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壓氣機(jī)

壓氣機(jī)顧名思義，就是用來壓縮空氣的一種機(jī)械。在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)上所使用的壓氣機(jī)按其結(jié)構(gòu)和工作原理可以分為兩大類，一類是離心式壓氣機(jī)，一類是軸流式壓氣機(jī)。離心式壓氣機(jī)的外形就像是一個(gè)鈍角的扁圓錐體。在這個(gè)圓錐體上有數(shù)條螺旋形的葉片，當(dāng)壓氣機(jī)的圓盤運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，空氣就會被螺旋形的葉片“抓住”，在高速旋轉(zhuǎn)所帶來的巨大離心力之下，空氣就會被甩進(jìn)壓氣機(jī)圓盤與壓氣機(jī)機(jī)匣之間的空隙，從而實(shí)現(xiàn)空氣的增壓。與離心式壓氣機(jī)不同，軸流式壓氣機(jī)是由多級風(fēng)扇所構(gòu)成的，其每一級都會產(chǎn)生一定的增壓比，各級風(fēng)扇的增壓比相乘就是壓氣機(jī)的總增壓比。

幾種燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械布局

在現(xiàn)代渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上的壓氣機(jī)大多是軸流式壓氣機(jī)，軸流式壓氣機(jī)有著體積小、流量大、單位效率高的優(yōu)點(diǎn)，但在一些場合之下離心式壓氣機(jī)也還有用武之地，離心式壓氣機(jī)雖然效率比較差，而且重量大，但離心式壓氣機(jī)的工作比較穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單而且單級增壓比也比軸流式壓氣機(jī)要高數(shù)倍。比如在中國臺灣的IDF上用的雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的TFE1042-70渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上，其高壓壓氣機(jī)就采用了四級軸流式與一級離心式的組合式壓氣機(jī)以減少壓氣機(jī)的級數(shù)。多說一句，這樣的組合式壓氣機(jī)在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上用的不多，但在直升機(jī)上所使用的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)如今一般都為幾級軸流式加一級離心式的組合結(jié)構(gòu)。比如國產(chǎn)的渦軸6、 渦軸8發(fā)動(dòng)機(jī)就是1級軸流式加1級離心式構(gòu)成的組合壓氣機(jī)。而美國的“黑鷹”直升機(jī)上的T700發(fā)動(dòng)機(jī)其壓氣機(jī)為5級軸流式加上1級離心式。

壓氣機(jī)是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上比較核心的一個(gè)部件。在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上采用雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)很大程度上就是為了迎合壓氣機(jī)的需要。壓氣機(jī)的效率高低直接的影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率。當(dāng)前人們的目標(biāo)是提高壓氣機(jī)的單級增壓比。比如在J-79上用的壓氣機(jī)風(fēng)扇有17級之多，平均單級增壓比為1.16，這樣17級葉片的總增壓比大約為12.5左右，而用在波音777上的GE-90的壓氣機(jī)的平均單級增壓比以提高到了1.36，這樣只要十級增壓葉片總增壓比就可以達(dá)到23左右。而F-22的動(dòng)力F-119發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)更是了的，3級風(fēng)扇和6級高壓壓氣機(jī)的總增壓比就達(dá)到了25左右，平均單級增壓比為1.43。平均單級增壓比的提高對減少壓氣機(jī)的級數(shù)、減少發(fā)動(dòng)機(jī)的總量、縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的總長度是大有好處的。

但隨著壓氣機(jī)的增壓比越來越高，壓氣機(jī)振喘和壓氣機(jī)防熱的問題也逐漸突現(xiàn)。

在壓氣機(jī)中，空氣在得到增壓的同時(shí)，其溫度也在上升。比如當(dāng)飛機(jī)在地面起飛壓氣機(jī)的增壓比達(dá)到25左右時(shí)，壓氣機(jī)的出口溫度就會超過500度。而在戰(zhàn)斗機(jī)所用的低函道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中，在中低空飛行中由于沖壓作用，其溫度還會提高。而當(dāng)壓氣機(jī)的總增壓比達(dá)到30左右時(shí)，壓氣機(jī)的出口溫度會達(dá)到600度左右。如此高的溫度鈦合金是難當(dāng)重任的，只能由耐高溫的鎳基合金取而代之，可是鎳基合金與鈦合金相比基重量太大。與是人們又開發(fā)了新型的耐高溫鈦合金。在波音747的動(dòng)力之一羅·羅公司的遄達(dá)800與EF2000的動(dòng)力EJ200上就使用了全鈦合金壓氣機(jī)。其轉(zhuǎn)子重量要比使用鎳基合金減重30%左右。

與壓氣機(jī)防熱的問題相比壓氣機(jī)振喘的問題要難辦一些。振喘是發(fā)動(dòng)機(jī)的一種不正常的工作狀態(tài)，他是由壓氣機(jī)內(nèi)的空氣流量、流速、壓力的空然變化而引發(fā)的。比如在當(dāng)飛機(jī)進(jìn)行加速、減速時(shí)，當(dāng)飛發(fā)動(dòng)機(jī)吞水、吞冰時(shí)，或當(dāng)戰(zhàn)斗機(jī)在突然以大攻飛行拉起進(jìn)氣道受到屏蔽進(jìn)氣量驟減時(shí)。都極有可能引起發(fā)動(dòng)機(jī)的振喘。

在渦扇噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)之初，人們就采用了在各級壓氣機(jī)前和風(fēng)扇前加裝整流葉片的方法來減少上一級壓氣機(jī)因絞動(dòng)空氣所帶給下一級壓氣機(jī)的不利影響，以克制振喘現(xiàn)像的發(fā)生。而且在J-79渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)上人們還*實(shí)現(xiàn)了整流葉片的可調(diào)整?？烧{(diào)整的整流葉片可以讓發(fā)動(dòng)機(jī)在更加寬廣的飛行包線內(nèi)正常工作?？墒请S著風(fēng)扇、壓氣機(jī)的增壓比一步一步的提高光是采用整流葉片的方法以是行不通了。對于風(fēng)扇人們使用了寬弦風(fēng)扇解決了在更廣的工作范圍內(nèi)穩(wěn)定工作的問題，而且采用了寬弦風(fēng)扇之后即使去掉風(fēng)扇前的整流葉片風(fēng)扇也會穩(wěn)定的工作。比如在F-15上的F100-PW-100其風(fēng)扇前就采用了整流葉片，而F-22的F-119就由于采用了三級寬弦風(fēng)扇所以風(fēng)扇前也就沒有了整流葉片，這樣發(fā)動(dòng)機(jī)的重量得以減輕，而且由于風(fēng)扇前少了一層屏蔽其效率也就自然而然的提高了。風(fēng)扇的問題解決了可是壓氣的問題還在，而且似乎比風(fēng)扇的問題材更難辦。因?yàn)槎嗉壍膲簹鈾C(jī)都是裝在一根軸上的，在工作時(shí)它的轉(zhuǎn)數(shù)也是相同的。如果各級壓氣機(jī)在工作的時(shí)候都有自已合理的工作轉(zhuǎn)數(shù)，振喘的問題也就解決了?？墒堑饺缃駷橹惯€沒有聽說什么國家在集中國力來研究十幾、二十幾轉(zhuǎn)子的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

在萬般的無耐之后人們能回到老路上來--放氣！放氣是一種較簡單但也無可耐何的防振喘的方法。在很多現(xiàn)代化的發(fā)動(dòng)上人們都保留的放氣活門以備不時(shí)之須。比如在波音747的動(dòng)力JT9D上，普·惠公司就分別在十五級的高、低壓氣機(jī)中的第4、9、15級上保留了三個(gè)放氣活門。

燃燒室與渦輪

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室也就是我們上面所提到過的“燃?xì)獍l(fā)生器”。經(jīng)過壓氣機(jī)壓縮后的高壓空氣與燃料混合之后將在燃燒室中燃燒以產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)鈦硗苿?dòng)燃?xì)鉁u輪的運(yùn)轉(zhuǎn)。在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)上較常用的燃燒室有兩種，一種叫作環(huán)管形燃燒室，一種叫作環(huán)形燃燒室。

環(huán)管燃燒室是由數(shù)個(gè)火焰筒圍成一圈所組成，在火焰筒與火焰筒之間有傳焰管相連以保證各火焰筒的出口燃?xì)鈮毫Υ笾料嗟??？墒羌词故侨绱烁鞲骰鹧嫱仓畠?nèi)的燃?xì)鈮毫σ策€是不能*相等，但各火焰筒內(nèi)的微小燃?xì)鈮毫€不足以為患。但在各各火焰筒的出口處由于相鄰的兩個(gè)火焰筒所噴出的燃?xì)鈺l(fā)生重疊，所以在各火焰筒的出口相鄰處的溫度要比別處的溫度高?；鹧嫱驳某隹跍囟葓龅臏囟炔町悤o渦輪前部的燃?xì)鈱?dǎo)向器帶來一定的損害，溫度高的部分會加速被燒蝕。比如在使用了8個(gè)火焰筒的環(huán)管燃燒室的JT3D上，在火焰筒尾焰重疊處其燃?xì)鈱?dǎo)流葉片的壽命只有正常葉片的三分之一。

環(huán)形燃燒室

與環(huán)管式燃燒室相比，環(huán)形燃燒室就沒有這樣的缺點(diǎn)。故名思意，與管環(huán)燃燒室不同，環(huán)形燃燒室的形狀就像是一個(gè)同心圓，壓縮空氣與燃油在圓環(huán)中組織燃燒。由于環(huán)形燃燒室不像環(huán)管燃燒室那樣是由多個(gè)火焰筒所組成，環(huán)形燃燒室的燃燒室是一個(gè)整體，因此環(huán)形燃燒室的出口燃?xì)鈭龅臏囟纫拳h(huán)管形燃燒室的溫度均勻，而且環(huán)形燃燒室所需的燃油噴嘴也要比環(huán)管燃燒室的要少一些。均勻的溫度場對直接承受高溫燃?xì)獾娜細(xì)鈱?dǎo)流葉片的整體壽命是有好處的。

與環(huán)管燃燒室相比，環(huán)形燃燒室的優(yōu)點(diǎn)還不止是這些。

由于燃燒室中的溫度很高，所以無論環(huán)管燃燒室還是環(huán)形燃燒室都要進(jìn)行一定的冷卻，以保證燃燒室能更穩(wěn)定的進(jìn)行工作。單純的吹風(fēng)冷卻早以不能適應(yīng)*的燃燒室溫度。如今人們在燃燒室中普便使用的冷卻方法是全氣膜冷卻，即在燃燒室內(nèi)壁與燃燒室內(nèi)部的高溫燃?xì)庵g組織起一層由較冷空氣所形成的氣膜來保護(hù)燃燒室的內(nèi)壁。由于要形成氣膜，所以就要從燃燒室壁上的孔隙中向燃燒室內(nèi)噴入一定量的冷空氣，所以燃燒室壁被作的很復(fù)雜，上面的開有成千上萬用真空電子束打出的冷卻氣孔。如今大家只要通過簡單的計(jì)算就可以得知，在有著相同的燃燒室容積的情況下，環(huán)形燃燒室的受熱面積要比環(huán)管燃燒室的受熱面積小的多。因此環(huán)形燃燒的冷卻要比環(huán)管形燃燒室的冷卻容易的多。在除了冷卻比較容易之處，環(huán)形燃燒室的體積、重量、燃油油路設(shè)計(jì)等等與環(huán)管燃燒室相比也著優(yōu)勢。

但與環(huán)管燃燒室相比，環(huán)形燃燒室也有著一些不足，但這些不足不是性能上的而是制作工藝上。

首先，是環(huán)形燃燒室的強(qiáng)度問題。在環(huán)管燃燒室上使用的是單個(gè)體積較小的火焰筒，而環(huán)形燃燒室使用的是單個(gè)體積較大的圓環(huán)形燃燒室。隨著承受高溫、高壓的燃燒室的直徑的增大，環(huán)形燃燒室的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是一大難點(diǎn)。

其次，由于燃燒室的工作整體環(huán)境很復(fù)雜，所以如今人們還不可能*用計(jì)算的方法來發(fā)現(xiàn)、解決燃燒室所面臨的問題。要暴露和解決問題進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)是一的方法。在環(huán)管燃燒室上，由于單個(gè)火焰筒的體積和在正常工作時(shí)所需要的空氣流量較少，人們可以進(jìn)行單個(gè)的火焰筒實(shí)驗(yàn)。而環(huán)形燃燒室是一個(gè)大直徑的整體，在工作時(shí)所需要的空氣流量也比較大，所以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)有一定的難度。在五六十年代人們進(jìn)行環(huán)行燃燒室的實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于沒有足夠的條件只能進(jìn)行環(huán)形燃燒室部分扇面的實(shí)驗(yàn)，這種實(shí)驗(yàn)不可能得到燃燒室的整體數(shù)據(jù)。

但由于科技的進(jìn)步，環(huán)形燃燒室的機(jī)械強(qiáng)度與調(diào)試問題在現(xiàn)如今都以經(jīng)得到了比較圓滿的解決。由于環(huán)形燃燒室固有的優(yōu)點(diǎn)，在八十年代之后研發(fā)的新型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)之上幾乎使用的都是環(huán)形燃燒室。

為了更能說明兩種不同的燃燒室的性能差異，如今我們就以同為普·惠公司所出品的使用環(huán)管形燃燒室的*代渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)JT3D與使用了環(huán)形燃燒室的第二代渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)JT9D來作一個(gè)比較。兩種渦扇發(fā)動(dòng)同為雙轉(zhuǎn)子前風(fēng)扇無加力設(shè)計(jì)，不過推力差異比較大，JT3D是8噸級推力的中推發(fā)動(dòng)機(jī)，而JT9D-59A的推力高達(dá)24042公斤，但這樣的差異并不妨礙我們對它們的燃燒室作性能上的比較。首先是兩種燃燒室的幾何形狀，JT9D-3A的直徑和長度分別為965毫米和627毫米，而JT3D-3B的直徑是1020.5毫米、長度是1070毫米。很明顯，JT9D的環(huán)形燃燒室要比JT-3D的環(huán)管燃燒室的體積小。JT9D-3A只有20個(gè)燃油噴嘴，而JT3D-3B的燃油噴嘴多達(dá)48個(gè)。燃燒效率JT3D-3B為0.97而JT9D-3A比他要高兩個(gè)百分點(diǎn)。JT3D-3B八個(gè)火焰筒的總表面積為3.579平方米，而JT9D-3A的火焰筒表面積只有2.282平方米，火焰筒表面積的縮小使得火焰筒的冷卻結(jié)構(gòu)可以作到簡單、高效，因此JT9D的火焰筒壁溫度得以下降。JT3D-3B的火焰筒壁溫度為700-900度左右，而JT9D-3A的火焰筒壁溫度只有600到850度左右。JT9D的火焰筒壁溫度沒有JT3D-3B的高，可是JT9D-3A的燃燒室出口溫度卻高達(dá)1150度，而JT3D-3B的燃燒室出口溫度卻只有943度。以上所列出的幾條足以能說明與環(huán)形燃燒室相比環(huán)管燃燒室有著巨大的性能優(yōu)勢。

在燃燒室中產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)獾老纫?jīng)過一道燃?xì)鈱?dǎo)向葉片，高溫高壓燃?xì)庠诮?jīng)過燃?xì)鈱?dǎo)向葉片時(shí)會被整流，并被賦予一定的角度以更有效率的來沖擊渦輪葉片。其目地就是為了推動(dòng)渦輪，各級渦輪會帶動(dòng)風(fēng)扇和壓氣機(jī)作功。在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中，渦輪葉片和燃?xì)鈱?dǎo)向葉片將要直接的承受高溫高壓燃?xì)獾臎_刷。普通的金屬材料根本無法承受如此苛刻的工作環(huán)境。因此燃?xì)鈱?dǎo)向葉片和渦輪葉片還有聯(lián)接渦輪葉片的渦輪盤都必需是極耐高溫的合金材料。沒有深厚的基礎(chǔ)科學(xué)研究，高性能的渦輪研制也就無從談起?，F(xiàn)今有實(shí)力來研制高性能渦輪的國家都無不把*的渦輪盤和渦輪葉片的材料配方和制作工藝當(dāng)作是極密。也正是這個(gè)小小的渦輪減緩了一些國家成為航空大國的步伐。

*，提高渦輪進(jìn)口溫度是提高渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)推力的有效途徑，所以在用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上，人們都在不遺余力的來提高渦輪的進(jìn)口溫度以使發(fā)動(dòng)機(jī)用更小的體積和重量來產(chǎn)生更大的推力。蘇27的動(dòng)力AL-31F渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度以高達(dá)1427度（應(yīng)該是K而不是攝氏度?。?，而F-22的運(yùn)力F-119渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)其渦輪前進(jìn)口溫度更是達(dá)到了1700度（應(yīng)該是K而不是攝氏度！）的水平。在很多文章上提到如果要想達(dá)到更高的渦輪口進(jìn)氣溫度，在現(xiàn)今陶瓷渦輪還未達(dá)到真正實(shí)際應(yīng)用水平的情況下，只能采用更高性能的耐高溫合金。其實(shí)這是不切確的。提高渦輪的進(jìn)口溫度并非只有采用更加耐高溫的材料這一種途徑。早在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)誕生之初，人們就想到了用涂層的辦法來提高渦輪葉片的耐燒上涂一層耐燒蝕的表面涂層來延長渦輪葉片的使用壽命。在JT3D的渦輪葉片上普惠公司就用擴(kuò)散滲透法在渦輪葉片上“鍍”上一層鋁、硅涂層。這種擴(kuò)散滲透法與我們?nèi)粘?yīng)用的手工鋼鋸條的滲碳工藝有點(diǎn)類似。經(jīng)過了擴(kuò)散滲透鋁、硅的JT3D一級渦輪葉片其理論工作壽命高達(dá)15900小時(shí)。

當(dāng)渦輪工作溫度進(jìn)一步升高之后，固體滲透也開始不能滿足越來越高的耐燒蝕要求。首先是固體滲透法所產(chǎn)生的涂層不能保證其涂層的均勻，其次是用固體滲透法得出的涂層容易脫落，其三經(jīng)過固體滲透之后得出的成品由于涂層不勻會產(chǎn)生一定的不規(guī)則變形（一般來說經(jīng)過滲透法加工的零件其外形尺寸都有細(xì)小的放大）。

針對固體滲透法的這些不足，人們又開發(fā)了氣體滲透法。所謂氣體滲透就是用金屬蒸氣來對葉片進(jìn)行“蒸煮”在“蒸煮”的過程中各種合金成分會滲透到葉片的表層當(dāng)中去和葉片表層緊密結(jié)合并改變?nèi)~片表層的金屬結(jié)晶結(jié)構(gòu)。和固體滲透法相比，氣體滲透法所得到的涂層質(zhì)量有了很大提高，其被滲透層可以作的極均勻。但氣體滲透法的工藝過程要相對復(fù)雜很多，實(shí)現(xiàn)起來也比較的不容易。但在對渦輪葉片的耐熱蝕要求越來越高的情況下，人們還是選擇了比較復(fù)雜的氣體滲透法，現(xiàn)如今的渦輪風(fēng)扇中的渦輪葉片大都經(jīng)過氣體滲透來加強(qiáng)其表面的耐燒蝕。

除了涂層之外，人們還要用較冷的空氣來對渦輪葉片進(jìn)行一定的冷卻，空心氣冷葉片也就隨之誕生了。早的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)--英國羅·羅公司的維康就使用了空心氣冷葉片。與燃燒室相比因?yàn)闇u輪是轉(zhuǎn)動(dòng)部件，因此渦輪的氣冷也就要比燃燒室的空氣冷卻要復(fù)雜的多的多。除了在燃燒室中使用的氣薄冷卻之外在渦輪的燃?xì)鈱?dǎo)向葉片和渦輪葉片上大多還使用了對流冷卻和空氣沖擊冷卻。

對流冷卻就是在空心葉片中不停有冷卻氣在葉片中流動(dòng)以帶走葉片上的熱量。沖擊冷卻其實(shí)是一種被加強(qiáng)了的對流冷卻，即是一股或多股高速冷卻氣強(qiáng)行噴射在要求被冷卻的表面。沖擊冷卻一般都是用在燃?xì)鈱?dǎo)向葉片和渦輪葉片的前緣上，由空心葉片的內(nèi)部向葉片的前緣噴射冷卻氣體以強(qiáng)行降溫。沖擊冷卻后的氣體會從燃?xì)鈱?dǎo)向葉片和渦輪葉片前緣上的的孔、隙中流出在燃?xì)獾膸?dòng)下在葉片的表面形成冷卻氣薄。但開在葉片前緣上使冷卻氣流出的孔、隙會讓葉片更加難以制造，而且開在葉片前緣上的孔隙還會使應(yīng)力極中，對葉片的壽命產(chǎn)生負(fù)面影響?？墒怯捎跉獗±鋮s要比對流冷卻的效果好上很多，所以人們還是要不惜代價(jià)的在葉片上采用氣薄冷卻。

從某種意義上來說，在燃?xì)鈱?dǎo)向葉片和渦輪葉片上使用更科學(xué)理合理的冷卻方法可能要比開發(fā)更*的耐高溫合金更重要一些。因?yàn)榭招睦鋮s要比開發(fā)新合金投資更少，見效更快。如今渦輪進(jìn)口溫度的提升其一半左右的功勞要?dú)w功于冷卻技術(shù)的提高?，F(xiàn)如今在各式渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪前進(jìn)口溫度中要有200度到350度的溫度被葉片冷卻技術(shù)所消化，所以說渦輪工作溫度的提高葉片冷卻技術(shù)功不可沒。

其實(shí)在很多軍事愛好者的眼中，渦輪的問題似乎只是一個(gè)耐高溫材料的問題。其實(shí)渦輪問題由于其工作環(huán)境的特殊性它的難點(diǎn)不只是在高溫上。比如，由于渦輪葉片和渦輪機(jī)匣在高溫工作時(shí)由于熱脹冷縮會產(chǎn)生一定的變形，由這些變形所引起的渦輪葉片與機(jī)匣徑向間隙過大的問題，徑向間隙的變大會引起燃?xì)庑孤抖壌蟮慕档诇u輪效率。還有薄薄的渦輪機(jī)匣在高溫工作時(shí)產(chǎn)生的扭曲變形；低壓渦輪所要求的大功率與低轉(zhuǎn)數(shù)的矛盾；提高單級渦輪載荷后渦輪葉片的根部強(qiáng)度等等。除了這些設(shè)計(jì)上的難題之外，更大的難題則在于渦輪部件的加工工藝。比如進(jìn)行渦輪盤粉末合金鑄造時(shí)的雜質(zhì)控制、渦輪盤進(jìn)行機(jī)器加工時(shí)的軸向進(jìn)給力的控制、對渦輪盤加工的高精度要求、渦輪葉片合金精密鑄造時(shí)的偏析、渦輪葉片在表面滲透加工中的變形等等，這里面的每一個(gè)問題解決不好都不可能生產(chǎn)出高質(zhì)量、高熱效率的渦輪部件