蒸汽湿度的测量对汽轮机安全、经济运行具有重要意义。为了能够实现直接对排汽湿度准确、快速在线监测, 以948 nm-DFB可调谐激光器为传感部件, 以单片机C8051F410为核心, 基于TDLAS-WMS技术开展了汽轮机末级湿度检测系统设计。其中讨论了TDLAS技术湿度检测原理, 推导了湿度与可调谐激光的理论公式, 并结合有关谐波信号检测、PID温度控制、锁相放大以及所需软件的设计, 完成了汽轮机湿度测量系统的开发。通过比测实验结果表明, 该湿度检测系统具有较好的实用性及可行性。其湿度测量误差在±1.2%以内, 能够满足对汽轮机湿度高动态、高精度测量的需要。

针对汽轮机转子轴颈易损伤的问题, 采用2 kW半导体激光器进行同轴送粉的激光再制造Fe基合金试验, 以提升其表面性能, 解决失效问题;采用显微硬度计、气蚀装置与残余应力分析仪分别测试了再制造层的显微硬度、抗气蚀性能与残余应力。结果表明, 再制造层最高显微硬度为359 HV0.2, 平均显微硬度为353 HV0.2, 较基体提高20%, 再制造层的抗气蚀性能较基体提高了3倍以上。再制造层的表层两端的残余应力为压应力, 中部为拉应力, 从基体到热影响区逐渐升高;沿层深由再制造层至热影响区, 残余压应力先转变为拉应力, 再转变为压应力。另外由实验数据依据弹性力学的叠加原理, 提出了确定再制造层残余应力的反推法。

选择不同的激光加工技术，如激光合金化、激光修复和激光固溶技术，实现了2Cr13和17-4PH两种常见叶片的强化与修复。对强化和修复前后汽轮机叶片的显微结构、硬度、残余应力、耐磨性、抗腐蚀、抗气蚀性能进行了测试分析。证明激光加工技术在汽轮机叶片的强化和修复方面具有良好的应用前景。

针对汽轮机低压缸中水滴的平均尺度的实时测量问题，提出了一种用于从水滴散射光强分布中快速反演水滴粒径参数的半经验理论方法。根据米氏(Mie)散射理论，数值计算了不同水滴尺度对应的散射相函数曲线，并在前向小角度范围内，通过高斯函数拟合得到Mie散射理论的近似解析解，进而拟合得到水滴粒径随高斯函数参数变化的半经验理论公式。在不同条件下，用CCD相机测量得到模拟低压缸内湿蒸汽的散射光强分布图像，通过半经验理论公式快速反演得到水滴群的特征尺寸。结果表明，该方法通过约束水滴特征尺寸的有效范围，得到了散射比与水滴粒径之间简化近似的半经验理论模型，在一定置信范围内可以解决蒸汽湿度的在线测量问题，具有一定的应用价值。

为了准确测量汽轮机末级蒸汽湿度及其空间分布,本文提出用CCD 测量湿蒸汽的散射光强分布,并通过数值拟合得到汽轮机内部的蒸汽湿度和水滴直径。根据CCD 成像规律以及散射光强的分布特点,建立了包括测量系统、汽轮机模拟系统在内的实验平台。用532 nm 的激光照射湿蒸汽,CCD 拍摄得到2.6°~6.6°角度变化范围内的散射光强分布,并通过数值拟合得到蒸汽相对湿度变化范围0.7%~1.2%、水滴平均直径大小为1.4 ~1.6 μm。实验结果表明：该测量方法可以用来测量汽轮机末级蒸汽湿度和水滴直径,并且实现了较大范围内散射光测量。实验结果直观地反映了汽轮机内部蒸汽湿度的变化规律,从而有力地证明CCD 应用在蒸汽湿度测量中的可行性。

为提高调质态2Cr13低碳马氏体不锈钢汽轮机叶片的抗气蚀性能,采用连续CO2横流激光器对其表面进行激光合金化处理,考察其显微组织、显微硬度和抗气蚀性能。结果表明,激光合金化处理后,显著地改变了2Cr13不锈钢表面的显微组织结构,表面平均硬度可达到701.2HV0.2(基材表面显微硬度为200～250HV0.2),横向残余应力为211.70MPa,纵向残余应力为334.60MPa。激光合金化后,抗气蚀性能比合金化前提高一倍以上。因此,激光合金化在提高抗气蚀性能和延长叶片使用寿命上具有较好的应用前景。

采用2 kW横流CO2激光器在汽轮机末级叶片进气边熔覆钴基合金，以提高其抗水蚀能力。介绍了叶片激光熔覆的工艺、设备及处理结果，处理成功的叶片已装机运行。结果表明，激光熔覆技术可在汽轮机末级叶片的生产中推广应用。