一种涡轮叶片以及由该涡轮叶片组成的涡轮技术领域
本发明涉及流体动力学领域，具体地说，涉及一种涡轮叶片以及由该涡轮叶片组
成的涡轮。该技术也适用于船舶和飞行物等的浆翼叶片的设计。
背景技术
涡轮叶片表面是具有三维特性的空间曲面，在实际操作中，涡轮机械内部的真实
流动非常复杂，在空间上表现为流动的三维性，在时间上表现为流动的非定常性，在叶片附
近有附面层特征，叶片端面附近又会出现附面涡等扰流。通常用于分析流体运动的纳维-斯
托克斯方程很难用在涡轮设计中解决如此复杂的问题。尽管如此，我们还是可以从基本的
力学原理中发现流行的涡轮技术的共同缺陷。首先，流行的涡轮技术基本上采用涡轮叶片
改变流体运动方向，同时得到反方向的推力，并以此为动力维持涡轮的转动。这种方法下，
流体离开涡轮叶片的速度与涡轮叶片得到的推进力和转动的速度相关，涡轮推进力越大，
转动越快，意味着流体离开得越快。流体离开越快意味着流体中剩余的动能越大。所以这种
利用流体反推力的涡轮技术不可避免地带来可观的能量损失。其次，流行的涡轮技术难以
避免的一个问题是随着叶片各点的旋转半径不同，线速度也不同，甚至差异巨大，尤以轮径
巨大的涡轮比如风力发电的风轮为甚。比如接近风轮轴的叶片，速度很慢，风无法推动，几
乎只能是绕过这里，从而难以传递能量，而在风轮的尖端，速度又快得远超过风速甚至产生
背压，也就是叶片背面追上了气流，攻角造成叶片背面的气压大于了正面的气压，导致很大
的旋转阻力。因此旋转线速度的不同会相当程度上降低涡轮效率。第三，流行的涡轮技术无
法避免离心力带来的能量损失。流体在离心力作用下离开涡轮势必带着旋转切向上的速度
分量，这部分能量无可避免地损失了。第四，燃气轮机等应用中，排放的流体含有大量的余
热，未被有效转化为机械能，因此也降低了涡前温度，也降低了燃气轮机效率。第五，涡轮叶
片的数目与效率之间有矛盾，尤以风力发电的风轮为突出。风轮叶片的投影总面积或称风
轮实度是一个难以提高的指标，风轮实度不高，势必导致风能的流失。而提高风轮实度，又
会引起风阻增加，风速减小，降低风轮效率。有鉴于此，本发明提出一种新型涡轮叶片以及
由该涡轮叶片组成的涡轮，以克服以上缺陷。
发明内容
本发明提供一种涡轮叶片，忽略叶片厚度时，其叶片曲面是第一叶片曲面、第二叶
片曲面或第三叶片曲面中的一个，第一曲线(AB)是与旋转轴共面且不相交的光滑无拐点的
凹曲线，第一曲线的凹面朝向旋转轴，第一曲线接近旋转轴的端点称为近端，第一曲线远离
旋转轴的端点称为远端，其中，第一叶片曲面至少满足以下曲面特征：第一曲线绕旋转轴旋
转一周形成参考面(M)，第一曲线向旋转方向一侧延伸出第一叶片曲面(M1)，第一曲线上始
终具有分离点，在第一曲线上，分离点与近端之间的曲线段延伸形成本征第一叶片曲面，分
离点与远端之间的曲线段绕旋转轴旋转形成的附加曲面与参考面重合，所述分离点绕旋转
轴旋转产生的圆弧线称为分离线，所述分离线构成本征第一叶片曲面和附加曲面的交界
线，所述本征第一叶片曲面上的点均不与参考面重合和相交，经过本征第一叶片曲面上任
一点(P2)，在本征第一叶片曲面上形成第二曲线，第二曲线上的任一点与旋转轴的距离相
等，经过所述本征第一叶片曲面上任一点，在本征第一叶片曲面上形成第三曲线，第三曲线
上的任一点均处于过所述本征第一叶片曲面上任一点和旋转轴的同一平面内，过所述本征
第一叶片曲面上任一点的法线与参考面形成交点(Q)，并且，若所述本征第一叶片曲面上任
一点沿第二曲线向旋转方向一侧移动，则随着所述本征第一叶片曲面上任一点与所述交点
之间距离逐渐增大，所述第二曲线的曲率也逐渐增大，并且，若所述本征第一叶片曲面上任
一点沿第三曲线向旋转轴方向移动，所述交点(Q)也沿参考面上的对应曲线轨迹同时移动，
则随着所述本征第一叶片曲面上任一点与所述交点之间距离逐渐增大，所述第三曲线的曲
率与交点处的该对应曲线轨迹的曲率之差也逐渐增大，且遍历整个本征第一叶片曲面，所
述本征第一叶片曲面上任一点的法线始终与垂直于旋转轴的平面相交；本征第一叶片曲
面、第一曲线、分离线和附加曲面共同构成第一叶片曲面；其中，第二叶片曲面至少满足以
下曲面特征：旋转轴竖直时，在所述参考面上任取一条连续平滑的第四曲线(ST)，且第四曲
线上任意两点在平行于旋转轴方向的高度不同，并且，第四曲线上总具有唯一的一点与第
一曲线上的任意一点在平行于旋转轴方向的高度相同，将第一叶片曲面上在平行于旋转轴
方向上高度相同的点保持相对位置不变并绕旋转轴旋转，直至第一曲线的点与第四曲线上
高度相同的点重合，形成第二叶片曲面；其中，第三叶片曲面至少满足以下曲面特征：第三
叶片曲面是由第一曲线绕旋转轴旋转一周形成的参考面；其中，若分离点与远端重合，本征
第一叶片曲面即构成第一叶片曲面，若分离点与近端重合，第一叶片曲面等同于第三叶片
曲面。
优选地，第一叶片曲面还包括第一曲线延伸出的与旋转方向相反一侧的部分参考
面和/或所述第一曲线远端的切线与旋转轴平行时，第一叶片曲面的远端边缘线沿旋转轴
方向自然平滑延伸出的部分柱面；第二叶片曲面还包括第一曲线延伸出的与旋转方向相反
一侧的部分参考面和/或所述第一曲线远端的切线与旋转轴平行时，第二叶片曲面的远端
边缘线沿旋转轴方向自然平滑延伸出的部分柱面；第三叶片曲面还包括所述第一曲线远端
的切线与旋转轴平行时，第三叶片曲面的远端边缘线沿旋转轴方向自然平滑延伸出的部分
柱面。
优选地，所述第一曲线是摆线。
优选地，所述本征第一叶片曲面上任一点在所述本征第一叶片曲面上作远离旋转
轴的径向运动时，所述本征第一叶片曲面上任一点与参考面在平行于旋转轴方向的距离以
所述第一叶片曲面任一点与旋转轴的距离的平方呈反比率递减。
优选地，涡轮叶片的叶片曲面是所述第一叶片曲面或第二叶片曲面的部分截取
面，所述部分截取面是在所述第一叶片曲面或第二叶片曲面上从旋转轴到分离线之间任意
截取的部分曲面，并且，所述部分截取面不包含分离线。
优选地，多段满足第一曲线特征的曲线凹向一致并首尾顺次连接，形成多级相连
第一曲线，并由该多级相连第一曲线形成多级相连第一叶片曲面、多级相连第二叶片曲面、
多级相连第三叶片曲面、多级相连复合叶片曲面，
其中，多级相连第一叶片曲面的每一段都符合第一叶片曲面的曲面特征，
多级相连第二叶片曲面的每一段都符合第二叶片曲面的曲面特征，
多级相连第三叶片曲面的每一段都符合第三叶片曲面的曲面特征，
多级相连复合叶片曲面的每一段都符合第一叶片曲面或第二叶片曲面或第三叶
片曲面的曲面特征，
所述叶片曲面是多级相连第一叶片曲面、多级相连第二叶片曲面、多级相连第三
叶片曲面或多级相连复合叶片曲面中的一个。
优选地，涡轮叶片上靠近旋转轴的部位开设有穿透涡轮叶片的导流孔。
优选地，采用权利要求6所述的多级相连第三叶片曲面作为涡轮叶片，形成多级相
连单叶片涡轮，且旋转轴与涡轮叶片结合处设置有孔洞。
优选地，采用权利要求6所述的多级相连第一叶片曲面或多级相连第二叶片曲面
或多级相连复合叶片曲面作为涡轮叶片，形成多级相连多叶片涡轮。
本发明还提供一种单叶片涡轮，采用以上所述的第三叶片曲面作为涡轮叶片，形
成单叶片涡轮，且旋转轴与涡轮叶片结合处设置有孔洞。
优选地，多个大小不同的单叶片涡轮同轴叠放在一起，形成共轴叠片涡轮，并且，
沿叶片曲面从旋转轴到叶片径向边缘，叶片之间的间隙越来越小。
本发明还提供一种多叶片涡轮，采用以上所述的第一叶片曲面或第二叶片曲面作
为涡轮叶片，各叶片以凹曲面朝向相同的方式与旋转轴同心地固定在一起，其中，所有叶片
曲面的第一曲线均布置在第一曲线旋转所得的参考面上，围绕旋转轴沿圆周方向均匀排列
叶片，径向边缘通过无缝结合为一体的参考面或专门的环状结构固定在一起形成多叶片涡
轮。
优选地，多个大小不同的多叶片涡轮同轴叠放在一起，形成多级涡轮，从旋转轴到
涡轮径向边缘，涡轮之间的间隙越来越小。
附图说明
通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得
更加清楚和容易理解。
图1是表示本发明实施例涉及的第一曲线的示意图；
图2是表示本发明实施例涉及的参考面的立体示意图；
图3是表示本发明实施例涉及的部分参考面的立体示意图；
图4是表示本发明实施例涉及的本征第一叶片曲面的立体示意图一；
图5是表示本发明实施例涉及的本征第一叶片曲面的立体示意图二；
图6是表示本发明实施例涉及的第四曲线的示意图；
图7是表示本发明实施例涉及的本征第一叶片曲面的立体示意图三；
图8是表示本发明实施例涉及的多叶片涡轮的立体示意图一；
图9是表示本发明实施例涉及的多叶片涡轮的俯视示意图；
图10是表示本发明实施例涉及的多叶片涡轮的立体示意图二；
图11是表示本发明实施例涉及的多叶片涡轮的立体示意图三；
图12是表示本发明实施例涉及的单叶片涡轮的立体示意图；
图13是表示本发明实施例涉及的共轴叠片涡轮的立体示意图；
图14是表示本发明实施例涉及的多级涡轮的立体示意图；
图15是表示本发明实施例涉及的混合涡轮的立体示意图；
图16是表示本发明实施例涉及的多级相连第一曲线的示意图；
图17是表示本发明实施例涉及的导流孔的示意图。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明所述的一种涡轮及涡轮叶片的实施例。本领域的普
通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式
或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于
限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记
表示相同的部分。
本发明提供一种涡轮叶片，该涡轮叶片具有曲面特征，为清楚描述叶片曲面特征，
忽略涡轮叶片的厚度，下文中仅以一个叶片为例来说明叶片曲面的特征。叶片是围绕组装
后的涡轮的旋转轴旋转的，下文中简称为旋转轴，下文中将叶片曲面放置在以Z轴为旋转轴
的OXYZ直角坐标系中进行说明。
第一实施例
下面结合图1至图7来描述叶片曲面的特征。如图1、图2所示，Z是旋转轴，第一曲线
AB是与旋转轴共面且不相交的平滑无拐点凹曲线，其凹面朝向旋转轴，且一端点B与旋转轴
接近称为近端，另一端点A与旋转轴远离称为远端。在第一曲线上取任一点P1作切线，切线
与旋转轴的夹角α在近端B小于等于90度，在远端A大于等于0度。显然，α等于0度意味着此时
远端A处切线与旋转轴平行。随此点由近端B运动向远端A，所述夹角α单调递减。若第一曲线
AB可用函数表示，其一阶导数在定义域内单调增。将第一曲线AB绕Z轴旋转一周形成参考面
M，参考面M为一近似天线锅状面，G为旋转圆周轨迹。如图3、图4所示，因为叶片曲面要以参
考面为参照进行说明，因此，选取部分参考面M。第一曲线AB向旋转方向一侧延伸出第一叶
片曲面M1。
下面结合附图2至7说明第一叶片曲面的特征。如图2所示，第一曲线AB上总可以找
到一点，称为分离点W，分离点W围绕旋转轴旋转形成的圆弧线称为分离线L。
线段AW绕旋转轴旋转延伸出的曲面与参考面重合，称为附加曲面。而由线段WB延
伸出的曲面上，除第一曲线和由分离点W围绕旋转轴旋转形成的分离线外，剩余的曲面上的
任一点均不与参考面M重合和相交，将此区域称为本征第一叶片曲面M11。本征第一叶片曲
面M11与参考面M交界于第一曲线AB和分离线L，但它不包含第一曲线和分离线，也就是说，
所述本征第一叶片曲面上的点均不与参考面重合和相交。本征第一叶片曲面、第一曲线、分
离线和附加曲面共同构成第一叶片曲面。特殊情况下，当分离点W与远端点A重合时，则本征
第一叶片曲面即构成第一叶片曲面，当分离点与近端重合时，第一叶片曲面等同于第三叶
片曲面。第一叶片曲面只有第一曲线和分离线(分离点与远端重合时旋转得到的分离线)与
参考面重合。
然后，如图5所示，在本征第一叶片曲面M11上任取一点P2，过点P2在本征第一叶片
曲面M11上做第二曲线CD，第二曲线CD与靠近第一曲线的边缘的交点为C，第二曲线CD上的
所有点与Z轴的距离相等。过点P2在本征第一叶片曲面M11上做第三曲线EF，所述第三曲线
上的所有点均处于P2点和旋转轴确定的同一平面内。若用函数表示，第二曲线CD与第三曲
线EF均为连续可导函数曲线且无拐点。过点P2的叶片曲面M1的法线与参考面M相交与点Q，
并且，若点P2沿第二曲线CD向旋转方向一侧移动，也就是点P2从C点移动到D点，P2Q之间的
距离逐渐增大，第二曲线CD在P2点处的曲率也逐渐增大。若点P2沿第三曲线EF向旋转轴移
动，即点P2从E向F移动，P2点的法线与参考面的交点Q也在参考面上沿对应曲线轨迹同时移
动，此时P2Q之间距离逐渐增大，且第三曲线EF在P2点处的曲率与此时Q点在对应曲线轨迹
上的曲率之差也逐渐增大。所述对应曲线轨迹，也即指第三曲线EF和旋转轴所在平面与参
考面的相交线，显然，它也是沿旋转轴旋转到该处并形成参考面的第一曲线。
其中，第二曲线CD所描述的曲面特性定义为一阶曲面，第三曲线EF所描述的曲面
特性定义为二阶曲面。由上可见二阶曲面的弯曲度主要是由第一曲线AB赋值的。二阶曲面
特性也是本涡轮叶片曲面区别于其他涡轮叶片曲面最重要的特征。
遍历整个本征第一叶片曲面M11，过点P2的法线始终与XOY平面(垂直于叶片旋转
轴的平面)有交点。也就是说，过P2点切平面与XOY平面夹角不得等于90度。整个第一叶片曲
面上，只有当α＝0度，也就是A点切线平行于旋转轴时，A点在第一叶片曲面上延伸出的远端
边缘线上任一点的切平面才可以且必定与XOY平面垂直。
一般情况下，第一曲线就是叶片的后边缘线(与旋转方向相反一侧的曲面边缘，即
曲面的后侧边界)。但是，也可以将第一曲线与旋转方向相反的一侧的部分参考面加入叶片
曲面，对叶片的使用性能没有影响。不过，下文中，将忽略第一曲线与旋转方向相反的一侧
的部分参考面，仅以第一曲线作为后边缘线进行说明。
下面结合图6说明第二叶片曲面。如图6所示，在参考面上任取一条连续平滑的第
四曲线ST，S为上边缘点，T为下边缘点，并保证ST曲线上任意两点z值不等，即第四曲线上任
意两点在平行于旋转轴方向的高度不同。在第一曲线AB上任取一点J，第四曲线ST上有唯一
一点K与之对应，且J、K两点在Z轴方向的数值相等，即第四曲线ST上总具有唯一的一点与第
一曲线上的任意一点在平行于旋转轴方向的高度相同。过J、K两点在参考面M上形成圆弧
JK，其弧度为θ，若ST为一函数曲线，显然θ可看做J的函数F(J)，θ＝F(J(xyz))，对于已知的
第一曲线AB，J点在AB上的实际自变量只有z，故θ＝F(z)。显然，根据K点落在J点的方向不
同，θ值也有正负值的不同，J、K重合时θ＝0。
将以第一曲线AB为后边缘线的第一叶片曲面按以下规则转换为以ST曲线为后边
缘线的第二叶片曲面，其具体方法是：令第一叶片曲面M1中，与J点相同z值的点都以Z轴为
旋转轴，向K点旋转弧度θ，让J点遍历第一曲线AB，从而得到以ST为新的后边缘线构建的第
二叶片曲面。也就是说，将第一叶片曲面上在Z轴方向上高度相同的点保持相互位置不变绕
Z轴旋转至第一曲线上的点与第四曲线上高度相同的点重合，形成第二叶片曲面。若第四曲
线ST能够以函数来表示，则可简单描述为第一叶片曲面的所有点绕Z轴旋转θ＝F(z)的弧度
得到第二叶片曲面。此变换称为弧度θ旋转变换。
另外，也可以仅利用参考面形成叶片曲面，称为第三叶片曲面，第三叶片曲面也可
看做当第一曲线的分离点W与近端B重合时第一叶片曲面的特例。
以上结合附图说明了第一叶片曲面、第二叶片曲面、第三叶片曲面的基本特征。而
涡轮叶片可以由第一叶片曲面、第二叶片曲面、第三叶片曲面中任一个构成。
在一个优选实施例中，第一曲线AB可以是摆线。
在一个优选实施例中，在某些情况下，第一曲线分离点W与远端A重合，且A点切线
与旋转轴平行，此时可以进一步限制第一叶片曲面和第二叶片曲面的曲面特征。例如，如图
7所示，在第一叶片曲面上面取任一点P3，过点P3作Z轴的平行线，该平行线距Z轴的间距为
R，与参考面M相交于点Q3。当该平行线沿径向向Z轴运动时，点P3与点Q3的之间的距离以R的
平方呈反比率递增。由此得到的第一叶片曲面依然采用前述的弧度θ旋转变换的方式得到
对应的第二叶片曲面。
在一个优选实施例中，叶片曲面上可以进一步包括其他曲面和自然延伸部分(平
滑过渡部分)，自然延伸区域不必符合上述叶片曲面的定义。第一叶片曲面还可以包括第一
曲线与旋转方向相反一侧的部分参考面和/或所述第一曲线远端的切线与旋转轴平行时，
第一叶片曲面的远端边缘线沿Z轴竖直向上延伸出的部分柱面，或上述曲面的任意一部分。
第二叶片曲面还包括第一曲线与旋转方向相反一侧的部分参考面和/或所述第一曲线远端
的切线与旋转轴平行时，第二叶片曲面的远端边缘线沿Z轴竖直向上延伸出的部分柱面，或
上述曲面的任意一部分。第三叶片曲面还包括所述第一曲线远端的切线与旋转轴平行时，
第三叶片曲面的远端边缘线沿Z轴竖直向上延伸出的部分柱面，或上述曲面的任意一部分。
第一叶片曲面、第二叶片曲面、第三叶片曲面统称为叶片曲面。忽略涡轮叶片的厚
度，叶片曲面符合第一叶片曲面、第二叶片曲面和第三叶片曲面中一个的特征(自然延伸区
域除外)。叶片实际的厚度在满足叶片曲面的基础上根据实际需要而定，叶片厚度不大时，
“实际叶片曲面”和“叶片曲面”可视为同一曲面。针对具体的某种流体，叶片的边缘形状可
以在实际叶片曲面上根据需要而取得。实际应用中，叶片上还允许设置导流孔或槽等，如图
17所示，在每个叶片靠近旋转轴的位置上设置有导流孔15，特别地，导流孔15设置在同一圆
周上。导流孔也允许顺流线增设加强筋等结构，或将叶片设计中空以布置冷却管道等等改
动。由于第一曲线的弯曲特征，整个叶片在轴向上有相应的弯曲度，是本发明的涡轮叶片
(包括单叶片在内)区别于常规涡轮叶片的重要特征。
当分离点与远端重合时，本征第一叶片曲面即构成第一叶片曲面，并由此得到第
二叶片曲面，由第一叶片曲面或第二叶片曲面均能形成多叶片涡轮。如图7至10所示，多叶
片涡轮1由多个叶片11沿圆周方向拼接而成，将叶片曲面的第一曲线AB放置在旋转所得的
参考面M上，等分圆周，围绕旋转轴均匀排列叶片，各叶片11与旋转轴12固定在一起，径向边
缘通过环状结构13固定在一起形成多叶片涡轮。该涡轮整体的外轮廓呈参考面M的形状，类
似天线锅状。
部分第一叶片曲面和部分第二叶片曲面也能形成多叶片涡轮。这里的所谓部分，
是指仅取第一曲线近端B到分离点W之间的任意曲线段形成的部分叶片曲面，也就是第一叶
片曲面或第二叶片曲面靠近旋转轴的任意部分，而不包括它们的分离线。因此形成涡轮后，
相邻叶片之间的径向边缘因与旋转轴距离不相等，并不自然结合在一起，而由环状结构将
它们固定在一起。如果是包含分离线的完整第一叶片曲面或第二叶片曲面形成的叶片，则
相邻叶片的径向边缘因为与旋转轴距离相等，会自然结合在一起。为了结构的牢固性，一般
也用环状结构将叶片边缘固定在一起。
多叶片涡轮叶片曲面参数和叶片个数与流体粘性系数、工况(流速压力温度等)和
叶片生产的加工条件限制相关。牛顿流体理想情况下，在加工工艺和材料强度许可的前提
下，叶片做得越薄越好。一般地，流体粘性系数越大，叶片曲面平均曲率也越大，相应地叶片
数目就可以做得越多，叶片间距就越大。
组装后的多叶片涡轮，从其凹侧看，牛顿流体和理想工况下，因多叶片涡轮的叶片
足够宽大，涡轮叶片的正投影一般会有互相重叠的部分，故无法看到叶片之间的间隙，这是
本发明涡轮的一般特征。但根据流体的不同，叶片边缘形状的不同，特殊情况下也可以看到
间隙。图示的叶片边缘形状并非确定，实际形状根据具体需要(流体、工况等)而决定。从多
叶片涡轮背面看，叶片间隙一般规律是：如图10、11所示，沿叶片曲面从旋转轴12到叶片环
状结构13，叶片之间的间隙越来越小，这是由叶片曲面的特性决定的。也就是说，越靠近涡
轮旋转轴，相邻叶片之间的间隙越大，越靠近涡轮边缘，叶片之间间隙越小。
第二实施例
如图12所示，单叶片也可以构成一个单叶片涡轮2。单叶片涡轮2仅包括一个以第
三叶片曲面构成的涡轮叶片21，涡轮叶片21可以视为叶片之间间隙无限小的多叶片涡轮，
就是一个完整的带厚度的参考面，呈天线锅状面，靠近旋转轴22处有个空洞，或设置导流
孔，以供流体流动。
第三实施例
如图13所示，多个单叶片涡轮2可以构成共轴叠片涡轮3，共轴叠片涡轮3也可看成
是多个单叶片涡轮31围绕旋转轴32串联构成的多级涡轮，即把直径大小不同的单叶片共轴
叠合在一起，互相之间留有间隙，间隙的规律依然遵从叶片间隙一般规律，即沿叶片曲面从
旋转轴到叶片径向边缘，叶片间隙越来越小，但最小间隙大于零。图13展示了部分叶片的剖
面图，可以看到叶片间隙的规律。实际运用中叶片密度可能大大高于图13所示。在不显著影
响效能的前提下，叶片之间在叶片曲面一些特殊的节点也允许有互相固定的结构，以加强
整体的牢固度，并沿涡流流线分布以减小阻力。因尺度通常比较细小，图13忽略了此细节的
展示。叶片中央的孔洞，一般满足从内到外叶片中央孔洞渐次增大的规律，或外圈叶片靠近
旋转轴处增多增大导流孔，图13也忽略此细节的展示。
第四实施例
如图14所示，也可把多个多叶片涡轮41围绕旋转轴42做成不同直径共轴叠合在一
起的涡轮，各涡轮之间的间隙规律类同于上述共轴叠片涡轮，即从旋转轴到涡轮径向边缘，
涡轮之间的间隙越来越小，在此被称为多级涡轮4。
第五实施例
如图15所示，该涡轮的叶片是由本征第一叶片曲面或第二叶片曲面与第三叶片曲
面组成的，也就是说，分离点既不与第一曲线的远端重合，也不与第一曲线的近端重合。此
时的第一叶片曲面则包括本征第一叶片曲面和附加曲面。由第一叶片曲面形成的涡轮叶片
具有多叶片涡轮1和单叶片涡轮2的特征。同样地，当分离点既不与第一曲线的远端重合，也
不与第一曲线的近端重合时，第二叶片曲面形成的涡轮叶片也具有多叶片涡轮1和单叶片
涡轮2的特征。同样，这种涡轮也可以被做成不同直径共轴叠合的多级涡轮。
如图16所示，多个符合第一曲线AB特征的曲线的端点首尾顺次连接，且凹向相同，
从B端点向下方扩展出A'B'曲线，从A端向上扩展出A"B"曲线，且AB曲线、A'B'曲线、A"B"曲
线均满足以上第一曲线AB的定义，即“与旋转轴共面且不相交的光滑无拐点且凹面朝向旋
转轴的凹曲线，其上任一点的切线与旋转轴的夹角大于等于0度，且小于等于90度”。A'B'曲
线还可以继续往下延伸，A"B"曲线也可以继续往上延伸，这样形成的曲线在此称为多级相
连第一曲线。其中任一段第一曲线均按照前述的方法旋转出参考面，形成多级相连的参考
面、并均能够得到多级相连第一叶片曲面、多级相连第二叶片曲面、多级相连第三叶片曲
面、以及多级相连的上述叶片曲面混合在一起的复合叶片曲面。
例如，采用多级相连第三叶片曲面作为涡轮叶片，形成多级相连单叶片涡轮，且旋
转轴与涡轮叶片结合处设置有孔洞。例如，采用多级相连第一叶片曲面或多级相连第二叶
片曲面或多级相连复合叶片曲面作为涡轮叶片，形成多级相连多叶片涡轮。并且，包含多级
相连的叶片曲面的涡轮叶片同样能够构成多叶片涡轮，单叶片涡轮，共轴叠片涡轮和多级
涡轮等以及它们的混合组合形式。
下面结合附图10来简述涡轮运转原理，当流体从上到下流经叶片时，受叶片曲面、
旋转和流压的共同诱导，在涡轮的凹面方向产生紧贴叶片的涡流，并通过边界层效应向叶
片传递转矩，这里称之为诱导涡流。诱导涡流推动涡轮旋转，涡轮旋转运动进一步加强诱导
涡流，因此，涡轮和诱导涡流进入能量正反馈互相传递过程，通过此过程，流体输入的能量
和涡轮旋转输出的能量之间迅速达到最大值并保持平衡。流体流动的能量通过诱导涡流转
化为涡轮旋转的能量。与传统涡轮受流体反推力产生旋转的原理不同，本涡轮是被流体里
的诱导涡流通过边界层效应推动旋转的。
单叶片涡轮和共轴叠片涡轮适用于高雷诺数的流体情况。单叶片涡轮和共轴叠片
涡轮需要预先施加一个初始旋转运动才能开始运转，当旋转运动开始后，上述原理依然适
用。
理论上一切流体均可使用本发明的涡轮进行能量交换。尤其适用于风力发电涡轮
和水力发电涡轮，也可广泛用于蒸汽轮机和燃气轮机各级叶片设计。还可以用于驱动流体，
比如各种泵和桨翼设计中。
本发明的涡轮具有小扭矩、高转速、高效率的运转特征。若用于发电，则可直接连
接发电机，省去变速箱等加速机构。
而共轴叠片涡轮、多级涡轮、混合涡轮则能够提高涡轮的能效。
本发明的涡轮的旋转不主要依赖于流体流出涡轮时的反推力，流体只有在涡轮的
靠近中心区域才能流出涡轮，也就是从线速度最低的区域流出涡轮，确保了流体流出涡轮
的速度是趋于最小，意味着流体剩余的动能是趋于最小的。并且，由于涡轮各点线速度的不
同从而产生科里奥利力，推动涡轮转动。因为离心力增加了流体和叶片之间的压力，使得涡
轮获得主要的转矩。由于诱导涡流的流场，在燃气轮机等应用中，涡流流场会产生径向温度
梯度，接近涡流的边缘温度高，接近涡流的中心温度低，这样就保证了排放的流体温度低，
余热少，因此也就提高了涡前温度和燃机效率。另外，本涡轮用在风力发电中，风轮实度可
以达到百分之百，没有因之带来的风力流失。又因为旋转的高速性，能及时疏泄来风量，不
会增加风阻降低效率。
本发明提供一种利用流体中人为制造的涡流来驱动的涡轮。本发明提出二阶曲面
的涡轮叶片概念，利用该涡轮叶片组成的涡轮和涡轮组，通过涡流流场的耦合，实现高效率
的能量转换。所谓二阶曲面，是在普通涡轮叶片的曲面基础上，再叠加一次轴向弯曲，以此
形成涡流耦合场，即叶片在流体中的旋转运动制造涡流场，流场中产生科里奥利力并通过
边界层效应推动叶片加速旋转，涡流和叶片之间形成正反馈，以此达到高能量转换率。这种
驱动模式带来的好处还包括利用涡流场的温度梯度效应，提高燃气轮机等应用的热效率。
因为流体流出本新型涡轮时，剩余的动能和焓值均小于普通涡轮，其和初始流体的能量差
均用在了推动叶片旋转做功，所以达到了提高能效的目的。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人
员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、
等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。