Конструкция судовых турбомашин

КОНСТРУКЦИЯ СУДОВЫХ 
ТУРБОМАШИН

В.В. КУЗНЕЦОВ
Е.В. ПОЛЬСКИЙ

Москва
ИНФРА-М
2023

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Рекомендовано экспертным советом ЧВВМУ имени П.С. Нахимова 
в качестве учебного пособия по дисциплине «Судовые турбомашины» 
для студентов специальности 26.05.06 «Эксплуатация 
судовых энергетических установок»

УДК 629.5.03(075.8)
ББК 39.45я73
 
К89

Кузнецов В.В.

К89  
Конструкция судовых турбомашин : учебное пособие / В.В. Кузне
цов, Е.В. Польский. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 154 с. — (Военное 
образование).

ISBN 978-5-16-017931-5 (print)
ISBN 978-5-16-110942-7 (online)

В учебном пособии рассмотрены основы конструкции судовых турбо
машин. Основное внимание уделено классическим конструктивным решениям и новейшим достижениям мирового судового турбостроения.

Соответствует требованиям федеральных государственных стандартов 

высшего образования последнего поколения.

Предназначено для студентов и курсантов ЧВВМУ имени П.С. Нахи
мова по специальности «Эксплуатация судовых энергетических установок» при изучении дисциплин «Судовые турбомашины», «Эксплуатация 
судовых турбинных установок», а также для подготовки курсового и дипломного проектирования.

УДК 629.5.03(075.8)

ББК 39.45я73

Р е ц е н з е н т ы:

А.Л. Кирюхин, доктор технических наук, профессор, профессор 

кафедры эксплуатации судовых энергетических установок ЧВВМУ 
им. П.С. Нахимова;

И.И. Свириденко, кандидат технических наук, доцент, доцент ка
федры энергоустановок морских судов и сооружений Севастопольского государственного университета

ISBN 978-5-16-017931-5 (print)
ISBN 978-5-16-110942-7 (online)

© Кузнецов В.В., Польский Е.В., 

2023

© ЧВВМУ имени П.С.  Нахимова, 

2023

Принятые сокращения

БЛД — безлопаточный диффузор
В — водило редуктора
ВВ — выходной вал
ВД — вал двигателя
ВНА — входной направляющий аппарат
ВНА — вращающийся направляющий аппарат компрессора
ВПУ — валоповоротное устройство
ВЭЖ — вспомогательный эжектор
ГТ — газовая турбина
ГТН — газотурбонагнетатель
ГТД — газотурбинный двигатель
ГТУ — газотурбинная установка
ГТГ — газотурбогенератор
ГУП — главный упорный подшипник
ДВС — двигатель внутреннего сгорания
ЗИМ — звукоизолирующая эластичная муфта
ЗП — зубчатая передача
ЗХ — задний ход
КДГТУ — комбинированная дизель-газотурбинная установка
КПГТУ — комбинированная парогазотурбинная установка
КГГТУ — комбинированная газо-газотурбинная установка
КВД — компрессор высокого давления
КНД — компрессор низкого давления
КС — камера сгорания
ЛД — лопаточный диффузор
МО — машинное отделение
МСТ — многоступенчатая турбина
НВ — направляющий венец
НЛ — направляющие лопатки
ННА — неподвижный направляющий аппарат

Принятые сокращения

ОК — осевой компрессор
ПНА — промежуточный направляющий аппарат
ППУ — паропроизводящая установка
ПТУ — паротурбинная установка
ПХ — передний ход
РК — рабочее колесо
РЛ — рабочие лопатки
СА — сопловый аппарат
СЭУ — судовая энергетическая установка
СШ — солнечная шестерня
Т — тормоз
ТБзх — тормозной барабан заднего хода
ТБпх — тормозной барабан переднего хода
ТВД — турбина высокого давления
ТВ — турбина винта
ТЗХ — турбина заднего хода
ТКВД — турбокомпрессорный блок высокого давления
ТКНД — турбокомпрессорный блок низкого давления
ТНД — турбина низкого давления
ТПХ — турбина переднего хода
ТС — турбинная ступень
УК — утилизационный котел
ЦК — центробежный компрессор
Э — эпицикл

Условные обозначения
с0 — абсолютная скорость газа на входе в ступень
с1 — абсолютная скорость газа на выходе из направляющего 
венца
с2 — абсолютная скорость газа на выходе из ступени
Dср — средний диаметр ступени
dэ — диаметр эпицикла
dсш — диаметр солнечной шестерни
i — передаточное число редуктора
F1 — площадь проходного сечения направляющего венца

Принятые сокращения

Gг — расход газа, кг/с
l — высота (длина) лопатки
р0 — давление газа перед ступенью
s — диаметральный зазор
Т0 — температура газа перед ступенью, К
t — температура, °C
α — коэффициент избытка воздуха
ρ — степень реактивности
πк — степень повышения давления в компрессоре

Введение

Турбомашина — ротативная машина динамического действия. Рабочий процесс в турбомашинах происходит в результате движения потока рабочего тела через системы неподвижных каналов и межлопаточных каналов вращающихся 
колес, поэтому турбомашины иногда называют лопаточными 
машинами. Особенности лопаточных машин — стационарность рабочего процесса, большие скорости движения рабочего тела. Современные турбомашины имеют высокий коэффициент полезного действия (КПД).
Турбомашины служат для преобразования тепловой (потенциальной) энергии рабочего тела (жидкости или газа) 
в механическую мощность на валу машины (турбины) либо 
наоборот — для превращения крутящего момента внешнего 
двигателя в кинетическую и потенциальную энергию рабочего тела. Во втором случае лопаточная машина называется 
насосом, или водяным гребным винтом (в случае жидкого рабочего тела), либо компрессором, вентилятором, воздушным 
винтом (в случае, если рабочее тело — газ).
Как следует из названия, лопаточная машина состоит 
из лопастных элемен тов (лопаток, лопастей), закрепленных 
в корпусе и на валу. Каждая лопатка представляет собой аэродинамический профиль. Преобразование энергии происходит 
в результате обтекания рабочим телом лопатки.
Паровые и газовые турбины, установленные на судне, 
делятся на главные, работающие на гребной вал, и вспомогательные, приводящие в действие какой-либо вспомогательный механизм (насос, вентилятор, электрогенератор 
и т.д.). Главные паротурбинные установки (ПТУ) выполняют 
в виде сложных агрегатов, состоящих из двух-трех корпусов 
турбин переднего хода (ТПХ): высокого давления (ТВД), 
низкого давления (ТНД), а также турбин заднего хода (ТЗХ). 

Введение

Последние устанавливают для обеспечения маневрирования 
судна и располагают в отдельных корпусах или в одном корпусе вместе со ступенями переднего хода.
Пар, отработавший в ступенях ТПХ (или ТЗХ), поступает 
в конденсатор, где конденсируется в воду, которая по замкнутому контуру опять подается в паропроизводящую установку 
(ППУ).
Паровые турбины как привод к вспомогательным механизмам выполняют только однокорпусными. По устройству 
они более простые, чем главные турбины, но имеют те же основные узлы.
Газовые турбины работают при температурах газа, достигающих 1000°С и более. Конструкция газовых турбин отличается от паровых исполнением корпуса, рабочих и направляющих лопаток. Вследствие значительного нагрева горячими 
газами деталей газовой турбины многие из них охлаждают 
воздухом или водой. Для создания необходимого давления 
рабочего тела перед газовой турбиной применяются осевые 
и центробежные компрессоры, которые работают также по динамическому принципу и представляют собой лопаточные машины.
В судовых энергетических установках широко применяют 
и вспомогательные газовые турбомашины. В состав судового 
дизеля входит газотурбонагнетатель (ГТН), который состоит 
из газовой турбины, работающей на выхлопных газах дизеля 
и вращающей центробежный компрессор, который подает 
воздух в цилиндры дизеля.
В результате изучения материалов учебного пособия обучающийся будет:
знать
 
• конструктивные схемы и принцип работы простейшей турбины;
 
• основные узлы и детали паровых турбин;
 
• общее устройство и принцип действия судовых газотурбинных двигателей;

Введение

уметь
 
• выполнять основные действия по обслуживанию судовых 
турбомашин;
 
• соблюдать технику безопасности при работе в машинном 
отделении;
 
• осуществлять действия при авариях;
 
• осуществлять обслуживание систем судовых турбомашин;
владеть
 
• методами расчета элемен тов судовых турбомашин;
 
• навыками обслуживания судовых турбомашин;
 
• первичными знаниями по основам эксплуатации судовых 
турбомашин.

Глава 1.

РОЛЬ И МЕСТО ТУРБОМАШИН 
В СУДОВОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ

1.1. РАЗВИТИЕ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ 
ПАРО- И ГАЗОТУРБОСТРОЕНИЯ В МИРЕ

Историю развития турбины начинают с шара Герона Александрийского и колеса Бранка. Возможность использования 
энергии пара для получения механического движения была 
отмечена известным греческим ученым Героном Александрийским более 2000 лет назад. Им был построен прибор, названный шаром Герона (рис. 1.1).

Рис. 1.1

Шар мог свободно вращаться в двух опорах, изготовленных 
из трубок. По этим опорам пар из котла поступал в шар и далее 
выходил в атмосферу по двум изогнутым под прямым углом 

Глава 1. Роль и место турбомашин в судовой энергетике

трубкам. Шар вращался под действием реактивных сил, возникающих при истечении струй пара.
К сожалению, данное изобретение долго рассматривалось 
в качестве игрушки, и полный потенциал данной турбины так 
и не был использован до конца.
В XVI в. Леонардо да Винчи рассматривал в своих чертежах 
так называемый дымовой зонт, принцип работы которого заключался в следующем: огонь нагревал воздух, который затем 
поднимался через соединенные друг с другом лопасти. Эти 
лопасти вращали обычный вертел для жарки. В 1629 г. итальянский инженер Джованни Бранк создал турбину, которая 
заменила ветровой или водяной привод.
В верхнюю часть котла вставлена трубка (рис. 1.2). Так как 
давление пара внутри котла больше, чем атмосферное давление воздуха вокруг котла, то пар устремляется по трубке наружу. Из свободного конца трубки била струя пара и, попадая 
на лопасти колеса, заставляла его вращаться. Через систему 
зубчатых колес в поступательное движение приводились два 
пестика, которые использовались для размельчения угля.

Рис. 1.2