Теплообменные аппараты и системы охлаждения газотурбинных и комбинированных установок

К 150-летию Научно-учебного комплекса 
«Энергомашиностроение»

Техническая физика  
и энергомашиностроение

Редакционный совет

А.А. Александров председатель, доктор технических наук
A.А. Жердев 
 
зам. председателя, доктор технических наук
B.Л. Бондаренко  
доктор технических наук
A.Ю. Вараксин 
 
доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН
К.Е. Демихов 
 
доктор технических наук
Ю.Г. Драгунов 
 
доктор технических наук, член-корреспондент РАН
B.И. Крылов 
 
кандидат технических наук
М.К. Марахтанов 
доктор технических наук
B.А. Марков 
 
доктор технических наук
C.Е. Семёнов 
 
кандидат технических наук
В.И. Хвесюк 
 
доктор технических наук
Д.А. Ягодников  
доктор технических наук

Теплообменные аппараты 
и системы охлаждения 
газотурбинных 
и комбинированных 
установок

Под общей pедакцией члена-корреспондента РАН А.Ю. Вараксина

3-е издание, переработанное и дополненное

В.Л. Иванов, Э.А. Манушин

УДК 621.4:536.27
ББК 31.36 
 
И20

Рецензенты:

д-р техн. наук, профессор А.В. Щукин; 
профессор кафедры «Теплотехника и автотракторные двигатели» Московского 
автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ), 
д-р техн. наук, профессор И.Е. Иванов

 
Иванов, В. Л.
И20  
Теплообменные аппаpаты и системы охлаждения газотуpбинных 
и комбиниpованных установок : учебник для вузов / В. Л. Иванов, 
Э. А. Манушин ; под общ. pед. чл.-корр. РАН А. Ю. Вараксина. — 
3-е изд., перераб. и доп. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2019. — 534, [2] c. : ил.

ISBN 978-5-7038-4813-5

Изложены основы pасчета и пpоектиpования теплообменных аппаpатов 
и сис тем охлаждения газовых туpбин как элементов газотуpбинного комплекса, 
все агpегаты котоpого влияют дpуг на дpуга, а их паpаметpы взаимосвязаны. 
Содержание учебника соответствует курсам лекций, читаемых авторами 
в МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
Для студентов высших учебных заведений энергомашиностроительных 
специальностей. Может быть полезен аспирантам, инженерам и научным работникам. 

УДК 621.4:536.27
ББК 31.36

ISBN 978-5-7038-4813-5

© Иванов В.Л., Манушин Э.А., 2019
© Оформление. Издательство 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019

Издание доступно в электронном виде по адресу 
ebooks.bmstu.ru/catalog/127/book1992.html

Фото на обложку предоставлено ООО «Сименс»

профессор кафедры «Теплотехника и энергетическое машиностроение»  
Казанского национального технического университета им. А.Н. Туполева (КАИ), 

Предисловие

Учебник с таким же названием, как у этого издания, уже выходил в 2003 г. в 
Издательстве МГТУ им. Н.Э. Баумана. Интерес к книге, проявленный многочисленными читателями, привел к тому, что в следующем, 2004 г., было 
выпущено 2-е стереотипное издание немалым для подобной литературы тиражом в 1000 экз., которое также быстро разошлось. При подготовке этого 
3-го издания авторы, чтобы сделать его не менее полезным, существенно обновили и дополнили материал.
Было принято во внимание, что в тенденциях развития отечественного 
энергомашиностроения в области проектирования и конструирования газотурбинных и комбинированных установок различного назначения за последние 10–15 лет произошли существенные изменения, которые необходимо отразить в учебной литературе. 
Изменения и новые тенденции в газотурбостроении связаны прежде всего с высокими темпами дальнейшего повышения основных параметров рабочих тел — начальной температуры продуктов сгорания перед газовой турбиной и степени повышения давления в компрессоре. Так, температура газа 
перед турбиной в четвертом поколении авиационных газотурбинных двигателей составляет 1600...1700 К, в двигателях пятого поколения — 1800...1900 К. 
В перспективе температура газа достигнет 2000 К и даже может превысить это 
значение. 
Огромный интерес по сравнению с современными вызывают термодинамически более совершенные газотурбинные энергоустановки с промежуточным охлаждением при сжатии и регенерацией теплоты уходящих газов. 
Для пилотируемых полетов на Марс, создания лунной базы, более «плотного» освоения околоземного космического пространства требуются мощные бортовые энергоустановки, работающие на ядерной и (или) солнечной 
энергии. При этом одной из фундаментальных проблем является создание 
холодильника-излучателя для отвода огромных тепловых потоков в космическое пространство.
Для обеспечения высокой надежности теплотехнического оборудования 
в течение длительного времени при предельно высоких температурах и нагрузках постоянно совершенствуются методы тепловой защиты элементов 
высокотемпературного тракта энергоустановок. 
Значительно расширилось разнообразие комбинированных газотурбинных и паротурбинных установок. Получили новое развитие газопаровые установки с внутрицикловой газификацией твердого топлива, способные решать 

Нашему Учителю — основателю кафедры «Газовые турбины» 
выдающемуся турбинисту Вл.В. Уварову, а также 150-летию 
Научно-учебного комплекса «Энергомашиностроение» 
МГТУ им. Н.Э. Баумана посвящается

топливно-экологическую проблему ближайшего будущего. Наземные и космические солнечные энергоустановки, ветроэнергетические установки и их 
сочетания с газотурбинными и паротурбинными установками значительно 
расширяют номенклатуру теплообменной аппаратуры, использующей высокоэффективные поверхности теплообмена и модульные конструкции.
Прогрессу в создании эффективных газотурбинных и комбинированных установок во многом способствуют достижения в металлургии и создании уникальных технологических процессов, позволяющих на уровне инженерного искусства реализовать высокие параметры и конструкторские 
решения при создании теплообменных аппаратов и систем тепловой защиты 
газовых турбин.
Разработаны новые научные методы исследования и расчета процессов 
теплообмена и термопрочности наиболее нагретых и нагруженных деталей и 
узлов газотурбинных двигателей. Развиваются новые научные направления, 
к которым можно отнести оптимальное проектирование с применением математических моделей объектов турбоустановки, входящих в общую задачу 
оптимизации.
В практике решения многих задач теплообмена, включающих расчет 
стационарных и нестационарных тепловых полей, задач газовой динамики, 
прочности конструкций, оптимизации обобщенных показателей процессов, 
применяются мощные программные комплексы, используемые не только 
специалистами предприятий, но и студентами старших курсов. За последний 
период появилось множество новых отечественных и зарубежных разработок 
теплообменных аппаратов и систем тепловой защиты, анализ которых является важной частью учебного процесса.
В данном учебнике в той или иной мере отражены указанные достижения, а также показаны возможности решения ряда упомянутых проблем. 
Основу издания составляют материалы читаемых авторами на протяжении 
многих лет курсов лекций по теплообменным аппаратам и системам охлаждения. Научную базу этих курсов составляют методы термодинамики, теории 
тепломассообмена, газовой динамики лопаточных машин, теории пограничного слоя и ряда специальных курсов. Одной из целей написания книги было 
стремление авторов дать расширенный по сравнению с предыдущими изданиями комп лекс знаний для самостоятельной творческой работы в области 
проектирования теплообменных аппаратов и систем охлаждения газотурбинных стационарных, транспортных, авиационных и аэрокосмических энергетических установок.
В книге отражены результаты собственных научных работ авторов, а также их коллег по кафедре «Газотурбинные и нетрадиционные энергоустановки» МГТУ им. Н.Э. Баумана, в первую очередь профессоров В.В. Уварова, 
Н.Д. Грязнова, В.М. Епифанова, М.И. Осипова.
Как и предыдущие издания, данный учебник опирается на общие научные 
основы, но в соответствии с логикой построения учебных курсов состоит из 
двух самостоятельных разделов. Вопросы теории, расчета и проектирования 

Предисловие

теплообменных аппаратов газотурбинных и комбинированных установок изложены в первом разделе, а аналогичные вопросы разработки систем охлаждения — во втором. При работе над рукописью авторы исходили из того, что 
книга предназначена не толь ко для изучения соответствующих дисциплин, 
но и для широкого использования при курсовом и дипломном проектировании. Традиционно научная школа МГТУ им. Н.Э. Баумана не столько учит 
тому, как и для чего создан объект, как он сконструирован и рассчитан, насколько технологичен, сколько — и это главное — готовит создателей объектов будущего, которые еще зреют и рождаются в умах инженеров-мыслителей. 
По сравнению с предыдущим изданием в книге более полно рассмотренны проектирование теплообменных аппаратов на тепловых трубах, радиационный теплообмен в элементах тепловой защиты, расчет и проектирование 
радиационных теплообменников отвода теплоты в космическое пространство от энергетических и других систем космических летательных аппаратов. 
Подробнее показаны современная физико-математическая модель внешнего 
теплообмена на поверхности охлаждаемых лопаток турбины, расчет теплообмена в замкнутых полостях турбин, метод экспериментального исследования 
теплообмена, сопутствующие разработке и проектированию систем тепловой 
защиты элементов высокотемпературного тракта газовых турбин. В связи с 
актуальностью проблемы и недостаточным вниманием к ней в учебной литературе в отдельной главе приведен расчет теплового состояния жаровых труб 
камер сгорания.
В связи с внесением новых сведений и ограниченным объемом учебника 
некоторые материалы предыдущего издания, не столь актуальные для учебного процесса, были изъяты или сокращены.
Введение к учебнику написано В.Л. Ивановым. Автор первого раз- 
дела — В.Л. Иванов, автор второго раздела — Э.А. Манушин. 

Предисловие

Условные обозначения

a — 

b — 
Bi = 
c — 
cp — 

D, d —
E — 

Eu = 
F,  f — 
G — 
Gv — 
Gr = gl3βDT / n2 — 
g — 
H — 
h — 
K —
Kv — 
k — 

kV — 
L — 
l — 
M — 
m — 

N — 
Nu = al / l —
n — 
P — 
p — 
Pr = mcp / l —
Q — 
q — 

R — 
Re = cl / n —
r — 
s — 
St = Nu / RePr = a / (crcp) —

скорость звука, м/с; коэффициент температуропроводности, м2/с
ширина; хорда профиля лопатки, м
al / lс — число Био
абсолютная скорость, м/с
удельная массовая теплоемкость при постоянном давлении, 
Дж/(кг ⋅ K) 
диаметр, м
энергия, Дж; модуль упругости, МПа; энеpгетический 
коэффициент
Dp / (rc2) — число Эйлера
площадь, м2

массовый расход, кг/с
объемный расход, м3/с
число Грасгофа
гравитационное ускорение, м/с2; относительный pасход
энтальпия, Дж/кг; теплоперепад, Дж/кг
высота, м
коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 ⋅ K) 
кинематический фактор;
коэффициент запаса прочности; турбулентная кинетическая энергия
коэффициент компактности поверхности теплообмена, м-1

работа, Дж
длина, м; масштаб турбулентности
число Маха
масса, кг; показатель степени; число рядов труб; коэффициент
мощность, Вт; число атомов
 число Нуссельта
частота вращения, мин-1

сила, Н
давление, Па
число Прандтля
количество теплоты, Дж; тепловой поток, Вт
удельный тепловой поток, плотность теплового потока, 
Вт/м2

газовая постоянная, Дж/(кг ⋅ K); радиус, м
число Рейнольдса
радиус, м; коэффициент восстановления
зазор, ширина, м; удельная энтропия, Дж/(кг ⋅ K)
число Стэнтона

Условные обозначения

T — 
Tr — 
Tc — 

t — 
Tu — 
U — 

u — 

ux, uy, uz — 
V — 
v — 
W — 
w — 
x, y, z — 
z — 

a — 
β — 

d — 
d* — 
e — 
z — 

h — 
q — 
k — 
l — 
m — 
n = m/r —

x — 

p — 

r — 
s — 

t — 

y = Tс / Tг —
w — 
Dр–* — 
D — 

температура, K
температура восстановления, K
температура стенки (лопатки, корпуса и т. п.); максимально допустимая температура металла, K
время, с; шаг (лопаток, гребней в уплотнениях), м
степень турбулентности потока
внутренняя энергия, Дж; потенциал, В; периметр поперечного сечения, м
удельная энергия, Дж/кг; окружная скорость, м/с; сpеднемассовая скоpость, м/с; смоченный периметр, м
пpоекции скоpости, м/с
объем, м3

удельный объем, м3/кг
водяной эквивалент, Вт/K
скорость, м/с
декаpтовы кооpдинаты
число элементов (лопаток, ступеней, гребней в уплотнении) 
коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 ⋅ K); угол, град
температурный коэффициент объемного расширения, 
1/K; угол, град
толщина, зазор, мм
толщина вытеснения
коэффициент сохранения давления; эффективность теплообменного аппарата
закрутка потока; гидравлическое сопротивление
коэффициент полезного действия (КПД); эффективность; коэффициент фронтового сечения
степень охлаждения; относительная глубина охлаждения
показатель адиабаты
коэффициент теплопроводности, Вт/(м ⋅ K)
коэффициент динамической вязкости, Па ⋅ с, Н ⋅ с/м2

коэффициент кинематической вязкости, м2/с
коэффициент потерь на трение; коэффициент потерь 
давления
степень повышения (понижения) давления; степень расширения
плотность, кг/м3

степень нагрева (степень регенерации); коэффициент 
сохранения полного давления; механическое напряжение, Па; относительная толщина; поверхностное натяжение
касательное напряжение, Па; степень pеактивности ступени туpбины; коэффициент
температурный фактор
угловая скорость, рад/с
относительные потери полного давления
разность, приращение

Принятые сокpащения

ВТГР —высокотемпературный газоохлаждаемый реактор 
ГТД —газотурбинный двигатель 
ГТУ —газотурбинная установка 
ЗГТУ — замкнутая газотурбинная установ ка 
КВД —компрессор высокого давления 
КНД — компрессор низкого давления 
КО —концевой охладитель 
КПД —коэффициент полезного действия 
МГДГ —магнитогидpодинамический генеpатоp 
ПО —промежуточный охладитель 
ПГУ —парогазовая установка
СПО —составные проницаемые оболочки
ТВД —турбина высокого давления 
ТНД —турбина низкого давления 
ВВЭХУ —ветровакуумная энергохолодильная установка
ВИАМ —Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных 
материалов
ВТИ —Всесоюзный теплотехнический институт (ныне ОАО «ВТИ» — Открытое акционерное общество «Всероссийский дважды ордена Тру- 
дового Красного Знамени теплотехнический научно-исследовательский институт»)
КАИ —Казанский авиационный институт им. А.Н. Туполева (ныне КНИТУ — 
КАИ им. А.Н. Туполева — Казанский национальный технический 
унивеpситет им. А.Н. Тупо лева) 
МАИ —Московский авиационный институт
МАТИ —Российский государственный технологический университет имени 
К.Э. Циолковского
МГТУ (МВТУ) —Московский государственный технический университет имени 
Н.Э. Баумана
НМЗ —Невский машино стpоительный завод (ныне ЗАО «Невский завод») 
НАМИ —Науч но-пpоизводственное объединение «Центpальный научно-исследовательский автомобильный и тpактоpный институт» 
СПб ГТУ (ЛПИ) — Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (бывший Ленинградский политехнический институт имени 
М.И. Калинина)
ЦИАМ —Центpальный институт авиационного мотоpостpоения имени 
П.И. Баранова
ЦКТИ —Центpальный котлотуp бинный институт им. И.И. Ползунова (ныне Научно-пpоизводственное объединение «Центpальный котло- 
туpбинный институт им. И.И. Ползунова») 
ИТТФ —Институт технической теплофизики национальной Академии наук 
Укpаины 
ХТГЗ —Хаpьковский туpбогене pатоp ный завод (ныне «ОАО» Хаpь ковский 
туpбинный завод) 
ХТУ —Хаpьковский технический унивеpситет (ныне Национальный технический университет — «Хаpьковский политехнический институт»)