Расчет и проектирование основных узлов турбомашин

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет)»
В.П. Леонов
Расчет и проектирование  
основных узлов турбомашин  
Учебно-методическое пособие

УДК	 621.5
ББК	 31.363
Л47
Издание доступно в электронном виде по адресу 
https://bmstu.press/catalog/item/6939/
Факультет «Энергомашиностроение»
Кафедра «Холодильная, криогенная техника,  
системы кондиционирования и жизнеобеспечения»
Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебно-методического пособия
	
Леонов, В. П.
	 	
Расчет и проектирование основных узлов турбомашин : учебноЛ47
методическое пособие / В. П. Леонов. — Москва : Издательство МГТУ 
 
им. Н. Э. Баумана, 2020. — 49, [3] с. : ил.
ISBN 978-5-7038-5484-6
Рассмотрены основные узлы турбомашин и методики их расчета.
Для студентов, изучающих дисциплину «Турбомашины низкотемпературной 
техники».
 
УДК 621.5
ББК 31.363
ISBN 978-5-7038-5484-6
©	 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020
©	 Оформление. Издательство 
	
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020

ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящее учебно-методическое пособие соответствует учебной программе дисциплины «Турбомашины низкотемпературной техники». Оно 
посвящено освоению методик расчета и проектирования основных узлов 
турбомашин и выполнению домашних заданий по этой тематике. 
Выполнение домашних заданий является обязательной частью изучения дисциплины «Турбомашины низкотемпературной техники» для студентов, обучающихся по специальности 16.05.01 «Специальные системы 
жизнеобеспечения». 
После изучения материала пособия и выполнения домашних заданий 
студенты овладеют методиками расчета и проектирования узла подвески 
ротора турбомашин, профилирования лопаток объемной кривизны колес 
турбомашин, методикой разработки технологии изготовления закрытых колес 
турбомашин.

1. СИСТЕМЫ ПОДВЕСКИ РОТОРА ТУРБОМАШИН
Современные турбомашины (ТМ) — турбодетандеры (ТД) и центробежные компрессорные машины (ЦКМ) — отличаются широким диапазоном 
значений рабочих параметров: по мощности от 10 Вт до 10 МВт, по частоте 
вращения ротора от 3000 до 500 000 об/мин. При этих характеристиках не 
может быть универсальной система подвески ротора ТМ.
К подшипниковому узлу системы подвески ротора предъявляются следующие требования:
1)	 восприятие внутренних и внешних динамических нагрузок;
2)	 обеспечение требуемого ресурса работы;
3)	 устойчивость вращения ротора на рабочем и пусковом режиме;
4)	 потребляемая подшипниками мощность в ТД не должна превышать 
вырабатываемую мощность.
В ТМ различного класса и назначения применяются подшипники качения 
и подшипники скольжения с жидкостной или газовой смазкой.
Подшипники скольжения с жидкостной смазкой называются гидравлическими и подразделяются на гидростатические и гидродинамические. Подшипники скольжения с газовой смазкой делят на газостатические и газодинамические.
Подбору и расчету подшипников разного типа, которым посвящено пособие (проводится во II семестре), должен предшествовать расчет радиальной 
и, что наиболее существенно в ТМ, осевой силы. Расчет осевой силы проводится в I семестре при выполнении домашних заданий «Расчет центробежного 
нагнетателя» и «Расчет турбодетандера».
1.1. Подшипники качения
В качестве подшипников качения в ТМ используются, как правило, 
шарикоподшипники радиальные однорядные класса точности 0 и типа Е, 

т. е. с сепаратором из пластических масс. Такие подшипники устанавливаются 
в основном в транспортных ЦКМ и турбохолодильниках (ТХ) систем кондиционирования воздуха (СКВ) самолетов. Турбохолодильник представляет 
собой воздушную турбину, в которой понижение температуры воздуха происходит за счет его расширения от избыточного по сравнению с кабинным, 
давления воздуха до давления внутри кабины самолета. Турбохолодильник 
состоит из двух основных частей — турбины и вентилятора (нагрузочного 
нагнетателя), закрепленных на общем валу, вращающемся на двух шариковых 
подшипниках (рис. 1.1). 
4

Рис. 1.1. Конструкция ТХ радиального типа:
1 — воздушный канал; 2 — фитиль; 3 — корпус; 4 — корпус подшипника; 

5 — вентилятор; 6 — конфузор; 7 — диафрагма; 8 — подшипник; 9 — пружина; 10 — вал; 11 — сопловой венец; 12 — корпус турбины; 13 — фланец; 
14 — турбинное колесо
Корпус турбины 12 отлит из алюминиевого сплава. Вентилятор 5 снимает мощность, развиваемую ротором турбины, и используется для прокачки 
холодного забортного воздуха через различного типа теплообменники (воздушные, топливные, масляные и т. п.). Воздух для охлаждения подшипников 
подводится по каналам в корпусе и после охлаждения подшипников выбрасывается снова в атмосферу. Смазка подшипников фитильная. Масло заливается через пробку в корпус, из которого по фитилю 2 подается на вал 10 и 
направляется к подшипникам. Пружина 9 предназначена для выбора осевого 
люфта подшипника, т. е. для создания предварительного натяга (преднатяга).
Температура торможения воздуха на входе в ТХ может быть достаточно 
велика и составлять 500 К, в то время как температура воздуха на выходе из 
ТХ достигает 250 К. Срок службы ТХ определяется назначением самолета и 
составляет 5…500 ч для военных самолетов и  более 500…1500 ч для пассажирских самолетов. Важнейшей частью любого ТХ является узел подшипников, 
от которого в основном и зависит долговечность работы агрегата.
Под узлом подшипников в данном случае понимается комплекс элементов, обеспечивающих вращательное движение ротора: шарикоподшипники, 
детали их крепления, устройства для обеспечения предварительного натяга 
подшипников, охлаждающие устройства, способ смазки, масла, емкости для 
масел, устройства заполнения, слива и контроля масла и т. д.
Большая частота вращения ротора обусловливает специфические требования к системам смазки и смазочным материалам, которые должны 
обеспечивать:
 
5

•заданный отвод теплоты от подшипникового узла;
•устойчивую подачу масла к подшипникам при различных эволюциях самолета;
•высокую степень чистоты и высокую 
стабильность смазочных материалов при 
рабочих температурах.
Наиболее широкое распространение 
получил фитильный способ смазки вследствие простоты конструкции, эффективности, автономности, малых габаритов и 
массы (рис. 1.2). 
Фитиль 1 выполнен из войлока или 
Рис. 1.2. Фитильный способ подвода масла к подшипникам:
1 — фитиль; 2 — шарикоподшипник; 
 
3 — вал; 4 — втулка; 5 — лопатка втулки; 
6 — корпус; 7, 8 — втулки; 9 — полость; 
10 — емкость
фетра, способного поднять масло за счет 
капиллярных сил на высоту до 80 мм. Вращающимся валом 3 масло снимается с фитиля и отбрасывается к периферии, образуя 
масляный туман. Для циркуляции масляного тумана служат маслоотражательные 
втулки (импеллеры), на торцевых стенках 
которых имеются лопатки. Указанный способ питания маслом пригоден для 
незначительных эволюций самолета. При значительных нагрузках концы 
фитиля могут выходить из масла. Для устранения этого явления ставят не 
один, а два фитиля (рис. 1.3).
Фитили окружают ватой 4. Для контроля верхнего и нижнего уровня масла 
используется мерная линейка — упругая втулка 6. Данная система смазки 
не допускает голодания подшипника маслом и потопления его в масло при 
любых эволюциях машины.
Фитили должны касаться вала в части не более 1/3 периметра вала. Важным является определенная сила контакта фитиля и вала, не превышающая 
допустимое значение. В противном случае может произойти обугливание 
фитиля. Определенное прижатие фитиля может обеспечить специальное 
контактное устройство (рис. 1.4). 
Это контактное устройство представляет собой емкость для масла, фитиль 8 
и промежуточный контактный элемент 5. Масло подается по фитилю через 
капиллярные каналы 2 к поверхности вала 3 элемента 5, с которого снимается вращающимся валом 4. Удельное давление элемента 5 на поверхность 
вала 3 поддерживается и регулируется пружиной 7.
Фитильная смазка применяется в ТХ с диаметром шипа вала под подшипники dш  не более 15 мм и числом быстроходности d n
ш
<
⋅
7 105, где n —
частота вращения вала, об/мин. В зоне установки подшипников и фитилей 
не допускается значение температура выше +120 °С. Окружные скорости вала 
в месте контакта фитиля с валом не должны превышать 70 м/с. Недостатки 
фитильной смазки могут быть устранены применением других систем: шнековой, консистентной (пластичной), циркуляционной.
6