Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок

К 150-летию Научно-учебного комплекса
«Энергомашиностроение»

Техническая физика
и энергомашиностроение

Редакционный совет

А.А. Александров (председатель), д-р техн. наук
A.А. Жердев (зам. председателя), д-р техн. наук
B.Л. Бондаренко, д-р техн. наук
A.Ю. Вараксин, д-р физ.-мат. наук, член-корреспондент РАН
К.Е. Демихов, д-р техн. наук
Ю.Г. Драгунов, д-р техн. наук, член-корреспондент РАН 
B.И. Крылов, канд. техн. наук
М.К. Марахтанов, д-р техн. наук
В.А. Марков, д-р техн. наук
C.Е. Семёнов, канд. техн. наук
В.И. Хвесюк, д-р техн. наук
Д.А. Ягодников, д-р техн. наук

Теория и проектирование
газотурбинных
и комбинированных установок

Учебник для студентов 
энергетических и авиационных вузов

Под общей редакцией A.Ю. Вараксина

4-е издание, исправленное

УДК 621.438(075.8)
ББК 31.363
 
Т 33

Рекомендовано Редакционно-издательским советом МГТУ им. Н.Э. Баумана 
в качестве учебника для студентов энергетических и авиационных вузов

Рецензенты:
заведующий кафедрой паровых и газовых турбин  
Московского энергетического института (технического университета),  
д-р техн. наук, профессор  В.Г. Грибин;
начальник отдела Центрального института авиационного  

моторостроения им. П.И. Баранова, д-р техн. наук, профессор  В.И. Гуров

Авторы:

А.Н. Арбеков, А.Ю. Вараксин, В.Л. Иванов, Э.А. Манушин, В.Е. Михальцев, 

В.Д. Моляков, М.И. Осипов, И.Г. Суровцев, Н.И. Троицкий

Т 33

  
Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных 
установок : учебник для вузов / [А. Н. Арбеков и др.] ; под общ. ред. 
А. Ю. Вараксина. — 4-е изд., испр. — Москва : Издатель ство МГТУ 
им. Н.Э. Баумана, 2017. — 678, [2] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-4755-8
Рассмотрена термодинамическая эффективность газотурбинных и комбинированных установок. Изложены основы проектирования стационарных, 
транспортных газотурбинных и комбинированных установок, газотурбинных 
установок на нетрадиционных источниках энергии (солнечных, ветровых). 
Даны примеры проектирования основных элементов авиационных газотурбинных двигателей. Рассмотрены современные тенденции развития стационарных 
и транспортных газотурбинных установок и газотурбинных двигателей, сформулированы технико-экономические требования, необходимые при проектировании установок различных типов.
В третьем издании (1-е — 1977 г., второе — 2000 г.) значительно расширен 

раздел по парогазовым установкам и установкам с возобновляемыми источниками энергии, добавлен материал по теории и проектированию авиационных 
двигателей и их применению в энергетических и транспортных установках, 
а также использованию в газотурбинных установках вторичных энергоресурсов. Сокращен материал по комбинированным установкам с магнитогидродинамическими генераторами и уменьшен объем материала по установкам периодического сгорания. В четвертое издание внесены исправления.
Содержание учебника соответствует курсам лекций, которые авторы чи
тают в МГТУ им. Н.Э. Баумана студентам, обучающимся по специальности 
«Проектирование авиационных и ракетных двигателей».
Для студентов энергетических и авиационных вузов, а также инженерно-технических работников, занимающихся проектированием стационарных, 
транспортных и авиационных двигателей и установок.

УДК 621.438(075.8)
ББК 31.363

 
© Оформление. Издательство 

ISBN 978-5-7038-4755-8 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017

Предисловие председателя редакционного совета  
к третьему изданию

Темп технического прогресса напрямую зависит от совершенствования 
энергетических машин — устройств, преобразующих одни виды энергии 
в другие, приводящих в движение различные транспортные средства, создающих условия для осуществления сложнейших технологических процессов.
Бурное развитие техники способствовало появлению в рамках уже 
сформировавшихся научных школ новых направлений по разработке и исследованию двигателей и энергоустановок, причем многое делалось впервые не только в нашей стране, но и в мире. Еще в 1920-х годах по предложению профессора Н.Р. Брилинга в Училище начали проводить теоретические 
и экспериментальные исследования газовых турбин. Была организована 
лаборатория, где работали молодые преподаватели, в том числе будущий 
основатель отечественной научной школы газотурбостроения Владимир 
Васильевич Уваров.

Заслуженный деятель науки и техники РСФСР профессор В.В. Уваров, 

выдающийся конструктор, создатель первого в мире высокотемпературного турбовинтового авиационного двигателя, инициатор развития нового направления в энергетике — газотурбинных двигателей, газотурбинных и комбинированных установок, возглавил основанную в МВТУ им. Н.Э. Баумана 
 кафедру газовых турбин  в 1949 году. Создание первого отечественного опытного турбовинтового двигателя определило характер дальнейших исследований в этом направлении, проводимых под руководством В.В. Уварова в стенах МВТУ. Это были фундаментальные исследования, результатами которых, 
как правило, становились эскизные и технические проекты. Так например, 
в 1950-х годах на кафедре была проведена большая работа по исследованию 
параметров локомотивного газотурбинного двигателя. Созданные под руководством главного конструктора Коломенского паровозостроительного завода 
Л.С. Лебедянского три газотурбовоза более 10 лет успешно эксплуатировались на железных дорогах страны.

В конце 1950-х годов В.В. Уваров предложил новый термодинамический цикл газотурбинной установки, позволяющий при относительно низкой температуре газа получить высокий КПД без использования регенерации 
тепла. Цикл, который профессор В.В. Уваров назвал изотермоадиабатным, 
заслуживает быть названным его именем, т. е. циклом Уварова. Такой цикл 
позволяет создать энергетическую газотурбинную установку по мощности 
и экономичности не уступающую  паровой турбине. Следующим перспективным направлением в развитии газотурбинных установок, намеченным 
В.В. Уваровым в 1970-х годах, была разработка газотурбинных установок 
 замкнутого цикла применительно к космическим станциям и некоторым другим областям техники.
Научная школа газотурбостроения сегодня является одной из основных 

научных школ МГТУ им. Н.Э. Баумана. Более половины всех отечественных 

специалистов по газовым турбинам могут считаться учениками профессора 
В.В. Уварова или учениками его учеников.
Настоящий учебник является третьим изданием книги (первое издание 
вышло в 1977 г.) и содержит общие теоретические основы проектирования газотурбинных и комбинированных установок. В нем представлены особенности выбора схем и параметров установок для их применения в энергетике, на 
наземном, водном или воздушном транспорте, в космосе. В учебнике использованы материалы научных исследований учеников В.В. Уварова, обобщены 
опубликованные данные отечественных и зарубежных конструкторов.
Задача учебника состоит в изложении и обосновании методики, рекомендуемой учеными и преподавателями МГТУ им. Н.Э. Баумана при проектировании новых и сравнительном анализе существующих газотурбинных установок различного назначения.

Ректор МГТУ им. Н. Э. Баумана 
профессор                                                                                    А. А. Александров
профессор                                                                                    А. А. Александров

Предисловие председателя редакционного совета к третьему изданию

Предисловие

Материал данного учебника соответствует программам подготовки специалистов по направлениям «Проектирование энергетических установок наземного применения на базе авиационных двигателей» и «Проектирование 
авиационных двигателей и энергетических установок», относящимся к специальности «Проектирование авиационных и ракетных двигателей» (квалификация — инженер), а также магистров по программе «Газотурбиностроение», 
входящей в направление подготовки «Двигатели летательных аппаратов». 
В эти программы входят учебные дисциплины, преподаваемые в МГТУ 
им. Н.Э. Баумана: «Теория газотурбинных и комбинированных установок», 
«Проектирование стационарных газотурбинных установок», «Энергетические 
машины и установки», «Парогазовые установки», «Основы проектирования 
воздушно-реактивных двигателей», «Технико-экономическое обоснование 
проектирования». Материалы лекционных курсов перечисленных дисциплин 
составляют содержание данного учебника.
В первом разделе учебника представлены основы теории газотурбинных 

(ГТУ) и комбинированных (КУ), в основном — парогазовых (ПГУ) устаи комбинированных (КУ), в основном — парогазовых (ПГУ) уста) установок с подводом теплоты при постоянном давлении ( p = const). Изложена 
теория ГТУ, работающих по простому открытому термодинамическому циклу, приведен расчет параметров идеального и реального циклов, 
процессов сжатия, сгорания и расширения. Рассмотрены методы повышения 
топливной эффективности установок вследствие усложнения цикла за счет 
регенерации теплоты, промежуточного охлаждения воздуха в процессе сжатия 
в компрессорах и промежуточного подогрева при расширении в турбинах 
в различных сочетаниях. Изложены особенности расчета параметров цикла 
при проектировании авиационных воздушно-реактивных двигателей (ВРД)
разных типов. Представлены основы расчета параметров циклов замкнутых 
и полузамкнутых ГТУ на различных рабочих телах. Приведены основы теории 
и расчета комбинированных установок — парогазовых, газопаровых, установок 
с ГТУ и магнитогидродинамическими генераторами (МГД-генераторами).
Второй раздел посвящен теории и расчету ГТУ периодического сгорания — 
вопросам, редко рассматриваемым в литературе, достаточно оригинальным 
и сложным. Проблемы создания таких ГТУ и газотурбинных двигателей (ГТД) 
изучались на кафедре МГТУ (МВТУ) многие годы, результаты исследований 
доведены до разработки методик расчета, которые изложены в учебнике.
В третьем разделе изложены основы проектирования стационарных 

установок и двигателей; в четвертом разделе — транспортных (включая авиа; в четвертом разделе — транспортных (включая авиав четвертом разделе — транспортных (включая авиа — транспортных (включая авиа
ционные ГТД). Дан подход к выбору принципиальных схем и параметров ста ГТД). Дан подход к выбору принципиальных схем и параметров ста). Дан подход к выбору принципиальных схем и параметров стационарных (энергетических и приводных) и транспортных (судовых, локомотивных, автомобильных) ГТУ и комбинированных установок, а также типов 
основных узлов этих установок. Рассмотрены примеры проектирования основных узлов авиационных ВРД разных типов и целесообразность их использования при разработке перспективных стационарных ГТУ и транспортных 

ГТД. Представлены подходы к проектированию, целесообразные схемы и параметры энергетических турбинных установок на нетрадиционных источниках энергии. На основе теории ГТУ периодического сгорания, приведенной 
во втором разделе, изложены основы проектирования газотурбинных двигателей периодического сгорания для различных областей техники. Уделено 
внимание экономическому обоснованию принимаемых технических решений и определению критерия эффективности ГТУ и ГТД в различных сферах 
экономики страны.

Авторы первого раздела — В.Е. Михальцев (гл. 1 и 2 (за исключе
нием 1.3 и 2.4), а также 5.1), В.Д. Моляков (гл. 3), И.Г. Суровцев (1.3, 
2.4, гл. 4, 5.2) и М.И. Осипов (5.3); второго раздела — В.Е. Михальцев 
и В.Д. Моляков; Э.А. Манушиным написаны предисловие, введение (совместно с В.Е. Михальцевым) и третий раздел (9.4 — совместно с В.Л. Ивановым; 
9.8 и 9.9 — И.Г. Суровцевым; 9.10 — совместно с М.И. Осиповым; 11.3 
и 11.6 — совместно с Н.И. Троицким; 11.7 — совместно с А.Н. Арбековым; 
В.Д. Моляковым — гл. 13).

Общее редактирование книги выполнено А.Ю. Вараксиным.

Предисловие

Условные обозначения и сокращения

А 
— площадь сечения, поверхности, м2

а 
— скорость звука, м/с; температуропроводность, м2/с; наименьшая шири
 
 
на канала в решетке, м 

В 
— магнитная индукция, Тл 

B 
— хорда лопатки, м 

C 
— абсолютная скорость, м/с 

cр 
— удельная теплоемкость при постоянном давлении, кДж/(кг·К)
cv 
— удельная теплоемкость при постоянном объеме, кДж/(кг·К)
ce 
— удельный расход топлива, кг/(кВт·ч)
cR 
— удельный расход топлива, кг/(Н·ч)

D 
— диаметр, м

d 
— характерный размер, м

E 
— модуль упругости, МПа;

 
 
напряженность электрического поля, В/м

G 
— массовый расход, кг/с;

 
 
масса, кг

g 
— относительный расход; ускорение свободного падения, 9,81 м/с2

H 
— адиабатный теплоперепад, кДж/кг; 

 
 
напряженность магнитного поля, А/м 

h 
— удельная энтальпия, кДж/кг

I 
— момент инерции, кг·м2

α 
— угол наклона абсолютной скорости, град;

 
 
коэффициент линейного расширения, К–1;

 
 
коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К);

 
 
коэффициент избытка воздуха

β 
— угол наклона относительной скорости, град;

 
 
скорость тепловыделения, кВт

βe 
— параметр Холла

γ 
— угол, град;

 
 
удельная масса

δ 
— зазор, м

υ 
— отношение температур

ϛ 
— коэффициент потери энергии 

η 
— КПД;

 
 
динамическая вязкость, Па·с

λ 
— параметр скорости (приведенная скорость);

 
 
теплопроводность, Вт/(м·К);

k 
— показатель адиабаты;

 
 
коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К)

L 
— удельная работа, кДж/кг;

 
 
длина, м

l0 
— теоретически необходимое относительное количество воздуха

l 
— длина лопатки, м 

M 
— момент, Н·м

М 
— число Маха

N 
— мощность, кВт

n 
— частота вращения, мин–1;

 
 
запас прочности

P 
— сила, Н

p 
— давление, Па

Q 
— удельная теплота, кДж/кг 

Q н

р 
— низшая теплота сгорания, кДж/кг

R, Rμ — газовая постоянная, универсальная газовая постоянная, Дж/(кг·К)
r 
— радиус, м

s 
— удельная энтропия, Дж/(кг·К)

T 
— абсолютная температура, К

t 
— шаг решетки, м

и 
— удельная внутренняя энергия, кДж/кг;

 
 
окружная скорость, м/с

V 
— объем, м3

v 
— удельный объем, м3/кг

w 
— относительная скорость, м/с

х, у — координаты, м
z 
— время, с;

 
 
число камер, ступеней, лопаток;

 
 
координата, м

μ 
— относительная молекулярная масса

ν 
— кинематическая вязкость, м2/с;

 
 
частота колебаний, с–1

π 
—
 
степень повышения (понижения) давления

ρ 
— плотность, кг/м3;

 
 
степень реактивности

σ 
— коэффициент давления; нормальное напряжение, МПа;

 
 
степень регенерации;

 
 
электрическая проводимость (Ом·м)–1

τ 
— касательное напряжение, МПа

φ 
— коэффициент скорости сопл;

 
 
угол, град

ψ 
— коэффициент скорости рабочих лопаток 

ω 
— угловая скорость, рад/с

Условные обозначения и сокращения