普通泵经常会被废料卡住。
　　特斯拉涡轮的另一需求离心多碟式血泵的研究已经取得了可喜的成果。 生物工程科学家将在21世纪持续对其进行研究。
　　效率计算
　　在特斯拉的年代，传统的涡轮机效率低，因为设计所高效率效叶片所需要的空气动力学原理不存在，低质量的材料没法制造出在能在极端速度和温度下工作的叶片。 一个传统的涡轮效率取决于其进气和排气压力差。 为了达到更高的压力差，必须要极端高温的蒸汽，所以只有高温材料才能创造高效率。 如果涡轮机在室温下用液体工作，那么你可以在排气口使用一个冷凝器来增加压力差。
　　特斯拉的设计回避了涡轮叶片的主要缺点。 它的确还存在剪切流动的限制等问题。 特斯拉涡轮的一些优点在于适用于低流速和小流量的需求。 为了不在流体吹出圆盘边缘时形成湍流，圆盘要尽可能薄。 因此大流量的机器就需要更多的圆盘。最高效率时，圆盘之间的间距必须接近边界层的厚度，而且由于流体的边界层厚度取决于其粘度和压力，流体性质不同，边界层厚度也不相同，所以一种设计就可用于各种燃料和液体的说法不正确的。特斯拉涡轮机与传统涡轮机的区别仅限于将能量从流体转换到轴上的方式不同而已。实验证明特斯拉涡轮负载越大效率越低。负载小时，流体从进入到排出经历了很大的旋转，在负载下，这种旋转数量下降并逐渐变得更短。这将增加剪切损失，也降低了效率，因为气体与圆盘的接触更少了。
　　效率是描述输出功率的。 轻载下高效率而重载下效率损失提高并不只是特斯拉涡轮机的特点。
　　特斯拉涡轮机的效率预计为60% 请记住，水轮机的效率是从使用涡轮发，最高不超过95%。记住涡轮的效率和涡轮发动机的循环效率是不同的。轴式涡轮机在如今的蒸汽设备中效率可达60%到70%（西门子公司数据），而整体设备的循环效率也就在25%到42%，而且上限无论如何低于卡诺循环效率。 特斯拉声称，他的一个蒸汽版本的装置将达到95%左右的效率。西屋公司对特斯拉蒸汽涡轮机的实际测试显示每输出1马力小时平均需要38磅蒸汽，对于涡轮来说效率在20%左右，而当代的蒸汽涡轮往往可以达到超过50%效率。流体推进的理论和技术以及热力学的能量转换已在各种专利中现身。 热力学效率是用来衡量相比等熵的情况之下到底工作效率如何的，是理想状态下输入效率和输出效率的比值。 这可以被视为是理想状态下焓的变化和压力变化的比值。（如有翻译错误请数学和物理好的朋友纠正。）
　　在20世纪50年代， 沃伦赖斯试图重新创建特斯拉的实验，但他在早期测试中没有严格地按照特斯拉的专利设计来制造他的涡轮机（这个机器既不是一个特斯拉多段式涡轮机，也没有特斯拉设计的喷嘴）。赖斯的单级实验系统的工作流体是空气。 早先发布的报告中赖斯的测试表明单级涡轮的效率是36%至41%。他表示如果严格按照特斯拉的设计来测试，，预计效率可能会更高。
　　在赖斯退休之前他完成了特斯拉涡轮机最后的测试并做了大量的关于多级涡轮的层流数据分析。他声明这个设计具有极高的效率（不是连接机器后的整体系统工作效率），在1991年出版了题为“特斯拉的涡轮机”的报告，报告做了以下陈述：
　　“随着分析结果正确使用，转子层流使用效率是非常高，甚至超过95%。然而，为了实现转子高效率，流量必须尽量小，这意味着高效率的代价是必须要有足够多数量的涡盘，组成一个体型巨大的转子。“
　　现代多级式有叶涡轮机通常达到60% - 70%的效率，而在实践中大型汽轮发电机组常常表现出90%以上的效率。 在配合了特斯拉的设计后，一定大小的涡形转子使用常规流体（蒸汽，气体或水）也可以达到预想的60%至70%的效率以及更高。（如有翻译错误请工程学好的朋友帮忙纠正。）
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　　通过上面文章的描述,我们可以得知特斯拉涡轮机的一些优缺点,提高效率要加多圆盘和计算好流体的边界层,让流体的吸附力发挥最大化,它不像普通的涡轮机利用的是分子碰撞的动能,而是利用了分子之间吸引力,表现在宏观上就是流体的吸附力,那么怎么把吸附力最大化呢?对了提高吸附面积,注意这里不是提高碰撞面积(提高碰撞面积是普通涡轮叶轮),那我想到的最高的吸附面积应是海绵体,于是画了下面的草图:

　　

　　如图,我们用一个圆柱形中空的海绵体替代了多层圆盘,中空是排流体的出口,这样在增加吸附面的同时,并没有增加碰撞面积(和圆盘的边沿产生的碰撞面积几乎相同),我们知道特斯拉涡轮机的制造难度就在于要几限地减小圆盘厚度,进而减少碰撞面积,减少碰撞而发生的摩擦损耗,从而提高效率,但圆盘的厚度太薄就容易弯曲,进而容易损坏,用最新的材料如碳纤维材料,但造价高昂,失去了大规模推扩的价值.
　　我们海绵体还有一个优点,即比圆盘对流体恒定性的要求没有那么高,对流体的边界层的范围要宽一些,适应性将更好.
　　应用和前景,众所周知,我们大中华的材料科学太落后,想做成取代涡轮发动机的叶轮,还是因为耐高温过不了关,暂时无法实现,那么我们只能用在低温环境,如蒸汽涡轮机,各种泵;
　　我们海绵体特斯拉泵还有个重大的优点,那就是非常静音,在民用方面,我想到一个可行的应用前景,就是把这个涡轮机做抽风机用(或抽油烟机),因为他的碰增面积小,不会像普通叶轮风扇那么大的噪声,叶轮风扇的噪声都来自空气和叶轮之间的碰撞产生的声波,而我们的海绵体特斯拉泵是没有什么碰撞的,靠的是吸附力,所以可以根本性的减少吸油烟机的噪声问题,这里面还有一个问题,那就是使用一段时间后的海绵体将很快充满了油脂,那么海绵本身造价低廉,通过工业化大生产,成本是可以做到更低的,那么是不是可以定期更换即可呢?

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本文编号：46464