革命性能源科技：解密特斯拉涡轮机的工作原理

大多数人都知道尼古拉·特斯拉 (Nikola Tesla)，这位古怪而才华横溢的人于 1884 年来到纽约，被誉为交流电之父，交流电是一种几乎为所有家庭和企业供电的电力形式。但特斯拉是一位伟大的发明家，他将自己的天才应用于广泛的实际问题。总的来说，他在 25 各国家拥有 272 项专利，其中仅在美国就拥有 112 项专利。

你可能会认为，在所有这些工作中，特斯拉应该拥有他在电气工程方面的发明——那些描述了发电机、变压器、传输线、电机的完整系统的发明。和灯光——他最珍视的。但在 1913 年，特斯拉获得了一项他所说的他最重要的发明的专利。这项发明就是涡轮机，今天被称为特斯拉涡轮机、边界层涡轮机或平盘涡轮机。

有趣的是，用“涡轮机”这个词来描述特斯拉的发明似乎有点误导。这是因为大多数人认为涡轮机是一个附有叶片（如风扇叶片）的轴。事实上，韦氏词典将涡轮机定义为通过气体的力量转动的发动机或风扇叶片上有水。

但特斯拉涡轮机没有任何叶片。它具有一系列紧密堆积的平行圆盘，这些圆盘连接到轴上并布置在密封室内。当流体进入腔室并在圆盘之间通过时，圆盘转动，进而带动轴旋转。这种旋转运动有多种用途，从为泵、鼓风机和压缩机提供动力到运行汽车和飞机。事实上，特斯拉声称涡轮机是有史以来设计的最高效、设计最简单的旋转发动机。

如果这是真的，为什么特斯拉涡轮机没有得到更广泛的使用？为什么它没有像特斯拉的另一项杰作——交流输电那样普及？这些都是重要的问题，但它们对于更基本的问题来说是次要的，例如特斯拉涡轮机如何工作以及是什么使该技术如此创新？我们将在接下来的几页中回答所有这些问题。但首先，我们需要回顾一下多年来开发的不同类型发动机的一些基础知识。

特斯拉涡轮发动机

任何发动机的工作都是将燃料源的能量转化为机械能。无论天然来源是空气、流动的水、煤炭还是石油，输入的能量都是流体。我们所说的流体是指非常具体的东西——它是在施加的压力下流动的任何物质。因此，气体和液体都是流体，例如水。对于工程师而言，液态水和气态水或蒸汽充当流体。

20 世纪初，两种类型的发动机很常见：叶片式涡轮机，由流动的水或热水产生的蒸汽驱动；以及活塞发动机，由汽油燃烧过程中产生的气体驱动。前者是转子发动机的一种，后者是往复式发动机的类型。这两种类型的发动机都是复杂的机器，制造起来既困难又耗时。

以活塞为例。活塞是一个可以上下移动的圆柱形金属件，通常在另一个气缸内。除了活塞和气缸本身之外，发动机的其他部件还包括阀门、凸轮、轴承、垫圈和环。这些部分中的每一部分都代表着失败的机会。而且，它们共同增加了整个发动机的重量和效率。

叶片式涡轮机的运动部件较少，但它们也存在自己的问题。大多数都是大型机械，公差非常小。如果建造不当，叶片可能会断裂或破裂。事实上，正是在造船厂进行的一次观察激发了特斯拉构想更好的东西：“我记得从第一艘配备涡轮机横渡海洋的蒸汽船的涡轮机外壳中收集到的成蒲式耳的破损叶片，并意识到这个[新引擎]的重要性”。

特斯拉的新发动机是无叶片涡轮机，它仍然使用流体作为能量载体，但将流体能量转化为运动的效率要高得多。与普遍看法相反，他并未发明无叶片涡轮机，但他采用了基本概念，并于 1832 年首次在欧洲获得专利，并进行了多项改进。他用了近十年的时间完善了这个想法，并实际上获得了与该机器相关的三项专利：

• 专利号 1,061,142“流体推进”，1909 年 10 月 21 日提交，并于 1913 年 5 月 6 日获得专利
• 专利号 1,061,206“涡轮机”，1911 年 1 月 17 日提交，并于 1913 年 5 月 6 日获得专利
• 专利号 1,329,559“瓣膜导管”，于 1916 年 2 月 21 日提交，于 1919 年 7 月 18 日更新，并于 1920 年 2 月 3 日获得专利

在第一项专利中，特斯拉介绍了他配置为泵或压缩机的基本无叶片设计。在第二项专利中，特斯拉修改了基本设计，使其可以用作涡轮机。最后，凭借第三项专利，他做出了必要的改变，将涡轮机作为内燃机运行。

无论配置如何，机器的基本设计都是相同的。

特斯拉涡轮机的零件

与活塞或蒸汽机相比，特斯拉涡轮机本身很简单。事实上，特斯拉在 1911 年 10 月 15 日发表在《纽约先驱论坛报》上的一次采访中是这样描述的：“我们所需要的只是安装在轴上的一些圆盘，这些圆盘之间间隔一点距离并装在外壳中，以便流体可以在某一点进入，在另一点退出。” 显然，这是过于简单化了，但也不是过分简单化。让我们更详细地看一下涡轮机的两个基本部分——转子和定子。

转子

在传统涡轮机中，转子是附有叶片的轴。特斯拉涡轮机取消了叶片，而是使用一系列圆盘。磁盘的大小和数量可以根据与特定应用程序相关的因素而变化。特斯拉的专利文件没有定义具体的数字，而是使用了更笼统的描述，称转子应该包含“多个”具有“合适直径”的圆盘。正如我们稍后将看到的，特斯拉本人对磁盘的大小和数量进行了大量实验。

每个圆盘都在轴周围设有开口。这些开口充当流体通过其排出的排出端口。为了确保流体可以在圆盘之间自由通过，使用金属垫圈作为分隔器。同样，垫圈的厚度也没有严格规定，尽管间隔空间通常不超过 2 至 3 毫米。

螺母将圆盘固定在轴上，轴是转子组件的最后一个部件。由于圆盘通过键固定在轴上，因此它们的旋转会传递到轴上。

定子

转子组件容纳在圆柱形定子或涡轮机的固定部分内。为了容纳转子，气缸内腔的直径必须略大于转子盘本身。定子的每一端都包含一个用于轴的轴承。定子还包含一个或两个入口，喷嘴插入其中。特斯拉的原始设计需要两个入口，使涡轮机可以顺时针或逆时针运行。

这是基本设计。为了使涡轮机运行，高压流体进入定子入口处的喷嘴。流体在转子盘之间通过并导致转子旋转。最终，流体通过涡轮机中心的排气口排出。

特斯拉涡轮机的一大优点是它的简单性。它可以用现成的材料构建，并且磁盘之间的间距不必精确控制。事实上，它非常容易组装，以至于一些主流杂志都包含了使用家用材料的完整组装说明。1955 年 9 月号的《大众科学》刊登了一个使用纸板制成的特斯拉涡轮机设计制造鼓风机的分步计划！

但一系列圆盘到底是如何产生我们所期望的涡轮机的旋转运动的呢？这就是我们将在下一节中讨论的问题。

特斯拉涡轮机运行

您可能想知道流体的能量如何使金属盘旋转。毕竟，如果圆盘非常光滑并且没有叶片、轮叶或桶来“捕获”流体，逻辑表明流体将简单地流过圆盘，使圆盘保持静止。当然，事实并非如此。特斯拉涡轮机的转子不仅旋转，而且旋转得很快。

其原因在于所有流体的两个基本特性：粘附性和粘度。粘附力是不同分子由于吸引力而粘在一起的趋势。粘度是物质流动的阻力。这两种特性在特斯拉涡轮机中共同作用，将能量从流体传递到转子，反之亦然。就是这样：

1. 当流体流过每个圆盘时，粘附力会导致金属表面上方的流体分子减速并粘附。
2. 当表面上的分子与粘在表面上的分子碰撞时，它们的速度会减慢。
3. 这些分子反过来又减慢了它们上方的流动速度。
4. 距离表面越远，受物体表面影响的碰撞就越少。
5. 同时，粘性力导致流体分子抵抗分离。
6. 这会产生传递到圆盘的拉力，使圆盘沿流体方向移动。

以这种方式与盘表面相互作用的薄层流体称为边界层，而流体与固体表面的相互作用称为边界层效应。由于这种效应，推进流体沿着盘面沿着快速加速的螺旋路径行进，直到到达合适的出口。由于流体沿阻力最小的自然路径移动，不受轮叶或叶片造成的约束和破坏力，因此速度和方向会逐渐变化。这意味着更多的能量被输送到涡轮机。事实上，特斯拉声称其涡轮机效率高达 95%，远远高于当时的其他涡轮机。

特斯拉涡轮机商业化的障碍

特斯拉以及许多当代科学家和实业家都相信他的新型涡轮机具有革命性，具有多种属性。它体积小且易于制造。它只有一个活动部件。而且这是可逆的。

为了展示这些好处，特斯拉制造了几台机器。特斯拉长期机械师的儿子 Juilus C. Czito 制造了多个版本。第一个建于 1906 年，有八个圆盘，每个圆盘直径为 6 英寸（15.2 厘米）。该机器重量不到 10 磅（4.5 公斤），功率为 30 马力。它还揭示了一个缺陷，该缺陷将使机器的持续开发变得困难。转子达到了如此高的速度——每分钟 35,000 转 (rpm)——以至于金属盘大幅拉伸，从而影响了效率。

1910 年，Czito 和 Tesla 制造了一个更大的模型，圆盘直径为 12 英寸（30.5 厘米）。它的转速为 10,000 rpm，功率为 100马力。然后，在 1911 年，两人制作了一个直径为 9.75 英寸（24.8 厘米）的圆盘的模型。这将速度降低至 9,000 rpm，但将功率输出增加至 110 马力。

受到这些小规模成功的支持，特斯拉建造了一个更大的双机组，他计划在纽约爱迪生公司的主发电厂进行蒸汽测试。每个涡轮机都有一个直径为 18 英寸（45.7 厘米）的转子轴承盘。两台涡轮机在一个底座上排成一行。在测试过程中，特斯拉能够达到 9000 转/分钟并产生 200 马力。然而，参加测试的一些忠于爱迪生的工程师声称涡轮机出现故障是因为对如何测量新机器中的扭矩存在误解。这种负面报道，加上各大电力公司已经在叶片涡轮机上投入巨资，使得特斯拉很难吸引投资者。

在特斯拉将其发明商业化的最后一次尝试中，他说服了密尔沃基的阿利斯-查默斯制造公司建造了三台涡轮机。其中两个拥有 20 个直径为 18 英寸的圆盘，转速分别为 12,000 和 10,000 rpm。第三个有 15 个直径为 60 英寸（1.5 米）的圆盘，设计运行速度为 3,600 rpm，产生 675 马力。在测试过程中，Allis-Chalmers 的工程师越来越担心涡轮机的机械效率及其承受长期使用的能力。他们发现圆盘已经严重扭曲，并得出结论，涡轮机最终会失效。

即使到了 20 世纪 70 年代，研究人员也难以复制特斯拉报告的结果。亚利桑那州立大学工程学教授沃伦·赖斯 (Warren Rice) 发明了一种特斯拉涡轮机，其运行效率为 41%。一些人认为赖斯的模型偏离了特斯拉的确切规格。但作为流体动力学和特斯拉涡轮机专家的赖斯对 20 世纪 90 年代的研究进行了文献回顾，发现特斯拉发明的现代版本没有超过 30% 至 40% 的效率。

这最重要的是阻止了特斯拉涡轮机的更广泛使用。

正如华盛顿特区海军研究办公室明确指出的那样：“帕森斯涡轮机已经存在很长时间了，整个行业都围绕它建立并支持它。如果特斯拉涡轮机不是一个数量级的优越，那么它就会将钱投入老鼠洞，因为这个行业不会那么容易被颠覆……”。

那么，今天的特斯拉涡轮机将走向何方呢？正如我们将在下一节中看到的，工程师和汽车设计师再次将注意力转向这项具有 100 年历史的技术。

特斯拉涡轮机的未来

特斯拉一直是一个有远见的人。他并不将无叶片涡轮机视为目的本身，而是将其视为达到目的的手段他的最终目标是用基于他的技术的更高效、更可靠的发动机取代活塞内燃机最高效的活塞式内燃机将燃料转化为功的效率不超过 27% 至 28% 即使效率达到 40%，特斯拉仍认为他的涡轮机有所改进他甚至在纸上设计了一辆涡轮汽车，他声称这种汽车效率极高，只需一箱汽油就可以穿越美国。

特斯拉从未见过这款汽车的生产，但今天他可能会很高兴看到他的革命性涡轮机最终被纳入新一代更清洁、更高效的汽车中。位于密歇根州缪尼辛的菲尼克斯导航与指导公司 (PNGinc) 是取得重大进展的公司之一。PNGinc 将盘式涡轮技术与发动机中的脉冲爆震燃烧器相结合，该公司称其提供了前所未有的效率。有 29 个活动磁盘，每个磁盘直径为 10 英寸（25.4 厘米），夹在两个锥形端磁盘之间。该发动机可产生 18,000 转/分和 130 马力。为了克服涡轮机固有的极端离心力，PNGinc 使用了各种先进材料，例如碳纤维、钛浸渍塑料和 Kevlar 增强盘。

显然，如果特斯拉涡轮机要取得任何商业成功，这些更坚固、更耐用的材料至关重要。如果像凯夫拉尔这样的材料在特斯拉的一生中就可以使用，那么涡轮机很可能会得到更多的使用。但正如发明家的工作经常出现的情况一样，特斯拉涡轮机是一台远远领先于时代的机器。