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。