什麼是渦輪？

渦輪透過連接在軸上的多個渦輪葉片，將工作流體的動能 (以速度形式) 和位能 (以壓力形式)，轉換為旋轉動能，從而將氣體或液體中的能量轉換為動力。葉片實質上是一種由流體的動量與壓力推動的槓桿，槓桿上的作用力會在軸周圍形成扭矩，進而產生機械能。這些能量接著可由連接至該軸上的任何系統使用。

「渦輪」一詞來自拉丁文 turbo，意思是「旋轉」。這種從流體提取能量的貫流方式，與內燃機 (ICE) 或蒸氣引擎等活塞式能量擷取機械形成對比。利用渦輪擷取能量的裝置，通常歸類為渦輪機械。

人類自古以來就利用渦輪推動工業創新，最早可追溯至簡單的連接石磨水輪和風車。如今，我們利用渦輪從風、水、壓縮空氣、蒸氣與加熱氣體擷取能源，然後用於發電、提升汽車引擎效率、成為飛機動力等多種應用。渦輪機械產業致力於瞭解並提升渦輪及渦輪機械在熱力學、流體動力學與穩健性方面的表現。

所有渦輪都有稱為葉片的薄層結構物，流體會推動這些結構物，或在這些結構物周圍流動，葉片則連接至與軸相連的圓柱體上。不過，渦輪依提取能源的方式而有不同分類，從流體動量提取能源為衝擊式渦輪，利用流體壓力則為反動式渦輪。 

衝擊式渦輪

在衝擊式渦輪，流體噴流會撞擊一系列類似槳或水桶的葉片。當流體推動葉片時，其動能會轉換為機械能。這會產生作用力，並在軸上產生扭矩，進而帶動轉子旋轉。

最早出現的衝擊式渦輪形式為水車，其槳葉由河流或運河的水流推動。在現代衝擊式渦輪中，噴嘴會形成高速水流、蒸氣或壓縮空氣流。不同於反動式渦輪，衝擊式渦輪無須外殼引導流體。衝擊式渦輪系統的流體在離開噴嘴後，其壓力不會改變，而且在撞擊渦輪葉片後，其流動方向通常有明顯變化。

反動式渦輪

反動式渦輪的運作方式是將流體導入一組葉片，藉由擴張流體將壓力轉換為作用於葉片的推力。每片葉片承受相同的負載。反動式渦輪可以有多組稱為階段的轉子，每一階段會根據該部分流體流動壓力進行最佳化。

最為常見的反動式渦輪類型，包括風力發電機與用於噴射引擎的燃氣渦輪機。大多數的蒸汽渦輪機與天然氣發電渦輪機，都屬於反動式渦輪。反動式渦輪使用外罩或殼體，導引流體通過渦輪葉片。當流體通過反動式渦輪移動時，其流動壓力會顯著降低。

渦輪關鍵元件

觀察每個關鍵組件的功能，可說是瞭解渦輪運作原理的好方法。

渦輪葉片

葉片是渦輪中最為關鍵的元件。這些葉片通常是透過一個平台 (多為圓盤) 與軸相連。渦輪葉片有時也稱為轉子葉片。渦輪葉片的目的是將動量或壓力降，轉換為針對旋轉軸的垂直作用力，進而形成環繞軸的扭矩。

插入水流通道且與流體方向成垂直角度的平槳葉，即是一種簡式渦輪葉片。另外，渦輪葉片也可以複雜如渦輪增壓器的徑向渦輪，採取螺旋型排列，可以將從轉子外圍進入的流體，轉換為與軸對齊的軸向流動。有些葉片相當細高，例如蒸汽渦輪機或風力發電機所用的葉片。有些葉片則較為厚長，例如燃氣渦輪機引擎的高壓葉片。

渦輪轉子

渦輪葉片連接的輪、圓盤或滾筒，稱為渦輪轉子。

軸

渦輪葉片產生並透過渦輪轉子傳遞的機械能，經由軸輸出至渦輪外部。軸會透過高速軸承連接至靜態結構。多個渦輪轉子可以安裝在同一根軸上。軸通常會透過變速箱，連接至渦輪所驅動的任何系統。

變速箱

軸的旋轉速度或扭矩可能不符渦輪的應用需求。因此，渦輪通常會搭配變速箱以提高或降低渦輪轉速，並反向調整扭矩。

渦輪轉子組件

渦輪轉子組件是渦輪中的旋轉部分，由渦輪轉子、軸與渦輪葉片構成。這三項元件可各透過各種機構分別拆解與組裝，亦可利用單一材料直接製作出一體成型的組件。

旋轉組

旋轉組是以相同速度旋轉的渦輪轉子組件集合。大多數燃氣渦輪機具有驅動壓縮機的多階高壓旋轉組，以及驅動推進風扇或動力軸的低壓旋轉組。蒸汽渦輪機會隨著蒸汽中的能源逐漸減少，轉而積極使用多個階段以擷取壓力。

定子葉片或導葉

流體進出渦輪轉子組件的速度、大小、方向及壓力，對渦輪的性能至關重要。渦輪會在轉子組件的上下游配置固定葉片，以控制壓力、軸向速度與正切速度或旋渦。這些不旋轉的葉片稱為定子葉片或導葉。

渦輪階段

渦輪階段是指單一轉子組件及其支撐的靜態元件，包括配對的定子。許多渦輪的渦輪段含有多個階段，且常包含兩個或更多個渦輪段，每段都針對特定壓力降進行最佳化。

噴嘴

噴嘴可將壓力轉換為速度，並以最佳角度將流體引導成圓柱狀流動。在反動式渦輪中，將壓力轉換為速度的導葉，通常稱為噴嘴。

軸承

任何渦輪的關鍵元件之一是軸承，其讓轉子組件可就相對於系統的固定部分旋轉。渦輪的轉速、溫度、操作環境與負載，決定所需軸承的種類與尺寸。

護環或渦輪機殼

大多數反動式渦輪需要在渦輪轉子組件的外徑設置實心表面，以利引導流體通過葉片。這層外殼稱為護環或渦輪機殼。渦輪機殼通常是渦輪靜態結構的一部分。在罩式渦輪轉子的情況下，會在轉子組件的外徑上加裝一圈材料。

入口

入口是流體進入渦輪的區域。入口的形狀設計是為了取得渦輪所需的最佳壓力與速度。入口處常裝有移動式導葉或閥門，用於控制進入渦輪的流量。

出口

工作流體會從出口離開渦輪。工程師也會最佳化出口的形狀以提升效能。

靜態結構

渦輪中不會旋轉的部分。靜態結構包含出入口、支架、冷卻裝置、軸承支撐結構，以及用於將流體維持在渦輪內部，並防止異物進入的外殼或機殼。

儀器與控制系統

任何渦輪的關鍵部分，皆是用於測量渦輪物理特性的機械和電子控制及感測器。這些通常隸屬整個渦輪機械的控制系統，目的是調整渦輪輸入，以達到最佳渦輪效率、效能與安全性。 

渦輪有許多不同的分類方式。這些分類是針對旋轉式機械的分類，即是將流體動能轉換為有效功的裝置，而不是整體渦輪機械系統，或是由渦輪驅動的外部裝置。

以下是區分渦輪機械所用渦輪類型的幾種常見方式：

• 工作流體：渦輪可將水、風、蒸汽、加熱氣體或壓縮空氣中的能源轉換為動力。
• 流向：軸向流與軸的方向一致，切向流則與軸垂直，徑向流是從外徑往軸內流動。有些渦輪採取混合流設計，入口為徑向流，出口為軸向流。
• 透過速度或壓力擷取能源：如上所述，衝擊式渦輪是利用流體速度作用於葉片上產生推力，反動式渦輪則是利用壓力。

渦輪機械的常見類型與應用領域

在討論渦輪時，若不先定義其所驅動的機械類型，就會難以詳加說明及理解。以下列出幾種最常見的渦輪機械類型、其工作流體的能量來源，以及各自的代表性應用領域。

水輪機或液壓渦輪機

歷史最為悠久的渦輪機械類型是水輪機或液壓渦輪機。工質為水，水的能量來源則是重力。水力發電渦輪用於水壩發電時，通常採取混合流設計，並直連至位於水壩底部的發電機。發電是水輪機最為常見的應用領域。

蒸汽渦輪機

全球大多數發電廠皆使用蒸汽渦輪機發電。將熱能加入水中產生相變，進而擷取大量能源。該熱能來源通常是燃燒化石燃料，也可能來自核子反應爐。有種蓬勃發展的再生能源形式，是在大型發電廠採用聚光太陽能加熱水，以供蒸汽渦輪機使用。

風力發電機

人類先發展出風車，接著發明風力發電機，以利用風能取代人力與畜力。大氣中的太陽能加熱是風能的來源。現代風能系統使用高效率的大型三葉式風力發電機，並集中設置於陸地或離岸風場。如上圖所示，絕大多數的大型風力發電機，皆為水平軸風力發電機。有時，都會區會採用較為小型的垂直軸風力發電機。儘管世界上有一些地區仍在使用風力驅動磨坊或抽水，風力發電機的現行主要用途仍是發電。

空氣渦輪機

高效能手工具常使用壓縮空氣直接驅動。能源透過活塞加入空氣，並儲存於壓力容器內。從閥門釋放高壓空氣以撞擊衝擊式渦輪 (通常是佩爾頓式渦輪)，藉此產生極高的轉速。最為常見的空氣渦輪形式為鑽牙機。

燃氣渦輪機或渦輪引擎

燃氣渦輪機又稱為燃燒渦輪機，是隸屬渦輪機械的龐大系列，其使用燃燒室將能源加入氣體，接著透過渦輪膨脹氣體。提供推進力的渦輪機則稱為渦輪引擎。燃氣渦輪機通常包含壓縮機，這是由渦輪段的旋轉組驅動，藉此提升燃燒效率。燃氣渦輪機可按照所用的燃燒方式或輸出功率用途進行分類。

• 動力渦輪機：這些燃氣渦輪機通常以天然氣驅動發電機進行發電，其提供電能而非推進力。
• 渦輪增壓器：渦輪從內燃機燃燒過程中擷取原本未獲利用的能源，進而驅動汽缸上游的壓縮機，讓燃燒更為強勁。
• 渦輪噴射引擎：渦輪噴射引擎僅透過燃燒產生飛機所需推力，其類似渦輪增壓器，採用單一旋轉組驅動壓縮機，進而提升燃燒效率。
• 渦輪風扇：渦輪風扇引擎具有第二個旋轉組，其驅動一個大型風扇，也就是高效率護罩式螺旋槳，做為主要的推力來源。 其效率高於渦輪噴射引擎，目前是商用飛機的主要推進形式。
• 渦輪軸：渦輪軸引擎不是產生用於推進的推力，而是產生扭力驅動飛機螺旋槳、水上載具螺旋槳或陸地車輛的車輪。
• 渦輪泵：渦輪泵是利用燃燒產生的熱氣驅動泵浦。最常見的渦輪泵類型包括液態燃料火箭引擎用的燃料泵，以及開採石油與天然氣所用的高流量泵。 

設計渦輪的工程師會從不同面向定義與最佳化渦輪。在早期的渦輪中，人們透過試錯法，再使用簡單方程式設計葉片幾何、入口配置與轉子設計。不過，隨著對於效率更高、成本更低的渦輪需求與日俱增，工程師開始轉而利用進階模擬以推動設計。

如同所有設計，渦輪的設計是在成本、效率、效能與穩固之間取得平衡。對於用於飛機推進力的渦輪，工程師同樣必須考量重量因素。

流動路徑設計

渦輪的基本組態是在流動路徑設計階段規劃而成。效能工程師會從整體渦輪機械系統的角度，觀察渦輪的熱力學行為。他們能夠使用 Ansys Vista TF 渦輪機械設計軟體一類的 2D 貫流工具，嘗試不同的流量類型、階段配置、定子選項，以及入口與出口的幾何形狀。

葉片與定子設計

一旦定義了流動路徑，下一步就是設計各階段所屬的渦輪葉片與定子。工程師可利用稱為向量圖的基本計算，掌握初步假設。接著，他們需要建立 3D 幾何圖形，並使用通用計算流體力學 (CFD) 工具 (例如 Ansys Fluent 流體模擬軟體)，或是專為渦輪機械設計的 CFD 平台 (例如 Ansys CFX 軟體)。工程師運用此類工具引導他們詳細調整 3D 幾何，以在多種操作條件下，最佳化從流體流動擷取能源的效率。葉片的設計是需要反覆進行逐步精進的過程。

多階段與瞬態元件設計

葉片設計完成後，下一步是最佳化靜止與旋轉階段之間的協作。調整各階段的葉片與定子角度，以便工程師使用 CFX 或 Fluent 軟體一類渦輪機械專用工具的進階功能，分析靜態與瞬態流動，亦能同時模擬靜止與旋轉區域。

結構與散熱設計

由於極端負載條件及高負載週期特性，設計渦輪的旋轉與靜態部分，可說是困難又複雜的工作。燃氣與蒸汽渦輪機所承受的高溫，同樣帶來了專屬的挑戰，週期性壓力與旋轉負載引發的振動也不例外。大多數參與渦輪設計的熱能與機械工程師，會轉而採用類似 Ansys Mechanical 結構有限元素分析 (FEA) 軟體的通用多物理模擬工具，以模擬渦輪內部每個元件與組件的靜態、動態及振動行為。這些模擬內容包括軸承、二次冷卻、轉子動力、圓盤應力、葉片應力、耐用性與熱應力等。工程師也可以將 CFX 軟體一類的 CFD 工具，結合 Mechanical 等結構模擬程式，以瞭解流體與結構領域之間的振動相互作用。

系統設計

工程師在設計渦輪時，同樣需要考量整體系統架構。一旦系統架構繪製完成，工程師會使用基於模型的系統工程 (MBSE) 工具 (例如 Ansys ModelCenter 軟體)，以確保每個元件已在系統層級上達到最佳化。

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