0 引 言
在航天与空间探索中，能源问题是阻碍太空旅行的重要问题之一。随着深空探测等重大航天任务的发展，对于不依赖太阳能的高效空间电源的需求越发迫切。空间非太阳能热电电源成为载人登月、火星登陆等深空探测任务的重要选择[1]，而空间热源小型微型发电技术提供了一种有效的替代方案，能够避开对太阳能热电电源的依赖。
目前，利用空间热源进行热电转换仍然需要使用以改良卡诺循环为核心的小型微型发电系统。其中，微型膨胀机在小型微型发电系统中扮演着重要的角色，微型膨胀机能够有效地将热能转换为机械能，进而驱动发电机产生电能。微型膨胀机有着高效能量转换能力，灵活使用多种热源，尺寸紧凑，环保节能等优点。
特斯拉涡轮是一种微型膨胀机，在小型微型发电领域展现出巨大的潜力[2]，尤其是在小规模有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，ORC）中的应用得到广泛关注。这种径向膨胀机的特点是没有传统的转子叶片，取而代之的是多个平行的平盘，其中由一个小间隙将转子盘与相关的定子部件隔开。运行时，流体受黏滞力影响，在平盘边缘形成一层很薄的边界层，在边界层内，圆盘表面的流体的流速为0，离表面越远，速度越大。这使得高速运动的流体可以带动圆盘组转动。高温高压的工质气体由切向进口进入特斯拉涡轮，带动叶片圆盘组转动做功，做功后的废气通过轴向出口排出涡轮。
目前，对于特斯拉涡轮的模拟研究，主要涉及建模方法研究[3–5]、叶片设计[6-7]、喷嘴设计[8-9]、有机工质模拟[10-11]及整体循环模拟[12]等。而实验方面，Traum等[13]通过使用3D打印的4盘微型特斯拉涡轮机的结果与别人预测特斯拉涡轮功率的文献相互验证，发现动态测法预测的最大功率输出为0.122±0.008 W，相差36.9%；Thomazoni等[14]建造了一个实验性的小型空气驱动特斯拉涡轮机。设计实验以了解所选自变量对涡轮机输出功率和机械效率的影响。实验结果表明，当入口压力增加1 bar时，效率平均提高5%，实验涡轮机最大效率在14.2%±0.4%。文献综述表明，模拟工作报告的平均效率为40%~60%，而实验文章报告的最大效率平均为20%；Lorenzo等[15]进行了以R1233zd（E）为工质的特斯拉涡轮ORC实验，实现了9.62%的最大轴效率和30%的最大绝热效率。
综上所述，目前对于特斯拉涡轮的研究，以模拟研究为主，实验研究较少，而在实验研究中，压缩空气实验较多。仅有的一些把特斯拉涡轮放入循环中的实验表明，其等熵绝热效率和轴效率均较低，与模拟研究中提供的数据相去甚远。
为了探究特斯拉涡轮所能达到的最大效率、流量及转速等对特斯拉涡轮性能的影响，本文以R245fa为循环工质，将特斯拉涡轮放入ORC中进行实验研究，在1.4 MPa以下的压力条件下，对特斯拉涡轮在不同的中低温热源温度、流量和负载下的性能进行了试验测试，以得到特斯拉涡轮负载电流、涡轮转速、功率及效率之间的规律，为特斯拉涡轮未来的研究和应用提供实验依据。
值得注意的是，作为预计应用于空间环境的发电设备，特斯拉涡轮在微重力条件下的工作特性值得特别关注。微重力环境会显著影响工质的流动特性，主要表现在以下几个方面：首先，重力对流的减弱会改变工质在管路中的分布状态，特别是在两相流动区域[16]；此外，微重力条件下的气液分离也将面临新的挑战，这可能影响系统的整体稳定性。因此，地面实验研究需要考虑这些天地差异，为后续的空间应用积累必要的基础数据。
1 特斯拉涡轮介绍
实验用特斯拉涡轮是一种小型的，铝制的小型轻便设备，特斯拉涡轮还配有配套的整流变压器和发电机。为了提高特斯拉涡轮的密封性，防止工质在高压下漏出，实验用特斯拉涡轮配合聚四氟垫片使用了法兰结构夹紧。图1 展示了本文测验的特斯拉涡轮，其中图1 （a）为涡轮主体零件，图1 （b）为相应配件。在图1 （a）中，A为特斯拉涡轮的齿轮，用于连接转轴和皮带轮；B为法兰前板；G为法兰后板；C为涡轮前盖（带轴承）；D为转子圆盘和转轴；E为聚四氟垫片；F为特斯拉涡轮后盖。在图1 （b）中，H为整体支架；I为配套发电机及变压器模块，用于给涡轮带动发电及输出直流电；J为电路连接线，用于连接功率计。
特斯拉涡轮装配后的效果如图2 所示。在图2 中，特斯拉涡轮的齿轮和发电机的齿轮使用皮带轮连接，并且在工质进口和出口的位置进行了相应的标注。
2 实验设计
2.1 系统和试验台
实验将特斯拉涡轮放入完整的ORC中进行测试，其实验系统结构如图3 所示。实验系统分为热源循环（红色线条）、冷源流程（蓝色线条）、主体ORC循环（绿色线条）和数采系统（黑色线条）。其中为了防止加热过程中液态工质进入涡轮，ORC系统增设一条工质旁路。图3 中，a为待测试的特斯拉涡轮，用于被工质推动旋转带动发电机发电；b为主体ORC的冷凝器，用于冷凝做功后的乏汽；c为工质储液罐，用于储存冷却后的液态工质和稳定压力；d为工质泵，用于为工质加压；e为流量计，用于测量系统的液体流量；f为主体ORC的蒸发器，用于接受热源的热量加热蒸发液体工质；g为发电机，用于接收涡轮的机械能发电；h为旁路的开关阀，用于切换旁路的开闭；i为热源循环的泵，用于输送导热油；j为热源集成设备，用于加热和储存导热油；k为储水箱，用于储存冷凝水；l为水泵，用于抽送冷凝水；m为排水槽，用于排放使用后的冷凝水；n为功率计，用于调节功率参数及记录发电相关数据；o为温度变送器，用于测量并记录系统中的温度数据；p为压力变送器，用于测量并记录系统中的压力数据；q为数采设备与计算机，用于接收、储存和处理测量数据。
实验台实物连接如图4 所示。实验开始时，首先启动热源循环的油泵i和加热装置j。油温上升到一定程度后，打开循环工质泵d和冷凝水泵l。此时，h阀开，r和s阀关，系统内工质经旁路循环。待ORC内工质出蒸发器f为过热蒸汽，关闭阀h，打开r和s阀，冲转涡轮。待系统稳定后，可以调节热源加热器j的设定温度、工质泵d设定转速以改变ORC系统的工况；还可以调节功率计n的参数来影响系统的工况。功率计及温度压力传感器的数据由数采系统q进行收集分析。
2.2 微重力环境影响分析
考虑到特斯拉涡轮未来在空间环境中的应用前景，本文实验在设计时特别关注了以下2个可能受微重力影响的关键环节：
（1）工质分布。在地面试验中，重力会导致液态工质自然积聚在管路底部。为了模拟微重力环境下更均匀的工质分布，本实验采用了较高的工质流速，使惯性力远大于重力的影响。
（2）气液分离。为应对微重力环境下气液分离的困难，本文实验系统在冷凝器和储液罐的设计中预留了特殊结构接口，可用于后续添加表面张力型气液分离装置[17]。
这些设计考虑为后续开展空间应用研究奠定了基础。同时，本实验获得的地面数据也可作为验证数值模拟的重要参考，帮助预测和优化特斯拉涡轮在微重力环境下的性能。
2.3 技术指标和公式
本文实验可以直接测得系统的发电功率、温度、压力、转速及流量等数据。焓可以通过REFPROP软件依据对应点处的温度和压力数据计算得到。
本文关注的技术指标主要有特斯拉涡轮的转速、系统的实际发电功率、特斯拉涡轮的等熵效率及轴效率。其中，特斯拉涡轮的转速及系统的实际发电功率可以由转速仪和功率计直接测得；特斯拉涡轮的等熵效率ηis可以计算为：
式中，h1为工质在特斯拉涡轮进口处的焓，h2a为工质在特斯拉涡轮出口处的焓，h2为工质在特斯拉涡轮进口处的理想焓。
在工质的能量传递给特斯拉涡轮再传递给发电机发电的过程中，将特斯拉涡轮和其配套发电机看作一个整体，用轴效率ηsh度量除了特斯拉涡轮不可逆损失以外的其他损失程度，计算表达式为：
式中，mwf为工质的质量流量，Welc为实际发电功率（功率计接收功率）。本文实验的主要设计参数见表1 。
表 1 实验主要设计参数Table 1 Main design parameters of the experiments |
| 参数名称 | 数值 |
| 热源温度/℃ | 90~120 |
| 环境温度/℃ | 26.1 |
| 涡轮入口压力/kPa | 740~ |
| 涡轮出口压力/kPa | 201~380 |
| 工质泵转速/r·min−1 | 750~ |
| 负载电流/A | 0.4~1.9 |
| 冷凝水温度/℃ | 26.1~27.4 |
3 实验结果
特斯拉涡轮在不同泵转速/温度下叶片转速（以下简称“转速”）与负载电流的关系如图5 所示。由图可知，特斯拉涡轮的转速随负载电流的增大而减小；在相同热源温度和负载电流下，泵转速越大，涡轮转速越大。稳定运行时，涡轮的最低转速为7240 r/min，此时热源温度90℃，泵转速810 r/min，负载电流1.2 A；涡轮的最高转速为14965 r/min，此时热源温度120℃，泵转速1170 r/min，负载电流1.0 A。这可能是由于更大的负载电流带来了更大的负载扭矩，阻碍了涡轮叶片的转动。
在不同热源泵转速/热源温度条件下，发电功率与特斯拉涡轮转速的关系如图6 所示。可以看出，在相同的热源温度和泵转速下，系统的发电功率随特斯拉涡轮转速的增大呈现先上升后下降的趋势。在相同的热源温度和涡轮转速条件下，更高的泵转速通常会带来更高的系统发电功率。值得注意的是，最大功率出现在热源温度为110℃、1170 r/min的泵转速工况下，此时发电功率约为31 W，涡轮转速为12290 r/min；而在120℃热源温度下，尽管涡轮转速相近，但系统发电功率并未达到更高水平。
在系统温度稳定运行的情况下，当热源温度保持不变时，通过调节泵的转速，由于泵的运输能力发生变化，系统中工质的流量也会发生相应改变。在相同的热源温度和工质流量条件下，通过调整负载电流，可以获得不同的工况点。取各个流量下所有工况点中特斯拉涡轮等熵效率和轴效率的最大值，如图7 所示。图7 为在不同温度条件下，特斯拉涡轮能达到的最大等熵效率、最大的轴效率及达到最大等熵效率时对应工况点的轴效率三个量随流量变化的趋势。由图7 可知，特斯拉涡轮在达到最大效率等熵效率的工况下，其轴效率始终低于该流量下所能达到的最大轴效率。换言之，特斯拉涡轮的等熵效率和轴效率分别在不同的工况点达到各自的最大值。其中，最大特斯拉涡轮等熵效率可达62.28%，对应的工况轴效率为16.80%；而最大轴效率可高达98.35%，此时对应的流量仅为约0.019 m3/h，属于小流量工况。显然，在热源温度相同的条件下，最大轴效率会随着流量的增加而降低，而特斯拉涡轮的等熵效率并不遵循同样变化规律。这解释了图6 中功率随涡轮转速增加先升后降的现象——最大功率受特斯拉等熵效率和轴效率的共同影响。因此它只会出现在这两个参数都处于合适的某个流量和负载电流下，此时涡轮的转速不是最大值或最小值。
可见，阻碍特斯拉涡轮功率提高的一个重要原因是其等熵效率和轴效率不能同时达到较大的水平。换言之，通过改进特斯拉涡轮与其发电机的配合，或尝试采用更适配的发电机，可以有效提升系统的发电量。
4 结 语
为了探究用于空间小微型发电的核心膨胀设备——特斯拉涡轮的主要参数对其性能的影响，本研究对特斯拉涡轮在不同中低温热源温度、流量和负载下的性能进行了试验测试。得到的主要结果如下：
（1）在保持其他条件不变的情况下，随着涡轮的转速从最低提升到最高，会存在一个特定的转速点，使发电功率达到最大值；实验结果显示，该最大功率约为31W。
（2）最大特斯拉涡轮等熵效率可以达到62.28%，而最大轴效率可以达到98.35%。
（3）由于与发电机的配合存在问题，特斯拉涡轮的等熵效率和轴效率无法同时达到最高水平，这限制了特斯拉涡轮功率的提升。
（4）实验设计充分考虑了微重力环境对工质分布、流动特性和气液分离的潜在影响，为特斯拉涡轮在空间应用中的研究提供了重要的地面实验数据支持。
建议后续进一步开展短时微重力实验，以验证本文所提方法在失重环境下的适用性。