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效率為97%的特斯拉渦輪機,為什麼難以應用?

特斯拉渦輪機是一種無葉片,由流體剪切力驅動的渦輪機,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 ,因為它應用了邊界層效應 ,而非傳統的用流體直接沖擊渦輪葉片。

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特斯拉渦輪機是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滞性而吸附在圓盤上。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并排出。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)。

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特斯拉渦輪機三維效果圖

特斯拉渦輪機的原理是流體的邊界層效應(boundary layer effect),流體受黏滞力影響,會在管壁或者其它物體邊緣形成一層很薄的邊界層,在邊界層内,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。是以它的效率比普通的葉片渦輪機高得多。

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特斯拉渦輪機的“無葉片”設計

在20世紀50年代, 沃倫賴斯試圖重新建立特斯拉的實驗。在他退休之前完成了特斯拉渦輪機最後的測試,并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(不是連接配接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:随着分析結果正确使用,轉子層流使用效率是非常高,甚至超過95%。

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然而,為了實作轉子高效率,流量必須盡量小,這意味着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。下面通過一個短片看看特斯拉渦輪機的工作原理,如此強悍的機械性能為啥難以推廣。

,時長09:18

視訊來源:寶石部落

是以,尼古拉·特斯拉認為6英寸機型的效率為97%似乎不切合實際。而我們知道,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。

效率為97%的特斯拉渦輪機,為什麼難以應用?

特斯拉在專利中宣稱,該裝置是用于使用流體作為動力媒體,以差別于别的流體推進和壓縮裝置的專利申請。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産合同。在他那個時代的主要困擾,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。

效率為97%的特斯拉渦輪機,為什麼難以應用?

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(蒸汽由燃料燃燒産生的熱制造,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計中用到了碳纖維材料。

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