① (四)葉輪機基礎-渦輪及葉片冷卻技術
渦輪機的基石：軸流式渦輪與葉片冷卻技術詳解
渦輪，作為動力轉換的關鍵組件，其功能在於將高溫高壓的工質能轉化為機械能。在航空發動機、燃氣輪機和蒸汽輪機中，渦輪與壓氣機的作用相輔相成，但能量轉換過程卻相反。壓氣機消耗機械能以提升氣流壓力，而渦輪則是將這部分能量釋放，驅動附件並為壓氣機提供動力。
軸流式渦輪的奧秘
軸流渦輪通常由多級構成，靜子位於旋轉的工作輪前。基元級的葉柵通道設計為收斂，燃氣在其中加速膨脹，釋放出的機械能驅動渦輪運轉。渦輪基元級的構建，如同從渦輪上截取一個圓柱形部分，展開成平面，以便於分析。
渦輪基元級的決定因素
渦輪基元級的設計涉及五個關鍵參數，如輪緣功，主要受氣流速度影響，以及氣流角，它反映軸向速度並影響效率。一級渦輪的膨脹程度較大，要求對 和 的比值有精確控制，通常在 左右。
渦輪反力度與冷卻策略
渦輪反力度，即燃氣膨脹降壓的比例，是渦輪設計中的重要考量。通過能量反力度的概念，設計師可以優化渦輪的工作特性，區分沖擊式渦輪（無反力度）和反力式渦輪。葉片外表面的換熱特性，如採用牛頓冷卻公式，影響著冷卻效率和熱防護性能。
冷卻技術的精妙應用
渦輪葉片冷卻技術包括沖擊冷卻、對流冷卻和氣膜冷卻。沖擊冷卻利用冷氣流沖擊熱表面，提升換熱效率；對流冷卻如徑向直通通道和多腔設計，通過增加冷氣流與葉片的接觸面積改善冷卻效果；氣膜冷卻則形成一層冷氣膜，減少熱傳遞，保護葉片不受高溫燃氣侵蝕。
這些冷卻技術不僅關乎渦輪的性能，還關乎其耐久性和效率，是渦輪機設計中不可或缺的一部分。通過精細的參數控制和冷卻策略，渦輪機得以在極端條件下穩定運行，為現代動力系統提供關鍵支持。