原理

特斯拉渦輪機的原理是流體的邊界層效應（boundary layer effect），流體受黏滯力影響,，會在管壁或者其它物體邊緣形成一層很薄的邊界層,，在邊界層內(nèi)，固定表面的流速為0,，離表面越遠速度越大,。利用這個效應就可以讓高速運動的液體帶動一組圓盤轉(zhuǎn)動。因此它的效率比普通的葉片渦輪機高得多,。

結(jié)構(gòu)

特斯拉渦輪由一組光滑圓盤組成,，盤上有噴嘴向盤邊緣持續(xù)吹入氣流。這種氣流會由于流體粘度和氣體在表面層的粘滯性而吸附在圓盤上,。當氣流速度放慢,，同時給圓盤施加以能量，氣體會作螺旋向心運動并排出,。由于轉(zhuǎn)子的表面光滑沒有隆起,，這個設(shè)計極其堅固。

特斯拉寫道：“這是一個高效的自啟動式原動機（根據(jù)原文意思,，這里指這是一種無需外力就可以自行啟動的原動裝置）,，可作為蒸汽渦輪機或混流式渦輪機工作，而無需對其構(gòu)造進行改動,，因此十分方便,。只需對原有渦輪機進行小幅改造，或是根據(jù)原有渦輪機實際情況進行修改,，但只要是遵循以上（特斯拉渦輪機的）這些原則,，對于蒸汽設(shè)備使用者來說，其（特斯拉渦輪機）接駁在其原有設(shè)備上工作顯然是值得推薦的,，可以獲得極其可觀的效益,。”

這種渦輪機也可以成功地利用高真空進行冷凝工作,。在這種情況下,，由于很大的膨脹比，排出的氣體混合物具有相對較低的溫度，可供冷凝器使用,。雖然需要更好的燃料和配套的特殊泵動裝置,，但是其最終的經(jīng)濟效益完全可以平衡當初建設(shè)的高成本。

所有的圓盤與墊片都通過一個嵌在邊緣的套筒互相咬合,，并使用螺母和套環(huán)來將那些邊緣厚的圓盤固定在一起,，或者，如果需要的話,，可以直接在圓盤上沖壓套環(huán)。

該機的整體構(gòu)造允許每一片圓盤的單獨地根據(jù)實際情況,，包括熱能和向心力造成的各種影響進行拓展性或收縮性改造,，許多實際應用說明這樣做可以帶來很多額外的好處。更多的圓盤和更多的能量可以創(chuàng)造更高的效率,。必須避免圓盤發(fā)生形變,，并將圓盤的側(cè)間隙盡量做小，以減少漏氣和摩擦造成的能量損失,。轉(zhuǎn)子也要盡量做到完全對稱,，因為偏心造成的滑動摩擦會帶來極大的負面影響，并使得渦輪機無法安靜地運轉(zhuǎn),。

特斯拉渦輪機的設(shè)計特點使得它通常由蒸汽和燃氣燃燒的混合物驅(qū)動,，排出的廢氣則可以繼續(xù)提供可供渦輪機工作蒸汽，通過閥門對上面提到的循環(huán)蒸汽進行調(diào)節(jié),，使得渦輪機的工作溫度和壓力處在最佳狀態(tài),。

如圖1所示，特斯拉渦輪機的構(gòu)造必須做到：

僅用蒸汽就可啟動,，圓盤可以在高溫流體中工作,。一個高效的特斯拉渦輪機需要很小的圓盤間距。比如,，以蒸汽為動力的機型必須保持0.4毫米（0.016英寸）間盤的間距,。圓盤必須最大限度地光滑，以將表面摩擦和剪切損失降至最低,。圓盤也必須最大限度地薄,，以防止在圓盤邊緣造成相互吸引和擾流。不幸的是,，防止圓盤扭曲和變形在特斯拉的時代是一項重大挑戰(zhàn),。據(jù)稱，正因為人們無力阻止圓盤的形變,，特斯拉渦輪機才走向商業(yè)上的失敗,，因為當時的冶金技術(shù)根本無法生產(chǎn)出具有如此精度和剛度的圓盤。

特斯拉泵

如果一個相似的圓盤和外罩系統(tǒng)具有漸開線的形狀（對比圓形的渦輪系統(tǒng)），該設(shè)備可以用作泵,。將一個發(fā)動機連接到該設(shè)備軸上,，流體進入中心附近，接收圓盤的能量,，散射到四周去,。特斯拉渦輪不是在利用摩擦力（雖然通常人們認為是），確切地說,，是在避免摩擦力,，并使用附著力（即附壁效應）和粘度代替。它利用圓盤“葉片”上的邊界層效應,。

原本特斯拉的設(shè)想是用光滑的圓盤,，但這樣會使得啟動轉(zhuǎn)矩太弱。特斯拉后來發(fā)現(xiàn)在直徑10英寸的光滑的圓盤轉(zhuǎn)子圓周上12至24處,，以及半徑處用6至12個墊圈連接起來,，能夠顯著地提高啟動轉(zhuǎn)矩，而且不影響效率,。

應用

用途

特斯拉在專利中宣稱,，該裝置是用于使用流體作為動力介質(zhì)，以區(qū)別于別的流體推進和壓縮裝置的專利申請（雖然該設(shè)備的確可用于這些用途）,。直至2006年,，特斯拉渦輪自發(fā)明以來還是沒有廣泛用于商業(yè)用途。然而特斯拉泵自1982年以來一直市售,，用來輸送具有腐蝕性,，高粘度，高剪切力敏感性,，含有固體,，或是其他泵難以處理的流體。特斯拉本人并沒有接到過大宗生產(chǎn)合同,。在他那個時代的主要困擾,，如前所述，是材料學知識和對高溫材料研究的貧乏,。當時最好的冶金技術(shù)仍不能防止渦輪盤在運轉(zhuǎn)中的扭曲和變形,。

今天，在該領(lǐng)域的許多業(yè)余的實驗已經(jīng)在有意使用以壓縮空氣或蒸汽為動力源的特斯拉渦輪機（蒸汽由燃料燃燒產(chǎn)生的熱制造,，通常來源于汽車的渦輪增壓器或太陽能輻射）,。渦輪圓盤的形變問題已被部分解決，主要是歸功于新材料的應用,，如使用碳纖維來制造渦輪盤,。一個很好的例子是PNGinc公司和國際渦輪與動力有限公司都在他們的特斯拉渦輪設(shè)計中用到了碳纖維材料,。

對特斯拉泵有需求的是作為廢料泵。因為工廠和研磨廠的普通泵經(jīng)常會被廢料卡住,。

特斯拉渦輪的另一需求離心多碟式血泵的研究已經(jīng)取得了可喜的成果,。生物工程科學家將在21世紀持續(xù)對其進行研究。

效率計算

在特斯拉的年代,，傳統(tǒng)的渦輪機效率低,，因為設(shè)計高效率效葉片所需要的空氣動力學原理不存在，低質(zhì)量的材料沒法制造出能在極端速度和溫度下工作的葉片,。一個傳統(tǒng)的渦輪效率取決于其進氣和排氣壓力差,，為了達到更高的壓力差，必須要極端高溫的蒸汽,，所以只有高溫材料才能創(chuàng)造高效率,。如果渦輪機在室溫下用液體工作，那么你可以在排氣口使用一個冷凝器來增加壓力差,。

特斯拉的設(shè)計回避了渦輪葉片的主要缺點,。它的確還存在剪切流動的限制等問題,。特斯拉渦輪的一些優(yōu)點在于適用于低流速和小流量的需求,。為了不在流體吹出圓盤邊緣時形成湍流，圓盤要盡可能薄,。因此大流量的機器就需要更多的圓盤,。最高效率時，圓盤之間的間距必須接近邊界層的厚度,，而且由于流體的邊界層厚度取決于其粘度和壓力,，流體性質(zhì)不同，邊界層厚度也不相同,，所以一種設(shè)計就可用于各種燃料和液體的說法不正確的,。特斯拉渦輪機與傳統(tǒng)渦輪機的區(qū)別僅限于將能量從流體轉(zhuǎn)換到軸上的方式不同而已。實驗證明特斯拉渦輪負載越大效率越低,。負載小時,，流體從進入到排出經(jīng)歷了很大的旋轉(zhuǎn)，在大負載下,，這種旋轉(zhuǎn)數(shù)量下降并逐漸變得更短,。這將增加剪切損失，也降低了效率,，因為氣體與圓盤的接觸更少了,。

效率是描述輸出功率的。輕載下高效率而重載下效率損失提高并不只是特斯拉渦輪機的特點,。

特斯拉渦輪機的效率預計為60%,。請記住,，水輪機的效率是從使用渦輪發(fā)，最高不超過95%,。記住渦輪的效率和渦輪發(fā)動機的循環(huán)效率是不同的,。軸式渦輪機在如今的蒸汽設(shè)備中效率可達60%到70%（西門子公司數(shù)據(jù)），而整體設(shè)備的循環(huán)效率也就在25%到42%,，而且上限無論如何低于卡諾循環(huán)效率,。特斯拉聲稱，他的一個蒸汽版本的裝置將達到95%左右的效率,。西屋公司對特斯拉蒸汽渦輪機的實際測試顯示每輸出1馬力小時平均需要38磅蒸汽,，對于渦輪來說效率在20%左右，而當代的蒸汽渦輪往往可以達到超過50%效率,。流體推進的理論和技術(shù)以及熱力學的能量轉(zhuǎn)換已在各種專利中現(xiàn)身,。熱力學效率是用來衡量相比等熵的情況之下到底工作效率如何的，是理想狀態(tài)下輸入效率和輸出效率的比值,。這可以被視為是理想狀態(tài)下焓的變化和壓力變化的比值,。

在20世紀50年代，沃倫賴斯試圖重新創(chuàng)建特斯拉的實驗,，但他在早期測試中沒有嚴格地按照特斯拉的專利設(shè)計來制造他的渦輪機（這個機器既不是一個特斯拉多段式渦輪機,，也沒有特斯拉設(shè)計的噴嘴）。賴斯的單級實驗系統(tǒng)的工作流體是空氣,。早先發(fā)布的報告中賴斯的測試表明單級渦輪的效率是36%至41%,。他表示如果嚴格按照特斯拉的設(shè)計來測試，預計效率可能會更高,。

在賴斯退休之前他完成了特斯拉渦輪機最后的測試并做了大量的關(guān)于多級渦輪的層流數(shù)據(jù)分析,。他聲明這個設(shè)計具有極高的效率，在1991年出版了題為“特斯拉的渦輪機”的報告,，報告做了以下陳述：

“隨著分析結(jié)果正確使用,，轉(zhuǎn)子層流使用效率是非常高，甚至超過95%,。然而,，為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)子高效率，流量必須盡量小,，這意味著高效率的代價是必須要有足夠多數(shù)量的渦盤,，組成一個體型巨大的轉(zhuǎn)子?！?/p>

現(xiàn)代多級式有葉渦輪機通常達到60%-70%的效率,，而在實踐中大型汽輪發(fā)電機組常常表現(xiàn)出90%以上的效率。在配合了特斯拉的設(shè)計后,，一定大小的渦形轉(zhuǎn)子使用常規(guī)流體（蒸汽,，氣體或水）也可以達到預想的60%至70%的效率以及更高,。