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渦輪機通過軸上連接的多個渦輪葉片，將工作流體的動能（以速度形式）和勢能（以壓力形式）轉換為旋轉動能，從而將氣體或液體的能量轉換為功率。葉片本質上是一個由流體的動量和壓力推動的杠桿，這個杠桿上的力會在軸周圍產生扭矩，從而產生機械能。該能量可被軸上連接的任何系統使用。

英文中的“turbine”一詞來自于拉丁語turbo，意思是“旋轉”。這種以貫流方式從流體中提取能量的方法，與內燃機（ICE）或蒸汽機等依靠活塞進行能量轉換的機器截然不同。通過渦輪機獲取能量的設備通常被歸類為渦輪機械。

幾千年來，人類一直在使用渦輪機推動工業創新，這可以追溯到石磨上連接的簡單的水車和風車。如今，我們可以使用渦輪機實現多種用途：將風力、水、壓縮空氣、蒸汽和加熱氣體中的能量轉化為電能；提高汽車發動機的效率；為飛機提供動力等等。渦輪機械行業致力于研究和改進渦輪機和渦輪機械的熱力學、流體力學特性和可靠性。

渦輪機的工作原理

所有渦輪機都有稱為葉片的纖薄結構，這些葉片連接到與軸相連的圓柱體上，流體會推動葉片或圍繞葉片流動。不過，渦輪機具有不同的分類，這具體取決于它們是從流體的動量中提取能量（沖動式渦輪機），還是借助流體的壓力（反動式渦輪機）獲得能量。

沖動式渦輪機

在沖動式渦輪機中，流體會撞擊一連串類似于槳葉或鏟斗的葉片。流體使葉片轉動時，其動能被轉化為機械能。這就會產生力，進而在軸上產生扭矩并使轉子旋轉。

水車是一種最早的沖動式渦輪機形式，其中水車輪上的槳葉被河流或運河的水流推動。在現代沖動式渦輪機中，噴嘴會產生高速的水流、蒸汽或壓縮空氣。與反動式渦輪機不同，沖動式渦輪機不需要外殼來引導流體。在沖動式渦輪機系統中，流體在離開噴嘴后，其壓力不會發生變化，但流體在撞擊渦輪葉片后，其流動方向通常會發生顯著變化。

反動式渦輪機

反動式渦輪機的工作原理是，流體通過一組葉片時發生膨脹，從而將壓力轉化為葉片上的力。其中，每個葉片都承受相同的載荷。反動式渦輪機可以由多組轉子（稱為“級”）組成，這些轉子根據其對應流動段的壓力條件進行了優化。

最常見的反動式渦輪機類型是用于噴氣式發動機的風力機和燃氣輪機。大多數蒸汽渦輪機和天然氣動力渦輪機都屬于反動式渦輪機。反動式渦輪機使用護罩或外殼來定位流體流經渦輪葉片的位置。當流體流經渦輪機時，反動式渦輪機中的流動會經歷明顯的壓力下降。

渦輪機中的關鍵組件

要了解渦輪機工作原理，一個好方法是查看每個關鍵組件的作用。

渦輪葉片

葉片是渦輪機最關鍵的組件，它們通過平臺（通常是圓盤）連接到軸上。渦輪葉片有時被稱為轉子葉片，其作用是將動量或壓降轉換為垂直作用于旋轉軸的力，從而在軸周圍產生扭矩。

渦輪葉片的形式可以很簡單，比如浸入流動水道、與流動方向呈垂直角度的扁平槳葉；它們也可以很復雜，比如渦輪增壓器中的徑流式渦輪機，其葉片呈螺旋形狀排列，以便將來自轉子圓周的流體向內轉換為與軸對齊的軸向流。一些葉片非常纖薄而細長，比如蒸汽渦輪機或風力機的葉片；還有一些葉片則更長而且相對較厚，比如燃氣輪機發動機的高壓葉片。

渦輪機轉子

渦輪葉片所連接的輪狀物、圓盤或鼓形結構被稱為渦輪機轉子。

軸

由渦輪葉片產生、由渦輪機轉子傳遞的機械功率，會被渦輪機的軸傳遞出去。軸通過高速軸承連接到靜態結構。多個渦輪機轉子可以連接到同一個軸上。通常，通過齒輪箱，軸可以連接到渦輪機驅動的任何系統上。

齒輪箱

軸的旋轉速度或扭矩可能與渦輪機的應用并不匹配。因此，渦輪機通常會配備齒輪箱，以提高或降低渦輪機的旋轉速度，并相反地降低或提高扭矩。

渦輪機轉子總成

渦輪機轉子總成是渦輪機的旋轉部分，由渦輪機轉子、軸和渦輪葉片組成。這三個組件可以通過各種機制進行拆分和組裝，也可以由一種材料整體制造而成。

旋轉組

旋轉組是一組以相同速度旋轉的渦輪機轉子總成。大多數燃氣輪機都有一個為壓縮機提供動力的多級高壓旋轉組，以及一個為推進風扇或動力軸提供動力的低壓旋轉組。在蒸汽渦輪機中，由于蒸汽能量會減少，因此會使用多級轉子葉片來提取壓力。

定子葉片

流體流入和流出渦輪機轉子總成的速度、大小和方向以及壓力，對于渦輪機性能至關重要。渦輪在轉子組件的上游和下游都使用固定葉片，來控制壓力、軸向速度和切向速度或渦流。這些不旋轉的葉片被稱為靜子葉片。

渦輪級

渦輪級是指單個轉子總成及其支撐靜態組件，包括與之配對的定子。許多渦輪機在渦輪段有多個級，且通常有兩個或多個渦輪段，而且每個段都針對特定的壓降進行了優化。

噴嘴

噴嘴將壓力轉換為速度，并以最佳角度將流體引導為柱狀流。在反動式渦輪機中，將壓力轉換為速度的葉片通常被稱為噴嘴。

軸承

軸承是任何渦輪機的一個關鍵組件，它使轉子總成能夠相對于系統的靜止部分旋轉。渦輪機的速度、溫度、工作環境和載荷決定了所需軸承的類型和尺寸。

護罩或渦輪機外殼

大多數反動式渦輪機都需要渦輪機轉子總成的外徑上有一個實心表面，以強制流體流經葉片。這個外殼被稱為護罩或渦輪機外殼，它通常屬于渦輪機的固定結構。如果是帶罩的渦輪機轉子，轉子總成的外徑會添加一圈材料。

入口

入口是流體進入渦輪機的區域。入口會采用特定形狀，以使渦輪機獲得最佳壓力和速度。入口處通常放置可移動的葉片或閥門，以控制流入渦輪機的流量。

出口

工作流體會通過出口離開渦輪機。工程師會優化出口的形狀，以提高性能。

靜態結構

這是渦輪機的非旋轉部件。靜態結構包含入口出口、底座、冷卻硬件、用于固定軸承的結構，以及用于保持渦輪機內部流動和防止異物進入流動的外殼。

儀表和控制系統

渦輪機的關鍵部分，是測量渦輪機物理屬性的機械與電子控制器和傳感器。它們通常是整個渦輪機控制系統的一部分，用于修改渦輪機的輸入，以獲得最佳的渦輪機效率、性能和安全性。

渦輪機類型及其應用

有許多不同的渦輪機分類方法，這些分類是基于將移動流體中的能量轉化為有用功的旋轉機械本身，而非整個渦輪機械系統或渦輪驅動的外部設備。

對渦輪機械中使用的渦輪機分類的一些常見標準/依據包括：

• 工作流體：渦輪機可以將水、風力、蒸汽、加熱氣體或壓縮空氣中的能量進行轉換。
• 流動方向：軸向流與軸對齊，切向流與軸垂直，而徑向流從外徑向內流向軸。一些渦輪機還涉及混合流，比如在入口處有徑向流，在出口處有軸向流。
• 速度或壓力能量提取：如上所述，沖動式渦輪機利用速度對葉片產生力，反動式渦輪機利用的是壓力。

渦輪機械的常見類型和應用

如果不定義渦輪機所驅動的機械的類型，很難進行進一步探討。以下列出了最常見的渦輪機械類型、所使用的工作流體的能量來源，以及每種渦輪機械的一些常見應用。

水力渦輪機或液力渦輪機

水力渦輪機或液力渦輪機，是最古老的渦輪機械類型。其工作流體是水，而且水的能量來源是重力。當用于水壩發電時，水力發電渦輪機通常采用混合流設計，其直接連接到水壩底部的發電機。發電是水力渦輪機最常見的應用。

蒸汽渦輪機

全球大多數發電廠都使用蒸汽渦輪機發電。對水進行加熱，會導致相變，從而獲取大量能量。這種熱能的來源通常是化石燃料的燃燒，但也可以來自核反應堆。還有一種發展中的方法，是利用可再生能源，即利用集中的太陽能，為大型發電廠的蒸汽渦輪機的水提供熱量。

風力機

人類制造了風車和后來的風力機，以利用風能替代人類和動物的勞動。大氣中的太陽能加熱是風力的能量來源。現代風能系統使用聚集在陸地或海上風電場上的大型、高效三葉片風力機。大多數大型風力機（如上圖所示）都是水平軸風力機，而較小的垂直軸風力機，有時會更多地用于城市環境中。雖然世界上的一些地區仍然使用風力來轉動磨坊和抽水，但發電已成為風力機目前的主要用途。

空氣渦輪機

高性能手動工具通常由壓縮空氣來直接驅動。能量通過活塞增加到空氣中，并存儲在壓力容器中。然后，由閥門釋放高壓空氣沖擊沖動式渦輪機，通常是佩爾頓輪（Pelton wheel），以產生極高的轉速。空氣渦輪機最常見的應用形式是牙科鉆頭。

燃氣輪機或渦輪發動機

燃氣輪機（即燃燒渦輪機），是渦輪機械的一大類，其使用燃燒室為氣體增加能量，然后通過渦輪機膨脹。提供推進力的渦輪機被稱為渦輪發動機。燃氣輪機通常還包括由渦輪段中的旋轉組驅動的壓縮機，以提高燃燒效率。對燃氣輪機的分類，是基于其使用的燃燒類型或功率輸出方式。

• 動力渦輪機：這些屬于燃氣輪機，通常由天然氣提供動力，并驅動發電機發電，以提供電力，而不是推進力。
• 渦輪增壓器：這種渦輪機從內燃機的燃燒中提取未使用的能量，為氣缸上游的壓縮機提供動力，從而使燃燒更充分。
• 渦噴發動機：渦輪噴氣式發動機僅依靠燃燒為飛機產生推力，并且具有單個旋轉組，就像渦輪增壓器一樣，用于驅動壓縮機，從而提高燃燒效率。
• 渦輪風扇發動機：渦輪風扇發動機有二級轉子，用于驅動大型風扇，這是一種高效的帶涵道風扇，是主要的推力來源。它們比渦輪噴氣式發動機更高效，并且是當今商用飛機推進系統的主要形式。
• 渦輪軸發動機：渦輪軸發動機不會產生推進力，而是產生扭矩來驅動飛機的螺旋槳、船舶的螺旋槳或陸地車輛的車輪。
• 渦輪泵：渦輪泵使用燃燒產生的熱氣體來驅動泵。最常見的渦輪泵，是用于液體燃料火箭發動機的燃料泵，或用于石油和天然氣開采的高流量泵。

利用仿真設計和改進渦輪機

從事渦輪機設計的工程師，會從不同方面來研究渦輪的定義與優化。人們過去會使用試錯法，然后是使用簡單的方程來開發早期渦輪機的葉片幾何結構、入口配置和轉子設計。但隨著對更高效、更低成本的渦輪機的需求不斷增長，工程師轉而采用先進的仿真來推動其設計。

與所有設計一樣，渦輪機設計需要在成本、效率、性能和可靠性之間進行平衡。對于飛機推進中使用的渦輪機，工程師還需要考慮重量這個因素。

流道設計

渦輪機的基本配置，是在流道設計階段確定的。性能工程師會在渦輪機所驅動的整個渦輪機械系統環境中，研究渦輪機的熱力學行為。他們可以使用2D貫流工具（如Ansys Vista TF渦輪機械設計軟件）來嘗試不同類型的流、級配置、定子選項以及入口和出口幾何結構。

葉片和定子設計

在定義了流道后，下一步就是設計屬于每個級的渦輪葉片和定子。被稱為矢量圖的基本計算，可以讓工程師進行初始估計。接下來，他們需要創建3D幾何結構，并使用通用計算流體力學（CFD）工具（如Ansys Fluent流體仿真軟件），或專用于渦輪機械的CFD平臺（如Ansys CFX軟件）。工程師使用此類工具來指導改進3D幾何結構，以便在多種工況下優化流體流動的能量提取。葉片設計是一個隨著時間的推移而不斷改進的迭代過程。

多級和瞬態組件設計

在完成葉片設計后，下一步是優化靜態和旋轉級的協同工作方式。工程師會調整每級的葉片和定子角度，使用渦輪機械專用工具（例如CFX軟件或Fluent軟件，這些工具可以對靜態和旋轉區域進行建模）的高級功能，來研究靜態和瞬態流動隨時間變化的情況。

結構和熱分析

設計渦輪機的旋轉部分和靜態部分具有挑戰而且十分復雜，因為渦輪在極端載荷條件下運行，并且這些高載荷具有周期性特性。此外，高溫給燃氣輪機和蒸汽渦輪機帶來了獨特的挑戰，渦輪機遇到的循環壓力和旋轉載荷引起的振動也是如此。大多數參與渦輪機設計的熱工程師和機械工程師都采用通用多物理場仿真工具，如Ansys Mechanical結構有限元分析（FEA）軟件，以捕獲渦輪機中每個組件和總成的靜態、動態和振動行為。這包括對軸承、二次冷卻、轉子動力學、輪盤應力、葉片應力、耐用性和熱應力進行仿真。工程師還可以將CFD工具（如CFX軟件）與結構程序（如Mechanical軟件）耦合，以了解流體和結構域之間的振動相互作用。

系統設計

在設計渦輪機時，工程師還需要結合其所在的整個系統來進行設計。在完成系統映射后，工程師會使用基于模型的系統工程（MBSE）工具（如Ansys ModelCenter軟件），確保在整個系統范圍內對每個組件進行優化。

如欲了解更多信息，敬請探索Ansys流體產品系列：https://www.ansys.com/zh-cn/products/fluids

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