汽轮机是一种旋转机械，从高压蒸汽中提取能量，并通过旋转轴输出机械动力。蒸汽流经固定通道和动叶片，向较低压强膨胀，同时驱动转子。转轴可以驱动发电机、泵、压缩机或推进系统。与往复式蒸汽机不同，汽轮机无需活塞曲柄机构便能产生连续旋转运动。汽轮机广泛用于发电站、工业设施和船舶动力装置。(betterbuildingssolutioncenter.energy.gov)
历史发展
实用的现代汽轮机出现于十九世纪末。古斯塔夫·德·拉瓦尔于1883年为一种以蒸汽或其他动力源驱动的涡轮机取得专利，随后开发出让蒸汽在到达叶轮之前先将能量转化为高速射流的结构。这种方式后来成为冲动式汽轮机的典型特征。1884年，查尔斯·帕森斯研制了一台与发电机相连的多级汽轮机；其早期实物之一至今仍保存在科学博物馆集团的馆藏中。(en.wikisource.org)
帕森斯将蒸汽膨胀过程分配到连续的多个级中，而不是让全部压降集中在一个叶轮上。这使汽轮机无需采用过高的叶片速度，也能高效地提取动力。他的工作推动了汽轮机发电和船舶推进技术的发展。实验船“透平尼亚”号在1897年庆祝维多利亚女王登基六十周年的海军阅舰式上展示了汽轮机推进技术，促进了这一技术在军用和商用蒸汽船上的应用。(asme.org)
工作原理
汽轮机的运行结合了热力学与流体力学原理。蒸汽在固定喷嘴或叶片通道中膨胀并加速。动叶片使蒸汽流改变方向，从而改变其动量，并对转子施加切向力。这会产生转矩；轴功率等于转矩与角速度的乘积。有些装置使用减速齿轮，使汽轮机转速与被驱动机械的要求相匹配。(energy.gov)
汽轮机级的设计主要分为两类：
- 冲动级： 在理想情况下，压降发生在固定喷嘴中，而蒸汽流经动叶片时压强基本不变。转子通过改变蒸汽射流的方向和速度来提取动力。
- 反动级： 蒸汽在静叶和动叶通道中均发生膨胀。动叶通道也起喷嘴作用，其中的压降有助于产生驱动转子的力。
这种分类描述的是膨胀过程如何分配，而不是不同的能量来源。两种设计都是将蒸汽中的能量转化为轴上的功。(energy.gov)
结构与配置
汽轮机的基本结构包括静叶片、安装在转子上的动叶片以及承压汽缸。大型汽轮机将膨胀过程分配到许多个级中。设计人员根据所需的蒸汽参数、输出功率和运行范围，选择叶片几何形状与各级配置。因此，汽轮机是针对其预定用途进行匹配设计的，并不能任意适配各种蒸汽供应条件。(energy.gov)
汽轮机也可按排汽方式分类。凝汽式汽轮机将蒸汽排入压强低于大气压的凝汽器，从而增大可利用的膨胀范围并提高发电功率。背压式汽轮机以适合其他用途的压强排出蒸汽，例如用于工业供热。抽汽式汽轮机在中间压强处抽出部分蒸汽，其余蒸汽则可继续流经后续各级。这些配置能够满足不同的发电与供热需求。(energy.gov)
在蒸汽动力循环中的作用
在常规朗肯循环中，泵提高液态水的压强，热源使水产生蒸汽，汽轮机从中提取功，凝汽器再将排汽凝结为液体。汽轮机只是这一系统的组成部分之一，本身并不提供产生蒸汽所需的热。在核能发电站中，反应堆释放的能量最终用于产生蒸汽，驱动汽轮机和发电机。(arxiv.org)
实际循环可能采用汽轮机各段之间的再热，以及回热式给水加热。再热可避免蒸汽在后续膨胀过程中湿度过高；回热则利用从中间级抽出的蒸汽，在给水进入锅炉之前将其加热。湿度之所以重要，是因为高速水滴会侵蚀叶片并降低汽轮机性能。这些改进涉及整个动力循环的运行特性，而不只是单台汽轮机的效率。(epa.gov)
应用与运行限制
蒸汽可以利用化石燃料、生物质或回收的工业余热来产生。在联合循环发电厂中，燃气轮机排气中的热量用于产生蒸汽，再驱动一台汽轮机。小型汽轮机还可直接驱动工业泵和压缩机，省去中间的电能转换环节。(betterbuildingssolutioncenter.energy.gov)
在热电联产系统中，汽轮机在发电的同时，以背压排汽或抽汽为工业生产过程或区域供热提供蒸汽。汽轮机还可以部分替代减压阀的功能，从原本不产生轴功的降压过程中回收机械动力。热电联产的总效率同时计入有效供热和发电，不能与仅计算发电的效率混为一谈。(betterbuildingssolutioncenter.energy.gov)
运行条件对材料和性能提出了限制。部件必须承受高转速、温度梯度和蒸汽环境的影响。过热蒸汽有助于减轻水分引起的叶片侵蚀，而更高的运行温度则要求采用适当的合金钢或镍基合金。维护工作包括检查、修理、部件更换和状态监测；数字化监测可支持根据实际观察到的设备状态安排维护，而不只是依据累计运行时间。(eere-exchange.energy.gov)