Энергетические машины и установки

Министерство науки и высшего образования 
Российской Федерации

Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

В. Л. Блинов

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ МАШИНЫ 
И УСТАНОВКИ

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом 
Уральского федерального университета 
для студентов вуза, обучающихся 
по направлению подготовки 
13.03.03 — Энергетическое машиностроение

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2020

УДК 621.1.01(075.8)
ББК 31.16я73
          Б69
Рецензенты:

Б69 

заместитель главного конструктора АО «Уральский турбинный завод» канд. техн. 
наук А. А. Ямалтдинов;
д‑р техн. наук, проф. С. М. Шанчуров (завкафедрой «Энергетика» ФГБОУ ВПО 
«Уральский государственный лесотехнический университет»)

Научный редактор канд. техн. наук Б. С. Ревзин

Блинов, В. Л.
   Энергетические машины и установки : учебное пособие / В. Л. Блинов ; Мин‑во 
науки и высш. образования РФ. — Екатеринбург : Изд‑во Урал. ун‑та, 2020. — 128 с.

ISBN 978‑5‑7996‑3147‑5

В пособии представлен вводный материал в курс «Энергетические машины и установки». 
В издании изложены принципы действия наиболее распространенных на объектах топливно‑энергетического сектора энергетических машин и установок. Представлена их классификация и некоторые особенности проектирования и эксплуатации. Также кратко затронуты вопросы энергосбережения, экологии и перспектив развития энергетических машин 
и установок.
Учебное пособие предназначено для студентов, слушателей системы подготовки, переподготовки и повышения квалификации специалистов газотранспортных предприятий 
и энергетического комплекса.

Табл. 2. Рис. 36.

УДК 621.1.01(075.8)
ББК 31.16я73

Учебное издание

Блинов Виталий Леонидович

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И УСТАНОВКИ

Редактор И. В. Коршунова
Верстка О. П. Игнатьевой

Подписано в печать 08.12.2020. Формат 70×100/16. Бумага офсетная.  
Цифровая печать. Усл. печ. л. 10,3. Уч.‑изд. л. 7,22. Тираж 100 экз. Заказ 237.

Издательство Уральского университета
Редакционно‑издательский отдел ИПЦ УрФУ. 620049, Екатеринбург,  
ул. С. Ковалевской, 5. Тел.: +7 (343) 375‑48‑25, 375‑46‑85, 374‑19‑41. E‑mail: rio@urfu.ru

Отпечатано в Издательско‑полиграфическом центре УрФУ
620083, Екатеринбург, ул. Тургенева, 4. Тел.: +7 (343) 358‑93‑06, 350‑58‑20, 350‑90‑13
Факс: +7 (343) 358‑93‑06. http://print.urfu.ru

ISBN 978‑5‑7996‑3147‑5 
© Уральский федеральный
     университет, 2020

Оглавление

1. Введение в энергетические машины и установки ............................. 5

1.1. Энергетика и развитие общества ............................................. 5

1.1.1. Энергия ветра и воды ...................................................... 6
1.1.2. Паровая энергия ............................................................. 7
1.1.3. Электричество ................................................................. 8
1.1.4. Силовые двигатели ........................................................11
1.1.5. Атомная энергия ............................................................14
1.1.6. Возобновляемые источники энергии ...........................15

1.2. Топливно‑энергетические ресурсы ........................................17

1.2.1. Виды топлив ...................................................................17
1.2.2. Возобновляемые ресурсы ..............................................18

1.3. Классификация энергетических машин и установок ............19

1.3.1. Понятие энергетических машин и установок ..............19
1.3.2. Классификация двигателей ...........................................20

1.4. Современная энергетическая отрасль России .......................21

1.4.1. Структура энергетической отрасли ...............................22
1.4.2. Энергетический машины и установки в энергетике ....23

1.5. Современная газовая отрасль России ....................................26

1.5.1. Структура газовой отрасли ............................................26
1.5.2. Энергетические машины и установки в газовой 
           отрасли ...........................................................................27
Контрольные вопросы к главе 1 ....................................................29

2. Энергетические машины в топливно-энергетической 
      промышленности ............................................................................30

2.1. Лопаточные машины ..............................................................30

2.1.1. Классификация и особенности лопаточных машин ....30
2.1.2. Принципы действия лопаточных машин .....................32

2.2. Энергетические машины для повышения давления газов 
        (компрессоры).........................................................................36

2.2.1. Классификация компрессоров......................................36
2.2.2. Конструкция и принцип действия осевых 
            компрессоров ................................................................37
2.2.3. Параметры и эксплуатационные характеристики 
            осевых компрессоров ....................................................43

Оглавление

2.2.4. Конструкция и принцип действия центробежных 
            компрессоров ................................................................50
2.2.5. Параметры и эксплуатационные характеристики 
            центробежных компрессоров .......................................56

2.3. Энергетические машины для перекачивания жидкостей 
        (насосы) ...................................................................................63

2.3.1. Насосные установки ......................................................63
2.3.2. Принцип действия осевых и центробежных насосов ....65
2.3.3. Основные параметры и эксплуатационные 
            характеристики насосов ................................................68

2.4. Энергетические машины для получения механической 
        энергии (турбины) ..................................................................76

2.4.1. Газовые турбины ............................................................77
2.4.2. Паровые турбины ..........................................................80
2.4.3. Описание и принцип действия осевой турбины ..........81
2.4.4. Радиальные турбины .....................................................86
2.4.5. Гидротурбины ................................................................89
2.4.6. Ветротурбины ................................................................94
Контрольные вопросы к главе 2 ....................................................97

3. Энергетические установки в топливно-энергетической 
     промышленности .............................................................................98

3.1. Паротурбинные установки .....................................................98
3.2. Установки, работающие по органическому циклу 
        Ренкина .................................................................................103
3.3. Газотурбинные установки .....................................................106
3.4. Парогазовые установки.........................................................113
3.5. Установки в гидрои ветроэнергетике .................................115
3.6. Основные понятия энергосбережения и экологии..............117

3.6.1. Понятие энергосбережения ........................................117
3.6.2. Потенциал энергосбережения .....................................119
3.6.3. Энергосбережение на предприятии и в быту .............121
3.6.4. Экологические показатели ..........................................123
Контрольные вопросы к главе 3 ..................................................124

Список библиографических ссылок ...................................................126

1. Введение в энергетические машины 
и установки

С

овременный мир тяжело представить без электричества, тепла и различных механизмов, делающих нашу жизнь современной. Человечество на протяжении всей истории стремилось 
«приручить» энергию. С древних времен мы нуждаемся в дополнительной силе — двигателях, которые позволили бы людям эффективней (быстрее и продуктивнее, качественнее) заниматься земледелием, 
осваивать новые территории, строить дома и т. д., иными словами, выживать и делать жизнь безопасной и комфортной.
Энергия играет ключевую роль в формировании наших условий существования, поэтому производство и потребление энергии являются важными направлениями человеческой деятельности. В переводе 
с древнегреческого языка термин энергия означает силу, действие, деятельность, мощь. Энергия — это скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия 
материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие. 
Другими словами, энергия — это физическая величина, показывающая, какую работу может совершить тело (несколько тел). Количество 
энергии измеряется в джоулях (Дж).
В природе существуют разные виды энергии, например механическую, электрическую, магнитную, тепловую, химическую, ядерную 
(или атомную) и т. д. Каждая из них имеет свои особенности.
Большую часть энергии (в виде электромагнитных волн) всё существующее на Земле получает от Солнца.

1.1. Энергетика и развитие общества

Независимо от того, где люди находили энергию для поддержания 
своего общества и культуры, ясно, что человеческая жизнь всегда была 
во власти вековой потребности в энергии.

1. Введение в энергетические машины и установки

Человечество на протяжении всей истории стремилось «приручить» 
энергию. Долгое время люди полагались на химическую (калорийную) 
энергию, полученную из пищи, которая производит механическую 
(кинетическую) работу мышц. Поначалу использовалась своя мускульная сила, впоследствии — прирученных и одомашненных животных. 
Это была эра биоэнергетики. В процессе развития удалось преодолеть 
физические ограничения собственного тела, используя инструменты 
и осваивая энергию природы. Одной из первых была освоена энергия ветра. Человечество использовало паруса для лодок еще в третьем 
тысячелетии до новой эры (хотя ветряную мельницу с крыльями (лопастями) изобрели лишь в VII в. н. э.). Вскоре была освоена и энергия воды. Так люди стали искать территории для жилья, обладающие 
энергетическим преимуществом.

1.1.1. Энергия ветра и воды

Территория, которая обладала большими площадями водно‑энергетического потенциала, обладала преимуществом — возможностью 
использовать энергию перемещения воды. Вертикальное водяное колесо распространилось по всей Европе в течение нескольких сотен лет. 
Водяные мельницы обеспечивали энергией выделку кожи, производство ткани, помол зерна, распиловку дерева, плавку, формовку железа 
и выполняли множество иных промышленных процессов. В средние 
века мельницы устанавливались на лодках и мостах, и вместе с этим 
появляются плотины для аккумуляции энергии воды и направления 
ее по каналам на рабочие колеса. Производительность труда выросла, 
зависимость от человеческой и животной мышечной силы постепенно уменьшалась, а места с хорошими водно‑энергетическими ресурсами стали центрами экономической и промышленной деятельности 
человечества. В то же время освоение энергии ветра для движения 
крупных парусных судов позволило пересечь океан и открыть Америку. Водяное колесо дало мощный толчок развитию металлургии, и начиная с ХIII века оно становится устройством, характеризующим технический уровень энергетики вплоть до промышленного переворота 
в конце ХVIII столетия.
На Руси до середины XIV века основным источником механической 
энергии была мускульная сила людей и животных. Основным источни

1.1. Энергетика и развитие общества

ком тепла, помимо Солнца, являлись дрова из леса. Первое упоминание об использовании гидроэнергии в Москве относится к 1389 году. 
В завещании Великого князя Дмитрия Донского говорится о работе 
водяных мельниц на реках Яузе и Ходынке. В 1516 году на Руси появилась первая каменная плотина, которая была сооружена на речке 
Неглинной. В 1723 году по указу императора Петра I на берегах реки 
Исеть началось строительство крупнейшего в России железоделательного завода. Энергию для приведения в действие механизмов завода 
должна была обеспечить плотина, сооружение которой и стало началом 
строительства нового города. В настоящее время это место называется Историческим сквером. В результате сооружения плотины на реке 
Исеть образовался пруд, называющийся сейчас Городским прудом. Датой рождения города стал день 7 (18) ноября 1723 года, когда в цехах 
завода был осуществлен пробный пуск боевых молотов. В честь императрицы Екатерины I и покровительницы горных ремесел Святой Великомученицы Екатерины завод‑крепость нарекли Екатеринбургом. 
Плотины и по настоящее время используются для выполнения целого ряда задач, но сегодня — это огромные строения.

1.1.2. Паровая энергия

Современная эпоха началась с восемнадцатого века с внедрения паровой энергии. Изобретение универсального парового двигателя явилось вторым этапом промышленного переворота ХVIII века. На смену ранней гидроэнергетике пришла теплоэнергетика.
Развитие энергетики протекало во взаимосвязи с развитием машин 
и характеризовалось непрерывным нарастанием единичных мощностей энергетических установок. В 1782 году Джеймс Уатт получил английский патент на паровой двигатель с расширением, он также ввел 
первую единицу мощности — лошадиную силу (позднее его именем 
была названа другая единица мощности — ватт). Лучшие водяные и ветряные колеса средневековья достигали мощности 40–60 лошадиных 
сил (1 л. с. = 0,736 кВт). Паровая машина Уатта благодаря экономичности получила широкое распространение и сыграла огромную роль 
в переходе к машинному производству.
Взаимоотношения в областях добычи угля, железной промышленности и паросиловых установок привели к достижениям в области па

1. Введение в энергетические машины и установки

ровой техники. Человечество поняло, что сила пара преодолела географическую зависимость от энергии воды, что один паровой двигатель 
может работать на несколько заводов, в то время как водяные колеса 
были подвержены остановкам, вызванными засухой, наводнениями 
и замерзанием рек. Хотя энергия воды являлась доминирующим энергоносителем для производства на протяжении большей части девятнадцатого века, в итоге паровая энергия оказалась более гибкой и экономически эффективной. Вскоре паровые двигатели распространились 
на речных судах и железных дорогах.
Французский ученый Сади Карно в 1824 г. разработал основы теории паровых машин (циклы Карно). Он показал, что чем больше разность температур подводимого и отводимого тепла у теплоносителя, 
тем выше эффективность тепловой машины. Со времен Карно тепловые (паровые, газовые и др.) машины стали развиваться в направлении повышения параметров теплоносителя (температуры и давления). 
Этими вопросами занимались Стирлинг, Эриксон и др.
В результате использования парового двигателя установилась постоянная связь между ископаемыми энергетическими ресурсами и индустриализацией. Вначале в качестве топлива использовалось дерево, 
потом уголь. Позднее дефицит и высокая стоимость качественного 
угля в совокупности с открытием месторождений нефти привели к ее 
использованию в качестве топлива для паровых двигателей в течение 
первой половины двадцатого столетия.

1.1.3. Электричество

К концу XVIII века человечество начинает исследовать феномен 
электричества. В 1791 году итальянский анатом Луиджи Гальвани опубликовал труд «Трактат о силах электричества при мышечном движении». Это открытие через 121 год дало толчок исследованиям человеческого организма с помощью биоэлектрических токов (обнаружение 
больных органов при исследовании их электрических сигналов). Опыты Гальвани натолкнули профессора Тессинского университета Алессандро Вольта на изобретение нового источника электричества. Он 
создал прибор, способный за счет химической энергии производить 
электризацию тел (поддерживать в проводнике движение зарядов, 
то есть электрический ток). Изобретение было названо в честь Галь

1.1. Энергетика и развитие общества

вани гальваническим элементом, а электрический ток, получающийся от этого элемента, — гальваническим током. В 1802 году итальянский ученый Романьози обнаружил отклонение магнитной стрелки 
компаса под влиянием электрического тока, протекавшего по расположенному вблизи проводнику. Первым, кто правильно смог объяснить причину этого явления, был французский ученый Андре Мари 
Ампер. Оказалось, что ток способствует возникновению в проводнике магнитного поля. Одной из важнейших заслуг Ампера было то, что 
он впервые объединил два разобщенных ранее явления — электричество и магнетизм — одной теорией электромагнетизма. Воодушевленный этими открытиями английский ученый Майкл Фарадей предположил, что не только магнитное поле может воздействовать на магнит, 
но и наоборот — двигающийся магнит будет оказывать воздействие 
на проводник. Позже данное открытие послужило основой для создания трех главных устройств электротехники — электрического генератора, электрического трансформатора и электрического двигателя.
Важным этапом развития энергетики стала электрификация, являющаяся стержнем современной энергетической техники. У истоков 
освещения с помощью электричества стоял Василий Владимирович 
Петров, профессор Медико‑хирургической академии в Петербурге. 
Исследуя световые явления, вызываемые электрическим током, он 
в 1802 году сделал свое знаменитое открытие — электрическую дугу, 
сопровождающуюся появлением яркого свечения и высокой температуры. В 1876 году в России была сооружена первая электростанция 
на Сормовском машиностроительном заводе. Уже в апреле 1879 года 
впервые в России электрическими фонарями освещен объект — мост 
Александра II (сегодня это Литейный мост) в Санкт‑Петербурге. Первая в мире центральная станция была пущена в работу в 1882 году 
в Нью‑Йорке, она имела мощность 500 кВт. В Москве впервые электрическое освещение появилось в 1881 году, тогда зажглись первые 
100 электросветильников, из которых 24 освещали площадь у Храма 
Христа Спасителя. Первая стационарная городская электростанция 
на постоянном токе появилась в Москве в 1888 году. А еще в 1874 году 
русский инженер Федор Пироцкий предложил использовать в качестве 
проводника электрической энергии железнодорожные рельсы, позже 
такая система нашла развитие в виде современного метро.
Одной из ключевых технологических проблем в использовании 
энергии являлась ее передача. Производство электроэнергии с помо

1. Введение в энергетические машины и установки

щью первых батарей, затем на основе явления электромагнитной индукции, передача электроэнергии по медным проводам, и развитие 
электродвигателей в конечном счете произвели революцию в транспортировке энергии. К концу XIX века прямое подключение промышленных машин от водяных, ветряных мельниц и паровых двигателей 
через приводные валы и ремни уступило место электрическому приводу, получающему энергию по проводам, протянутым от удаленных 
гидроэлектростанций и паротурбинных установок. В результате структура заводов в ХХ веке кардинально изменилась, поскольку машины 
с электроприводом можно было установить где угодно. Электроэнергия вытеснила конные и паровые повозки троллейбусами, заменила 
газ и керосин для освещения, дрова и уголь в печах и обогревателях. 
Первоначальным стандартом для систем производства и распределения электроэнергии стала система Эдисона, основанная на постоянном токе. Но она не могла быть легко применена для передачи электроэнергии на большие расстояния (что возможно при использовании 
переменного тока). Осуществляя конкуренцию с компанией Эдисона в области электроэнергетики, компания Вестингауза использовала переменный ток, что сделало возможным развитие крупных генерирующих электростанций, расположенных на больших расстояниях 
от потребителей. А первым, кто изобрел прибор для измерения количества использованной электроэнергии (электрический счетчик), 
был Томас Эдисон.
Бурный рост электроэнергетики и теплоэнергетики в России начался в 20‑е годы XX столетия после принятия по предложению В. И. Ленина плана ГОЭЛРО (Государственной электрификации России). 
План был утвержден 22 декабря (ныне день энергетики) 1920 года 
на VIII Всероссийском съезде Советов. План ГОЭЛРО должен был 
быть реализован в течение десяти‑пятнадцати лет, а его результатом 
должно было стать создание крупного индустриального хозяйства, 
что имело огромное значение для экономического развития страны.
Самая первая тепловая электростанция, построенная по плану 
ГОЭЛРО в 1922 году, называлась «Уткина заводь» (в день пуска переименована в «Красный Октябрь» и так проработала до 2010 года, 
а сегодня — это Правобережная ТЭЦ ПАО «ТГК‑1»). Днем начала теплофикации в России можно считать 25 ноября 1924 года, когда заработал первый теплопровод, предназначенный для общего пользования 
в доме № 96 на набережной реки Фонтанки. Так, электростанция № 3, 

1.1. Энергетика и развитие общества

которую переоборудовали для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии, является первой в России теплоэлектроцентралью, а Ленинград (ныне Санкт‑Петербург) — пионером теплофикации.

1.1.4. Силовые двигатели

Дальнейшее развитие техники с появлением электрогенераторов 
переменного тока и наступлением века электричества выявило потребность в новых быстроходных двигателях. Паровые машины были 
универсальными двигателями, но постепенно проявлялись их недостатки: низкая экономичность (при этом еще и топливо постоянно 
дорожало), невозможность получения больших мощностей в одном 
агрегате (потребность в мощности быстро росла) и сравнительная тихоходность. Для решения этих недостатков появились паровые турбины, которые и сегодня являются основными двигателями современных электростанций.
Еще в XVIII веке теорией турбин занимался Д. Бернулли, который 
исследовал динамику различных потоков энергии. Во многих странах ученые, исследователи, механики предлагали различные варианты 
конструкций турбин (Б. Фурнейрон, Д. Френсис, А. Пельтон, К. Лаваль, Ч. Парсонс и др.).
Паровые машины и турбины требовали устройства, в котором 
была бы топка, котел, охлаждающий агрегат. Они выполняли свое 
назначение, однако были очень громоздки и неудобны в эксплуатации. Уже в конце XVII века появилась идея создания двигателя внутреннего сгорания (ДВС), в котором не нужен котел и топка, так как 
газообразное рабочее тело получает энергию от сжигания топлива внутри рабочего цилиндра. В основе первой попытки создания ДВС легла идея Х. Гюйгенса о пороховой машине, хотя она не была реализована из‑за отсутствия подходящего топлива. Бурное развитие добычи 
и переработки нефти в конце XIX и начале XX веков стало стимулом 
для создания этого вида двигателя, работающего на жидком топливе. 
Двигатели внутреннего сгорания стали незаменимыми для получения 
сравнительно небольших и средних мощностей при умеренной быстроходности. Еще во второй половине XIX века французский механик Э. Ленуар изобрел горизонтальный двигатель внутреннего сгора

1. Введение в энергетические машины и установки

ния двойного действия с КПД около 4 %. Менделеев Д. И. разработал 
теорию горения топлива, которая позволяла определить теплотворную 
способность топлив различного состава, выбрать оптимальные режимы горения и многое другое. Первый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания был построен немцем Николаусом Отто в 1876 году, 
затем он был усовершенствован русским инженером О. Костовичем. 
Этими же вопросами занимались немецкие изобретатели Г. Даймлер 
и К. Бенц (основатели концерна «Мерседес»). Первый дизель‑мотор 
(немецкого инженера Рудольфа Дизеля) был изготовлен в 1897 году, 
он содержал все основные элементы современного мотора и являлся 
самым экономичным из ДВС. Двигатели внутреннего сгорания стали использоваться в качестве силовых установок судов, тепловозов, 
электростанций постоянного тока и, конечно, автомобилей. Большое 
применение ДВС получили и в новой активно развивающейся отрасли — авиации.
С последующим развитием техники известные двигатели перестали 
удовлетворять новым потребностям, в первую очередь именно в авиации. Повышение требуемой мощности с ростом грузоподъемности 
и скорости самолетов бензиновыми поршневыми двигателями покрываться уже не могло. Установка на один самолет большего числа 
двигателей (до 8 штук) значительно усложняла и утяжеляла его, а легко воспламеняющийся бензин создавал опасность пожара. Выходом 
стал переход на газовые турбины, которые позволяют развивать большую удельную мощность, а их топливо было менее пожароопасным.
Так, в ХХ веке появились турбореактивный двигатель и газовая турбина. Начало развитию таких двигателей положил англичанин Д. Барбер еще в 1791 году, когда получил патент на тепловой двигатель, в котором продукты сгорания смеси воздуха и газа подавались на лопатки 
турбины. Первый работающий газотурбинный двигатель был сконструирован и испытан в 1897 году русским инженером‑изобретателем 
П. Д. Кузьминским, топливом для этого двигателя служил керосин.
Ученые и инженеры всего мира многие годы работали над созданием эффективной газовой турбины, но до середины пятидесятых годов XX века каких бы то ни было высоких результатов получено не было 
(как минимум для стационарных установок), хотя опыт и знания создания паровых турбин уже был. Это связано с двумя основными трудностями, преодолеть которые пытались долгие годы. Во‑первых, в отличие от двигателя внутреннего сгорания, в котором сжатие воздуха