特斯拉涡轮机(Tesla turbine)是由尼古拉·特斯拉于1913年申请专利的无叶片向心流涡轮机。它被称为无叶片涡轮机。 特斯拉涡轮机也被称为边界层涡轮机,内聚型涡轮机和普朗特层涡轮机(在Ludwig Prandtl之后),因为它使用边界层效应而不是像传统涡轮机那样冲击叶片的流体。 生物工程研究人员将其称为多盘式离心泵。 特斯拉实施这种涡轮机的愿望之一是用于地热发电,这在我们的未来动力中有所描述。

描述
开发特斯拉涡轮机的指导思想是,为了获得最高的经济性,流体的速度和运动方向的变化应该尽可能渐进。 因此,特斯拉涡轮机的推进流体在自然路径或最小阻力的流线中移动。

特斯拉涡轮机由一组光滑盘组成,喷嘴将移动的流体施加到盘的边缘。 流体通过粘度和流体表面层的粘附力在盘上拖动。 当流体减速并为盘增加能量时,它会旋转到中心排气口。 由于转子没有凸起,因此非常坚固。

特斯拉写道,“这台涡轮机是一种高效的自启动原动机,可以随意作为蒸汽或混合流体涡轮机运行,不需要改变结构,因此非常方便。可以根据需要从涡轮机中稍微离开根据每种情况的情况,显然会建议自己,但如果是在这些一般线路上进行的话,在允许使用旧设备的情况下,蒸汽设备的所有者将获得高利润。但是,最好的经济效果特斯拉涡轮机产生的蒸汽动力将在特别适合此目的的工厂中获得。“

该涡轮机还可以应用于高真空操作的冷凝设备。 在这种情况下,由于非常大的膨胀比,排气混合物将处于相对低的温度并且适于进入冷凝器。

所有的板和垫圈都安装在一个带有螺纹的套筒上,并用一个螺母和套环组成,用于将厚的端板拉到一起,或者可以简单地将套环压在它上面并使端部镦粗。 套筒有一个紧密配合在轴上的孔,它像往常一样固定在轴上。

这种结构允许在热和离心力的不同影响下单独地自动膨胀和收缩每个板,并且具有许多其它具有相当实际重要性的优点。 对于给定宽度,获得更大的有源板面积并因此获得更多功率,从而提高效率。 几乎消除了翘曲并且可以使用较小的侧面间隙,这导致泄漏和摩擦损失减少。 转子更适合于动态平衡,并且通过摩擦摩擦抵抗干扰影响,从而确保更安静的运行。 由于这个原因,并且因为盘没有刚性连接,所以它可以防止可能由振动或过快的速度引起的损坏。

特斯拉涡轮机具有以下特性:通常与蒸汽和燃烧产物的混合物一起工作,其中废热用于提供供应给涡轮机的蒸汽,从而提供控制蒸汽供应的阀门。可以将压力和温度调节到最佳工作条件。

如图所示,特斯拉涡轮机安装是:

能够单独从蒸汽开始
适用于高温流体的圆盘型。
高效的特斯拉涡轮机需要紧密间隔的盘。 例如,蒸汽动力型必须保持0.4毫米(0.016英寸)的盘间间距。 圆盘必须非常光滑,以尽量减少表面和剪切损失。 磁盘也必须非常薄,以防止磁盘边缘的拖曳和湍流。 不幸的是,防止磁盘翘曲和扭曲是特斯拉时代的一大挑战。 据认为,这种不能防止盘扭曲的原因导致了涡轮机的商业故障,因为当时的冶金技术不能生产出足够质量和刚性的盘。


如果使用类似的一组盘和具有渐开线形状的壳体(相对于涡轮的圆形),该装置可以用作泵。 在这种配置中,马达连接到轴上。 流体进入中心附近,由盘提供能量,然后在周边离开。 特斯拉涡轮机不使用传统意义上的摩擦力; 确切地说,它避免了它,并使用粘附力(Coandă效应)和粘度。 它使用盘片上的边界层效果。

最初提出了平滑的转子盘,但这些转子盘的启动转矩较差。 特斯拉随后发现平滑的转子盘带有小垫圈,盘绕在10英寸盘周围约12-24个位置,第二圈6-12个垫圈在子直径处,使得起动扭矩显着提高影响效率。

应用
特斯拉的专利声明该装置用于使用流体作为动力剂,区别于其用于推进或压缩流体的应用(尽管该装置也可用于那些目的)。 截至2016年,特斯拉涡轮机自其发明以来尚未见到广泛的商业用途。 然而,特斯拉泵自1982年以来已经商业化,用于泵送磨损,粘性,剪切敏感,含有固体或其他泵难以处理的流体。 特斯拉本人没有采购大型生产合同。 如上所述,他那个时代的主要缺点是对材料特性和高温行为的了解不足。 当天最好的冶金不能防止涡轮盘在运行期间不可接受地移动和翘曲。

2003年,Scott O’Hearen获得了径向涡轮叶片系统的专利。 本发明利用了用于工作流体摩擦接触的光滑流道表面和从多个横向流道面轴向突出的叶片的概念的组合。

今天,该领域的许多业余实验已经使用特斯拉涡轮机进行,该涡轮机使用压缩空气,蒸汽作为其动力源(蒸汽由来自燃料燃烧的热量,来自车辆的涡轮增压器或来自太阳辐射产生)。 使用诸如碳纤维的新材料部分地解决了盘的翘曲问题。

该装置的一个提出的当前应用是废液泵,在工厂和工厂中,正常的叶片式涡轮泵通常被堵塞。

特斯拉涡轮机是理想的,由于许多原因,对于离网,小型汽轮机,电动家庭发电站,并且具有一些经验,可以由业余爱好者相当容易地设计。

特斯拉涡轮机作为多盘离心式血泵的应用已经取得了可喜的成果。
关于此类应用的生物医学工程研究一直持续到21世纪。

2010年,美国专利7,695,242发布给Howard Fuller,用于基于特斯拉设计的风力涡轮机。

效率和计算
特斯拉的涡轮机理论产量非常高,约为92%,但实际上有一些建设性的限制因素会降低其一般性能。 为了更好地阐明这些约束,以下是一个简要列表:

转子的直径:其尺寸不得与将要使用的流体的物理特性分开。 这种约束意味着理论上可以确定转子的最佳直径:事实上,太小的转子不能有效地转换注入流体中存在的所有动能。 另一方面,过大的转子会产生过多的流体流量,从而导致负载损失。 不仅如此,而且太大的盘很难建造,并且由于其受到的高离心力,最大旋转速度将受到限制。
组成转子的圆盘表面之间的空间:例如,对于蒸汽,必须间隔约0.4毫米,因此圆盘具有最小厚度是至关重要的,这显然对于大的问题是一个问题。圆盘在高转速下工作。 实际上,防止触发盘中振荡的可能性是该涡轮机的主要问题之一。 包含振荡的困难被认为是本发明商业上失败的主要原因。 然而,就在近几年,随着通常来自涡轮喷气发动机的新技术,可以制造具有良好表面光洁度的更薄且更硬的盘,所有这些元件可以有助于提高装置的效率。
圆盘的表面光洁度:粗糙的圆盘表面很容易产生涡流,从而降低涡轮效率,因此重要的是要用光滑且非常精良的表面制作。
输入喷嘴的定位和几何形状:作为特斯拉涡轮机是利用引入其中的流体的动能的装置,使流体具有高速度并因此具有动能的喷嘴的特性是决定因素,实现这样的没有湍流的喷嘴特别重要。
盘的入口边缘的几何形状:接触盘边缘的流体的速度可以是超音速的,因此,在该区域中,可以产生压缩波,其可以在流体路径中产生损失和改变。
排气管的尺寸和几何形状发光:即使在涡轮机的出口处流体速度较低,排气设计也是至关重要的,即使在这个阶段,也会发生有害的涡流,从而造成损失; 实际上,流动是向心的(从盘的周边到中心),然后是轴向的(与旋转轴对齐); 对于高速旋转盘,在轴向管道中输送旋转流体而不会产生湍流是不容易的。

在特斯拉的时代,传统涡轮机的效率很低,因为涡轮机使用了直接驱动系统,严重限制了涡轮机的潜在速度,无论它在何种行驶中。 在引入时,现代船舶涡轮机很大并且包括数十个甚至数百个级别的涡轮机,但由于它们的低速而产生极低的效率。 例如,泰坦尼克号上的涡轮机重量超过400吨,运行速度仅为165rpm,并且使用的蒸汽压力仅为6 PSI。 这限制了它从主要发电厂,一对往复式蒸汽发动机收集废蒸汽。 特斯拉涡轮机还能够运行比叶片式涡轮机更高温度的气体,从而提高了效率。 最终,轴向涡轮机被给予齿轮传动以允许它们以更高的速度运转,但与特斯拉涡轮机相比,轴向涡轮机的效率仍然非常低。

随着时间的推移,竞争的轴流式涡轮机变得更加高效和强大,在20世纪30年代的大多数前沿美国海军舰艇中引入了减速齿轮的第二阶段。 蒸汽技术的改进使得美国海军航空母舰在速度上优于盟军和敌方航空母舰,因此在1973年石油禁运发生之前,经过验证的轴流式汽轮机成为首选的推进形式。 石油危机促使大多数新民用船舶转向柴油发动机。 到那时,轴流式蒸汽轮机的效率仍未超过50%,因此民用船舶因其卓越的效率而选择使用柴油发动机。 到目前为止,同等效率的特斯拉涡轮机已有60多年的历史。

特斯拉的设计试图避开叶片式轴流式水轮机的主要缺点,即使是最低的效率估算仍然远远超过当时轴流式蒸汽轮机的效率。 然而,在对更现代化的发动机进行测试时,特斯拉涡轮机的膨胀效率远低于现代蒸汽涡轮机,远低于现代的往复式蒸汽机。 它确实遭受其他问题,例如剪切损失和流量限制,但这部分地被重量和体积的相对大量减少所抵消。 特斯拉涡轮机的一些优点在于相对较低的流量应用或需要小型应用时。 盘需要在边缘处尽可能薄,以便在流体离开盘时不引入湍流。 这转化为需要在流速增加时增加磁盘数量。 当盘间间距近似于边界层的厚度时,该系统具有最大效率,并且由于边界层厚度取决于粘度和压力,因此单个设计可以有效地用于各种燃料和流体的说法是不正确。 特斯拉涡轮机与传统涡轮机的不同之处仅在于用于将能量传递到轴的机构。 各种分析表明,磁盘之间的流速必须保持相对较低,以保持效率。 据报道,特斯拉涡轮机的效率随着负载的增加而下降。 在轻负载下,从进气口移动到排气口的流体所采取的螺旋是一个紧密的螺旋,经历了许多旋转。 在负载下,转数下降,螺旋逐渐变短。 这将增加剪切损失并且还降低效率,因为气体与盘接触的距离较短。

效率是功率输出的函数。 适度负载可实现高效率。 负载过重会增加涡轮机的滑差并降低效率; 由于负载太轻,输出功率很小,这也会降低效率(在空闲时为零)。 这种行为并非特斯拉涡轮机所独有。

特斯拉气体涡轮机的涡轮机效率估计高于60,最高可达95%。 请记住,涡轮机效率不同于使用涡轮机的发动机的循环效率。 目前在蒸汽设备或喷气发动机中运行的轴流式涡轮机具有约60-70%的效率(西门子涡轮机数据)。 这与工厂或发动机的循环效率不同,其在约25%和42%之间,并且受任何不可逆性限制在卡诺循环效率以下。 特斯拉声称,他的设备的蒸汽版本将实现约95%的效率。 Westinghouse工厂的特斯拉汽轮机的实际测试表明,每马力小时的蒸汽速率为38磅,相当于20%的涡轮机效率,而现代汽轮机通常可实现超过50%的涡轮机效率。 与等熵情况相比,热力学效率衡量其表现如何。 它是理想与实际工作输入/输出的比率。 涡轮效率定义为相同压力变化下理想焓变化与实际焓之比。

在20世纪50年代,沃伦赖斯试图重新创造特斯拉的实验,但他没有对严格按照特斯拉专利设计制造的泵进行这些早期测试(除其他外,它不是特斯拉多级涡轮机,也没有它拥有特斯拉的喷嘴)。 赖斯的实验单级系统的工作流体是空气。 正如早期报告中所公布的,Rice的测试涡轮机在单个阶段产生了36-41%的总体测量效率。 如果按照特斯拉最初提出的设计,可以预期更高的百分比。

在他最后一次使用特斯拉涡轮机并在退休之前发布时,赖斯对多盘涡轮机中的模型层流进行了体积参数分析。 1991年发布了一项名为“特斯拉涡轮机械”的转子效率(与整体设备效率相反)的非常高的要求。 本文指出:

通过正确使用分析结果,使用层流的转子效率可以非常高,甚至高于95%。 然而,为了获得高转子效率,必须使流量小,这意味着以使用大量盘并因此物理上更大的转子为代价实现高转子效率。 对于流速数的每个值,存在雷诺数的最佳值以获得最大效率。 对于普通流体,所需的盘间距非常小,导致[转子使用]层流对于规定的通流速率倾向于大而重。

使用层流转子对特斯拉型液体泵进行了广泛的研究。 结果发现,即使转子效率高,整体泵效率也很低,因为前面提到的转子入口和出口处发生了损失。

现代多级叶片涡轮机通常达到60-70%的效率,而大型蒸汽轮机在实践中通常显示涡轮机效率超过90%。 与普通流体(蒸汽,气体和水)相当的蜗壳转子匹配的特斯拉型机器也可以在60-70%附近显示出效率,甚至可能更高。

启发
特斯拉涡轮机模型制造商可以轻松地使用光盘(CD或光盘)构建涡轮机模型来组成车轮,显然是插入的垫片和适当的中心孔,聚甲基丙烯酸甲酯(Plexiglas)或一系列类似物,用于表壳和喷嘴除了其他方面之外,其具有透明的优点,并且在高压下的压缩空气作为马达流体。

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