汽輪機（Steam Turbine）是以蒸汽為工質并將蒸汽的熱能轉化為機械功的熱力透平機械。
汽輪機的基本工作原理及其很不完善的原始結構在很早以前就已產生，如中國的走馬燈、古埃及的希羅球等。1883年，瑞典工程師拉伐爾制造了單級沖動式汽輪機。次年，英國工程師帕森斯制造了多級反動式汽輪機。1896年，美國工程師冠蒂斯制造出速度級汽輪機。1902年，法國拉托教授制造出多級沖動式汽輪機。這些以不同理論制造的各種形式原型汽輪機建立了汽輪機發展的基礎。20世紀30年代，汽輪機在動力工業和艦船上作為主機得到廣泛應用。1955年，中國第一臺6000千瓦汽輪機在上海汽輪機廠試制成功。截至2000年，汽輪機發電占全球發電量的近三分之二。
汽輪機的工作原理是以蒸汽為工質，并將蒸汽的熱能轉換為機械功。汽輪機主要分為靜止部分、轉動部分和附屬裝置等三大部分，可根據工作原理、工質流動、轉子軸線位置、汽缸數目等標準分類。該機器的優點是工作穩定、維護簡單、工作壽命長、工質流速高、制作工藝成熟等，缺點是裝置復雜、耗油率高、相對重量指標高、機動性差等。 汽輪機在能源、電力與動力工程等領域占據重要地位，其主要技術發展趨勢包括采用大容量機組、提高主蒸汽初壓和初溫、采用燃氣-蒸汽聯合循環、提高機組的運行可靠性等。
簡史
起源
汽輪機的基本工作原理及其很不完善的原始結構在很早以前就已產生。如中國具有悠久歷史的走馬燈和風車等，就是原始的沖動式汽輪機雛形。走馬燈中被燈火加熱而上升的氣流，沖擊葉輪旋轉做功，帶動燈筒旋轉。風車、筒車、水磨等，則是利用自然界中存在的流動工質，沖擊葉輪旋轉做功的沖動式輪機的原型。
公元前150年，古埃及制造出的希羅球和中國煙火中的火輪，則是工質不同的反動式汽輪機的原始型式。然而，由于當時的經濟條件和技術發展條件所限制，這幾種形式的汽輪機原型都沒能發展成為工業上的發動機，只成為有趣的玩具，長期停留在原始狀態的動力機械原型。
發展
在西方進行工業革命之后，資本主義國家出現了許多大的工廠和作坊，迫切需要強大的動力源，而工業技術的發展也為新型發動機的制造提供了技術條件。1883年，瑞典工程師拉伐爾制造了一臺單級沖動式汽輪機，轉速高達25000r/min，卻只有3.8kW，然而確是制造現代大功率工業汽輪機的開始，在以后不斷的改進提高過程中得到了發展和完善。1884年，英國工程師帕森斯制造了一臺多級反動式汽輪機，轉速為17000r/min，有7.5kW。1896年，美國工程師冠蒂斯制造了速度級汽輪機。1902年，法國拉托教授制造出了多級沖動式汽輪機。這些以不同理論制造的各種形式原型汽輪機，建立了汽輪機發展的基礎。
之后，汽輪機在原理、結構、工藝等各方面得到迅速發展。20世紀30年代，汽輪機在動力工業和艦船上作為主機得到廣泛應用，二次大戰后空氣動力學理論的發展成果應用于汽輪機設計，提高了它的工作效率。新的結構、材料及強度理論等現代科學的發展成就，促進了汽輪機制造工藝的飛速發展，生產出高參數、高效率的大功率機組。滿足了各個領域對動力的需求，特別是促進了電力工業的飛速發展，為社會經濟技術的進一步發展提供了強大的電力。
1951年年初，大連市一家發電廠一臺1.5萬千瓦的汽輪機突然發生故障，造成整個東北電網有限公司供應緊張。上海通用機器廠（上海汽輪機廠前身）立即展開搶修工作，在缺少圖紙、缺少設備和缺少經驗的條件下，使幾乎報廢的汽輪機重新工作。1953年，國家實行第一個五年計劃，決定在上海成立發電設備制造基地，上海通用機器廠因曾搶修過汽輪機，被國家命名為“上海汽輪機廠”，這是新中國第一家汽輪機廠。當時的上海汽輪機廠只能生產電動葫蘆、小型水泵等產品。
上海汽輪機廠建廠伊始，工廠接到試制中國第一臺6000千瓦汽輪機的任務。當時只有捷克斯洛伐克專家組提供的汽輪機圖紙。加工設備除了批準引進一臺動平衡機外，一律使用工廠原有舊設備。圖紙要求汽輪機葉根公差僅為0.009毫米，而工廠最好的銑床公差也在0.02毫米以上。一臺汽輪機由七萬多個零件組成，關鍵零件加工精度要精確到一個頭發絲的七分之一。而且，汽輪機要在高溫、高壓下高速運轉，制造非常困難。之后，朱順余、萬定國等發明了“半自動步槍靠模工具”，裝在普通銑床進行試驗，經過十九次改進，最終獲得成功。加工出來的葉片，質量完全達到設計要求。
1955年，中國第一臺6000千瓦汽輪機在上海汽輪機廠試制成功。1958年9月，中國第一臺2.5萬千瓦汽輪機在哈爾濱汽輪機廠有限責任公司設計制造成功。此后，哈爾濱汽輪機廠相繼設計制造了中國第一臺5萬千瓦、第一臺10萬千瓦、第一臺20萬千瓦汽輪機；及中國第一臺30萬千瓦熱電聯供汽輪機、第一臺60萬千瓦超臨界汽輪機，哈汽公司成功地為秦山核電站研制了兩臺65萬千瓦核電汽輪機，積累了豐富的設計制造經驗，為進一步發展百萬等級核電汽輪機準備了必要條件。
20世紀60年代后期，先進的工業國家制造了超臨界參數（23.52MPa/565℃）、單機功率為400-600MW的汽輪發電機組。20世紀70年代，又制造出1200MW的汽輪發電機組。截至2000年，汽輪機發電仍占全球發電量的近三分之二。
2019年6月，杭州汽輪控股有限公司制造的年產150萬噸乙烯裝置用汽輪機試車成功，這套裝置配套用工業汽輪機機組，最大功率達90萬千瓦，標志著世界最大的驅動用工業汽輪機在杭州誕生（截至2021年）。杭州汽輪設備的成功試車，意味著中國工業驅動用汽輪機的制造已達到全球頂尖水平。截至2021年，中國可以生產百萬千瓦以上的超超臨界汽輪機、百萬千瓦等級的核電汽輪機、艦船主動力蒸汽汽輪機和R0110重型燃氣輪機組。中國已成為全球火力發電設備銷量第一的制造強國。
工作原理
汽輪機以蒸汽為工質，并將蒸汽的熱能轉換為機械功。蒸汽在汽輪機中將熱力勢能轉換成機械功的全過程是需要在噴嘴葉柵和動葉柵內共同完成的，一列噴嘴葉柵和相應的一列動葉柵便組成了汽輪機中能量轉換的基本單元，稱為“級”。一臺汽輪機可由一級或若干級串聯組合而成為單級汽輪機或多級汽輪機。
蒸汽在汽輪機中的能量轉換包括兩個過程。首先，當一定溫度和壓力的蒸汽經過噴嘴葉柵時，將熱能轉換成蒸汽高速流動的動能；然后，當高速汽流經過動葉柵時，將動能轉換成轉子旋轉的機械能，從而完成利用蒸汽熱能驅動各類機械做功的任務。
蒸汽在固定不動的噴嘴中流動，其壓力降低，流速增加，將蒸汽的熱力始能轉換成動能。從噴嘴出口噴出的高速汽流，進入動葉流道，在流動過程中對動葉產生作用力，推動其作圓周運動，帶動葉輪和軸旋轉，對外做機械功。
基本構造
汽輪機主要分為靜止部分、轉動部分和附屬裝置等三大部分。靜止部分由上下兩半個汽缸組成，汽缸里面裝有噴嘴、隔板、隔板汽封等。轉動部分主要是轉子，轉子包括大軸及大軸上的葉輪和葉輪邊緣上裝有的葉片；大軸一端裝有蝸桿吊動調速器，一端裝有靠背輪聯接發電機轉子。附屬裝置包括主汽門、調節汽門、包急保安器、調速器、汽動油泵、油箱、冷油器、抽汽門、儀表盤及儀表等。
基本分類
反動式汽輪機
反動式汽輪機指蒸汽不僅在噴嘴中，而且在動葉片中也進行膨脹的汽輪機。反動式汽輪機與沖動式相反，在總功率相同時，其級數比沖動式多，但效率較高。由于蒸汽在反動級動葉柵中繼續膨脹，在動葉柵存在壓力差，因此反動級不能部分進汽，所以反動式汽輪機的第一級（也即調節級）通常是沖動級或速度級，在結構上，由于反動級動葉柵兩側有壓力差，為避免過大的軸向推力，一般采用轉鼓形轉子，這也可以使機組的軸向尺寸有所減少。此外，反動式汽輪機轉子上一般都裝有平衡盤，以平衡部分軸向推力。
沖動式汽輪機
沖動式汽輪機指蒸汽僅在噴嘴中進行膨脹的汽輪機，在沖動式汽輪機的動葉片中，蒸汽并不膨脹做功，而只是改變流動方向，其特點是：蒸汽主要在噴嘴中進行膨脹，在動葉片中不再膨脹或膨脹很少，而主要改變流動方向，現代沖動式汽輪機各級均具有一定的反動度，即蒸汽在動葉片中也發生很小的一部分膨脹，從而使氣流得到一定的加速作用，但仍算作沖動式汽輪機。
其他分類維度
參考資料：
技術參數
世界上已投運的火電用汽輪機，最大單機功率雙軸為1300MW（24.7MPa，538℃/538℃），單軸為1200MW（24.0MPa，540℃/540℃）.核電機組大多數采用5.0-7.0MPa的飽和蒸汽輪機與輕水反應堆配套，其最大單機功率達1500MW。大型飽和蒸汽輪機通常設計成單軸半速（1500r/min或1800r/min），采用外部水分離和新汽再熱裝置以及特殊的內部去濕、疏水和惡防蝕措施，以提高汽輪機的效率和可靠性。
參考資料：
產品特點
汽輪機具有轉速高、運轉平穩、功率大、結構簡單、耐用可靠等特點，是現代火力發電站、核能發電站和大型船舶中最主要的原動機。
優點
工作穩定
汽輪機工作穩定。汽輪機連續工作時其溫度場和應力場穩定、工質流動連續不間斷。在穩定工況時，汽輪機各部分的壓力、溫度、應力也都是穩定的，則主要部件的溫度場和受力狀態都是穩定的。因此，材料的使用、強度計算比較簡單，并且是可靠的。而內燃機或蒸汽機不僅工質流動是脈動的，汽缸內的工質參數也是周期性變化的，各承力部件受到周期性沖擊載荷作用。
高速回轉
汽輪機是高速回轉機械。汽輪機的主要運動部件都做高速回轉運動。運動部件的高速回轉，可以使發動機設計得重量輕、尺寸小。另一方面回轉運動是比較簡單的運動方式，工作中除了軸承外沒有機械磨損部件，工作平穩，振動噪音小。運行中維護操作簡單，需更換部件少，所以工作壽命很長，一般可達20年以上，并可在現場進行檢修。
工質流速高
汽輪機工質流速高。因為工質在汽輪機通流部分內運動是連續不斷的，可以實現流動損失較小的高速流動，這樣在單位時間進入汽輪機內參加工作的工質數量多，汽輪機就可以發出強大的功率，所以汽輪機的單機功率可以達到1500MW，這是任何其它種類發動機所望塵莫及的。
制造工藝成熟
蒸汽輪機設計制造工藝成熟，工作安全可靠，可使用普通材料，各國都已標準化。汽輪機組可以燃用各種燃料：重油、渣油、煤、褐煤礦等，應用核燃料作為能源更是汽輪機應用的新途徑，這是其他種類發電機所不能比擬的。
缺點
裝置復雜
汽輪機的裝置復雜。雖然汽輪機本體結構簡單，維護運行方便，但汽輪機工作時需要蒸發器或鍋爐及大量輔機配合進行，這就增加了運行崗位和維護工作量（雖然提高動力裝置自動化使其得到改善），與柴油機相比則是一個很大的缺點。
耗油率高
蒸汽輪機裝置耗油率較高。艦船用蒸汽輪機裝置的耗油率比柴油機要高些。盡管與燃氣輪機裝置相比數值上相差不多，但燃氣輪機燃用的是價格昂貴的煤油或柴油，而蒸汽輪機裝置的燃料油是重油，價格要便宜得多，而電站蒸汽輪機裝置燃用的主要是煤粉，經濟型反而更好些。
相對重量指標高
汽輪機裝置的相對重量指標較高，這主要是和高速柴油機及燃氣輪機相比較。蒸汽輪機裝置的相對重量為13.60-20.4kg/kW，中速柴油機約為16.32-23.12kg/kW，低速柴油機則達54.4-95.2kg/kW，燃氣輪機中加速機組為0.816-27.2kg/kW。
機動性差
蒸汽輪機機動性較差。常規蒸汽動力裝置正常啟動需要1小時，緊急啟動時也需要20分鐘才能離開碼頭，且不能全負荷工作。而內燃機和燃氣輪機的機動性都很好，只需3-5分鐘就可以達到全負荷工作。
應用領域
汽輪機作為最主要的熱力原動機，在能源、電力與動力工程等國民經濟各領域以及國防方面都占有極其重要的地位。汽輪機是現代發電廠、冶金工業、化學工業、艦船動力等的主要動力裝置。汽輪機主要用于發電廠，與鍋爐、發電機組配套使用，是火力發電廠三大主件之一。此外，汽輪機也用作船舶動力；小功率汽輪機也有作帶動鼓風機、壓氣機和水泵動力之用。
發展趨勢
汽輪機的主要技術發展趨勢如下：
生產制造商
世界上生產沖動式汽輪機的主要企業有：通用汽車（GE）、英國通用公司（英國通用電氣公司）、日本東芝（東芝）、日本日立、俄羅斯圣彼得堡金屬工廠等。制造反動式汽輪機的企業主要包括：美國西屋電氣公司（WH）、日本三菱、英國帕森斯公司、法國電器機械公司（CMR）、德國西門子股份公司（SIEMENS）等。
參考資料：
標準規范
中國
國外
參考資料 >
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