渦輪是將工作流體的動能轉(zhuǎn)換成有用機械能或電能的機器。從流動的液體或氣體中捕獲能量：在風(fēng)機中，彎曲的葉片捕獲風(fēng)能，從而使葉片旋轉(zhuǎn)。在遠(yuǎn)洋客輪或噴氣式飛機中，熾熱的燃燒氣體讓金屬葉片高速旋轉(zhuǎn)，從而為船舶提供動力或?qū)w機推向天空的能量。渦輪機還可以產(chǎn)生電力：幾乎每個大型發(fā)電廠都使用蒸汽驅(qū)動的渦輪機，而風(fēng)力和水力渦輪機可以幫助我們生產(chǎn)可再生能源。只要能產(chǎn)生能量的地方，幾乎都有渦輪機的存在。

廣義上講，我們根據(jù)驅(qū)動渦輪的流體類型將渦輪分為四種：水，風(fēng)，蒸汽和天然氣。盡管所有四種類型都以基本上相同的方式工作（隨著流體逆著它們旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)），但是它們有細(xì)微的不同，并且必須以非常不同的方式進行工程設(shè)計。例如，由于在高壓下產(chǎn)生蒸汽，因此蒸汽輪機的旋轉(zhuǎn)速度非?？?。使電力轉(zhuǎn)動相對較慢的風(fēng)力渦輪機（主要出于安全原因），因此它們必須很大以捕獲相當(dāng)數(shù)量的能量。燃?xì)廨啓C需要由特殊的彈性合金制成，因為它們在如此高的溫度下工作。水輪機通常很大，因為它們必須從整條河中提取能量，該死的并轉(zhuǎn)移到他們身邊。它們可以相對緩慢地轉(zhuǎn)動，因為水很重并且即使在低速流動時也會攜帶大量能量（由于水量大）。

渦輪機的4種類型：燃?xì)廨啓C，水輪機，汽輪機，風(fēng)力發(fā)電機。

水輪機

大庫利大壩的混流式水輪機

一臺巨型弗朗西斯反應(yīng)渦輪機（頂部的橙色輪）在美國華盛頓州的大庫利水壩被放低到位 。水流過成角度的葉片，將其推向四周，并轉(zhuǎn)動與葉片相連的軸。軸使發(fā)電的發(fā)電機旋轉(zhuǎn)。

水車可以追溯到2000年的古希臘時代，是最初的水輪機。如今，在水力發(fā)電廠中使用相同的原理來發(fā)電。水力發(fā)電的基本思想是，在大壩中利用河流的能量。與其讓河水從山丘或山脈的源頭自由下坡流向大海，不如讓它跌落到一個高處（稱為水頭），使它加快速度（換句話說，將其勢能轉(zhuǎn)換為動能），然后將其通過稱為壓力管道的管道通過渦輪機和發(fā)電機。水電實際上是一個三步的能量轉(zhuǎn)換過程：

當(dāng)水落到高處時，河流的原始勢能（由于從高地開始而具有）就變成了動能。

水輪機將運動水中的動能轉(zhuǎn)換為機械能。

旋轉(zhuǎn)的水輪機驅(qū)動發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)化為電能。

根據(jù)該地區(qū)的地理位置，可用水量（流量）以及滴水的距離（揚程），使用不同類型的水輪機。一些水力發(fā)電廠使用類似桶形的沖擊式渦輪機（通常是Pelton輪）。其他人則使用Francis，Kaplan或Deriaz反應(yīng)渦輪機。精心選擇渦輪機的類型以從水中提取最大量的能量。

風(fēng)力發(fā)電機

英格蘭斯塔福德郡的225kW風(fēng)力發(fā)電機

一臺典型的風(fēng)力發(fā)電機，在英國斯塔福德郡。該塔距離地面約50m（?150ft），因為當(dāng)沒有地面障礙物時，風(fēng)速更快。轉(zhuǎn)子葉片的直徑約為15m（50英尺），掃掠范圍大，可捕獲高達225kW（千瓦）的能量。

汽輪機

蒸汽輪機是從蒸汽機演變而來的，蒸汽機在18和19世紀(jì)改變了世界。蒸汽機在明火上燃燒煤炭以釋放其中所含的熱量。熱量用于燒開水并產(chǎn)生蒸汽，蒸汽將蒸汽推入氣缸以為諸如鐵路機車的機器提供動力。由于多種原因，這是非常低效的（浪費能源）。更好的設(shè)計是吸收蒸汽并將其引導(dǎo)通過渦輪機葉片，渦輪機像螺旋槳一樣旋轉(zhuǎn)，并隨著機器的運轉(zhuǎn)而驅(qū)動機器。

蒸汽輪機由英國工程師查爾斯·帕森斯（Charles Parsons，1854–1931）率先開發(fā)，他于1889年使用蒸汽輪機為著名的快速汽艇Turbinia提供動力。從那時起，它們已以多種不同方式使用。幾乎所有發(fā)電廠都使用蒸汽輪機發(fā)電。在燃煤電廠中，煤在熔爐中燃燒并用來加熱水以產(chǎn)生蒸汽，從而使連接到發(fā)電機的高速渦輪機旋轉(zhuǎn)。在核電廠中，產(chǎn)生蒸汽的熱量來自原子反應(yīng)。

與水和風(fēng)力渦輪機不同，在液體或氣體流動中放置一個旋轉(zhuǎn)的渦輪機，蒸汽渦輪機有一個完整的系列渦輪機（每一個都被稱為一個階段）排列在一個實際上是封閉的管道內(nèi)。當(dāng)蒸汽進入管道時，它依次通過每一級，因此逐漸地，更多的能量被提取出來。如果你曾經(jīng)看過水壺沸騰，你就會知道，如果蒸汽通過噴嘴噴出，它會迅速膨脹和移動。因此，蒸汽輪機的轉(zhuǎn)速非常高，比風(fēng)力或水力渦輪機快很多倍。

燃?xì)廨啓C

飛機噴氣發(fā)動機有點像蒸汽渦輪機，因為它們具有多個階段。它們不是由蒸汽驅(qū)動，而是由發(fā)動機前部吸入的空氣和燃燒大量煤油（石油基燃料）產(chǎn)生的令人難以置信的高溫氣體的混合物驅(qū)動。功率稍差的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機也用于現(xiàn)代鐵路機車和工業(yè)機械中。

每個金屬輪都是一個單獨的渦輪，旨在從高速氣體中提取更多的能量。

風(fēng)車是最簡單的渦輪機：一種旨在從移動的流體（液體或氣體）中捕獲能量的機器。當(dāng)風(fēng)吹過風(fēng)車時，風(fēng)車跟著旋轉(zhuǎn)，風(fēng)的動能（運動的能量）轉(zhuǎn)換為機械能，從而使磨機內(nèi)部的石頭旋轉(zhuǎn)。風(fēng)吹得越快，它產(chǎn)生的能量就越大；帆旋轉(zhuǎn)得越快，向磨房提供的能量就越多。向風(fēng)車添加更多風(fēng)帆或更改其設(shè)計還可以幫助捕獲更多風(fēng)能。盡管您可能沒有意識到，但是風(fēng)在經(jīng)過風(fēng)車后吹的速度比以前慢了一些，它已將部分能量轉(zhuǎn)換給了風(fēng)車！

渦輪機的關(guān)鍵部件是一組葉片，一個軸通過旋轉(zhuǎn)隨著葉片運動?，F(xiàn)在的風(fēng)力渦輪機中，通常有三個螺旋槳狀的葉片連接到驅(qū)動發(fā)電機的軸上。在一個古老的水車中，有木板條隨著水在其下方或上方流動而轉(zhuǎn)動，從而使與之相連的軸轉(zhuǎn)動，并通常為某種銑刨機提供動力。

脈沖和脈沖式渦輪機

渦輪機以兩種不同的方式工作，稱為脈沖和反作用-當(dāng)人們試圖解釋渦輪機時，通常會非常混亂地描述這些術(shù)語（有時甚至完全混淆了這些術(shù)語）。

脈沖渦輪

在脈沖式渦輪機中，快速移動的流體通過渦輪機葉片處的狹窄噴嘴噴射，以使它們旋轉(zhuǎn)。脈沖式渦輪機的葉片通常是桶形的，因此它們會捕獲流體并將其以一定角度引導(dǎo)，有時甚至將其引導(dǎo)回去（因為這將能量最有效地從流體傳遞到渦輪機）。在脈沖式渦輪機中，流體被迫以極高速度撞擊渦輪機。

想象一下，試圖通過將足球踢入其中來使這種轉(zhuǎn)彎的渦輪動起來。您需要用力擊打，才能使渦輪車輪旋轉(zhuǎn)，而提供持續(xù)不斷的能量脈沖，是其工作原理的關(guān)鍵。同樣，牛頓第二運動定律告訴我們，渦輪在擊球時獲得的動量等于球本身損失的動量。球與渦輪接觸的時間越長，擊中球的力就越大，則傳遞的動量就越大。

水輪機通?；诿}沖式渦輪機（盡管有些確實使用反作用式渦輪機工作）。它們設(shè)計簡單，易于制造且維護成本低廉，尤其是因為它們不需要包含在管道或外殼中（不同于反應(yīng)渦輪機）。

反應(yīng)渦輪

在反應(yīng)渦輪機中，葉片位于大量流體中，并在流體流過葉片時轉(zhuǎn)動。反應(yīng)渦輪機不會像脈沖渦輪機那樣劇烈地改變流體流動的方向：它只是在流體推動通過并經(jīng)過其葉片時旋轉(zhuǎn)。風(fēng)力渦輪機可能是反應(yīng)渦輪機最熟悉的例子。

如果脈沖渦輪有點像踢足球，那么反應(yīng)渦輪更像游泳。想一想如何通過在水中拖曳手臂來進行自由泳，從每只手伸到盡可能遠(yuǎn)的前方開始將手臂甩到身后。您要實現(xiàn)的目標(biāo)是使手和前臂盡可能長時間地抵著水，以便每次擊打時都盡可能多地傳遞能量。反作用式渦輪機使用相同的原理：想象快速流動的水流過您，從而使您的手臂和腿部移動并為身體提供能量！對于反作用式渦輪機，水在盡可能長的時間內(nèi)平穩(wěn)地接觸葉片，就會盡可能多地消耗能量。