涡轮机构

科技工作者之家  |   2020-11-17 18:13

流体机械(Turbomachinery,又译涡轮机构)是利用流体作为工作介质的一大类机械产品的通称。狭义上来理解,流体机械则专指流体叶轮机械,也称为透平机械,包括泵、风机和压缩机。

简介在机械工程领域中,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。1

历史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。1

叶片设计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。2

应用发电水电- 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。2

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。2

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。2

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。2

本词条内容贡献者为:

刘军 - 副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所