一、基本原理
噴嘴柵和與其相配的動葉柵組成了汽輪機中最基本的工作單元“級”， 不同的級順序串聯構成多級汽輪機。
當蒸汽通過汽輪機時， 首先在噴嘴柵中將熱能轉變為動能， 然後在動葉中將其動能轉變為機械能， 使得葉輪和軸轉動， 從而完成汽輪機利用蒸汽熱能做功的任務。
蒸汽在級中以不同的方式進行能量轉換， 便形成不同工作原理的汽輪機， 即衝動式汽輪機和反動式汽輪機。
衝動式汽輪機主要有衝動級組成， 在級中蒸汽主要在噴嘴柵中膨脹， 在動葉柵中只有少量膨脹。
反動式汽輪機，
二、主要結構特點
2.1 動靜葉柵
衝動式汽輪機的動、靜葉柵型線是不同的。 氣流在動葉柵中膨脹量少， 所以動葉柵的截面形狀是近似對稱的。 蒸汽在靜葉柵中轉折角較小，
反動式汽輪機由於級的比焓降是在噴嘴和動葉柵中平均分配的， 所以噴嘴葉柵和動葉柵可採用相同的葉形， 且葉型是不對稱的， 構成噴嘴和動葉的收縮形通道。
衝動式與反動式葉形及蒸汽在級中流動過程中壓力和速度變化如圖1、圖2所示:
2.2 轉子及隔板
對於衝動式， 動葉前後壓差較小， 沒有太大的軸向力作用在轉子上， 所以衝動式汽輪機可以使用品質輕、結構緊湊的輪盤式轉子；為提高汽輪機的靈活性， 可以採用較大的徑向間隙。 噴嘴葉柵前後壓差較大， 設置隔板結構， 把噴嘴裝在隔板的外環上， 同時在隔板的內孔裝氣封片， 可以減少噴嘴葉柵與軸間的漏氣量， 也減少了轉子摩擦的危險性。 由於隔板保持中心， 它與汽缸的變形無關， 所以在整個使用期限內可使汽輪機維持良好的對中性能。
對於反動式， 動葉前後存在較大的壓差， 為了減小氣流對轉子的軸向作用力， 反動式汽輪機採用轉鼓式結構，
2.3 級數差別
在同樣蒸汽參數和功率條件下， 衝動式汽輪機的級數一般比反動式的少， 相應的零部件數也少。 但隨著機組功率的增大， 級數的差別越來越小。
大功率機組的低壓缸， 末級葉片都較長， 為防止氣流的撞擊和減少余速損失常採用葉形和動葉出氣角沿葉高變化的長扭葉片， 以適應圓周速度和蒸汽參數沿葉高變化的規律。 而對於長扭葉片的葉根常設計成具有適當反動度的衝動式葉形，
因此， 衝動式和反動式汽輪機葉形設計近乎一致， 級數的差別被縮小了。 尤其在大功率汽輪機機組中， 級數的差別逐漸被淡化。
2.4 平衡軸向力的措施
由於葉形及轉子結構的不同， 作用在汽輪機級上的軸向推力不相同， 因此平衡軸向力的措施也不同。
對於衝動式汽輪機， 通常在葉輪上開5～7個平衡孔， 減少蒸汽前後壓力差， 以減少軸向推力。
對於反動式汽輪機， 常採用平衡活塞法， 即在汽輪機轉子高壓軸封端加大第一段汽封套的直徑， 以產生與主蒸汽在軸流方向相反的軸向推力。
但隨著機組容量的增大， 要求的平衡活塞的外徑也增大， 隨之而來的軸封漏氣面積增大，軸封漏氣量增大，所以汽輪機機組的效率會下降。這是反動式汽輪機的主要缺點之一。反動式汽輪機轉子設計成轉鼓形式也是為了平衡軸向推力。
對於衝動式和反動式汽輪機的汽缸對稱佈置是大型多缸汽輪機平衡軸向力的最有效的辦法。
當汽輪機組是有高壓缸、中壓缸和兩個低壓缸組成時，把高壓缸和低壓缸對稱佈置，兩個低壓缸對稱佈置，利用蒸汽軸向流動方向相反來抵消軸向推力。
三、衝動式和反動式汽輪機的蒸汽流動特性
3.1 調節級
多數汽輪機採用改變第一級噴嘴面積的方式調節進氣量，稱之為噴嘴調節，噴嘴調節汽輪機的第一級為調節級。
反動級不能採用部分進氣，否則會有較大的漏氣損失；同時在部分進氣下50%的反動度不能在級內實現，調節級須承擔較大的焓降才能適應機組變工況的要求，因此反動級不能作為調節級，只有衝動級才可以作為調節級。在部分進氣下，採用噴嘴調節效率最高。
機組功率較小時，常採用複速級作為調節級；大功率機組，常採用單列衝動級作為調節級。對於反動式汽輪機的調節級也必須採用衝動式，其後的各級採用反動式。
3.2 雙流與單流
採用雙流的反動式汽輪機可不設平衡活塞，降低了洩漏損失。但葉片高度短了，會增加漏氣損失、葉片摩擦損失和端部損失。總的來說，在均採用雙流結構的前提下，以反動式較有利。
在相同的級數下，單流的品質係數是雙流的兩倍，每級的氣動效率和漏氣效率都可得到改善，但單流必須設置平衡活塞。
衝動式汽輪機由於軸向推力比較小，平衡活塞的漏氣損失較小，因此單流的經濟性收益是正的。
對於雙流的低壓缸，由於主要採用扭葉層，其經濟性已與採用衝動式和反動式無關，主要取決於扭葉層級的特性和品質。
四、衝動式與反動式汽輪機的效率比較
4.1 葉柵損失
葉柵的氣動特性影響到蒸汽的做功能力，對葉柵氣動特性的研究主要著力于葉柵的能量損失。
衝動式葉柵對相對節距的變化和沖角的影響比反動式敏感，同時由於葉柵型式的影響，衝動式汽輪機的葉柵損失比反動式大。
4.2 級內損失
凡是級內和流動能量轉換有直接聯繫的損失稱為汽輪機的級內損失。
主要包括噴嘴損失、動葉損失、餘速損失、葉高損失、撞擊損失、扇形損失、葉輪摩擦損失、部分進氣損失、濕氣損失和漏氣損失。
反動級的葉頂漏氣多，葉高損失比較大。對於反動式級，由於沒有葉輪，動葉直接安裝在輪轂上，所以不存在葉輪摩擦損失。
反動級，動葉前後壓差較大，為減少漏氣損失，不採用部分進汽，因此沒有部分進氣損失。
衝動式汽輪機的漏氣損失有隔板漏氣損失和葉頂漏氣損失組成；反動式主要有葉頂漏氣組成。
對於反動級，由於動葉前後壓差較大且採用全周進氣，所以反動式葉頂漏氣量比較大。
同時由於反動級內徑軸封直徑比衝動級的大，軸封齒數又相對少，因此反動級的葉片環氣封漏氣損失比衝動級的隔板漏氣損失大。
4.3 輪周效率
單位蒸汽流過某級時所產生的輪周功Wu與蒸汽在該級中的理想可用能量之比，稱為該級的輪周效率。
輪周效率是衡量汽輪機級的工作經濟性的一個重要指標。輪周效率與速比有關，反動級的最佳速比是純衝動級的兩倍，在相同圓周速度下，反動級承擔的比焓降小，做功能力也小。
4.4 級的效率
動靜葉間的軸向間隙影響級的內效率；開式軸向間隙越小效率越高，但太小，在機組啟停及變工況時由於熱膨脹會發生動靜葉摩擦；閉式軸向間隙的增大一方面使噴嘴出汽邊到動葉進氣邊間距離增大，減少噴嘴出口尾跡的影響，從而使動葉柵進口汽流均勻，另一方面增加了汽流與汽道上下斷面之間的摩擦，不利與級的效率。
在葉頂加裝圍帶和徑向汽封可明顯地減少葉頂漏氣，提高級的效率。葉片寬度過大將增大端部損失，過小又會增加葉型能量損失，因此在最佳寬度範圍內級的內效率最高。
衝動式葉輪上開設平衡孔可以平衡軸向力，但會增加漏氣損失，降低級的內效率。長葉片中安裝拉筋是為了改善葉片的抗振性，但拉筋會影響蒸汽流動，降低級的內效率。
五、結語
由於級數少，葉輪式轉子的熱彈性好，相對與加平衡活塞的反動式汽輪機整機長度較小以及採用單流的通流結構，衝動式汽輪機在結構上比較簡單，重量比較輕，運行的靈活性及可靠性也比較高。
反動式允許有較大的沖角變化，運行安全性比較高。
衝動式對安裝角、相對節距及馬赫數的敏感性較反動式強烈，所以衝動式汽輪機的葉柵損失比較大。但反動式汽輪機的漏氣損失比衝動式大。
隨著機組容量的增大，葉片高度相應增大，漏氣損失減小，因此大機組採用反動式效率比較高，小機組採用衝動式比較有利。
隨之而來的軸封漏氣面積增大，軸封漏氣量增大，所以汽輪機機組的效率會下降。這是反動式汽輪機的主要缺點之一。反動式汽輪機轉子設計成轉鼓形式也是為了平衡軸向推力。對於衝動式和反動式汽輪機的汽缸對稱佈置是大型多缸汽輪機平衡軸向力的最有效的辦法。
當汽輪機組是有高壓缸、中壓缸和兩個低壓缸組成時，把高壓缸和低壓缸對稱佈置，兩個低壓缸對稱佈置，利用蒸汽軸向流動方向相反來抵消軸向推力。
三、衝動式和反動式汽輪機的蒸汽流動特性
3.1 調節級
多數汽輪機採用改變第一級噴嘴面積的方式調節進氣量，稱之為噴嘴調節，噴嘴調節汽輪機的第一級為調節級。
反動級不能採用部分進氣，否則會有較大的漏氣損失；同時在部分進氣下50%的反動度不能在級內實現，調節級須承擔較大的焓降才能適應機組變工況的要求，因此反動級不能作為調節級，只有衝動級才可以作為調節級。在部分進氣下，採用噴嘴調節效率最高。
機組功率較小時，常採用複速級作為調節級；大功率機組，常採用單列衝動級作為調節級。對於反動式汽輪機的調節級也必須採用衝動式，其後的各級採用反動式。
3.2 雙流與單流
採用雙流的反動式汽輪機可不設平衡活塞，降低了洩漏損失。但葉片高度短了，會增加漏氣損失、葉片摩擦損失和端部損失。總的來說，在均採用雙流結構的前提下，以反動式較有利。
在相同的級數下，單流的品質係數是雙流的兩倍，每級的氣動效率和漏氣效率都可得到改善，但單流必須設置平衡活塞。
衝動式汽輪機由於軸向推力比較小，平衡活塞的漏氣損失較小，因此單流的經濟性收益是正的。
對於雙流的低壓缸，由於主要採用扭葉層，其經濟性已與採用衝動式和反動式無關，主要取決於扭葉層級的特性和品質。
四、衝動式與反動式汽輪機的效率比較
4.1 葉柵損失
葉柵的氣動特性影響到蒸汽的做功能力，對葉柵氣動特性的研究主要著力于葉柵的能量損失。
衝動式葉柵對相對節距的變化和沖角的影響比反動式敏感，同時由於葉柵型式的影響，衝動式汽輪機的葉柵損失比反動式大。
4.2 級內損失
凡是級內和流動能量轉換有直接聯繫的損失稱為汽輪機的級內損失。
主要包括噴嘴損失、動葉損失、餘速損失、葉高損失、撞擊損失、扇形損失、葉輪摩擦損失、部分進氣損失、濕氣損失和漏氣損失。
反動級的葉頂漏氣多，葉高損失比較大。對於反動式級，由於沒有葉輪，動葉直接安裝在輪轂上，所以不存在葉輪摩擦損失。
反動級，動葉前後壓差較大，為減少漏氣損失，不採用部分進汽，因此沒有部分進氣損失。
衝動式汽輪機的漏氣損失有隔板漏氣損失和葉頂漏氣損失組成；反動式主要有葉頂漏氣組成。
對於反動級，由於動葉前後壓差較大且採用全周進氣，所以反動式葉頂漏氣量比較大。
同時由於反動級內徑軸封直徑比衝動級的大，軸封齒數又相對少，因此反動級的葉片環氣封漏氣損失比衝動級的隔板漏氣損失大。
4.3 輪周效率
單位蒸汽流過某級時所產生的輪周功Wu與蒸汽在該級中的理想可用能量之比，稱為該級的輪周效率。
輪周效率是衡量汽輪機級的工作經濟性的一個重要指標。輪周效率與速比有關，反動級的最佳速比是純衝動級的兩倍，在相同圓周速度下，反動級承擔的比焓降小，做功能力也小。
4.4 級的效率
動靜葉間的軸向間隙影響級的內效率；開式軸向間隙越小效率越高，但太小，在機組啟停及變工況時由於熱膨脹會發生動靜葉摩擦；閉式軸向間隙的增大一方面使噴嘴出汽邊到動葉進氣邊間距離增大，減少噴嘴出口尾跡的影響，從而使動葉柵進口汽流均勻，另一方面增加了汽流與汽道上下斷面之間的摩擦，不利與級的效率。
在葉頂加裝圍帶和徑向汽封可明顯地減少葉頂漏氣，提高級的效率。葉片寬度過大將增大端部損失，過小又會增加葉型能量損失，因此在最佳寬度範圍內級的內效率最高。
衝動式葉輪上開設平衡孔可以平衡軸向力，但會增加漏氣損失，降低級的內效率。長葉片中安裝拉筋是為了改善葉片的抗振性，但拉筋會影響蒸汽流動，降低級的內效率。
五、結語
由於級數少，葉輪式轉子的熱彈性好，相對與加平衡活塞的反動式汽輪機整機長度較小以及採用單流的通流結構，衝動式汽輪機在結構上比較簡單，重量比較輕，運行的靈活性及可靠性也比較高。
反動式允許有較大的沖角變化，運行安全性比較高。
衝動式對安裝角、相對節距及馬赫數的敏感性較反動式強烈，所以衝動式汽輪機的葉柵損失比較大。但反動式汽輪機的漏氣損失比衝動式大。
隨著機組容量的增大，葉片高度相應增大，漏氣損失減小，因此大機組採用反動式效率比較高，小機組採用衝動式比較有利。