涡轮机构

最早的叶轮机械出现在工业革命之前，人类很早就会利用风能和水能来为生产和生活提供便利，比如：风车和水车。最早的水泵，利用大气压原理进行抽水，通过不断旋转螺旋式的活塞，来抬高泵体内的水位。进入工业革命后，配备动力装置的风机和水泵开始广泛应用于工业和日产生活领域。现在各种叶轮机械的能耗是十分巨大的，中国大陆每年的发电总量有45%左右消耗在了叶轮机械上。所以开发高效率的叶轮机械产品，对于节约能源，保护资源具有非常重大的意义。

涡轮机构发电

水电- 水电涡轮机械利用储存在水中的潜在能量流过开放的叶轮来转动发电机，从而产生电力

蒸汽轮机- 发电中使用的蒸汽轮机有许多不同的变化形式。总体原则是高压蒸汽被压在连接到轴上的叶片上，这将转动发电机。当蒸汽穿过涡轮机时，它穿过较小的叶片，使轴旋转得更快，从而产生更多电力。

燃气轮机- 燃气轮机的工作方式与蒸汽轮机非常相似。空气被迫通过一系列转动轴的叶片。然后燃料与空气混合并引起燃烧反应，增加功率。这会导致轴旋转得更快，从而产生更多的电力。

风车- 也称为风力涡轮机，风车因其有效利用风力发电的能力而越来越受欢迎。虽然它们有多种形状和大小，但最常见的是大三片式。叶片的工作原理与飞机机翼相同。当风越过叶片时，它会产生一个低压和高压区域，使叶片移动，旋转轴并产生电力。它最像一台蒸汽轮机，但是可以提供无限的风力。

涡轮机构海洋

蒸汽轮机- 海洋应用中的蒸汽轮机与发电中的蒸汽轮机非常相似。它们之间的少数差异是尺寸和功率输出。船上的蒸汽涡轮机要小得多，因为它们不需要为整个城镇供电。它们不是很常见，因为它们的初始成本高，燃料消耗量高，而且配备昂贵的机器。

燃气轮机- 由于其尺寸更小，效率更高以及燃烧清洁燃料的能力，海上应用中的燃气轮机越来越受欢迎。它们像燃气轮机一样运行发电，但也小得多，需要更多的推进装置。它们在海军舰艇中最受欢迎，因为它们可以在几分钟内完全停止动力（Kayadelen，2013），并且对于给定的动力量来说它们要小得多。空气通过涡轮增压器和发动机

水射流-基本上水射流驱动就像飞机涡轮喷气发动机，不同之处在于工作液是水而不是空气。水射流最适合于快速血管，因此经常被军方使用。与其他形式的船舶推进装置相比，喷水推进装置具有许多优点，如尾驱动装置，舷外发动机，轴式螺旋桨和表面驱动装置。

涡轮机构增压器

涡轮增压器- 涡轮增压器是最受欢迎的涡轮增压器之一。它们主要用于通过增加更多空气来为发动机增加动力。它结合了两种形式的涡轮机械。发动机排出的废气像一台涡轮机一样旋转着一个叶轮。然后那个轮子旋转另一个叶轮，吸入并压缩外部空气进入发动机。

增压器- 增压器也用于增强发动机功率，但只能处理压缩原理。他们使用来自发动机的机械动力来旋转螺钉或静脉，某种方式吸入并压缩空气进入发动机。

涡轮机构航空航天

燃气轮机- 航空燃气轮机或更常见的喷气发动机是最普通的燃气轮机。它们最像发电涡轮机，因为飞机上使用的电力来自涡轮机，同时也提供推进力。这些涡轮机是工业涡轮机中最小的，并且通常是最先进的。

在机械工程领域中，涡轮机构是一门学科，主要探讨将存在于流体或是转动机件之能量的转换机械装置。换句话说，任何机械装置，只要可以撷取流体之动能、位能或内能变成机械能，或是将机械能转换成流体之动能、位能或内能的装置，就是涡轮机构。涡轮机构包含涡轮机及压缩机，在涡轮机中，流体对机械作功；而压缩机则是机械对流体做功。对于可压缩流体，这两种机械装置都建立于两个基础原理之上，其为牛顿第二定律和欧拉能量方程。同时也是热力学及流体力学的应用。

无论是涡轮机还是压缩机，离心式或是轴式，涡轮叶片设计将是一大重点。无论叶片翼型的选择，进气(液)角、排气(液)角，叶片的数目都会影响该机械之性能及热效率。为避免共振，工程师大都会把叶片的数目设定在素数。

涡轮钻主要部件是涡轮，每一级涡轮由一个定子和一个转子组成 。涡轮一般由铸钢或尼龙制造，涡轮上具有很多弯曲的叶片，定子和转子的叶片形状基本一样，只是叶片的弯曲方向相反。由于一级涡轮所能输出的功率太小，因此涡轮钻具通常都是由成百级结构完全相同的涡轮串联组合而成。为了承受较大的轴向负荷，内部装有止推轴承。此外，在主轴的三分之一和三分之二处设置两个中间轴承，起扶正主轴的作用。用涡轮钻进行取心钻探时，在驱动轴和钻头间，要加接岩心管。标志涡轮钻性能特点的基本参数是扭矩、转速、输出功率、流量、压力降和效率。其中扭矩、转速、输出功率是体现涡轮钻具做功的能力和特点的最重要的参数。流量、压力降、输入功率是合理使用涡轮钻具，使其在高效率情况下工作，保证快速钻进的重要条件。涡轮钻钻探时，要充分利用泵的功率，采用大排量、高泵压；根据岩层的软硬，合理选择钻压，使用良好钻头，防止井斜，对工作介质做好净化工作 。

为了克服普通涡轮钻具存在的缺点，已研制出多节涡轮钻具，低速大扭矩涡轮钻具，带减速器的涡轮钻具和外壳旋转的涡轮钻具等多种新型涡轮钻具。改进密封轴承结构及研制超深孔钻探用的新型涡轮钻具，是今后一项重要课题。2100433B

目前主要的涡轮增压技术有混流式涡轮增压技术、可变涡轮增压技术、两级涡轮增压技术、电辅助涡轮增压技术。

涡轮增压（1）混流式涡轮增压技术

混流式涡轮也称斜流式涡轮，是一种介于径流式涡轮和轴流式涡轮的一种中间形式。如图2所示，由于叶片进口倾斜，使得气流能很好地适应叶型的变化而平缓地过渡至轴向，并且可以有效地防止叶轮出口外径增大带来的轮缘处气流脱离现象，使叶轮的内部流场大为改善，与同样轮径的径流式涡轮相比，流通能力增加约40%，可以满足涡轮增压器向高速、大容量变化发展要求。世界各国最新车用增压器产品上，已采用大容量混流式涡轮和宽流量范围的前倾后弯压气机来获得高效率的增压器性能。

涡轮增压（2）可变截面涡轮增压技术

涡轮流通部分起作用的共有三处截面，即涡轮进气截面、蜗壳出口环形截面以及叶轮出口截面。其中叶轮出口截面处调节因实现起来较为复杂且易造成较大损失，调节效果不如前两者，故一般不予考虑。基于此可变涡轮增压器有两种结构，即可动舌片增压结构和可变喷嘴增压结构。对于无叶径流式涡轮机，采用可动舌片增压结构。如图3所示，在涡轮进气截面后加摆动舌片，通过舌片的摆动，改变蜗壳的面径比A/R值，对进气量进行调节。在发动机低速时，减小A/R值，提高涡轮转速，增加进气压力；当发动机转速较高时，增加A/R值，提高进气量，保证发动机的动力输出。可动舌片增压结构简单，调节方便，易实现自动控制，但由于流动损失较大且调节范围有一定限制，增压器总效率低。

对于有叶径流式涡轮机，采用可变喷嘴增压结构。此结构主要适用于在大排量重型车用涡轮增压发动机。如图4所示，涡轮外围的叶片就是可变喷嘴叶片，在发动机低速或怠速时，喷嘴叶片关闭或开度很小，增加进气压力，从而提高发动机的低速转矩和响应性；当发动机转速较高时，喷嘴叶片全开或开度加大，提高进气量，保证发动机的动力输出。但可变喷嘴涡轮增压器仍不能彻底消除涡轮迟滞问题，在设计和制造上难度较大，生产成本高。

涡轮增压（3）二级涡轮增压技术

二级涡轮增压技术，就是在发动机进气系统中采用两个相互独立的涡轮增压器，实现增压器与发动机在更大工况范围的良好匹配的一种技术。如图5所式该涡轮增压系统由一大一小两个涡轮增压器串联搭配而成。在发动机低速时，只有一个质量小的涡轮增压器工作，这时较少的排气即可驱动这只涡轮高速旋转以产生足够的进气压力，改善发动机的低速转矩和涡轮迟滞问题。当发动机转速较高时，质量大的涡轮增压器开始介人工作，提高进气量，保证发动机的动力输出。

二级涡轮增压技术在提高发动机动力性和加速性的同时，可以改善涡轮迟滞现象，但与单级系统相比，在部分负荷时采用二级增压系统增压比下降快，使得发动机低负荷性能恶化。此外，二级涡轮增压器结构复杂，制造成本较高。

涡轮增压（4）电辅助涡轮增压技术

如图6所示，电辅助涡轮增压系统主要增加了电动机/发电机、电路控制单元、电池、高功率逆变电源和一些传感器。其中，电控单元和电池可与发动机共用。在发动机低速时，电控单元发出控制信号，电机启动驱动压气机工作，电池中储存的电能转化为压气机的动能，增压进气压力，改善发动机的加速性和低速转矩问题。当发动机转速上升到一定程度，压气机能够提供足够的空气时，电机就可以关闭或脱开。当发动机在高速大负荷工况时，电控单元发出控制信号起动发电机，回收涡轮能量中的一部分，通过发电机转化为电能储存在蓄电池中心。电辅助技术改善了发动机的低速转矩和涡轮迟滞问题，降低了燃油消耗率，扩大了发动机的高效、经济区域。但由于辅助电机加人使得转动惯量增加，对电机转子结构和增压器轴提出了很高的要求。