特斯拉涡轮机效率可达到恐怖的97%,为何至今未被使用


尼古拉·特斯拉发明的无叶片涡轮机也叫特斯拉涡轮机,属于是尼古拉·特斯拉最惊艳的发明之一,相比于正统蒸汽涡轮机复杂的几何结构,特斯拉涡轮机的结构可以说简单至极。

特斯拉声称这款涡轮机的可输出效率甚至可以达到恐怖的97%,这可是至今都难以达到的输出功率。

接下来我们就共同地探究一下无叶片涡轮机是什么。首先来了解一个简单例子,一颗在河流中的鹅卵石在流动的水流中会发生纵向偏移,其中的原因除了牛顿的三大定律以外,还有一个至关重要的因素,那就是流体对固体表面的粘连效应。

此时水在鹅卵石表面就开始形成粘性力,综合下来,鹅卵石才能得以移动,这种现象一般发生得比较缓慢,肉眼很难目睹鹅卵石移动的过程。根据这个再简单不过的日常现象,尼古拉·特斯拉突发灵感,他把水流从圆盘切线方向注入,由于粘性效应,圆盘开始发生旋转,这就是特斯拉涡轮机的最初雏形。后来为了强化蒸汽机,尼古拉特斯拉给这个圆盘装了一个蜗壳形状的套筒,这时流体的进口处于涡壳的弧线方向,出口位于蜗壳的中心的垂直方向。

假设此时引入一股略高于大气压的蒸汽,以非常低的速度进入进口,它的路径又会是怎样的一般情景?这里我得告诉大家,因为蒸汽的流速非常低,在同等环境下它的流速还低于水流。这时蒸汽和圆盘之间的粘性力将会变得非常微弱,小到圆盘甚至不能转动起来,动能将变得相当薄弱。

而蜗壳的出口是和外界连通的,所以在微小的压力差下,这股蒸汽将会径直流向中心,最终排入壳体。就如现在这样适当地把蒸汽的流速提高,看看涡轮机是否会运转起来?由于蒸汽的速度提高不少,蒸汽与圆盘之间的粘性也就急剧飙升,在这种力量的作用下,圆盘开始旋转起来。这里值得注意的是,蒸汽粒子为了保持旋转的运动状态,必须还存在着一种力来维持,它就是向心力。

向心力这是什么力?我们都知道,在相同速度的情况下,越是靠近圆心的蒸汽粒子所需的向心力就越大。因此,旋转的蒸汽粒子会趋向于逃逸圆心区域。然而蜗壳的出口就在圆心,所以这些蒸汽粒子无论怎么努力都逃脱不了被圆心吞噬的命运。

话说回来,圆盘始终保持旋转状态,这些蒸汽粒子的运动路径将会被弯曲,如果将蒸汽粒子比拟为两个位置的粒子半径,很显然右边的肯定会大于左边。如果再次将蒸汽的流速增加,呈现在我们眼前的蒸汽粒子的曲率也会进一步增加,最终形成一种螺旋形状。就像这样下去,如果不断释放大量的蒸汽到多个圆盘,在不同速度圆盘下去比较相同的蒸汽粒子时,我们思路会瞬间清晰起来,圆盘的速度越大,蒸汽粒子离圆心的距离也就会变得越大。

这种现象可以说是因祸得福,因为这种螺旋形状能大大增加蒸汽与圆盘之间的接触面积,从而提高二者之间的粘性力,其实我们也可以换个说法,圆盘转动越快,它从蒸汽中摄取的能量也就会越高。也就是说,特斯拉涡轮,想要保持惊人的动力效率,其转速必须保持在一个超高水准上。

尼古拉·特斯拉为了进一步改进它的涡轮机,后来引入了一个全新概念,那就是“流体的边界层”。如果把蒸汽粒子比作一群蜜蜂附着在圆盘表面上,可以称这一层为固定层,上一层的蜜蜂总是沿着流动方向使劲地拖拽固定层,如果这些在数量上处于劣势,它们就算使出浑身解数仍然无法拽动固定层,所以它们在这里会损耗一部分能量会传递给固定层。同样的道理,上面的诸多层也会发生类似的一幕。

像这种流体粒子抵抗其他粒子流动的趋势下,在流体力学里称之为黏度。这个梯度表很直观地体现出了粒子速度的变化,而在流体内部存在着这种速度变化的区域,我们就称之为边界层。很明显,在边界层的区域内,一个流体层对相邻的层产生了更多的拖拽力,其本质原因是这两层之间产生了。然而在边界层外面,层与层之间不会发生相对运动,因此就没有任何拖拽力的存在。

根据这个原理,尼古拉·特斯拉又提出了一个惊人的设计,他把圆盘数量增加至三个。现在再来观察一下内部的流动现象。正如之前所说,每个圆盘的表面都会形成边界层,这个区域内部的粒子总是会尝试拖拽固定层,然而这里面还存在着两片自由的空间,也就是两个边界层之间的区域。

在这里面,流体会自由流动,没有任何速度梯度。也可以这样讲,这些自由流动的粒子不会将任何能量传递给圆盘。而圆盘需要的是什么呢?提高效率?如何提高?那么在诸多问题下唯一能做的就是减小圆盘与圆盘之间的距离,也就是最大化地缩小自由流动的空间范围。当然那些不受约束的蒸汽粒子已经被抛弃了,圆盘之间绝大部分被边界层填充,此刻的蒸汽粒子的能量就会变成最大化传递给圆盘。经过反复计算,尼古拉·特斯拉发现这个间距的理想值为0.4毫米。

为了使圆盘进一步提高效率,尼古拉·特斯拉再次增加了多个平行圆盘。根据多种资料显示,特斯拉涡轮机的模型的直径大小至少为六英寸(15.24CM)。就在尼古拉·特斯拉认为自己最得意的发明即将问世时,意想不到的一幕发生了,原型机的转速非常高,甚至达到了恐怖的每分钟三万五千转左右。

为此尼古拉·特斯拉从未想过这个涡轮机转速居然可以飙到这个高度,以至于圆盘的强度都难以承受巨大的离心力,最终导致材料弯曲发生形变。而且在当时尼古拉·特斯拉也找不到任何材料能承受如此高的转速,所以在迫不得已的情况下将转速调整到了一万转以下。不过这也意味着尼古拉·特斯拉最引以为傲的发明就此宣告失败。

最后一个问题,既然特斯拉涡轮机结构如此简单,那么为何现代各类发电领域没有看见他的身影呢?很简单现在的蒸汽轮机的工作效率已经超过了90%,稳打稳算转速堪比特斯拉涡轮机也不为过。

前面讲了圆盘转速越快,特斯拉涡轮机的工作效率越高。如果想要超过现在蒸汽轮机的效率,其转速很有可能要接近五万转,如果想要引入到商业化运营,圆盘的直径更是要达到三米以上,相当于这两个数值就已经把如今的材料踩在了脚下。另一方面,那就是转子叶尖的速度,现在蒸汽轮机转子叶尖的速度最高达到了1.8马赫及1.8倍音速,如果放在特斯拉涡轮机上,这个速度马上要飙升至13马赫,很显然以如今人类的科学技术来而言,这是不可能做到的。最后虽说特斯拉涡轮机被尼古拉·特斯拉宣告失败,但在现代还是有很多实际应用,比如特斯拉涡轮机本身是可逆的,如果我们把转子提供能量,摇身一变成为一台效率极高的泵。

再比如我们知道了斯拉涡轮机的工作原理是基于流体的粘性效应,因此它很适合那些高黏度应用平台,就像废水处理、石油冶金、新式辅助泵等。如果材料学发生飞跃式的进步,特斯拉涡轮机说不定就可以取代如今笨重复杂的蒸汽轮机。