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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。