由于汽轮机的动力输出轴是转动的，非常适合用于驱动发电机发电，也可以用来驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等。

公元1世纪时，亚历山大的希罗记述的利用蒸汽反作用力而旋转的汽转球（又称风神轮，图1），是最早的反动式汽轮机的雏形。1551年，塔基·艾-丁在其著作中描述了类似汽轮机旋转的物理过程。1629年，G.布兰卡设计出由一股蒸汽冲击叶片而旋转的转轮（图2）。19世纪末，C.G.P.de拉瓦尔和C.A.帕森斯分别创造了实用的汽轮机（图3）。1884年帕森斯取得英国专利，制成第一台7.5千瓦（10马力）的多级反动式汽轮机。帕森斯的汽轮机发明，使得大规模生产电力成为可能。这台汽轮机的功率和效率在当时均占领先地位。拉瓦尔于1888年制成第一台3.67千瓦（5马力）的单级冲动式汽轮机，并解决了有关喷嘴的设计和强度问题。拉瓦尔的机器上装有一个转子，转子上有曲面形叶片（动叶）。蒸汽通过数只不动的喷嘴时得到膨胀，压力下降，速度增高，高速的蒸汽冲击动叶，推动转子转动输出机械功。1895年以后，西屋公司和艾利斯-查默斯公司先后购买了帕森斯的专利，开始生产汽轮机。1897年，西屋公司生产出了一台120千瓦的汽轮机。

20世纪初，A.拉托和H.佐莱分别制造了多级冲动式汽轮机。1900年西屋公司生产出转速为1200转/分钟的1500千瓦汽轮机。1900年，C.G.柯蒂斯在美国通用电气公司的支持下，获得了冲动式透平机专利。柯蒂斯制成多个速度级的汽轮机，每个速度级一般有两列动叶，第一列动叶后在汽缸上装有一列导向叶片，将汽流导向第二列动叶。现在双列速度级只用于小型汽轮机以驱动泵、鼓风机等，也常用作中小型多级汽轮机的第一级。美国通用电气公司的工程师W.L.R.埃米特改进了柯蒂斯的汽轮机，并于1900年8月24日完成了与往复式蒸汽机的效率对比试验，证明汽轮机的效率高于蒸汽机。1901年11月，通用电气公司的第一台汽轮机投入运行，这台汽轮机是水平轴布置，功率500千瓦，转速1800转/分钟，由两个汽缸组成，每一个汽缸中有一个多排叶片的转子。之后，通用电气公司开始生产立式汽轮机，最大容量曾达到20兆瓦。1913年以后，通用电气公司再没有生产过立式的汽轮机。1903～1907年，通用电气公司共获得49项与汽轮机相关的专利，其中的三分之一对现代汽轮机的发展起到了重要的作用。多级结构为增大汽轮机功率开拓了道路。上述汽轮机均为轴流的。

1910年，B.容克斯川和F.容克斯川兄弟制成辐流式汽轮机（图4），但未获普遍应用。帕森斯、柯蒂斯、拉托和佐莱共同的目标是利用高压蒸汽的能量，避免了高转速的缺点。

进入20世纪后，汽轮机成功地应用于驱动船舶、泵、风机和压缩机，甚至有火车头也是用汽轮机驱动的。随着电力工业的突飞猛进，伴随着材料工业的发展，汽轮机的单机容量不断增加、蒸汽初参数不断提高，汽轮机得到了很大的发展和广泛的应用。

图1 汽转球

图2 蒸汽冲击叶片而旋转的转轮

图3 帕森斯建造的第一台汽轮机

图4 容克斯川辐流式汽轮机原理图

来自锅炉的蒸汽经主汽门和调节汽门进入汽轮机的通流部分，它由一级或若干个级构成。汽轮机的一个基元级由一列静叶（或喷嘴）和一列装在转子上的动叶组成。蒸汽在每一级的静叶中膨胀加速，将蒸汽的热能转换成蒸汽的动能。蒸汽的压力和温度下降，汽流得到加速。高速汽流流经动叶，推动转子旋转。从动叶流出的蒸汽再进入下一级的静叶，重复上一级的过程。蒸汽如此逐级行进，直至末级动叶出口排入排汽缸。

发电用汽轮机的转速取决于对发电机的转速要求。早期的发电机发出的是直流电，与直流电发电机配套的汽轮机可以在任何合适的转速下运转。例如，帕森斯的第一台汽轮发电机运转速度为18000转/分钟。交流电的发展及普遍应用，要求发电机在电力系统频率下运转，对驱动发电机的汽轮机转速也有了相应的要求。在经历了大量的变化后，世界上电力系统分成了50赫兹区域和60赫兹区域。英国地区在20世纪20年代以前通常是40赫兹，但是现在也改变了。日本的一些地区是50赫兹，另一些地区是60赫兹。50赫兹地区的双极发电机要求运行在3000转/分钟；60赫兹地区要求双极发电机运行在3600转/分钟，不能让发电机的转速更快。而四极发电机可以在上述转速的一半运转，六极发电机可以在上述转速的三分之一运转，依此类推。

一个不同寻常的电力系统是德国联邦铁路的牵引电网，其电力系统的频率是赫兹，相应的双极发电机的转速是1000转/分钟。

汽轮机的种类很多，可以按工作原理、热力特性、新蒸汽参数、结构形式、旋转速度、汽流方向、用途及热能来源等不同方法分类。

可分为冲动式汽轮机和反动式汽轮机两大类。①按冲动原理做功的级构成的汽轮机叫冲动式汽轮机。为了提高效率，冲动式汽轮机级均带有一定的反动度，习惯上仍称为冲动式汽轮机。②按反动原理做功的级构成的汽轮机叫反动式汽轮机。现代反动式汽轮机常以冲动级（单列级或复速级）作调节级，但习惯上仍称为反动式汽轮机。

可分为凝汽式、背压式、调整抽汽式和中间再热式四大类。①凝汽式汽轮机中蒸汽除从中间级的级后抽出一部分供锅炉给水回热加热外，全部排汽进入凝汽器冷凝成凝结水。这种汽轮机具有良好的热力性能，是最为常用的一种汽轮机。②背压式汽轮机是指排出汽轮机的蒸汽不进入凝汽器，排汽压力大于大气压的汽轮机，排汽可用于供热或其他用途。③调整抽汽式汽轮机是指蒸汽在进入排汽缸之前抽出一部分供热力用户使用的汽轮机。抽汽供热凝汽式汽轮机又称抽汽凝汽式汽轮机。抽汽供热的背压汽轮机又称抽汽背压式汽轮机。调整抽汽式汽轮机和背压式汽轮机统称为供热式汽轮机。④中间再热式汽轮机是指将汽轮机若干级中做过功的蒸汽（如高压缸的排汽）引入锅炉再次加热，然后又引回到汽轮机后面的一些级（如中低压汽缸）内继续膨胀做功，乏汽进入凝汽器的汽轮机。现在大型的汽轮机一般都是中间再热式的。两次再热的汽轮机增加一超高压缸。超高压缸排汽引入锅炉进行第一次再热，然后回到汽轮机的高压缸继续做功，后续的热力过程与一次再热汽轮机的热力过程相似。

可分为饱和蒸汽轮机、低压（蒸汽压力小于2.0兆帕）汽轮机、中压（蒸汽压力4.0兆帕左右）汽轮机、高压（蒸汽压力8～12.5兆帕左右）汽轮机、超高压（蒸汽压力13兆帕左右）汽轮机、亚临界压力（蒸汽压力17兆帕左右）汽轮机、超临界压力（蒸汽压力大于24.2兆帕）汽轮机和超超临界压力（蒸汽压力大于27兆帕，温度大于600/620℃）汽轮机。通常在低压与中压之间、中压与高压之间又区分有次中压（蒸汽压力2.4兆帕左右）汽轮机和次高压（蒸汽压力5.0兆帕左右）汽轮机。对不同压力的蒸汽都有相应的蒸汽初温范围，并随压力的增大，初温有所增加。

可分为单级汽轮机和多级汽轮机。单级汽轮机大多数用作工业汽轮机，如驱动泵、风机等。发电用的大都为多级汽轮机。有各级装在一个汽缸内的单缸汽轮机和各级分装在几个汽缸（常分高、中、低压汽缸）内的多缸汽轮机。在高、中、低压缸中分别有高压转子、中压转子、低压转子。有的高压和中压转子合成一个转子装在一个汽缸内，称为高、中压合缸。高、中、低压汽缸有单流和分流之分。分流汽缸的蒸汽从中部进入由两端流出，可增加汽缸的出力和平衡转子的轴向推力。大容量汽轮机低压缸均采用分流（双流），即每个低压缸有两个排汽口，甚至有两个、三个双流低压缸。按结构形式分类还可分为单轴汽轮机和双轴汽轮机。这里的轴是指汽轮机各转子与发电机转子用联轴器联成一个轴系。一个轴系的称单轴汽轮机，两个轴系的称双轴汽轮机。

可分为全速汽轮机和半速汽轮机。全世界范围内电力频率绝大部分为50赫兹和60赫兹两种，故全速汽轮机的转速为3000转/分钟（50赫兹）或3600转/分钟（60赫兹），半速汽轮机的转速为1500转/分钟或1800转/分钟。

有蒸汽沿轴向逐级流动的轴流式汽轮机，蒸汽沿径向从外径向内径（向心式）或从内径向外径（离心式）流动的辐流式汽轮机。大部分汽轮机为轴流式。

可分为电站汽轮机、工业汽轮机和船用汽轮机。①电站中驱动发电机的汽轮机称为电站汽轮机。②工业企业中驱动泵、鼓风机、压缩机等机械的汽轮机和与工业生产流程有密切联系的发电机用汽轮机称为工业汽轮机。为适合被驱动机械的转速要求，工业汽轮机的转速可很高，甚至可超过20000转/分。③用于带动船舶螺旋桨的汽轮机称为船用汽轮机。

有利用化石燃料热能的火电站汽轮机、利用原子核裂变热能的核电站汽轮机、在燃气-蒸汽联合循环中使用的联合循环汽轮机、在太阳能直接热利用电站使用的太阳能汽轮机、在地热电站使用的地热汽轮机、利用海洋中受太阳能加热的暖和表层水与较冷深层水之间的温差进行发电用的海洋温差发电汽轮机、利用低温有机工质（如戊烷等）作为朗肯循环的工质时使用的有机朗肯循环汽轮机。

图5为多级汽轮机的结构。从锅炉来的蒸汽经过汽轮机的主汽阀和调节阀，由管子引到高压汽缸。主汽阀是在紧急停机时能自动关闭而切断蒸汽的阀，调节阀是按照负荷变化而调节蒸汽流量的阀。小型汽轮机的蒸汽室与汽缸铸成一体，调节阀装在汽缸的蒸汽室上。汽缸外部用金属罩壳罩住，罩壳内有一层绝热隔音材料，以减少散热损失，降低噪声。汽缸和转子是构成汽轮机的主要部件。

图5 多级汽轮机的结构

汽缸一般分为上下两部分，在中分面法兰处用螺栓连接。大容量高参数汽轮机的高、中压汽缸，需要有足够的高温强度，并能适应负荷变化和快速启动的要求，通常汽缸是双层的，在内外缸之间流动着具有一定压力和温度的少量蒸汽，以减少缸壁内外的压力差和温度差，改善结合面的严密性，降低优质材料的使用量。冲动式汽轮机汽缸内装有隔板，隔板中有静叶。反动式汽轮机的静叶装在持环上，持环则装在汽缸上。蒸汽进入高压缸后，先流过第一级（调节级）的喷嘴，再流过高压转子第一级叶轮上的动叶，然后再流过以后各级静叶和动叶，直至流出高压缸。

转子由轴、轮盘和装在各轮盘上的动叶组成，轮盘用过盈配合套装在轴上。为了避免轮盘在轴上松动和使结构紧凑，可采用整锻转子或焊接转子，轮盘直接在转子上车削出来。反动式汽轮机采用鼓筒式转子，动叶直接装在转子上。为减少静叶持环内径汽封处的蒸汽泄漏量，现代反动式汽轮机的持环内径趋向减小，转子已不再是鼓筒式而是车削成各个轮盘。动叶要承受离心应力、蒸汽弯应力和振动应力等，其自振频率要避免共振，或能保证即使长期在共振条件下工作仍能安全运行而不致损坏。转子装配后须经过精确的动平衡，以防止运行时振动发生过大。转子两端由径向轴承支承，为防止转子在轴向力作用下发生轴向移动还应装有推力轴承。推力轴承是汽轮机静子和转子间的相对死点。轴承的润滑油由主油泵供给，同时备有辅助油泵和事故油泵。通过联轴器把轴系的各个转子和发电机连接在一起。

汽轮机本体同凝汽器、回热加热系统、调节保安系统、监视仪表、油系统和汽水系统等构成汽轮机组。

20世纪以来，汽轮机发展的主要特点是不断提高安全可靠性和寿命，并在运行方便的基础上增大（单机）功率和提高热经济性。20世纪30年代是汽轮机的结构变化最快的时期，双流排汽缸设计、双轴设计、低压缸顶置高压缸设计、三机组串联轴设计、再热结构设计等均出自该时期。20世纪40年代以后，汽轮机的结构形式逐步固定，多缸单轴形式成为主流。

汽轮机的输出功率，又称出力、容量，是指汽轮机主轴联轴器端输出的功率。如把发电机的损失考虑在内，是指汽轮机驱动发电机所能发出的功率，这是汽轮机最主要的性能。汽轮机功率（容量）的定义颇多，常用的有额定功率，又称铭牌功率、最大连续功率和阀门全开功率。

20世纪初以来，随着电力应用的日益广泛，特别是第二次世界大战后的20世纪50年代，随着经济的发展，电力需要迅速上升，促使电力工业快速发展。当时，单机功率不断增大，已陆续制造出300～600兆瓦的大型汽轮机，20世纪60年代制成1000兆瓦的汽轮机，20世纪70年代制成双轴的1300兆瓦汽轮机。2017年世界上常用的汽轮机单机功率约为500～1000兆瓦。蒸汽参数已经达到超临界或超超临界（或高超临界）参数，最高蒸汽压力达到31兆帕以上，最高蒸汽温度达到620℃。世界上正在研制进口蒸汽温度达到700℃的汽轮机。单机功率的增加除与蒸汽初参数的不断提高密切相关外，还与机组的蒸汽质量流量的增大有关。

汽轮机的蒸汽从进口膨胀到出口，单位质量蒸汽的容积增大几百倍，甚至上千倍，各级叶片高度必须逐级加长。大功率凝汽式汽轮机所需的排汽面积很大，末级叶片必须做得很长，但由于受到材料强度的限制，上述要求往往难以实现。通常采用如下措施：①倒数第二级采用双层叶片，这种级称包曼级；②采用多排汽口结构；③改变汽轮机转速。

汽轮机装置（包括汽轮机、凝汽器和给水加热器等）的热经济性用汽轮机热耗率或热效率表示。汽轮机热耗率是每输出单位机械功所消耗的蒸汽热量。热效率是输出机械功与所耗热量之比。对于电站还需考虑锅炉效率和厂用电，即扣除厂用电后送出每度电所耗用的热量。因此，电站热耗率要比汽轮机热耗率高，而电站热效率比汽轮机热效率低。为了提高汽轮机热效率，可采取下列措施：①改进通流部件的设计；②提高新蒸汽参数；③采用再热循环；④降低排汽压力；⑤采用回热循环。

经过100多年的发展，现在国际上著名的汽轮机生产商有通用电气、西门子、阿尔斯通、日立、东芝、三菱等。2014年2月1日，三菱和日立的火电业务合并，成立三菱日立公司。世界上3000转/分钟全速单轴燃煤发电汽轮机的最大容量已经超过1200兆瓦（列宁格勒金属工厂）；3600转/分钟全速单轴汽轮机的最大容量已经超过1000兆瓦（东芝）；用于核电的湿蒸汽半速汽轮机的最大容量已达到1550兆瓦（1500转/分，阿尔斯通）和1380兆瓦（1800转/分，日立）。

中国使用汽轮机的历史可以追溯到20世纪20年代。中国制造汽轮机的历史是从1953年开始的。上海汽轮机厂1955年制造出了第一台6兆瓦汽轮机。之后中国逐渐建立起比较完善的汽轮机制造业，包括：上海汽轮机厂、哈尔滨汽轮机厂、东方汽轮机厂、北京重型电机厂、武汉汽轮发电机厂、杭州汽轮机厂、南京汽轮机厂、青岛汽轮机厂、广州汽轮机厂、中州汽轮机厂等，并建立了上海汽轮机锅炉研究所（现上海发电设备成套设计研究院）、哈尔滨汽轮机锅炉研究所等制造业的归口研究机构。20世纪60～70年代，中国设计制造了100兆瓦、125兆瓦、200兆瓦和300兆瓦汽轮机，蒸汽参数从中压中温到高压高温、从超高压到亚临界。20世纪80年代，中国开始引进先进的汽轮机制造技术，经过多年的消化和提高，中国已经能够制造600兆瓦至1000兆瓦的超超临界参数汽轮机和1000兆瓦的核电汽轮机，也能制造先进的工业用和舰船驱动用的汽轮机。长度为1200毫米的钢制末级叶片由哈尔滨汽轮机厂在国内首先制造。用于半速核电汽轮机的长度为1651毫米末级长叶片由东方汽轮机厂制成，东方汽轮机厂具备了1700兆瓦第三代核电汽轮机的制造能力。哈尔滨汽轮机厂在研制用于半速核电汽轮机的长度为1800毫米末级长叶片。上海汽轮机厂和西门子公司合作生产的900兆瓦和1000兆瓦超临界参数汽轮机在中国投入运行。

汽轮机的技术发展，除研制更长的末级叶片，增加单机容量外，主要着重于研究提高其经济性和可靠性。随着电力工业的不断发展，百万千瓦级汽轮机和超超临界汽轮机将得到进一步的发展。因此，在汽轮机设计、制造和运行过程中，应采用新的理论和技术，以改善汽轮机的性能。例如汽轮机模块化设计技术，通流部分的优化设计，关键零部件的可靠性和寿命的设计技术，钛合金叶片的开发，弹塑性理论和断裂力学分析，寿命监控技术和机组控制技术，制造工艺，测试技术的提高以及运行方式的改进等，将使汽轮机的经济性、可靠性和负荷适应性进一步提高。此外，利用新能源将是汽轮机发展的一个重要方面，如各式燃气轮机联合循环、磁流体发电的联合循环、太阳能的汽轮机电站、地热汽轮机、核电站汽轮机及海洋温差发电等。