特斯拉涡轮发动机的工作原理以及商业化发展分析
大多数人都知道尼古拉·特斯拉，偏心和才华横溢的人，1884年出生于纽约市。特斯拉是一位杰出的发明家，他将自己的天才应用于各种实际问题。总之，他在25个国家/地区拥有272项专利，仅在美国就有112项专利。您可能会认为，在所有这些工作中，特斯拉本可以在电气工程领域拥有自己的发明-那些描述了发电机，变压器，传输线，电动机的完整系统的发明和照明-最让他心动。但是在1913年，特斯拉获得了他所说的最重要的发明专利。该发明是一种涡轮机，今天称为特斯拉涡轮机，边界层涡轮机或平盘涡轮机。
有趣的是，用“涡轮”一词来描述特斯拉的发明似乎有点误导。这是因为大多数人将涡轮机视为附有叶片（如风扇叶片）的轴。实际上，韦伯斯特词典将涡轮定义为由气体或水的作用力驱动的发动机在风扇叶片上。但特斯拉涡轮没有任何叶片。它具有一系列紧密堆积的平行盘，这些平行盘附接到轴上并布置在密封室内。当允许流体进入腔室并在圆盘之间通过时，圆盘会旋转，从而使轴旋转。这种旋转运动可以以多种方式使用，从为泵，鼓风机和压缩机提供动力到正在运行的汽车和飞机。实际上，特斯拉声称该涡轮机是有史以来设计效率最高，设计最简单的旋转式发动机。
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？为什么它不像特斯拉的另一杰作交流电力传输那样普及？这些是重要的问题，但仅次于更基本的问题，例如Tesla涡轮如何工作以及什么使技术如此创新？我们将在接下来的几页中回答所有这些问题。但是首先，我们需要回顾一些有关多年来开发的不同类型发动机的基础知识。在下一页上，我们将更好地了解特斯拉希望通过其新发明解决的特定问题。
特斯拉涡轮发动机
任何发动机的工作都是将能量从燃料源转换为机械能。无论自然资源是空气，移动的水，煤炭还是石油，输入能量都是流体。流体是指非常特殊的东西-它是在施加压力的情况下流动的任何物质。因此，气体和液体都是流体，可以以水为例。就工程师而言，液态水和气态水或蒸汽起着流体的作用。
在20世纪初，两种类型的发动机很常见：由流动的水或由热水产生的蒸汽驱动的叶片式涡轮机，以及由汽油燃烧过程中产生的气体驱动的活塞式发动机。前者是旋转式发动机，后者是往复式发动机。两种类型的发动机都是复杂的机器，制造起来既困难又费时。
以活塞为例。活塞是一个圆柱形的金属零件，通常在另一个气缸内上下移动。除了活塞和汽缸本身之外，发动机的其他部件还包括气门，凸轮，轴承，垫圈和环。这些部分中的每一个都代表失败的机会。而且，它们总体上增加了发动机的重量和效率。
叶片式涡轮机的活动部件较少，但存在自身的问题。大多数是公差很窄的大型机器。如果构建不正确，刀片可能会断裂或破裂。实际上，这是在造船厂进行的观察，启发特斯拉想出了更好的方案：“我记得从第一艘装有涡轮机的轮船的涡轮机外壳中收集的破碎叶片的蒲式耳，并意识到[新引擎]的重要性” [来源：纽约先驱论坛报 ]。
特斯拉的新发动机是无叶片涡轮机，该涡轮机仍将流体用作能源的载体，但在将流体能量转化为运动方面会更加高效。与普遍的看法相反，他没有发明无叶轮机，但他采用了1832年在欧洲首次获得专利的基本概念，并进行了一些改进。他在近十年的时间里完善了这个想法，并实际上获得了与该机器有关的三项专利：
专利号1,061,142，“流体推进”，于1909年10月21日提交，1913年5月6日获得专利
涡轮机，专利号为1,061,206，1911年1月17日提交，1913年5月6日获得专利
1916年2月21日提交的专利号为“阀门槽”的1,329,559号专利，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，特斯拉介绍了其基本的无叶片设计，配置为泵或压缩机。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，他进行了必要的更改，以使涡轮机作为内燃机运行。
不论其配置如何，机器的基本设计都是相同的。在下一节中，我们将更仔细地研究该设计。
特斯拉涡轮的零件
与活塞或蒸汽发动机相比，特斯拉涡轮本身具有简单性。实际上，特斯拉在1911年10月15日在《纽约先驱论坛报》上发表的一次采访中是这样描述的：“所有需要的是将一些磁盘安装在轴上，彼此间隔一小段距离，并装箱以便流体可以在某一点进入而在另一点出去。” 显然，这是一个过分简化，但幅度不大。让我们更详细地了解涡轮的两个基本部分-转子和定子。
转子
在传统的涡轮机中，转子是带有叶片的轴。Tesla涡轮机取消了叶片，而是使用了一系列磁盘。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编号，但使用了更笼统的描述，称转子应包含“多个”直径合适的磁盘。稍后我们将看到，特斯拉本人对磁盘的大小和数量进行了很多试验。
每个圆盘都制成有围绕轴的开口。这些开口用作排气口，流体通过排气口排出。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设置，尽管中间空间通常不超过2到3毫米。
螺母将圆盘固定在转子组件的最后一个轴上。由于圆盘键接到轴上，因此它们的旋转传递到了轴上。
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。特斯拉的原始设计要求有两个进气口，这可使涡轮机顺时针或逆时针运行。
这是基本设计。为了使涡轮机运转，高压流体进入定子入口处的喷嘴。流体在转子盘之间通过，并使转子旋转。最终，流体通过涡轮机中心的排气口排出。
Tesla涡轮机的一大优点是其简单性。它可以用容易获得的材料制成，并且磁盘之间的间隔不必精确控制。实际上，它是如此容易构建，以至于几本主流杂志都包括了使用家用材料的完整组装说明。1955年9月发行的《大众科学》以分步计划为特色，该计划使用由纸板制成的Tesla涡轮设计来制造鼓风机！
但是，一系列圆盘究竟如何产生我们期望涡轮产生的旋转运动？这就是我们将在下一部分中讨论的问题。
特斯拉汽轮机运行
您可能想知道流体的能量如何导致金属盘旋转。毕竟，如果磁盘是完全光滑的并且没有叶片，叶片或铲斗来“捕获”流体，则逻辑表明流体将仅流过磁盘，而使磁盘保持静止。当然，这不会发生。特斯拉涡轮的转子不仅旋转-而且旋转迅速。
可以在所有流体的两个基本属性中找到其原因：附着力和粘度。粘附力是异种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。这两个特性在特斯拉涡轮中共同作用，将能量从流体传递到转子，反之亦然。这是如何做：
当流体流过每个磁盘时，粘附力会导致金属表面上方的流体分子减慢并粘住。
当表面上的分子与粘附在表面上的分子发生碰撞时，它们的速度会变慢。
这些分子继而减慢了它们上方的流动。
远离表面的移动越远，受物体表面影响的碰撞越少。
同时，粘性力导致流体分子抵抗分离。
这将产生一个拉力，该拉力传递到磁盘上，从而使磁盘沿流体方向移动。
以这种方式与磁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。由于这种作用，推进液沿着圆盘面沿着迅速加速的螺旋路径运动，直到到达合适的出口为止。由于流体在阻力最小的自然路径中运动，不受叶片或叶片引起的约束和破坏力的影响，因此会经历速度和方向的逐渐变化。这意味着更多的能量被输送到涡轮机。实际上，特斯拉声称涡轮机效率为95％，远远高于当时的其他涡轮机。
但是，正如我们将在下一节中看到的那样，在生产模型中并没有那么容易地实现Tesla涡轮机的理论效率。
特斯拉涡轮商业化的障碍
特斯拉（Tesla）以及许多当代科学家和工业家认为，基于许多特性，他的新型涡轮机具有革命性。它体积小，易于制造。它只有一个运动部分。而且这是可逆的。
为了证明这些好处，特斯拉制造了多台机器。特斯拉的长期机械师之子Juilus C. Czito构建了多个版本。第一个磁盘建于1906年，具有八个磁盘，每个磁盘的直径为六英寸（15.2厘米）。该机器重量不足10磅（4.5千克），发展了30马力。它还显示了一个缺陷，这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）-金属盘明显伸展，从而影响了效率。
1910年，Czito和特斯拉制造了一个更大的模型，其直径为12英寸（30.5厘米）。它以10,000 rpm的转速旋转，并发展了100 马力。然后，在1911年，两人建立了一个直径为9.75英寸（24.8厘米）的磁盘的模型。这将速度降低到9,000 rpm，但功率输出增加到110马力。
得益于这些成功的小规模试验，特斯拉建造了一个更大的双缸机组，他计划在纽约爱迪生公司的主要发电站进行蒸汽测试。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。将两个涡轮机成一条直线放置在一个基座上。在测试过程中，特斯拉能够达到9,000 rpm的转速并产生200马力。但是，一些参加测试的工程师忠于爱迪生，声称涡轮机是基于对如何在新机器中测量扭矩的误解造成的故障。这种糟糕的新闻，再加上主要的电气公司已经在叶片式涡轮机上进行了大量投资，特斯拉很难吸引投资者。
在特斯拉将其发明商业化的最终尝试中，他说服了密尔沃基的Allis-Chalmers制造公司制造了三台涡轮机。其中两个有20个直径为18英寸的磁盘，开发速度分别为12,000和10,000 rpm。第三个具有直径为60英寸（1.5米）的15个磁盘，其设计转速为3600 rpm，可产生675马力。在测试过程中，来自Allis-Chalmers的工程师开始对涡轮机的机械效率以及其长期使用的能力感到担忧。他们发现圆盘已在很大程度上变形，并得出结论认为涡轮最终将失效。
直到1970年代，研究人员仍难以复制特斯拉报告的结果。亚利桑那州立大学的工程学教授沃伦·赖斯（Warren Rice）创建了特斯拉涡轮机的一种版本，其工作效率为41％。有人认为赖斯的模型偏离了特斯拉的确切规格。但是直到1990年代，赖斯还是流体动力学和Tesla涡轮的专家，对研究进行了文献综述，发现没有现代版本的Tesla发明能超过30％到40％的效率。
最重要的是，这阻止了特斯拉涡轮机的广泛使用。
华盛顿特区海军研究办公室明确表示：“帕森斯涡轮机已经存在了很长一段时间，整个行业都围绕着它构建并提供支持。如果特斯拉涡轮机的数量级不高一个数量级，那么它将之所以将钱倒在老鼠窝里，是因为该行业不会轻易被推翻……” [来源：切尼 ]。
那么，今天的特斯拉汽轮机又在哪里呢？正如我们将在下一节中看到的那样，工程师和汽车设计师再次将注意力转移到这一具有100年历史的技术上。
特斯拉涡轮的未来
特斯拉一直是有远见的人。他并不把无叶片涡轮机本身看作是目的，而是实现目的的手段。他的最终目标是根据他的技术，用效率更高，更可靠的发动机替代活塞式内燃机。最高效的活塞式内燃机在将燃料转化为工作时效率并未超过27％至28％。即使达到40％的效率，特斯拉仍将涡轮视为进步。他甚至在纸上设计了涡轮机汽车，他声称这种涡轮机的效率如此之高，以至于它可以用一个汽油箱在美国各地行驶。
特斯拉从未见过这款汽车的生产，但今天看到他的革命性涡轮最终被纳入新一代更清洁，更高效的汽车中，他可能会感到满意。位于密歇根州Munising的Phoenix Navigation and Guidance Inc.（PNGinc）是一家取得重大进展的公司。PNGinc已将盘式涡轮技术与脉冲爆震燃烧器结合在发动机中，该公司表示可提供前所未有的效率。有29个活动磁盘，每个磁盘的直径为10英寸（25.4厘米），夹在两个锥形端磁盘之间。发动机产生18,000 rpm和130马力。为了克服涡轮固有的极端离心力，PNGinc使用了多种先进材料，例如碳纤维，浸渍钛的塑料和凯夫拉尔增强盘。
显然，如果Tesla涡轮机要获得任何商业成功，那么这些更坚固，更耐用的材料就至关重要。如果特斯拉有生之年就可以使用像凯夫拉尔这样的材料，那么涡轮机很有可能会得到更多的使用。但是，就像发明家的工作一样，特斯拉涡轮机是远远领先于时代的机器。
