涡轮复合式发动机是一种将往复式内燃机与动力涡轮结合的复合动力装置。其工作原理为工质依次在往复式内燃机气缸和动力涡轮中完成多级膨胀过程，并通过传输机构同时输出两级膨胀产生的动力，有效提升能量利用率。

涡轮复合式发动机的核心技术在于多级膨胀动力输出。工质首先在往复式内燃机的工作气缸内膨胀做功，驱动活塞运动产生第一级动力输出，并在第二级涡轮(动力涡轮)内经多级膨胀而发出的功率通过传输机构同时输出。高温高压废气进入第二级动力涡轮进一步膨胀，驱动涡轮旋转产生第二级动力输出。两级动力通过传输机构整合后共同输出，形成复合动力模式。

涡轮复合式发动机的典型结构包含往复式内燃机气缸组件、动力涡轮组件及动力传输机构。传输机构多为齿轮或曲轴联动系统，可实现不同转速动力源的耦合输出。截至2020年08月20日，该结构设计主要应用于提升内燃机废热回收效率的领域。