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

ISBN 978-5-7038-5484-6

 
Леонов, В. П.
  
Расчет и проектирование основных узлов турбомашин : учебно-

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

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020
© Оформление. Издательство 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020

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

УДК 621.5
ББК 31.363

Л47

Л47

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее учебно-методическое пособие соответствует учебной про-

грамме 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 изуче-

ния 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 центробеж-

ные 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 сле-

дующие 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 гидравличе-

скими и подразделяются на гидростатические и гидродинамические. Подшипники 
скольжения с газовой смазкой делят на газостатические и газодинамические.

Подбору и расчету подшипников разного типа, которым посвящено по-

собие (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). 

Корпус турбины 12 отлит из алюминиевого сплава. Вентилятор 5 снима-

ет 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 элемен-

тов, 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 тре-

бования к системам смазки и смазочным материалам, которые должны 
обеспечивать:

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

•заданный отвод теплоты от подшип-

никового узла;

•устойчивую подачу масла к подшип-

никам 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 

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. Важ-

ным 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 под-

шипники 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.

Рис. 1.2. Фитильный способ под-

вода масла к подшипникам:

1 — фитиль; 2 — шарикоподшипник;  
3 — вал; 4 — втулка; 5 — лопатка втулки; 
6 — корпус; 7, 8 — втулки; 9 — полость; 

10 — емкость

Шнековая система смазки применима в ТХ с dш < 20  мм и d n
ш
<
⋅
5 105,

значениями температуры в зоне подшипников не выше +150 °С и минимальной 
окружной скорости около 10 м/с.

В редких случаях используют также консистентную смазку, которая хуже 

отводит теплоту от подшипника, чем жидкая. Этот вид смазки применяется 
при n < 30 000 об/мин и небольшом ресурсе ТХ.

Смазка закладывается непосредственно в подшипник, занимая 30 % 

его свободного объема, и удерживается в нем специальными уплотнениями.  
В качестве пластичного смазочного материала используют силиконовое масло 
или силикол при допустимом значении рабочей температуры менее +150 °С. 
Смазка, например, ВНИИ НП-246 обладает высокой термической стабильностью, 
сохраняя работоспособность при значении температуры +200 °С 
с кратковременным перегревом до значения +250 °С, имеет хорошую морозостойкость (
до значения  −80 °С). Применяется при высокой частоте вращения.

Если ресурс работы ТХ более времени, обеспечиваемого заложенной в 

подшипник смазкой, то предусматривается подпитка подшипников смазкой 
с помощью специальных питателей.

Рис. 1.3. Фитильный подвод масла к подшипни-

кам с применением ваты: 

1 — корпус подшипника; 2 — фланец; 3 — фитили;  
4 — набивка ваты; 5 — упругая втулка; 6 — заправочное 
устройство; 7 — заправочные отверстия; 8 — уровень масла

Рис. 1.4. Контактное 

устройство:

1 — стержень; 2 — капиллярные 
каналы; 3 — поверхность вала; 
4 — вал; 5 — контактный элемент; 
6 — корпус; 7 — пружина; 

8 — фитиль

В конструкциях последних лет используют диэфирное масло, более 

стойкое к воздействию повышенных значений температур (более +200 °С) 
и имеющее высокую прочность граничной пленки.

Для охлаждения подшипников может применяться и часть холодного 

воздуха после турбины (рис. 1.5). Площади охлаждающей поверхности для 
отвода требуемого количества теплоты от подшипников и расход охлаждающего 
воздуха G0  определяются расчетным путем.

Зазоры в подшипнике и упругие дефор-

мации его элементов под действием рабочей 
нагрузки вызывают осевые и радиальные 
вибрации вала, которые недопустимы при 
работе опорного узла ТХ. Жесткость опор 
на подшипниках качения может быть значительно 
повышена при создании предна-
тяга, за счет которого подшипник получает 
предварительную осевую нагрузку. Предна-
тяг может быть выполнен с помощью пружин, 
опирающихся на кольцо подшипника 
(рис. 1.6).

Рис. 1.5. Схема охлаждения подшипников:

G0–G5 — расходы воздуха на охлаждение подшипников и вызванные негер-

метичностью; I, II, III — камеры и каналы; 
 — горячий воздух;

  — холодный воздух

Рис. 1.6. Создание предвари-

тельного натяга

1.2. Подшипники скольжения

При выборе конкретного типа подшипника скольжения ТМ приходится 

учитывать следующие факторы:

1) энергозатраты на смазку подшипников;
2) возможность использования источников питания подшипников жид-

костной или газовой смазкой;

3) особые требования, предъявляемые к ТМ транспортных систем.
В ТМ применяются различные типы подшипников скольжения (рис. 1.7).

В ЦКМ средней и большой мощности применяют гидростатические 

опоры скольжения с принудительной подачей масла под давлением. Такая 
система подачи масла предусматривает наличие маслонасоса, фильтра и 
маслоохладителя.

Рис. 1.7. Типы подшипников скольжения (λ — относительная длина подшипника)

В криогенных ТД с большим ресурсом работы (до 20 000 ч) используют

подшипники скольжения c жидкостной или газовой смазкой.

В крупных ТД, применяемых преимущественно в мощных воздухораз-

делительных установках, используют гидродинамические и гидростатические 
опоры. В ТД, работающих по переработке природного газа, в качестве 
рабочего тела в подшипниках скольжения может применяться конденсат 
природного газа. 

Особые требования предъявля-

ются к опорам ТМ, работающих в условиях 
знакопеременных динамических 
нагрузок внешнего возбуждения. 
В устойчивом режиме силы внешнего 
возбуждения уравновешиваются внутренними 
силами смазочного слоя под- 
шипников. Но условия устойчивости 
подшипников к внешней динамической 
нагрузке часто не согласуются с 
условиями устойчивости при большой 
частоте вращения ротора.

Внешние возбуждения пропор-

циональны мощности на валу ТМ. 
На рис. 1.8 показаны ориентировочные 
границы применения различных 
типов жестко закрепленных подшип- 
ников в зависимости от частоты враще- 
ния ротора и передаваемой мощности. 

Кривая 2 ограничивает при задан-

ной частоте вращения максимальную 
мощность коротких газостатических 
подшипников с λ = 0,5 где λ = L
d
/
;
ш  

L — длина подшипника, а dш  — внутренний 
диаметр подшипника, т. е. 
диаметр шипа вала подшипников. 
Кривая 3 задает максимальное значение 
мощности для подшипников с 
λ = 1,5–2,0. Между кривыми 1 и 2 
располагаются кривые для подшип-

ников с промежуточными значениями λ (на рисунке не показаны). Гидростатические 
подшипники (кривая 5) благодаря более высокому уровню вязких 
составляющих способны стабилизировать вращение ротора при больших 
нагрузках.

Кривая 6 представляет собой характеристику гидродинамических ради-

ально-упорных подшипников. Гидродинамические подшипники более просты 
технологически: требования к точности их изготовления ниже, чем к точности 
изготовления гидростатических подшипников. Они нашли применение в 
крупных ТМ, что оправдано по причине инертности к внешнему возбуждению 
со стороны рабочих колес. Однако гидродинамические подшипники имеют 
сравнительно низкую границу устойчивой работы по частоте вращения (кривая 
1 на рис. 1.8). Гидродинамические масляные подшипники можно рекомендовать, 
если частота вращения ротора не превышает 10 000…12 0000 об/мин.

Подшипники скольжения на жидкостной смазке допускают значительную 

угловую скорость вращения шипа до 150 м/c.

Рис. 1.8. Ориентировочные границы 

параметров n и N подшипников:

1 — граница устойчивой работы; 2, 3 — газостатические 
подшипники; 4 — комбинированные 
газо- и гидростатические; 5 — гидроста-

тические; 6 — гидродинамические