超临界汽轮机是通过提高主蒸汽压力至超过临界值（22.129 MPa）实现热效率提升的发电设备。其典型参数包括主蒸汽压力25-31 MPa、温度580-600℃，采用二次再热技术与多层缸结构设计降低末级叶片湿度并提升热力学效率。

火电机组按蒸汽参数分为三个等级：亚临界（16.5 MPa/535℃）、超临界（24.0 MPa/560℃）和超超临界（≥25 MPa/580℃）。国际标准中，主蒸汽压力超过22.129 MPa即构成超临界汽轮机基础定义，当参数提升至27.5 MPa/580℃或593℃再热温度时则定义为超超临界机组。

临界压力状态下，水直接转变为过热蒸汽而无明显相变过程，使朗肯循环效率提升2.0%-2.5%。典型600MW机组采用单轴两缸布局，主汽阀前压力达25 MPa（a），配备8级非调整抽汽系统，额定工况转速稳定在3000 r/min。

高压缸采用圆筒形汽缸结构，通过高窄波形法兰设计应对高压部件应力，中压缸采用双向流动布局以平衡轴向推力。转子材料需满足590℃以上工况，12%Cr钢基体配合表面焊接工艺可提升抗蠕变性能；高压内缸使用10CrMoVCb合金，外缸采用CrMoV钢形成复合防护体系。

关键技术创新包括：

二次再热循环系统：将蒸汽二次加热至580℃以上，降低末级叶片湿度

抽汽冷却技术：从高压段抽取部分蒸汽用于高温部件冷却

涂层防护：在调节级叶片施加扩散合金涂层，抗固体颗粒冲蚀

当主蒸汽压力从16.5 MPa提升至24.0 MPa（温度538℃），热耗率降低约2.0%；若温度同步升至590℃，热效率可再提高2.5%。典型600MW机组通过3高加+1除氧+4低加的回热系统，使循环效率达到45%-48%，较亚临界机组提升5-8个百分点。

参数优化存在经济性边界，奥氏体超合金材料成本较CrMoV钢增加300%-400%，因此实际工程中主蒸汽温度多控制在593℃以内。

蒸汽激振问题在高压段尤为突出，需通过可倾瓦轴承与轴系稳定性分析进行抑制。高温螺栓需采用20Cr1Mo1VNbTiB特种钢，在580℃下仍保持≥500 MPa的屈服强度。

固体颗粒侵蚀（SPE）主要发生在调节级，通过加大动静间隙并采用渗铬涂层可降低冲蚀速率。国内某1000MW机组在2023年运行数据显示，未采取防护措施的调节级叶片年磨损量达1.2mm，而采用扩散合金涂层的对照组仅0.35mm。

某双轴1000MW超超临界机组，采用双流中压缸设计与8级回热系统，实测供电煤耗低至268 g/kWh，较上一代机组降低14 g/kWh。机组启停过程中，通过汽缸夹层加热系统可将热应力控制在合理范围内，保障设备运行寿命。