渦輪機(jī)構(gòu)

最早的葉輪機(jī)械出現(xiàn)在工業(yè)革命之前，人類很早就會(huì)利用風(fēng)能和水能來(lái)為生產(chǎn)和生活提供便利，比如：風(fēng)車和水車。最早的水泵，利用大氣壓原理進(jìn)行抽水，通過(guò)不斷旋轉(zhuǎn)螺旋式的活塞，來(lái)抬高泵體內(nèi)的水位。進(jìn)入工業(yè)革命后，配備動(dòng)力裝置的風(fēng)機(jī)和水泵開(kāi)始廣泛應(yīng)用于工業(yè)和日產(chǎn)生活領(lǐng)域?，F(xiàn)在各種葉輪機(jī)械的能耗是十分巨大的，中國(guó)大陸每年的發(fā)電總量有45%左右消耗在了葉輪機(jī)械上。所以開(kāi)發(fā)高效率的葉輪機(jī)械產(chǎn)品，對(duì)于節(jié)約能源，保護(hù)資源具有非常重大的意義。

渦輪機(jī)構(gòu)發(fā)電

水電- 水電渦輪機(jī)械利用儲(chǔ)存在水中的潛在能量流過(guò)開(kāi)放的葉輪來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電機(jī)，從而產(chǎn)生電力

蒸汽輪機(jī)- 發(fā)電中使用的蒸汽輪機(jī)有許多不同的變化形式?？傮w原則是高壓蒸汽被壓在連接到軸上的葉片上，這將轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電機(jī)。當(dāng)蒸汽穿過(guò)渦輪機(jī)時(shí)，它穿過(guò)較小的葉片，使軸旋轉(zhuǎn)得更快，從而產(chǎn)生更多電力。

燃?xì)廨啓C(jī)- 燃?xì)廨啓C(jī)的工作方式與蒸汽輪機(jī)非常相似?？諝獗黄韧ㄟ^(guò)一系列轉(zhuǎn)動(dòng)軸的葉片。然后燃料與空氣混合并引起燃燒反應(yīng)，增加功率。這會(huì)導(dǎo)致軸旋轉(zhuǎn)得更快，從而產(chǎn)生更多的電力。

風(fēng)車- 也稱為風(fēng)力渦輪機(jī)，風(fēng)車因其有效利用風(fēng)力發(fā)電的能力而越來(lái)越受歡迎。雖然它們有多種形狀和大小，但最常見(jiàn)的是大三片式。葉片的工作原理與飛機(jī)機(jī)翼相同。當(dāng)風(fēng)越過(guò)葉片時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低壓和高壓區(qū)域，使葉片移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)軸并產(chǎn)生電力。它最像一臺(tái)蒸汽輪機(jī)，但是可以提供無(wú)限的風(fēng)力。

渦輪機(jī)構(gòu)海洋

蒸汽輪機(jī)- 海洋應(yīng)用中的蒸汽輪機(jī)與發(fā)電中的蒸汽輪機(jī)非常相似。它們之間的少數(shù)差異是尺寸和功率輸出。船上的蒸汽渦輪機(jī)要小得多，因?yàn)樗鼈儾恍枰獮檎麄€(gè)城鎮(zhèn)供電。它們不是很常見(jiàn)，因?yàn)樗鼈兊某跏汲杀靖撸剂舷牧扛?，而且配備昂貴的機(jī)器。

燃?xì)廨啓C(jī)- 由于其尺寸更小，效率更高以及燃燒清潔燃料的能力，海上應(yīng)用中的燃?xì)廨啓C(jī)越來(lái)越受歡迎。它們像燃?xì)廨啓C(jī)一樣運(yùn)行發(fā)電，但也小得多，需要更多的推進(jìn)裝置。它們?cè)诤＼娕炌е凶钍軞g迎，因?yàn)樗鼈兛梢栽趲追昼妰?nèi)完全停止動(dòng)力（Kayadelen，2013），并且對(duì)于給定的動(dòng)力量來(lái)說(shuō)它們要小得多?？諝馔ㄟ^(guò)渦輪增壓器和發(fā)動(dòng)機(jī)

水射流-基本上水射流驅(qū)動(dòng)就像飛機(jī)渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，不同之處在于工作液是水而不是空氣。水射流最適合于快速血管，因此經(jīng)常被軍方使用。與其他形式的船舶推進(jìn)裝置相比，噴水推進(jìn)裝置具有許多優(yōu)點(diǎn)，如尾驅(qū)動(dòng)裝置，舷外發(fā)動(dòng)機(jī)，軸式螺旋槳和表面驅(qū)動(dòng)裝置。

渦輪機(jī)構(gòu)增壓器

渦輪增壓器- 渦輪增壓器是最受歡迎的渦輪增壓器之一。它們主要用于通過(guò)增加更多空氣來(lái)為發(fā)動(dòng)機(jī)增加動(dòng)力。它結(jié)合了兩種形式的渦輪機(jī)械。發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣像一臺(tái)渦輪機(jī)一樣旋轉(zhuǎn)著一個(gè)葉輪。然后那個(gè)輪子旋轉(zhuǎn)另一個(gè)葉輪，吸入并壓縮外部空氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)。

增壓器- 增壓器也用于增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)功率，但只能處理壓縮原理。他們使用來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械動(dòng)力來(lái)旋轉(zhuǎn)螺釘或靜脈，某種方式吸入并壓縮空氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)。

渦輪機(jī)構(gòu)航空航天

燃?xì)廨啓C(jī)- 航空燃?xì)廨啓C(jī)或更常見(jiàn)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)是最普通的燃?xì)廨啓C(jī)。它們最像發(fā)電渦輪機(jī)，因?yàn)轱w機(jī)上使用的電力來(lái)自渦輪機(jī)，同時(shí)也提供推進(jìn)力。這些渦輪機(jī)是工業(yè)渦輪機(jī)中最小的，并且通常是最先進(jìn)的。

在機(jī)械工程領(lǐng)域中，渦輪機(jī)構(gòu)是一門學(xué)科，主要探討將存在于流體或是轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)件之能量的轉(zhuǎn)換機(jī)械裝置。換句話說(shuō)，任何機(jī)械裝置，只要可以擷取流體之動(dòng)能、位能或內(nèi)能變成機(jī)械能，或是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成流體之動(dòng)能、位能或內(nèi)能的裝置，就是渦輪機(jī)構(gòu)。渦輪機(jī)構(gòu)包含渦輪機(jī)及壓縮機(jī)，在渦輪機(jī)中，流體對(duì)機(jī)械作功；而壓縮機(jī)則是機(jī)械對(duì)流體做功。對(duì)于可壓縮流體，這兩種機(jī)械裝置都建立于兩個(gè)基礎(chǔ)原理之上，其為牛頓第二定律和歐拉能量方程。同時(shí)也是熱力學(xué)及流體力學(xué)的應(yīng)用。

無(wú)論是渦輪機(jī)還是壓縮機(jī)，離心式或是軸式，渦輪葉片設(shè)計(jì)將是一大重點(diǎn)。無(wú)論葉片翼型的選擇，進(jìn)氣(液)角、排氣(液)角，葉片的數(shù)目都會(huì)影響該機(jī)械之性能及熱效率。為避免共振，工程師大都會(huì)把葉片的數(shù)目設(shè)定在素?cái)?shù)。

渦輪鉆主要部件是渦輪，每一級(jí)渦輪由一個(gè)定子和一個(gè)轉(zhuǎn)子組成 。渦輪一般由鑄鋼或尼龍制造，渦輪上具有很多彎曲的葉片，定子和轉(zhuǎn)子的葉片形狀基本一樣，只是葉片的彎曲方向相反。由于一級(jí)渦輪所能輸出的功率太小，因此渦輪鉆具通常都是由成百級(jí)結(jié)構(gòu)完全相同的渦輪串聯(lián)組合而成。為了承受較大的軸向負(fù)荷，內(nèi)部裝有止推軸承。此外，在主軸的三分之一和三分之二處設(shè)置兩個(gè)中間軸承，起扶正主軸的作用。用渦輪鉆進(jìn)行取心鉆探時(shí)，在驅(qū)動(dòng)軸和鉆頭間，要加接巖心管。標(biāo)志渦輪鉆性能特點(diǎn)的基本參數(shù)是扭矩、轉(zhuǎn)速、輸出功率、流量、壓力降和效率。其中扭矩、轉(zhuǎn)速、輸出功率是體現(xiàn)渦輪鉆具做功的能力和特點(diǎn)的最重要的參數(shù)。流量、壓力降、輸入功率是合理使用渦輪鉆具，使其在高效率情況下工作，保證快速鉆進(jìn)的重要條件。渦輪鉆鉆探時(shí)，要充分利用泵的功率，采用大排量、高泵壓；根據(jù)巖層的軟硬，合理選擇鉆壓，使用良好鉆頭，防止井斜，對(duì)工作介質(zhì)做好凈化工作 。

為了克服普通渦輪鉆具存在的缺點(diǎn)，已研制出多節(jié)渦輪鉆具，低速大扭矩渦輪鉆具，帶減速器的渦輪鉆具和外殼旋轉(zhuǎn)的渦輪鉆具等多種新型渦輪鉆具。改進(jìn)密封軸承結(jié)構(gòu)及研制超深孔鉆探用的新型渦輪鉆具，是今后一項(xiàng)重要課題。2100433B

目前主要的渦輪增壓技術(shù)有混流式渦輪增壓技術(shù)、可變渦輪增壓技術(shù)、兩級(jí)渦輪增壓技術(shù)、電輔助渦輪增壓技術(shù)。

渦輪增壓（1）混流式渦輪增壓技術(shù)

混流式渦輪也稱斜流式渦輪，是一種介于徑流式渦輪和軸流式渦輪的一種中間形式。如圖2所示，由于葉片進(jìn)口傾斜，使得氣流能很好地適應(yīng)葉型的變化而平緩地過(guò)渡至軸向，并且可以有效地防止葉輪出口外徑增大帶來(lái)的輪緣處氣流脫離現(xiàn)象，使葉輪的內(nèi)部流場(chǎng)大為改善，與同樣輪徑的徑流式渦輪相比，流通能力增加約40%，可以滿足渦輪增壓器向高速、大容量變化發(fā)展要求。世界各國(guó)最新車用增壓器產(chǎn)品上，已采用大容量混流式渦輪和寬流量范圍的前傾后彎壓氣機(jī)來(lái)獲得高效率的增壓器性能。

渦輪增壓（2）可變截面渦輪增壓技術(shù)

渦輪流通部分起作用的共有三處截面，即渦輪進(jìn)氣截面、蝸殼出口環(huán)形截面以及葉輪出口截面。其中葉輪出口截面處調(diào)節(jié)因?qū)崿F(xiàn)起來(lái)較為復(fù)雜且易造成較大損失，調(diào)節(jié)效果不如前兩者，故一般不予考慮?；诖丝勺儨u輪增壓器有兩種結(jié)構(gòu)，即可動(dòng)舌片增壓結(jié)構(gòu)和可變噴嘴增壓結(jié)構(gòu)。對(duì)于無(wú)葉徑流式渦輪機(jī)，采用可動(dòng)舌片增壓結(jié)構(gòu)。如圖3所示，在渦輪進(jìn)氣截面后加擺動(dòng)舌片，通過(guò)舌片的擺動(dòng)，改變蝸殼的面徑比A/R值，對(duì)進(jìn)氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)。在發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)，減小A/R值，提高渦輪轉(zhuǎn)速，增加進(jìn)氣壓力；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，增加A/R值，提高進(jìn)氣量，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出?？蓜?dòng)舌片增壓結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，但由于流動(dòng)損失較大且調(diào)節(jié)范圍有一定限制，增壓器總效率低。

對(duì)于有葉徑流式渦輪機(jī)，采用可變噴嘴增壓結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)主要適用于在大排量重型車用渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。如圖4所示，渦輪外圍的葉片就是可變噴嘴葉片，在發(fā)動(dòng)機(jī)低速或怠速時(shí)，噴嘴葉片關(guān)閉或開(kāi)度很小，增加進(jìn)氣壓力，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩和響應(yīng)性；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，噴嘴葉片全開(kāi)或開(kāi)度加大，提高進(jìn)氣量，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出。但可變噴嘴渦輪增壓器仍不能徹底消除渦輪遲滯問(wèn)題，在設(shè)計(jì)和制造上難度較大，生產(chǎn)成本高。

渦輪增壓（3）二級(jí)渦輪增壓技術(shù)

二級(jí)渦輪增壓技術(shù)，就是在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中采用兩個(gè)相互獨(dú)立的渦輪增壓器，實(shí)現(xiàn)增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)在更大工況范圍的良好匹配的一種技術(shù)。如圖5所式該渦輪增壓系統(tǒng)由一大一小兩個(gè)渦輪增壓器串聯(lián)搭配而成。在發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)，只有一個(gè)質(zhì)量小的渦輪增壓器工作，這時(shí)較少的排氣即可驅(qū)動(dòng)這只渦輪高速旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生足夠的進(jìn)氣壓力，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩和渦輪遲滯問(wèn)題。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，質(zhì)量大的渦輪增壓器開(kāi)始介人工作，提高進(jìn)氣量，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出。

二級(jí)渦輪增壓技術(shù)在提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和加速性的同時(shí)，可以改善渦輪遲滯現(xiàn)象，但與單級(jí)系統(tǒng)相比，在部分負(fù)荷時(shí)采用二級(jí)增壓系統(tǒng)增壓比下降快，使得發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷性能惡化。此外，二級(jí)渦輪增壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本較高。

渦輪增壓（4）電輔助渦輪增壓技術(shù)

如圖6所示，電輔助渦輪增壓系統(tǒng)主要增加了電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)、電路控制單元、電池、高功率逆變電源和一些傳感器。其中，電控單元和電池可與發(fā)動(dòng)機(jī)共用。在發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)，電控單元發(fā)出控制信號(hào)，電機(jī)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)工作，電池中儲(chǔ)存的電能轉(zhuǎn)化為壓氣機(jī)的動(dòng)能，增壓進(jìn)氣壓力，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的加速性和低速轉(zhuǎn)矩問(wèn)題。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升到一定程度，壓氣機(jī)能夠提供足夠的空氣時(shí)，電機(jī)就可以關(guān)閉或脫開(kāi)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在高速大負(fù)荷工況時(shí)，電控單元發(fā)出控制信號(hào)起動(dòng)發(fā)電機(jī)，回收渦輪能量中的一部分，通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在蓄電池中心。電輔助技術(shù)改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩和渦輪遲滯問(wèn)題，降低了燃油消耗率，擴(kuò)大了發(fā)動(dòng)機(jī)的高效、經(jīng)濟(jì)區(qū)域。但由于輔助電機(jī)加人使得轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增加，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和增壓器軸提出了很高的要求。