从透平热力性能分析指出，为使机组具有较高的热效率，要求各级通流部分保持较高的热效率。通常衡量级效率的高低主要采用v/c0值（级的平均直径处圆周速度v和级的焓降c0），例如对于冲动级叶片，当v/c0保持在0.5左右时，可获得较高的级效率。从上述关系看出，为了保持较佳的v/c0值，当选取的级圆周速度v越高时，相应地可选取级的焓降也越大，结果使透平的级数减少。要获得较大的级圆周速度，通常有两种途径：一种是将叶轮直径增大，但对于功率不太大的机组，由于有限的蒸汽流量，在保持叶片通流部分的截面不变前提下，叶轮直径增大，将使叶片高度相应降低，这样由于相对间隙增加，使漏汽损失增大，造成级效率降低。另外一种途径是将透平转速提高来实现较大的级圆周速度，这样使叶轮直径减小，叶片相对高度增加，对提高级效率有好处（见图17-3）。透平转速提高多少，还要考虑到转子等旋转部件的强度及气动性能中临界声速马赫数对效率的影响等因素。
图17-3 叶片高度与热效率的关系
由于拖带的发电机转速不能任意跟随，规定两极发电机为3000r/min、四极发电机为1500r/min。这类功率不太大的透平常设置齿轮传动装置，来减速并传递功率。
透平齿轮具有以下的工作特点：
1）传递功率较大、速度较高。透平齿轮的功率一般可划分以下三挡：①传递功率小于5000kW的，称为小容量。②传递功率在5000～10000kW的，称为中等容量。③传递功率大于10000kW的，称为大容量。
当前蒸汽透平齿轮最大功率达25000kW，燃气透平齿轮最大功率为47000kW。齿轮圆周速度一般在70～110m/s，有时达150～200m/s，个别达250～300m/s。从现有技术水平来看，已可以承制功率为8×104kW左右的透平齿轮。
2）要求长期持续运行，设计寿命为10×104h以上。由于发电业直接影响工农业生产，特别是孤立电网和军用发电的机组，一定要保证做到安全满发，一旦发生事故而突然停机，将会造成重大损失，因此要求齿轮传动装置有高度的可靠性。
3）要求运转平稳，噪声较低、振动较小。一般要求在距离机器1m处，A级噪声响度应小于90dB，箱体振动小于0.04mm（双向振幅）。齿轮的制造精度通常取ISO齿轮精度标准的3～6级。传动装置效率则要求在98%以上。
4）由于发电机可能发生短路事故，发生的瞬间电流激增，转矩可达额定值的8～10倍，对这一特殊因素在计算强度时应予以考虑。一般要求在短路力矩下，齿轮及其装置的各受力元件的应力都不要超过材料的屈服极限。
透平发电机组采用减速齿轮后技术经济效果可从以下的例子来说明。
一台功率为14000kW的背压式汽轮机，进汽参数为8MPa/500℃，背压为0.5MPa，对透平直接拖带发电机和采用减速齿轮带动1500r/min的发电机所进行的技术经济效果比较，详见表17-5。其透平的通流部分及造价的分析比较如图17-4所示。
表17-5 带与不带减速齿轮的汽轮发电机组比较
另外一台20000kW抽汽/冷凝式汽轮机采用减速齿轮与否的技术指标的比较，见表17-6。
表17-6 20000kW抽汽/冷凝式汽轮机带与不带减速齿轮的比较
以上两个例子表明，对于中小功率的汽轮机采用减速齿轮后，透平的尺寸和质量明显减小。特别是透平级数减少得较多，意味着叶片数目大为减少，这可给加工生产带来较多方便。此外，虽然使机组增加一台减速齿轮箱会带来一些麻烦，但从经济上来看，造价可降低约30%。总之，这类功率不太大的机组采用齿轮传动是较为合算的，因而被各工业国家广泛采用。
透平发电机组的减速齿轮的布置形式通常分平行轴传动、行星传动及分流式传动三类，其中以平行轴传动为最普遍的形式。根据当前齿轮材质的强度和制造水平，各类传动能实现的传递功率及齿轮圆周速度的水平如图17-5所示。其中平行轴传动在传递功率为5×104kW时，齿轮圆周速度将达200m/s。分流式传动在传递功率为6×104kW时，齿轮圆周速度仅为150m/s。行星齿轮传动由于结构复杂等原因，仅使用于功率较小的场合。
图17-6为蒸汽透平减速齿轮传动常用布置形式。
图17-4 透平通流部分和造价的分析比较
a—直联发电机的透平 b—高速透平
图17-7为一台功率3000kW卡车电站的燃气透平行星齿轮箱。采用这种形式齿轮箱的主要目的是使机组布置在一条线上。这样，由于输入和输出轴同心，可以使狭窄的车厢布置得紧凑整齐。齿轮箱主要参数见表17-7，该齿轮箱采用的形式是行星架固定的行星齿轮传动（即图17-2b的形式），这主要由于3000r/min的发电机转速过高，不能采用行星架转动的传动形式。这种传动相当于分流式传动（又称星形齿轮箱Star Gears）。为了使四个行星齿轮均载，在结构上将太阳轮做成浮动，内齿轮采用三层齿式挠性连接的形式。太阳轮和行星轮用25Cr2MoV调质并氮化，氮化深度大于0.3mm，齿面硬度HV≥650，制造精度为5级。内齿轮用25Cr2MoV调质精插，齿面硬度为260～290HBW。行星齿轮的中心轴，用20CrMnMo调质，表面镀上厚为0.5mm的铜铅合金，精车后再镀上厚0.03～0.05mm的铅锡合金，以起润滑减磨作用。行星架为普通碳钢铸造，箱体为普通灰铸铁。由于设计结构较合理、制造精度较高，减速器运转较为平稳，振幅≤0.01mm（双振幅）。
图17-5 各类齿轮减速装置的圆周速度与功率的关系
a—平行轴传动 b—行星传动（行星轮固定） c—分流式传动 d—行星传动（内齿圈固定）
图17-6 蒸汽透平减速齿轮传动布置形式
a）透平叶轮悬臂式 b）透平的一个轴承设在齿轮箱内 c）透平转子与齿轮轴刚性连接 d）透平转子与齿轮轴刚性连接、三支点 e）透平转子与齿轮轴挠性连接
图17-7 3000kW卡车电站的燃气透平行星齿轮箱(www.xing528.com)
表17-7 3000kW燃气透平行星齿轮箱主要参数
其中一台功率47000kW燃气透平齿轮箱。其主要参数为：中心距650mm，齿宽500mm，转速4918/3000r/min，渗碳深度：中国0.2mm，日本0.15mm。齿轮进行渗碳淬硬磨齿，圆周速度约为130m/s。
增速齿轮传动在这些部门用途非常广阔，如钢铁厂6000～30000m3/h制氧站空压机的增速齿轮箱（传递功率通常为2000～18000kW）。20世纪60年代由于化肥工业发展的需要，年产30万t合成氨成套设备中的空压机或氨压缩机都广泛采用高速增速齿轮传动，其功率为3200～8500kW。这类机器上，齿轮的工作特点是载荷较大、圆周速度较高，一般为70～120m/s，个别为150～200m/s或更高（达300m/s）。使用条件和透平发电用齿轮相同，即要求运转平稳可靠，寿命较长（一般要求寿命达105h以上）。
常用的传动布置形式如图17-8所示。
图17-8 冶金、化学、石油工业中增速齿轮传动布置形式
图17-9为一台由2000kW异步电动机拖动的氧化氮压缩机，连同增速齿轮一起带负载试车的情景。增速齿轮主要参数见表17-8。这台增速器原设计采用渐开线软齿面精滚人字齿轮，1963年为了提高产品质量和推广新技术，分别采用人字齿和单斜齿两种形式作比较。其中单斜齿的圆弧齿轮为减小其轴向推力，有意采用较小的重合度（εβ≈2.2）。为了观察由此引起平稳性的差异，特在同一试车台上用换肚子的办法，进行轮换试验。为了测定小齿轮的轴向窜动量，在小齿轮轴的尾端连接一个小的圆盘，采用嵌状电感式测隙装置（见图17-9的左边）。测试时，由于间隙变化而产生的电感量的变化，可通过八线示波器显示和拍照。测试结果表明，单斜齿小齿轮的轴向窜动量仅在0.01mm左右，其平稳性是令人满意的，为高速单斜齿圆弧齿轮的应用取得了经验。
图17-10为一台由1600kW异步电动机拖带高速离心空压机的齿轮增速装置。其齿轮传动主要参数见表17-9。
图17-9 氧化氮压缩机圆弧齿轮增速器
表17-8 氧化氮压缩机圆弧齿轮箱主要参数
这台分流式齿轮增速器具有布置较为紧凑（空间尺寸约为800mm×800mm×800mm）、同轴线输入和输出的特点。为了使三分枝上齿轮能均匀承载，安装时，在中间轴上采取了高速级大齿轮周向方位可调的措施，即在各轮齿接触检查合格后，再将直径为15mm的定位圆柱销进行钻铰（见图17-10中说明）。进行该项工作之前，要求各中间轴实现定心、不浮动，还需另做一批供安装专用的金属套轴承替换产品轴承，使它们与中间轴的轴颈保持无隙滑配。此外，还采取了输入和输出的中心轮浮动的结构，予以补偿误差。这台齿轮增速器运行品质良好，实测振幅≤0.01mm（双振幅）。
其他方面如模拟压气机试验研究中都需要较高的转速，一般也采用齿轮增速器来实现。图17-11为一台三级模拟轴流压气机试验台齿轮增速器。其主要参数见表17-10。
表17-9 50m3/min空压机分流式（三分枝）齿轮增速器传动主要参数
表17-10 三级模拟压气机试验台齿轮增速器主要参数
图17-10 50m3/min空压机分流式（三分枝）齿轮增速器
图17-11 三级模拟轴流压气机试验台齿轮增速器
图17-12为一台燃气透平试验台的齿轮增速器，发电机拖动功率P=1491.4kW（2000HP），输入转速n1=1700r/min，输出转速n2=45000r/min。齿轮传动形式为二级分流式，低速级为人字齿传动，高速级为直齿传动。齿轮最高圆周速度达153m/s，齿轮精度为BS1807 A1级（英国船用齿轮标准，相当于ISO标准的4级精度），齿轮采用合金钢渗碳淬硬磨齿。齿轮载荷系数，低速级为1.04N/mm2，高速级为0.9N/mm2。这台齿轮增速器在结构上有以下特点：
1）采用二级分流式，使轮齿负载减小一半。
2）低速级采用人字齿轮，具有较高的承载能力，而高速级采用了较高精度的直齿轮，避免了由于斜齿产生的轴向负荷给高速推力轴承带来的较恶劣的工作条件。
3）低速级与高速级之间的连接，采用了弹性扭力轴的结构形式，它从低速级小齿轮的中间孔穿过，经齿轮联轴器与高速级的大齿轮相连。弹性扭力轴的作用是给齿轮系统中增加了弹性较大的环节，缓冲或消除由于制造误差的相互干扰引起的激振因素，改善分流式传动中轮齿载荷分配不均匀的程度。弹性扭力轴设计时应选用较高强度的材质，且在材料弹性强度许可范围内，选取较大的形变。
图17-12 45000r/min分流式齿轮增速器（中分面视图）
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