透平[turbine] 將流體介質中蘊有的能量轉換成機械功的機器。又稱渦輪、渦輪機。透平是英文turbine的音譯,源於拉丁文turbo一詞,意為旋轉物體。透平的工作條件和所用介質不同,因而其結構型式多種多樣,但基本工作原理相似。透平最主要的部件是旋轉元件(轉子或稱葉輪),被安裝在透平軸上,具有沿圓周均勻排列的葉片。流體所具有的能量在流動中經過噴管時轉換成動能,流過轉子時流體衝擊葉片,推動轉子轉動,從而驅動透平軸旋轉。透平軸直接或經傳動機構帶動其他機械,輸出機械功。透平按所用的流體介質不同可分為水輪機(用作水電站的動力源)、汽輪機(用於火力發電廠、船舶推進等)、燃氣透平(用作噴氣式飛機的推進動力、艦船動力,以及發電廠、尖峰負荷用小型電站等)和空氣透平(只能用作微小動力)等。
水輪機--水從高水位水庫沿通道流向處於低水位的水輪機的過程中,高水位水的勢能變成動能,推動水輪機旋轉。流過水輪機的尾水沿水道流去。現代水輪機的唯一用途是作為水電站的動力源,帶動發電機發電。
汽輪機--它的介質是蒸汽,具有熱能。蒸汽來自燃用礦物燃料的鍋爐,或是來自核動力裝置加熱的蒸汽發生器。它們產生的高溫高壓蒸汽以高速度經噴管送到蒸汽透平,驅動轉子旋轉,輸出動力。蒸汽流速很高,透平轉子尺寸較小,所以轉速可達10000轉/分。汽輪機主要用於火力發電廠,驅動發電機發電;也用於遠洋大型船舶和潛水艇作為主機驅動螺旋槳,推進船舶。
燃氣透平--它與壓氣機、燃燒室成為燃氣輪機裝置的三大主要部件。空氣供入壓氣機,壓縮成較高壓力和溫度的壓縮空氣,流入燃燒室與燃料混合、燃燒,形成高溫、高壓、高速的燃氣流,流入燃氣透平並推動燃氣透平旋轉,經透平軸輸出機械功。燃氣透平轉速高達每分鐘數萬轉。現代燃氣透平套用最廣泛的是作為噴氣式飛機的推進動力,有的用作艦船動力、發電廠、尖峰負荷用小型電站,也作為遠距離輸送天然氣的氣泵的動力。用作機車、汽車動力的燃氣透平還在研製試驗中。
另外,還有以壓縮空氣為工質推動透平旋轉的,只能作為微小動力用,這種透平稱為空氣透平。
燃氣透平被譽為世界上最為頂尖的工業技術,最初套用在噴氣式飛機和艦船的引擎中,於上世紀70年代開始才逐步套用在民用發電領域。其特點是在透平機的進氣口上分布4-12個燃燒倉,通過注入混合的可燃氣以及空氣並壓縮來引發燃料在燃燒倉里爆炸產生高溫高壓氣體,並注入透平高壓倉,推動7-12段高壓燃氣透平葉片後通過抽氣等方式進入低壓倉,推動5-24段低壓燃氣透平葉片。所有的高低壓透平葉片都固定在主軸上,以此來轉動主軸輸出功率。燃氣透平排出氣體中仍含有大量的熱量,因此一般在透平之後會配置熱回收裝置,例如餘熱鍋爐(熱交換蒸汽發生器)等等。
燃氣透平中的燃料燃燒倉以及透平葉片都屬於最高精尖的工業技術,目前只有日本、法國、德國和美國掌握了該技術,中國已經於2003年開始嘗試引進這些製造工藝。
蒸汽透平的原理比燃氣透平簡單,進汽口接往蒸汽發生器(鍋爐),透平倉根據技術的進步,已經出現了高-中-低壓三缸配置和高中-低壓兩缸配置兩種。透平葉片也分為高壓段、中壓段和低壓(背壓)段。其主要工作原理與燃氣透平相同,但由於一般的蒸汽透平也要負擔一定的供熱任務,所以在抽汽方式以及高壓蒸汽回收方式上也有很多分支,如抽汽式、背壓式、抽氣背壓式等等。
通過蒸汽透平的蒸汽一般經冷卻塔冷卻後返回鍋爐使用,稱為水循環。核電站的水循環有兩個環,其一是經過PW壓水堆或BW沸水堆進入熱交換器的放射性水循環,另外一個是經過熱交換器進入蒸汽透平以及冷卻塔的非放射性水循環。兩個循環彼此獨立,因此核電站自然蒸發出的水是沒有放射性的。目前我國在小容量蒸汽輪機的技術比較成熟,但在大型蒸汽輪機方面,目前僅有哈汽,東方以及上汽有相應的技術引進工作。
燃氣輪機和蒸汽輪機均通過軸系輸出功,因此在現代的發電廠中,燃氣輪機發電機-燃氣輪機-餘熱鍋爐-蒸汽輪機-蒸汽輪機發電機,即所謂雙軸聯合循環的套用最為廣泛,為進一步減少傳動中功率的損耗,近年來出現了將燃氣輪機發電機以及蒸汽輪機發電機統一起來的所謂“二拖一”模式,以及將燃氣輪機和蒸汽輪機通過單軸連線的“單軸”模式,進一步加強了燃料的使用效率。
水輪機的技術原理最為簡單,沒有透平倉也沒有動力倉等等,僅依靠水力推動單級葉片轉動輸出功,套用於水電站以及船舶動力。二戰後期出現了高效率的燃氣輪機,並被首先套用於大型艦船的動力機關中,之後水輪機的進化就趨於停滯。