如果將沖動(dòng)式單級(jí)葉輪一個(gè)接一個(gè)連接起來，就組成沖動(dòng)式多級(jí)汽輪機(jī)。

如圖《沖動(dòng)式汽輪機(jī)通流部分示意圖》所示。沖動(dòng)式多級(jí)汽輪機(jī)由四級(jí)組成，第一級(jí)為調(diào)節(jié)級(jí)，其余三級(jí)為壓力級(jí)。調(diào)節(jié)級(jí)一般為部分進(jìn)汽，其噴嘴組裝于蒸汽室中。從鍋爐來的新蒸汽，經(jīng)過自動(dòng)主汽門流入依次開啟的幾個(gè)調(diào)節(jié)汽門，每個(gè)調(diào)節(jié)汽門控制一個(gè)噴嘴組。當(dāng)新蒸汽從調(diào)節(jié)汽門流出來便進(jìn)入與其對(duì)應(yīng)的噴嘴中，通過調(diào)節(jié)汽門控制進(jìn)汽量，以滿足外界負(fù)荷的需求。（其中1—轉(zhuǎn)子；2—隔板；3—噴嘴；4—?jiǎng)尤~柵；5—汽缸；6—蒸汽室；7—排汽管；8—軸封；9—隔板汽封）

一列噴嘴葉柵和其后面相鄰的一列動(dòng)葉柵構(gòu)成的基本作功單元稱為汽輪機(jī)的級(jí)，它是蒸汽進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的基本單元。根據(jù)蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)能量轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)，可將汽輪機(jī)的級(jí)分為純沖動(dòng)級(jí)、反動(dòng)級(jí)、帶反動(dòng)度的沖動(dòng)級(jí)和復(fù)速級(jí)等幾種。

各類級(jí)的特點(diǎn)：

（1）純沖動(dòng)級(jí)：蒸汽只在噴嘴葉柵中進(jìn)行膨脹，而在動(dòng)葉柵中蒸汽不膨脹。它僅利用沖擊力來作功。在這種級(jí)中：p1=p2；Dhb=0；Ωm=0。

（2）反動(dòng)級(jí)：蒸汽的膨脹一半在噴嘴中進(jìn)行，一半在動(dòng)葉中進(jìn)行。它的動(dòng)葉柵中不僅存在沖擊力，蒸汽在動(dòng)葉中進(jìn)行膨脹還產(chǎn)生較大的反擊力作功。反動(dòng)級(jí)的流動(dòng)效率高于純沖動(dòng)級(jí)，但作功能力較小。在這種級(jí)中：p1>p2；Dhn≈Dhb≈0.5Dht；Ωm=0.5。

（3）帶反動(dòng)度的沖動(dòng)級(jí)：蒸汽的膨脹大部分在噴嘴葉柵中進(jìn)行，只有一小部分在動(dòng)葉柵中進(jìn)行。這種級(jí)兼有沖動(dòng)級(jí)和反動(dòng)級(jí)的特征，它的流動(dòng)效率高于純沖動(dòng)級(jí)，作功能力高于反動(dòng)級(jí)。在這種級(jí)中：p1>p2；Dhn>Dhb>0；Ωm=0.05～0.35。

（4）復(fù)速級(jí)：復(fù)速級(jí)有兩列動(dòng)葉，現(xiàn)代的復(fù)速級(jí)都帶有一定的反動(dòng)度，即蒸汽除了在噴嘴中進(jìn)行膨脹外，在兩列動(dòng)葉和導(dǎo)葉中也進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐蛎洝Ｓ捎趶?fù)速級(jí)采用了兩列動(dòng)葉柵，其作功能力要比單列沖動(dòng)級(jí)大。

蒸汽在汽輪機(jī)級(jí)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換過程，是先將蒸汽的熱能在其噴嘴葉柵中轉(zhuǎn)換為蒸汽所具有的動(dòng)能，然后再將蒸汽的動(dòng)能在動(dòng)葉柵中轉(zhuǎn)換為軸所輸出的機(jī)械功。具有一定溫度和壓力的蒸汽先在固定不動(dòng)的噴嘴流道中進(jìn)行膨脹加速，蒸汽的壓力、溫度降低，速度增加，將蒸汽所攜帶的部分熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝膭?dòng)能。從噴嘴葉柵噴出的高速汽流，以一定的方向進(jìn)入裝在葉輪上的動(dòng)葉柵，在動(dòng)葉流道中繼續(xù)膨脹，改變汽流速度的方向和大小，對(duì)動(dòng)葉柵產(chǎn)生作用力，推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)作功，通過汽輪機(jī)軸對(duì)外輸出機(jī)械功，完成動(dòng)能到機(jī)械功的轉(zhuǎn)換。由上述可知，汽輪機(jī)中的能量轉(zhuǎn)換經(jīng)歷了兩個(gè)階段：第一階段是在噴嘴葉柵和動(dòng)葉柵中將蒸汽所攜帶的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝哂械膭?dòng)能，第二階段是在動(dòng)葉柵中將蒸汽的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)橥苿?dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)機(jī)械功，通過汽輪機(jī)軸對(duì)外輸出。

早在公元前120年亞歷山大的希羅記述了古埃及利用空心球中蒸汽噴出的反作用力而使其旋轉(zhuǎn)的裝置，可稱為反動(dòng)式汽輪機(jī)的雛型。公元1629年意大利科學(xué)家G.de布蘭卡(Giovanni de Branca)首先利用從加熱盛水容器中噴出的汽流推動(dòng)一個(gè)輪盤旋轉(zhuǎn)，這便是沖動(dòng)式汽輪機(jī)的原形，但這些只是玩物。直到1883年，瑞典工程師C.G.P.de拉伐爾(CarlGustaf Patrik de Laval)建造了第一臺(tái)有實(shí)用價(jià)值、功率為3.67kW的汽輪機(jī)。這是一臺(tái)單級(jí)沖動(dòng)式汽輪機(jī)，轉(zhuǎn)速高達(dá)26000r/min。他解決了由于高轉(zhuǎn)速引起的機(jī)械強(qiáng)度和振動(dòng)問題以及噴嘴設(shè)計(jì)問題。1884年英國(guó)的C.A.帕森斯(Charles Algernon Parsons)制成7.46kW的多級(jí)反動(dòng)式汽輪機(jī)。這臺(tái)汽輪機(jī)具有兩個(gè)葉輪組，每組共有15個(gè)葉輪，葉輪直徑僅有75mm，轉(zhuǎn)速為17000r/min。1900年美國(guó)的C.G.柯蒂斯(Charles Gordon Curtis)制成單壓力級(jí)多調(diào)節(jié)級(jí)的沖動(dòng)式汽輪機(jī)。進(jìn)入20世紀(jì)，法國(guó)A.拉托(Auguste Rateau)、瑞士H.佐萊制成了多級(jí)沖動(dòng)式汽輪機(jī)；1910年容克斯脫萊姆(Ljungstrom)兄弟建議制成輻流式汽輪機(jī)，上述多級(jí)反動(dòng)式和沖動(dòng)式汽輪機(jī)便是現(xiàn)代大容量汽輪機(jī)的基形 。

19世紀(jì)后期，隨著電動(dòng)機(jī)和電燈的出現(xiàn)，電力負(fù)荷迅速增長(zhǎng)，促使電力工業(yè)的發(fā)展。進(jìn)入20世紀(jì)，電力工業(yè)的發(fā)展更加突飛猛進(jìn)，原來作為發(fā)電廠原動(dòng)機(jī)的往復(fù)式蒸汽機(jī)，因其固有的缺點(diǎn)——單機(jī)容量小、效率低、轉(zhuǎn)速低、運(yùn)行不平穩(wěn)，而讓位于汽輪機(jī)。

汽輪機(jī)的發(fā)展往往是伴隨著增大單機(jī)容量和提高蒸汽參數(shù)，但發(fā)展過程有反復(fù)。1960年美國(guó)投入一臺(tái)單機(jī)容量為325 MW的兩次中間再熱汽輪機(jī)，蒸汽參數(shù)為34.5MPa，649/566/566℃。但這臺(tái)汽輪機(jī)的運(yùn)行情況不理想，后降低參數(shù)為31MPa，610/566/566℃運(yùn)行。世界上大機(jī)組的單機(jī)容量約為500～800MW，最大單軸汽輪機(jī)為1200MW，雙軸為1300MW，蒸汽壓力一般為16.5～18 MPa的亞臨界或24 MPa左右的超臨界，隨著超臨界壓力機(jī)組的更廣泛地被采用及超超臨界壓力機(jī)組的發(fā)展，新蒸汽溫度則從538℃提高到566℃，并有向更高溫度600～700℃發(fā)展的趨勢(shì)，中間再熱蒸汽溫度則從566℃向更高溫度發(fā)展。

中國(guó)第一臺(tái)用于發(fā)電的汽輪機(jī)于1907年在上海投運(yùn)，是英國(guó)帕森斯(Parsons)公司制造的800kW機(jī)組。1949年前容量最大的機(jī)組是1941年在撫順發(fā)電廠投產(chǎn)的53 MW中壓機(jī)組，蒸汽參數(shù)最高的是1947年在上海楊樹浦電廠投運(yùn)的15MW前置式汽輪機(jī)，汽壓為8.4MPa，汽溫為496℃。50年代初期引進(jìn)捷克和蘇聯(lián)技術(shù)，中國(guó)制造的第一臺(tái)汽輪機(jī)，容量為6MW，1956年首先在淮南電廠投運(yùn)。以后陸續(xù)制造出12、25、50MW中壓和高壓機(jī)組，1959年投運(yùn)了100MW汽輪機(jī)。再后中國(guó)自行設(shè)計(jì)制造了125、200、300MW汽輪機(jī)，分別在1969年、1972年和1974年投入運(yùn)行。以后1982年和1985年分別投運(yùn)了日本三菱(Mitsubishi) 公司 350 MW 和法國(guó)阿爾斯通(Alsthom) 公司 600MW機(jī)組。引進(jìn)美國(guó)西屋(Westinghouse，WH)公司技術(shù)自行制造的亞臨界壓力300MW和600MW機(jī)組分別于1987年和1989年投運(yùn)。90年代初又相繼引進(jìn)了ABB (Asea Brown Boveri)超臨界壓力600MW汽輪機(jī)及蘇制300、500和800MW超臨界壓力汽輪機(jī)和西門子(Siemens)公司超臨界壓力900MW汽輪機(jī) 。

蒸汽在級(jí)內(nèi)流動(dòng)產(chǎn)生的能量損失，主要包括葉柵損失、余速損失、葉輪摩擦損失、鼓風(fēng)損失、斥汽損失、漏氣損失、濕氣損失等項(xiàng) 。

葉柵損失：包括型面損失和端面損失，前者有葉型表面附面層的摩擦損失，附面層脫離引起的渦流損失，葉片出口邊的尾跡損失以及汽流接近聲速和超聲速時(shí)產(chǎn)生的沖波損失。后者有葉柵汽道上下兩個(gè)端面附面層中的摩擦損失和附面層內(nèi)自凹面向背面橫向流動(dòng)產(chǎn)生的二次流損失。葉柵中的各項(xiàng)損失可由葉柵風(fēng)洞試驗(yàn)確定，可用速度系數(shù)來表示損失大小，或用能量損失系數(shù)或葉柵中總壓力損失系數(shù)表示。影響葉柵損失的重要因素是型線、型面光滑度、葉片高度、相對(duì)柵距、安裝角、汽流角、沖角和馬赫數(shù)。

速度系數(shù)是實(shí)際速度與理想速度之比。現(xiàn)代汽輪機(jī)的靜葉柵速度系數(shù)?可達(dá)0.95～0.98。 ?值隨靜葉高度增高而加大。動(dòng)葉柵速度系數(shù)ψ為0.90～0.97。ψ值與級(jí)的反動(dòng)度有一定關(guān)系。反動(dòng)度越小，ψ值也越低。在沖動(dòng)級(jí)中選用適當(dāng)?shù)姆磩?dòng)度，可減少動(dòng)葉柵中的損失。 當(dāng)反動(dòng)度等于50%時(shí)ψ=?。

余速損失：蒸汽從動(dòng)葉出口流出時(shí)尚有一定的速度，其動(dòng)能不能再利用時(shí)所造成的損失稱為余速損失。在多級(jí)汽輪機(jī)中，前一級(jí)余速可被下一級(jí)全部或部分利用，以余速利用系數(shù)μ來表示。一般μ=0～1。級(jí)后有抽汽口的級(jí)，μ=0.5。若前后二級(jí)的平均直徑無階躍性變化，μ值可達(dá)0.8～1，調(diào)節(jié)級(jí)的直徑通常大于其后的第一壓力級(jí)直徑，為充分利用其余速，可加裝汽流導(dǎo)向板。末級(jí)的余速是無法再利用的。各級(jí)余速的利用提高了汽輪機(jī)的內(nèi)效率。

葉輪摩擦損失：由于蒸汽的黏性在葉輪表面形成附面層，由葉輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，與蒸汽黏附在隔板和汽缸壁上的附面層之間形成摩擦阻力；并由于葉輪離心力的帶動(dòng)，在汽室內(nèi)形成渦流。克服摩擦阻力和渦流所形成的能量損失叫做摩擦損失。摩擦損失通常由實(shí)驗(yàn)確定，并可用斯托多拉 (Stodola) 經(jīng)驗(yàn)公式估算：

式中u為圓周速度，m/s；d為級(jí)平均直徑，m；v為汽室中蒸汽比容，m³/kg；K₁為系數(shù)，一般為1.02～1.3。

因葉輪摩擦損失與蒸汽比容成反比，汽輪機(jī)高壓各級(jí)比容小，該項(xiàng)損失較大，在低壓各級(jí)，由于比容很大，該項(xiàng)損失有時(shí)可忽略不計(jì) 。

鼓風(fēng)損失和斥汽損失：級(jí)的噴嘴組弧段占全圓周的比例，稱部分進(jìn)汽度。當(dāng)級(jí)的部分進(jìn)汽度小于1時(shí)，動(dòng)葉柵只在進(jìn)入裝有噴嘴弧段時(shí)才有工作汽流通過。當(dāng)動(dòng)葉進(jìn)入無噴嘴弧段時(shí)，動(dòng)葉產(chǎn)生鼓風(fēng)作用，消耗一部分有用功，形成鼓風(fēng)損失。當(dāng)動(dòng)葉再度進(jìn)入裝有噴嘴的弧段時(shí)，工作汽流需首先排斥并加速停滯在動(dòng)葉汽道中的蒸汽，因而消耗一部分能量，稱為斥汽損失。

鼓風(fēng)損失可由經(jīng)驗(yàn)公式估算：

式中K₂為系數(shù)，一般取0.4；e為部分進(jìn)汽度；l為動(dòng)葉高度。如果將不進(jìn)汽弧段處的動(dòng)葉片用護(hù)罩包住，使鼓風(fēng)區(qū)域縮小，將可減少鼓風(fēng)損失。

斥汽損失由下式估算：

式中B、l為動(dòng)葉片寬度及高度，m；A為噴嘴出口面積，m²；m為噴嘴組數(shù)(當(dāng)e=1時(shí)m=0)；Nu為輪周效率；△ht為級(jí)的理想焓降。

漏汽損失：沖動(dòng)式汽輪機(jī)隔板兩側(cè)有較大壓差，在隔板與轉(zhuǎn)軸之間的間隙中，將有一部分蒸汽漏過，造成漏氣損失；具有反動(dòng)度的沖動(dòng)級(jí)和反動(dòng)級(jí)，動(dòng)葉兩側(cè)存在壓差，亦有一部分蒸汽由動(dòng)葉頂端與汽缸之間的間隙漏過。

濕汽損失：凝汽式汽輪機(jī)的后幾級(jí)常在濕蒸汽區(qū)工作，存在著濕汽損失：濕蒸汽在靜葉柵中膨脹加速時(shí)，一部分蒸汽凝結(jié)成水滴，使做功蒸汽減少；水滴小于汽流流速，對(duì)高速汽流形成摩擦阻力；由于動(dòng)葉片圓周速度較大，水滴集中撞擊在葉片進(jìn)口邊背面上，對(duì)葉輪產(chǎn)生的制動(dòng)作用；疏水排出級(jí)外所造成的流量損失等。這些損失不能準(zhǔn)確直接計(jì)算?？偟臐衿麚p失大小決定于蒸汽干度，可由下式估算：

Δh₂=(1-x_m)△h_u式中x_m為級(jí)前后平均蒸汽干度，△h_u為級(jí)的有效焓降。對(duì)于凝汽式汽輪機(jī)排汽濕度應(yīng)加以限制，控制在12%～14%。xm>14%后濕汽損失將會(huì)急劇增加。

由于蒸汽濕度不僅造成能量損失，而且形成的水滴對(duì)動(dòng)葉片材料有磨蝕作用。為了減輕對(duì)動(dòng)葉片的水蝕作用，通常在汽輪機(jī)末兩級(jí)采用去濕裝置 。

20世紀(jì)前期，世界工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家汽輪機(jī)制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，許多派系已被淘汰，發(fā)電用汽輪機(jī)僅留下多級(jí)軸流的反動(dòng)式和沖動(dòng)式汽輪機(jī)。

(1)通用電氣公司汽輪機(jī)的特點(diǎn)：采用沖動(dòng)式。單機(jī)容量在600MW以下時(shí)，高、中壓合缸，流向相反。600 MW以上高、中壓分缸，高壓第一級(jí)為分流，其余為單流;中壓缸為分流。采用自由懸掛主汽門和調(diào)節(jié)汽門。外缸在中心線上支承。每個(gè)轉(zhuǎn)子有兩個(gè)軸承，采用普通橢圓瓦或可傾瓦。推力軸承為固定斜面瓦塊。大型汽輪機(jī)采用整鍛轉(zhuǎn)子。調(diào)節(jié)級(jí)葉片為雙層圍帶，第一層是整體圍帶，其上有鉚釘頭用以鉚接第二層圍帶。中間級(jí)葉片均為鉚接圍帶。用于50Hz的末級(jí)葉片頂部整體圍帶，連結(jié)成組。60Hz的末級(jí)葉片采用板形鉚接圍帶。末級(jí)葉片均有拉筋 (金)。噴嘴室為鍛造，配汽采用聯(lián)合調(diào)節(jié)方式，裝有進(jìn)汽方式選擇器，運(yùn)行人員可選擇噴嘴調(diào)節(jié)或節(jié)流調(diào)節(jié)方式 。

(2)西屋電氣公司汽輪機(jī)特點(diǎn)： 容量大于150～200MW的汽輪機(jī)為反動(dòng)式，中小容量機(jī)組為沖動(dòng)式。小于550 MW的機(jī)組采用高中壓合缸，流向相反。550以上至900MW的機(jī)組則為四缸四排汽口，高中壓分缸，高壓缸為單流或分流，中壓缸均為分流。調(diào)節(jié)級(jí)為單列沖動(dòng)式，其余葉片均為反動(dòng)式。調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉片每三片的葉根連成一組，由整塊鍛件制成。高壓級(jí)為直葉片，中壓級(jí)所有動(dòng)葉片均為75mm寬，鍛制錐形扭葉片，軸向插入樅樹形葉根。用于60Hz的末級(jí)葉片為自由葉片。中間再熱主汽門和調(diào)節(jié)汽門為聯(lián)合體，在快關(guān)時(shí)，可承受沖擊負(fù)荷。主蒸汽和再熱蒸汽進(jìn)口處具有防止高溫蒸汽與轉(zhuǎn)子表面接觸的裝置，可降低轉(zhuǎn)子表面溫度 。

制造沖動(dòng)式汽輪機(jī)的除美國(guó)通用電氣公司之外，還有日本的東芝(Toshiba)、日立(Hitachi)，法國(guó)的阿爾斯通，意大利的安莎多(Ansaldo)，英國(guó)的通用電氣公司(GEC) 和前蘇聯(lián)的列寧格勒金屬工廠(ЛМ3)和哈爾科夫透平發(fā)電機(jī)廠(ХТГЗ)等 。

多級(jí)汽輪機(jī)從原理上說是將若干個(gè)單級(jí)串聯(lián)在一根機(jī)軸上。這樣，雖然蒸汽在汽輪機(jī)中總的等熵焓降很大(有時(shí)達(dá)2000kJ/kg)，但在各級(jí)中順序膨脹，每級(jí)的等熵焓降可減小到合理的程度，使各級(jí)都能在較理想的速度比下工作，獲得較高的效率。多級(jí)汽輪機(jī)的軸向長(zhǎng)度比多列速度級(jí)大。

多級(jí)汽輪機(jī)在船舶上多用作推進(jìn)裝置的主機(jī)，或用作經(jīng)濟(jì)性要求較高的大型輔機(jī)的原動(dòng)機(jī)(如船舶電站汽輪機(jī))。

多級(jí)汽輪機(jī)在船舶上有多種形式的組合。常見的有兩大類：

(1)沖動(dòng)式多級(jí)汽輪機(jī)：其中第一級(jí)常用復(fù)速級(jí)作為調(diào)節(jié)級(jí)(有的也用單級(jí)沖動(dòng)級(jí))，其后由若干個(gè)沖動(dòng)級(jí)、純沖動(dòng)級(jí)或復(fù)速級(jí)組成非調(diào)節(jié)級(jí)級(jí)組。為了提高效率，各級(jí)常帶有不大的反動(dòng)度。

(2)混合式多級(jí)汽輪機(jī)：它有兩種形式：一種是第一級(jí)為復(fù)速級(jí)或單級(jí)沖動(dòng)級(jí)，其后由若干個(gè)反動(dòng)級(jí)組成非調(diào)節(jié)級(jí)級(jí)組；另一種形式是第一級(jí)是復(fù)速級(jí)，而非調(diào)節(jié)級(jí)級(jí)組由若干個(gè)沖動(dòng)級(jí)和若干個(gè)反動(dòng)級(jí)組成。

作為船舶主機(jī)的多級(jí)汽輪機(jī)由于級(jí)數(shù)多，常分成高、低壓缸汽輪機(jī)，平行配置，共同驅(qū)動(dòng)減速器的第一級(jí)大齒輪。也有以高、中、低壓三缸汽輪機(jī)組成的船舶主機(jī)。

多級(jí)汽輪機(jī)中，如級(jí)組的等熵焓降一定，則由反動(dòng)級(jí)組成的級(jí)數(shù)，遠(yuǎn)較由沖動(dòng)級(jí)組成的級(jí)數(shù)為多 。2100433B

供熱用的背壓式汽輪機(jī)用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)時(shí)，發(fā)電量取決于供熱所需的蒸汽量；用于驅(qū)動(dòng)泵、鼓風(fēng)機(jī)等機(jī)械時(shí)，則供熱的蒸汽量取決于被驅(qū)動(dòng)機(jī)械的功耗。背壓式汽輪機(jī)應(yīng)用的局限性是不能同時(shí)滿足熱、電（或動(dòng)力）負(fù)荷變動(dòng)的要求。因此，用背壓式汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)時(shí)，常與其他類的汽輪機(jī)并列運(yùn)行或并入電網(wǎng)，以滿足電負(fù)荷變化的需要。用它驅(qū)動(dòng)泵、鼓風(fēng)機(jī)時(shí)則由其他汽源來滿足熱負(fù)荷變化的需要。抽汽式汽輪機(jī)可按熱、電（或動(dòng)力）負(fù)荷變化的要求進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)滿足供熱和供電（或供動(dòng)力）的需要，因而應(yīng)用范圍較廣。

背壓式汽輪機(jī)共有兩種機(jī)型，一種為435℃進(jìn)汽式，另一種為470℃進(jìn)汽式。兩種汽輪機(jī)均由單缸、中溫、高次壓、沖動(dòng)式、背壓汽輪機(jī)與鍋爐、發(fā)電機(jī)及其它附屬設(shè)備組成。