低压转子的设计，需要一定的焊接技术。这时对于合金钢材的需求是矛盾的，一方面是对伸张强度的要求，另一方面是可焊接性的要求。
因为低压转子可能在不超过周围环境温度很多的温度下运行。这样，提供防止脆性断裂的安全装置是重要的。对于轮盘、叶轮和整锻转子，使用可能最低的脆性转变温度的材料，采用严格的无损检测，以及断裂力学的评估都为低压转子的安全运行提供了必要的（框架）保证。3.5%NiCrMoV钢的FATT值低。在水淬冷和回火条件下，加上对材料成分的仔细控制，3.5%NiCrMoV钢的FATT值很好地低于环境温度，有高的抗拉性能以及随之而来的断裂韧性。 3.3.3 超速试验
所有大型汽轮发电机转子在制造时，都规定要做耐超速20%试验。这样在转子的运行转速范围内，能够保证很好的转子平衡。从而在由电网系统扰动引起的正常超速和超速螺栓试验中经常的10%超速中，能有足够的余度。另外对转子进行超速试验还能验证锻件，因为在超速运行时，转子的离心应力要大于常规运行中的离心应力，由此为衡量防止转子自发快速断裂的裕度提供了定量手段。 3.3.4 转子平衡
在装配好叶片后，需要对转子进行动平衡和静平衡。对于套装转子，在装配前须先对装好叶片的叶轮单独进行平衡。
静平衡是指转子重量均匀地置于轴心周围。将转子置于水平放置的刀刃支撑上，滚动转子可进行静平衡检测。
动平衡是指针对任一个轴承支撑，沿轴向方向转子不平衡重量的动量之和达到零。动平衡试验是将转子置于弹性支撑面上，转动转子同时测量振动，并且通过添加或减少重量一直到振动可忽略为止。 3.3.5 临界转速
支持在两个轴承之间的静止转子存在一个自振频率，自振频率的大小取决于转子的直径和轴承间距。如果转子转速对应于它的自振频率，残余的不平衡力会被放大并可能达到危险的程度。
临界转速可高于运行转速，也可低于运行转速，这和转子结构有关。如果临界转速低于运行转速，我们称之为挠性轴。对于这种轴在启动时需要多加小心，以确保临界转速尽可能快地通过。
随着转子长度增加，转子直径下降，临界转速会降低。现代大型机组的趋势是提供刚性转子（临界转速高于运行转速）。因为大型机组的转子长度增加（安装所需的动叶级数需要），随着转子直径的增大，达到了一定的刚性。
大型机组的转子利用实心联轴器连接，因此可能由几个单独的转子组成的轴应该作为一个整体来对待。每个转子都支撑在两个轴承上，这些轴承支撑不是简单的支撑。轴承中的油膜有机动性，这会大大影响轴的临界转速。 3.3.6 联轴器
由于锻造转子长度的有限性和在不同温度和应力条件下，需要采用不同的转子材料，故在转子系统中采用了联轴器。大型汽轮发电机的多缸结构也需要采用一个由联轴器连接的轴系。
联轴器实质上是传递扭矩的设备，但是它们也可能不得不允许相对的角不对中，传递轴向推力，并且确保轴向定位或允许相对的轴向位移。它们可分为挠性、半挠性和刚性联轴器三种。小型汽轮发电机上(如，最高达到120 MW)常采用挠性和半挠性联轴器，而对于大型机组，实际中通常采用刚性联轴器。
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3.4 汽轮机叶片 3.4.1 冲动级
动叶片---零部件及结构
在冲动级中，这种冲动级由Rateau专家发明，大部分焓降发生在静叶中，级的驱动力来源于通过动叶的蒸汽动量的改变。冲动级设计的优点是紧凑，而且由于动叶中发生的压降小，对动叶的间隙相对不敏感。然而，动叶易于受到喷嘴尾迹扰动的影响，所以必须避免共振并维持低的蒸汽弯曲应力，而且由于动叶中动量改变相对高，故要求动叶强度高而且可能重。因此在实际中，经常把单独制造好的叶片利用叉形叶根安装到轮盘上，叉形叶根与在轮缘上机加工出的轴向凸肩相配合。
动叶的外端留有一个或多个凸肩。这些凸肩穿过围带上的孔，同时围带依次装入叶片外机加工出的槽中。当把这些凸肩用铆钉铆好后，就能把围带固定住。围带可用于汽封并且可支撑叶片从而减小振动。每一部分围带将一小部分叶片连在一起并且可和下一部分连在一起或搭接，从而形成了强度非常高的结构。因为在所有冲动级叶片的顶部，反动度增加到一定程度，所以在动叶围带上有与之一体的轴向汽封片。
静叶---零部件及结构
静止喷嘴叶片有两种制造方法。焊接叶片由一整体钢板铣制而成，（和冲有叶型孔槽的内、外围带）共同焊成环形叶栅，（然后再将它焊在隔板体和隔板外缘之间）组成焊接隔板；而铸造叶片，由钢板制成，在浇铸隔板体时铸入叶片，用于温度低于230℃的场合。在一些最新的机组上，高压叶片采用电化学加工。高压缸的第一级往往采用冲动级，静叶片可装于喷嘴室中，从而避免了隔板的压力密封问题。由于第一级承担了比较大的焓降，这种喷嘴室结构降低了蒸汽对高压转子和内缸的压力和热冲击。
由于冲动级隔板承担的压降大，所以隔板和叶片的强度都需要很高。尽管冲动级隔板在隔板汽封处的直径相对较小， 但其隔板汽封仍需要尽可能地好从而可以承担大的压差。在动静部分发生轴向位移时，要确保对径向汽封的影响不是很大。
复速级
汽轮机的第一个高压级，尽可能增大喷嘴叶栅的压降。它有时包含有两个冲动级。这两个冲动级置于同一个叶轮上，从而可保护汽缸和转子免于较高温度、压力蒸汽的冲击。由于这种级的焓降相当于四个冲动级，所以尽管会牺牲一些效率，但小型的便宜的汽轮机上会采用这种级。它不再用于带基本负荷的大型汽轮机上。这种级的喷嘴，采用缩放型，会产生很高的蒸汽动能，其中一部分用于动叶的第一列叶栅，剩下的经过静止导向叶片改变方向后，用于第二列叶栅。它的动叶和喷嘴叶片都由实心钢板机加工而成，要求强度非常高。 3.4.2 反动级
静叶片和动叶片—零部件及结构
尽管称之为“反动级”，实际上反动级的冲动度和反动度相同，导致了动叶片和静叶片的型线相同。这种类型的叶片由Charles Parsons先生设计提出，便于利用标准轧制型线进行经济生产。为了获得好的效率，这种级的速比相对较高，所以每一列叶栅上的焓降小，这也就是说，对于输出相同的轴功，这种级的级数较多。
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对于反动级，蒸汽以较低的速度进入动叶，并且基本上是以轴向方向进入的。因此作用在动叶上的驱动力基本全部来源于蒸汽通过动叶加速流动时产生的反动力。这样作用在动叶上的力相当平稳，加上静叶的喷嘴尾迹产生非常小的扰动，故反动级的动叶片上可有相当高的弯曲应力，而不存在由于振动而引起的疲劳故障风险。
由于反动级静叶片两端的压差小，故反动式汽轮机不需要隔板，但是为了防止过度的漏汽损失，仍需要保持小的叶顶间隙。
现代的反动式汽轮机在动静部分间，通常既有轴向汽封，也有径向汽封。这样在转子叶片的外端，有与叶片形成一体的围带，围带与汽缸上装有汽封齿片的汽封体配合形成汽封。静叶内径上的汽封齿片为静叶与转子间的间隙提供了汽封。 3.4.3 低压级
气体动力学与机械限制
在早期的机组上，末几级低压动叶片是定截面叶片。这种定截面叶片的应力从叶顶到根部呈二次方的增加，在叶片连接到叶根的部位应力达到最大。这样限制了可能运行于同步转速的叶片长度。现在先进的末级叶片截面随着半径的平方呈指数减小。于是由离心应力引起的张应力在叶片的大部分高度内基本不变，从而使得在3000 r/min机组上叶片的高度可达940 mm。
现代的叶片，叶顶直径通常大约是叶根直径的两倍。因此，叶片中部相邻叶片圆周方向的距离，即叶片的节距是叶根处节距的1.5倍。这样，圆周方向的速度也是叶片底部圆周速度的1.5倍。叶片速度的增加将会改变蒸汽进入动叶的相对速度方向。因此动叶的入口角应设计成与蒸汽汽流的方向相一致，这样动叶的截面形状发生了变化。这使动叶出口角减小，以致动叶压降增加，并在动叶出口获得较大的速度来补偿圆周速度的增加从而使蒸汽离开叶片时产生最小的漩涡。级的根部设计反动度相当低，因为随着叶高的增加，动叶的压降增加，所以通过静叶的压降减少，从而使随着叶高的增加，级的反动度增加。由于离心力产生的径向拉应力和蒸汽汽流变化产生的空气动力学作用导致了高度扭曲叶片的采用，这种叶片在叶根处强度高，反动度低；而叶顶处则强度低，反动度高。
叶顶连接件
长叶片和大叶弦的采用导致了叶片节距的增加，这样使得提高叶片强度和减弱振动的装置变得复杂。为了承担离心负载，围带或拉金像跨接在叶片节距间的横梁，同时围带和拉筋还必须承担由于叶片的径向弹性伸长和运行中叶片有松动的趋势而引起的巨大周向张力。 3.4.4 动叶叶根固定
大型汽轮机末级叶片在运行时，会产生几百吨的离心应力，因此需要非常有效的叶根固定。 目前叶根固定方式包括：菱形叶根，叉形叶根和直或斜的纵树形叶根。纵树形叶根是一种很好的叶根固定方式，因为在这种方式中，叶片可以依次紧密的排列而且在轴与叶根相连的齿上有最佳的离心力。 3.4.5 汽轮机叶片发展
将来，汽轮机叶片有望向满足下面三个目标发展： ? 降低制造成本 ? 整体性能改善
? 提高效率，包括排汽面积增大后的新低压叶片。
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叶片设计的成本可利用计算机辅助设计与制造降至最低。在计算机辅助设计与制造中，考虑性能、振动和应力因素的最佳尺寸可直接输入到数控机床上。
为减少应力集中进行仔细详细设计可改善叶片整体性能。减少应力集中可通过控制振动特性避免在运行转速附近共振、减少叶片附件如围带拉筋和防腐蚀保护的使用（或改善性能）来实现。为了改善整体性能，需在强度高厚截面叶片与高效率及高效率一般具有高叶型比（长弦比）的叶片之间寻求平衡。 因为在高、中压缸中，大部分现代汽轮机叶片的内效率已达90%-95%，故再提高的程度不大。汽轮机制造者已经形成了高效的标准叶片系列，它们的效率受汽流入射角的变化的影响小，汽流入射角的变化是由于不同的应用情况和不同的运行参数引起的。叶根和叶顶间隙根据实际情况尽可能的小，并且根据设计许可有尽可能多的限流装置，这些限流装置的详细尺寸引起流量系数的一些减小，这样，通过这些间隙的漏汽就被减至最低程度。
低压汽轮机模块的发展是一个代价高且漫长的过程，不过在其发展过程中，增加每个通流部分的排汽面积减少排汽动能（余速损失）一直是它的动机。对于特定的机组容量和蒸汽循环，这种发展会导致低压缸个数的减少；这一点对于节约成本和减少汽轮机房的大小是有意义的。就作用在叶片上的蒸汽弯曲应力和质量高叶片作用在叶片连接到叶轮的部位上的巨大离心应力而言，末级和次末级叶片一直是设计的瓶颈。3000r/min的机组末级叶片长度已经发展到高达1200 mm，这被认为是传统的含12%铬叶片材料的极限。实际上，前苏联机组上使用的1200 mm叶片由钛合金制造，这种钛合金可能是制造长叶片最优的材料。尤其是这种长叶片的发展使得在50Hz电网系统中，最大的核电站可采用3000 r/min的机组，尽管采用3600r/min的机组还很遥远。 3.5 凝汽系统
汽轮机排汽至凝汽器的原因有两个。第一个是凝汽器可运行于高真空状态，从而使汽轮机有一个低的排汽压力，绝对压力低于12毫米汞柱（0.0016MP）。通常在汽轮机中，凝汽器为蒸汽和冷却水不混合的表面式凝汽器。由于蒸汽和冷却水不混合，所以达到了排汽至凝汽器的第二个目的，也就是，这样的凝结水可返回锅炉。由于蒸汽流量较大，所以必须回收凝结水，否则大型电站锅炉的运行是不切实际的。 在表面式凝汽器的结构中，采用了管板式布置方式（如图3.6）。大量外径约为19-32 mm的管子安装在两个管板间，每个管板构成了水室的一部分。在单流程设计中，水从其中一个水室进入，流过管子后进入出口水室。对于双流程设计，入口水室被分成了两部分，从而使冷却水流过其中一半管束。在凝汽器的另一端，冷却水反向从而流过另一半管束。
相比双流程设计，单流程凝汽器需要的循环水量大，流阻小。热力发电厂只要有可能，就建于邻近于循环水量充足的地方，采用单流程凝汽器。
表面式凝汽器的循环水流量大，但是循环水泵仅需要提供冷却水流动和克服在导管、管道和凝汽器中的流动阻力所需的足够的压头。为了清除循环水中淤泥和其他物质的沉淀物，凝汽器冷却水管的水侧需要定期清洗。
在表面式凝汽器设计中，应使蒸汽能到达管束的所有部位。如图3-7所示的径向流动凝汽器，不仅蒸汽能到达所有冷却水管，而且还能确保从汽轮机排汽到抽气口的压降最小。
通过凝结水和排汽的交叉和逆向流动，凝结水被连续地再热，从而使氧气排出。凝结水降落到换热的排汽上，避免了凝结水的过冷。这样除去氧的凝结水在凝汽器压力对应的饱和温度下排出。
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在电厂系统中循环流动的蒸汽/水中含有各种各样的不凝结气体。它们来源于几个方面。供给系统的补水中可能含有相对高的不凝结溶解气体。另外在内部化学反应中释放出不凝结气体，以及在压力低于大气压力的部位，不凝结气体通过漏气进入系统。这些不凝结气体进入凝汽器以及汽轮机排汽，除非连续的去除，否则会迅速地在凝汽器中积聚并提高汽轮机背压。
排汽中含有不凝结气体对凝结蒸汽的传热系数有负面影响。试验中蒸汽中仅仅少量的不凝结气体会引起传热系数量级的大大减小，范围为8500-20,000 W/m·K。在工厂实际应用中，这个数值一般为11,500 W/m·K。
凝汽器中的不凝结气体可利用射汽抽气器或旋转真空泵除去。为了减少将这些气体抽至大气压力的耗功，抽气点置于凝汽器的最冷区域。 3.6 超临界蒸汽轮机技术 3.6.1 现状
由不同制造商制造的蒸汽轮机包括高参数蒸汽轮机的发展，都是对于转速为3000 r/min和3600 r/min的全速汽轮机。
对于单再热蒸汽轮机的标准模块，包括高压和中压汽轮机模块，这种汽轮机的进汽参数分别为240bar/565oC/565oC和300bar/600oC/600oC，发电出力有望达到1100MW。
由于高压缸中增大的通流部分损失，容量达到250MW机组的效率不可能达到更高容量机组有望达到的高效率，这些机组有望仍保持亚临界参数。
除了单再热设计，超临界机组还有两次再热设计。在两次再热机组中，最高压汽轮机被称作为VHP汽轮机，接收主蒸汽；之后是一个高中压联合汽轮机或两个独立的高压和中压汽轮机，接受从第一级或第二级再热器出来的蒸汽。
超临界汽轮机发展的另一个重要方面是汽轮机的灵活性。由于汽轮机中所用的传统材料可适用于蒸汽温度达到565oC，为了满足承受高压的要求，导致汽轮机的部件增厚。因此在超临界汽轮机中，制造商利用了一些含铬为10-12%的合金钢，从而使缸壁厚度变薄，热应力减至最低限度。这些材料的选择性使用改善了启动时间，提高了整机的利用率。
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高压汽轮机
现在超临界参数高压缸广泛成功采用了高铬含量的铁素体钢。目前所有的制造商都保留了汽缸的双层缸设计，而没有转向采用三层缸来承担高压。虽然采用螺栓连接的结合面方式比较典型，但也有采用其他方式的。西门子公司喜欢采用桶状设计，而ABB公司则采用了收缩环结构。利用螺栓连接水平结合面的方式通常比桶状方式易于检修。
对于温度参数为565oC的汽轮机，内缸通常采用传统的1%铬.钼.钒钢铸造，而对于温度参数为600oC的汽轮机，则变为采用高铬含量的铁素体钢。当温度大于>600oC时，在内缸的水平结合面上，通常需要采用80A镍铬耐热合金钢螺栓（取代了12%铬钢）。
高压转子的设计取决于所采用的叶片类型。通常要么采用鼓形转子，要么采用叶轮式的转子，其中鼓形转子用于50%反动度的汽轮机中，叶轮式的转子在冲动式汽轮机中采用。这种动叶结构是标准的，在这个领域还没有更进一步的发展。大多数制造商都保留了整锻转子结构，尽管ABB公司可提供焊接转子结构，这种焊接转子结构综合采用了高铬含量和低铬含量的合金钢，能与蒸汽参数相匹配。
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