加工制造特斯拉无叶片涡轮机boundary layer turbine

加工制造特斯拉无叶片涡轮机boundary layer turbine

近日,自媒体人直播测试,比亚迪秦L DM-i “一箱油”满油满电综合续航达2100公里,堪称“工业奇迹”,百公里亏电油耗达到划时代的2.9L,全球混动进入新时代。日系车向来都是以省油著称,现在在百公里2.9L的油耗下也淡然失色。曾经为了省油闹得沸沸扬扬的水氢汽车现在也沦为笑柄。那么DM-I和增程式的区别在哪?简单来说,增程式就是给车增加了一个发动机,这个发动机不直接驱动车轮,而是作为发电机为电池充电。比亚迪DM-i是一种超级混动技术,拥有更加多样化的混动模式,包括纯电、发动机直驱、串联(类似于增程模式)、并联等,就是说在油电混合状态下,油车的动力可以直接给电池充电,油用完了就开启纯电也能驱动汽车。

那关于省油还有没有新的研究方向呢?100多年前,特斯拉曾经在设计了涡轮机汽车的图纸,他声称这种涡轮机的效率非常高,用一箱汽油可以跑遍美国各地。美国的战略纵深理论上为东西9800公里,南北6000多公里。如果真如特斯拉所说一箱油跑美国的南北6000公里的,那么这还真有可能成为新能源汽车研究的新方向。1903福特汽车厂第一辆量产车,到1913年尼古拉·特斯拉发明了特斯拉涡轮机还被称为“边界层涡轮机(boundary layer turbine)”、“凝聚型涡轮机(cohesion-type turbine),于1913年取得专利。特斯拉涡轮机(Tesla turbine)是一种无叶片,由流体剪切力驱动的涡轮机,也有研究者将其看作一种“多碟式离心泵(multiple disk centrifugal pump)”。如果真有这么神奇的东西,那它为什么没有被 广泛应用呢?第一点:它的启动转矩小,需要加装一个电机或其它装置作为辅助设备帮它启动,因为它到达一定转速后才能自行运转。这个原理有点像中国的东汉时期就有的一种装置:水车。当水有一定流速后才能推动水车转动。第二点:它的控制需要精确调节,由于圆盘的转速和流体的流量、压力、温度等参数有密切关系,很难做到紧急停下。第三点:安全性差,需要防护措施,由于它的转子是圆盘结构,在高速运转下,万一发生故障或碰撞,圆盘可能破裂,从进气或者出气管道飞出,造成危险,所以它需要一个坚固的外壳。但这些问题都仅仅限于1913年它被发明的年代,那个时候还没有钛合金,当时最好的冶金技术仍不能防止涡轮盘在运转中的扭曲和变形。第一个实用的钛合金Ti-6Al-4V合金直到1954年美国研制成功,所以这项发明还没有真正地被应用起来。在20世纪50年代, 沃伦赖斯试图重新创建特斯拉的实验,他声称这个设计能让转子层流使用效率超过95%。如此看来,特斯拉涡轮有可能是新能源汽车研究的一个新的发展方向。

那么,以现在的加工制造技术来重新制造一个特斯拉涡轮机有难度吗?

作为一家致力于为汽车和汽车零部件产业提供精密模具、检具、焊装夹具、工装的设计和制造厂;能提供汽车冲压件的试制和批量生产;拥有从设计、生产、热处理、装配、调试、检测提供一站式服务的人才团队和10000平方(一期)厂房的制造生产装配能力;秉承专业的态度来拆解一下,用钛合金复刻一个特斯拉无叶片的涡轮机的制造过程。首先从特斯拉涡轮机外壳材料选择上来说,建议用钛合金。钛合金作为涡轮机外壳材料,能够在极端的温度、压力和腐蚀环境下提供卓越的性能表现,同时通过减轻重量和提高结构效率,为涡轮机的整体性能带来显著提升。

使用钛合金作为涡轮机外壳材料的优势主要体现在以下几个方面:1. 轻量化:钛合金的密度相对较低,比强度高,这意味着在保证结构强度的同时,可以减轻涡轮机的重量,这对于需要考虑整体重量的航空发动机尤其重要。2. 耐腐蚀性:钛合金具有优异的耐腐蚀性能,尤其是在氧化性、中性和弱还原性介质中,这使得它能够在恶劣的工作环境中保持结构完整性,延长使用寿命。3. 耐热性能:钛合金能够在高温环境下保持良好的机械性能,新型钛合金甚至可以在600℃或更高温度下长期使用,这对于涡轮机这种需要承受高温气体冲击的部件至关重要。4. 抗疲劳性:涡轮机在运行过程中会经历周期性的应力变化,钛合金的高抗疲劳性能能够确保其在长时间运转中不易发生断裂或损坏。5. 耐低温性能:某些钛合金在低温下仍然保持良好的韧性和延展性,这使得它们适用于低温环境下的涡轮机应用。6. 抗阻尼性能:钛合金具有较强的振动衰减能力,有助于减少涡轮机运行时的振动和噪音。7. 结构强度:钛合金的高强度特性使得涡轮机外壳能够承受高速旋转和高压气体带来的巨大应力。8. 设计灵活性:钛合金的可加工性使得设计师能够实现更复杂、更精细的几何形状,从而优化空气动力学性能和冷却效率。这一点上来说,我们有着丰富的加工经验。

无叶片涡轮机的原理是利用流体的边界层效应。当液体在一个固体表面上流动时,由于液体的粘性,会在表面附近形成一层速度逐渐变化的流体层,它就是边界层。在边界层内,流体的速度由靠近表面的0速度逐渐增加到与外部流体相同。边界层的厚度取决于流体的粘度和压力。 粘度越大压力越小,边界层越厚。边界层的存在使得流体在表面产生了剪切力。“剪切”是在一对相距很近,大小相同,指向相反的横向外力(即垂直于作用面的力)作用下,材料的横截面沿该外力作用方向发生的相对错动变形现象。能够使材料产生剪切变形的力称为剪力或剪切力。发生剪切变形的截面称为剪切面。判断是否“剪切”的关键是材料的横截面是否发生相对错动。也就是沿着表面方向的摩擦力。这种剪力可以使固体表面受到流体的牵引,从而产生动力。特斯拉涡轮机就是用这种剪力来驱动的。它的结构非常简单,由一组光滑的圆盘和一个外壳组成。圆盘之间有很小的间隙,外壳上有一个或者多个喷嘴 ,用来向圆盘的边缘喷射流体。喷嘴相当于动力的来源,作为进气口。当流体从喷嘴喷出时, 会形成一股高速气流,这个气流会沿着圆盘表面流动,并在圆盘的中心附近排出,这里就相当于出气口。由于流体的粘性它会形成一个边界层, 并对圆盘施加剪切力,使圆盘跟随气流旋转,圆盘之间间隙越小, 流体的漏失越少,所以圆盘的转速可以很高。圆盘的轴可以连接一个发动机或者其它装置,从而产生能量。 关于圆盘的制造,不管是从小到微米精度要求小圆环,还是大到直径一米五的大圆环,我们都有成熟的技术生产制造出来。金属薄片圆盘的加工制造过程中,自动化和精密控制技术的应用对于保证产品质量和生产效率至关重要。此外,对于特殊要求的圆盘,如超薄、高精度或是特殊材料的加工,可能还需要更加先进的技术和设备支持。我们有立车、卧加、龙门、五轴等高精密加工设备可以加工到0.1微米的精确度,制造出特斯拉涡轮机完全没有技术上难题。

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