Паровая турбина — вид парового двигателя, в котором струя пара, действуя на лопатки ротора, вызывает его вращение. В настоящее время паровые турбины применяются вместе с котлами, работающими на органическом топливе или с ядерными реакторами на электростанциях и крупных судах и кораблях. Паровые турбины используются в качестве первичных двигателей промышленных когенерационных установок в течение многих лет. Пар, образующийся в паровом котле, расширяясь, под высоким давлением проходит через лопатки турбины. Турбина вращается и производит механическую энергию, используемую генератором для производства электричества.
Электрическая мощность системы зависит от того, насколько велик перепад давления пара на входе и выходе турбины.
Для эффективной работы пар в турбину должен подаваться с высокими давлением и температурой (42 бар/400°С или 63 бар/480°С), (советские конденсационные турбины К-800-240 номинальная мощность 800 МВт, начальное давление 240 бар, 540°С). Такие условия предъявляют повышенные требования к котельному оборудованию, что приводит к прогрессивному росту капитальных расходов и стоимости сопровождения.
Преимуществом технологии является возможность использования в котле самого широкого спектра топлив, включая твердые. Однако использование тяжёлых нефтяных фракций и твердого топлива снижает экологические показатели системы, которые определяются составом отходящих из котла продуктов горения. По умолчанию, паровые турбины производят много больше тепла, чем электричества, в результате имеют место высокие затраты на установленную мощность.

В основе действия паровой турбины лежат два принципа создания окружного усилия на роторе, известные с давних времен, - реактивный и активный. В 130 г. до н.э. Герон Александрийский изобрел устройство под названием "эолипил" (рисунок 1 левый). Оно представляло собой наполнявшуюся паром полую сферу с двумя Г-образными соплами, расположенными с противоположных сторон и направленными в разные стороны. Пар вытекал из сопел с большой скоростью, и за счет возникающих сил реакции сфера вращалась.

Второй принцип основан на преобразовании потенциальной энергии пара в кинетическую. Его можно проиллюстрировать на примере машины Джованни Бранки (рисунок 1 центральный), построенной в 1629 г. В этой машине струя пара приводила в движение колесо с лопатками, напоминающее колесо водяной мельницы.

В паровой турбине (рисунок 1 правый) используются оба указанных принципа. Струя пара под высоким давлением направляется на криволинейные лопатки, закрепленные на дисках. При обтекании лопаток струя отклоняется, и диск с лопатками начинает вращаться. Двигаясь между лопатками в расширяющемся канале (ведь толщина лопаток по мере приближения к хвостовику уменьшается), пар расширяется и ускоряется. В соответствии с законами сохранения энергии и импульса на колесо турбины действует сила, раскручивающая его. В результате энергия давления (потенциальная энергия) пара преобразуется в кинетическую энергию вращения турбины.
Турбины, у которых весь процесс расширения пара и связанного с ним ускорения парового потока происходит в соплах, получили название активных. На практике пользуются многоступенчатыми турбинами, самой простой из которых является турбина Бранки. Ряд дисков, укрепленных на общем валу, разделен перегородками. В этих перегородках устраивались профилированные отверстия - сопла. На каждой из построенных таким образом ступеней срабатывается часть энергии пара. Преобразование кинетической энергии парового потока происходит без дополнительного расширения пара в каналах рабочих лопаток. Активные многоступенчатые турбины получили широкое распространение в стационарных установках, а также в качестве судовых двигателей.

КПД паровой турбины расчитывается при помощи следующей формулы:

где W_out - механическая работа, а Q_in - затраченное количество теплоты.
В современных турбинах пар расширяется постепенно по мере прохождения через несколько ступеней, каждая из которых представляет собой два венца лопаток: один - неподвижный (с направляющими лопатками, закрепленными на корпусе турбины), другой - подвижный (с рабочими лопатками на диске, закрепленном на вращающемся валу). Плоскости лопаток неподвижных и подвижных венцов были взаимно перпендикулярны. Пар, направляемый на неподвижные лопатки, расширялся в междулопаточных каналах, скорость его увеличивалась, и он, попадая на подвижные лопатки, заставлял их вращаться.

Паровые турбины являются основным двигателем теплоэлектростанций (ТЭС) и атомных электростанций (АЭС).Паровые турбины (рисунок 5) современных тепловых электростанций имеют мощность до 1200 МВт.

Электрическая мощность паровых турбин зависит от перепада давления пара на входе и выходе установки. Общая эффективность паровых турбин (электроэнергия +тепло) доходит до ~85% в расчете на единицу потраченного топлива. Мощность паровых турбин (единичной установки) ~ до 1000 МВт. Паровые турбины изготавливают двух типов: турбины с противодавлением (давление пара на выходе турбины выше атмосферного) и конденсационные турбины (давление пара на выходе турбины ниже атмосферного).

В турбину, работающую по циклу Ранкина (Pис.1), пар поступает от внешнего источника пара; дополнительного подогрева пара между ступенями турбины нет, есть только естественные потери тепла.

В этом цикле (рис.1) пар после первых ступеней направляется в теплообменник для дополнительного подогрева (перегрева). Затем он снова возвращается в турбину, где в последующих ступенях происходит его окончательное расширение. Повышение температуры рабочего тела позволяет повысить экономичность турбины.

Пар на выходе из турбины обладает еще значительной тепловой энергией, которая обычно рассеивается в конденсаторе. Часть энергии может быть отобрана при конденсации отработанного пара. Некоторая часть пара может быть отобрана на промежуточных ступенях турбины (рис.1) и использована для предварительного подогрева, например, питательной воды или для каких-либо технологических процессов.