Тепловые двигатели и нагнетатели

 
 
 
 
 
 
В. Р. ВЕДРУЧЕНКО, Е. М. РЕЗАНОВ, Е. С. ЛАЗАРЕВ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ И НАГНЕТАТЕЛИ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023

 
УДК 621.1 
ББК 31.365 
В26 
 
 
Рецензенты: 
доктор технический наук, профессор кафедры «Теплоэнергетика»  
ФГАОУ ВО «Омский государственный технический университет»  
Парамонов Александр Михайлович; 
кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика»  
ФГБОУ ВО «Омский государственный университет путей сообщения»  
Стариков Александр Петрович 
 
 
 
 
 
 
 
Ведрученко, В. Р. 
В26   
Тепловые двигатели и нагнетатели : учебное пособие / В. Р. Ведрученко, Е. М. Резанов, Е. С. Лазарев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 184 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1558-3  
 
Изложены основные сведения о тепловых двигателях - паровых турбинах, газотурбинных установках, двигателях внутреннего сгорания, а также основные положения о принципах действия, устройстве, методах выбора типа и регулирования разных 
типов нагнетателей. Рассмотрены методы классификации, тепловые схемы и диаграммы двигателей; преимущества и недостатки разных видов тепловых двигателей и 
нагнетателей, что позволяет обоснованно выбрать необходимый тип как двигателя, так 
и нагнетателя для различных условий их эксплуатации в составе теплоэнергетического 
оборудования ТЭЦ, промышленных и муниципальных котельных; блочных, стационарных и передвижных энергоисточников, других силовых агрегатов и систем. 
Для студентов направления «Теплоэнергетика и теплотехника», других теплоэнергетических специальностей и направлений. Может быть использовано для разных 
видов и форм обучения: очной, заочной и дистанционной. 
 
УДК 621.1 
ББК 31.365 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1558-3 
” Ведрученко В. Р., Резанов Е. М., Лазарев Е. С., 2023 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 6 
1. ПАРОВЫЕ ТУРБИНЫ ........................................................................................... 8 
1.1. Краткий обзор развития паровых турбин ...................................................... 8 
1.2. Тепловые двигатели и их типы ....................................................................... 9 
1.3. Устройство и принцип действия активной  
одноступенчатой турбины 
.................................................................................... 11 
1.4. Устройство и принцип действия реактивной  
многоступенчатой турбины 
.................................................................................. 13 
1.5. Устройство и принцип действия активной многоступенчатой турбины  
с двумя степенями скорости 
................................................................................. 16 
1.6. Устройство и принцип действия активной многоступенчатой турбины  
со ступенями давления ......................................................................................... 17 
1.7. Устройство и принцип действия радиальной реактивной турбины.  
Принцип действия комбинированных турбин ................................................... 18 
1.8. Классификация паровых турбин и их маркировка ..................................... 19 
1.9. Цикл Ренкина, коэффициенты полезного действия  
и мощности паровых турбин 
................................................................................ 21 
1.10. Суживающееся сопло с косым срезом ....................................................... 25 
1.11. Расширяющееся сопло с косым срезом ..................................................... 27 
1.12. Преобразование энергии пара на рабочих лопатках активной ступени.  
Треугольники скоростей 
....................................................................................... 29 
1.13. Диаграмма h-s расширения пара  
в проточной части активной турбины 
................................................................. 32 
1.14. Преобразование энергии пара на рабочих 
 лопатках реактивной ступени. Треугольники скоростей 
................................. 33 
1.15. Диаграмма h-s расширения пара в проточной части реактивной 
турбины. Степень реактивности турбины .......................................................... 34 
1.16. Классификация потерь в ступенях паровой турбины .............................. 36 
1.17. Потери в соплах и на рабочих лопатках паровой турбины ..................... 37 
1.18. Потери с выходной скоростью пара, на трение дисков,  
вентиляцию и выколачивание 
.............................................................................. 38 
1.19. Потери через внутренние зазоры в ступенях паровой турбины ............. 39 
1.20. Потери от влажности пара и в выпускном  
патрубке паровой турбины 
................................................................................... 40 
1.21. Внешние потери паровой турбины 
............................................................. 41 
1.22. Диаграмма h-s пара многоступенчатой турбины 
...................................... 41 
1.23. Понятие о коэффициенте возврата тепла паровой турбины.................... 43 
1.24. Понятие о характеристическом коэффициенте паровой турбины 
.......... 44 
1.25. Удельные единичные мощности паровых турбин 
.................................... 45 
1.26. Диаграмма режимов паровой турбины ...................................................... 46 
2. ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ..................................................................... 48 
2.1. Краткий обзор развития газовых турбин и газотурбинных установок .... 48 
3 
 

2.2. Устройство и принцип действия газотурбинной установки  
со сгоранием при р = const. Действительный цикл ........................................... 49 
2.3. Устройство и принцип действия ГТУ со сгоранием при v = const.  
Недостатки в работе таких установок 
................................................................. 53 
2.4. Классификация потерь в газотурбинных установках 
................................. 55 
2.5. Способы повышения экономичности газотурбинных установок ............. 56 
2.6. Тепловая схема и T-s-диаграмма газотурбинной установки с 
регенерацией .......................................................................................................... 57 
2.7. Тепловая схема и T-s-диаграмма ГТУ с промежуточным  
охлаждением и подогревом рабочего тела (ступенчатым сжатием) ............... 59 
2.8. Тепловая схема со ступенчатым сгоранием  
(промежуточным подогревом газа) ..................................................................... 60 
2.9. Топливо для ГТУ. Виды и особенности использования ............................ 61 
2.10. Тепловая схема замкнутой газотурбинной установки ............................. 63 
2.11. Современные стационарные газотурбинные установки .......................... 65 
2.12. Сложные и многовальные ГТУ 
................................................................... 66 
2.13. Отличительные особенности газовых турбин от паровых ...................... 67 
3. ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ .................................................... 70 
3.1. Краткие сведения из истории развития двигателестроения ...................... 70 
3.2. Устройство и принцип действия ДВС. Преимущества  
и недостатки ДВС по сравнению с ПТУ 
............................................................. 71 
3.3. Классификация и маркировка ДВС 
.............................................................. 73 
3.4. Устройство и принцип действия четырехтактного дизеля ........................ 76 
3.5. Устройство и принцип действия двухтактного дизеля.  
Преимущества и недостатки ................................................................................ 79 
3.6. Устройство и принцип действия четырехтактного карбюраторного 
 двигателя (низкого сжатия) 
................................................................................. 84 
3.7. Топливо для ДВС. Физико-химические энергетические и 
эксплуатационные показатели. Октановое и цетановое число ........................ 89 
3.8. Пути повышения мощности ДВС 
................................................................. 92 
3.9. Действительный цикл четырехтактного ДВС. Степень сжатия 
................ 97 
3.10. Действительный цикл двухтактного ДВС. Степень сжатия 
.................. 101 
3.11. Среднее индикаторное давление и индикаторная мощность ДВС ....... 104 
3.12. Среднее эффективное давление и эффективная мощность ДВС .......... 107 
3.13. Индикаторный КПД и удельный индикаторный расход топлива 
......... 108 
3.14. Эффективный КПД и удельный эффективный расход топлива ДВС .. 109 
3.15. Литровая мощность двигателя и расход воздуха через двигатель ....... 109 
3.16. Тепловой баланс двигателя ....................................................................... 110 
4. НАГНЕТАТЕЛИ 
.................................................................................................. 111 
4.1. Краткий обзор истории развития нагнетателей ........................................ 111 
4.2. Основные типы и классификация нагнетателей  
по различным признакам и назначению ........................................................... 112 
4.3. Рабочие параметры нагнетателей: подача, производительность, напор, 
полезная мощность 
.............................................................................................. 115 
4 
 

4.4. Совместная работа нагнетателя и трубопроводной системы.  
Характеристика и рабочая точка системы 
........................................................ 117 
4.5. Закон сохранения энергии  
в механической форме - уравнение Бернулли ................................................. 118 
4.6. Процессы сжатия в диаграммах состояния ............................................... 119 
4.7. Коэффициенты полезного действия нагнетателей ................................... 121 
4.8. Принцип действия радиальной ступени нагнетателя 
............................... 122 
4.9. Основное уравнение турбонагнетателей - уравнение Эйлера ................ 123 
4.10. Понятие удельной работы нагнетателя; коэффициент напора, 
динамический и статический напор, степень реактивности ступени 
............ 124 
4.11. Параметры ступени нагнетателя, потери от трения и утечек 
................ 125 
4.12. Неустойчивая работа нагнетателей. Помпаж 
.......................................... 127 
4.13. Вентиляторы. Расчетные соотношения и параметры 
............................. 130 
4.14. Центробежные вентиляторы. Основные конструктивные элементы.  
Классификация .................................................................................................... 131 
4.15. Характеристики и регулирование центробежных вентиляторов 
.......... 132 
4.16. Осевые вентиляторы. Основные элементы. Классификация. 
Характеристика 
.................................................................................................... 134 
4.17. Тягодутьевые устройства. Вентиляторы и дымососы.  
Конструкция. Типы. Характеристики ............................................................... 137 
4.18. Турбокомпрессоры. Типы. Основные элементы. Работа. Потери.  
КПД. Мощность. Характеристики 
..................................................................... 140 
4.19. Компрессоры центробежные. Конструкция. Назначение 
...................... 143 
4.20. Осевые компрессоры. Конструкция. Назначение.  
Области применения ........................................................................................... 144 
4.21. Струйные компрессоры. Основные элементы.  
Процессы в струйных нагнетателях .................................................................. 145 
4.22. Поршневые насосы. Устройство и принцип действия. Среднее 
индикаторное давление и мощность ................................................................. 147 
4.23. Конструкция поршневых насосов. Классификация. Поршневые 
компрессоры. Устройство и принцип действия 
............................................... 149 
4.24. Центробежные лопастные насосы. Конструкция.  
Кавитация. Назначение лопастных насосов и их основные типы ................. 153 
4.25. Шестеренные насосы. Конструкция и принцип действия ..................... 156 
4.26. Винтовые и пластинчатые насосы. Устройство  
и принцип действия 
............................................................................................. 157 
4.27. Насосы специальных типов: вихревые, водокольцевые, струйные. 
Конструкция. Принцип действия. Характеристики КПД ............................... 159 
4.28. Методы регулирования нагнетателей ...................................................... 162 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 
.................................................................... 166 
Приложение.  
Виды конструкции разных типов нагнетателей и тепловых двигателей .......... 167 
 
 
5 
 

ВВЕДЕНИЕ 
Машины, преобразующие какой-либо вид энергии в механическую работу, 
называются двигателями. Машины, преобразующие теплоту в механическую работу, называются тепловыми двигателями. Тепло для двигателей в настоящее 
время получается из органического топлива при химической реакции и из ядерного топлива при ядерной реакции. К видам органического топлива, применяемого в теплоэнергетических промышленных установках, относятся каменный 
уголь, антрацит, бурый уголь, торф, горючие сланцы, древесина, нефть, нефтяной (промысловый) газ, природный газ и различные продукты, получаемые в результате их переработки. Ядерным топливом могут быть изотопы урана и плутония. Сырьевой базой ядерного топлива являются уран и торий. Ядерная реакция 
деления с выделением энергии в форме тепла происходит при расщеплении 
урана-235, урана-233 и плутония-239. 
В промышленности электрическая энергия из тепловой получается путем 
промежуточного преобразования ее в механическую работу. Современная техника не позволяет пока создавать более или менее мощные установки для получения электричества непосредственно из тепла. Превращение тепла в электричество с достаточно высоким КПД без промежуточного преобразования его в механическую работу было бы крупным шагом вперед - отпала бы надобность в 
тепловых электростанциях, а также во многих других случаях необходимость 
установки тепловых двигателей, которые имеют относительно низкий КПД, 
сложное устройство и требуют квалифицированного ухода при эксплуатации. 
В тепловой электростанции или в любых других областях техники, где используется теплота для приведения в движение мощных агрегатов, нельзя обойтись без тепловых двигателей. Тепловые двигатели, являющиеся неотъемлемой 
частью всей тепловой энергетики, в настоящее время широко применяются во 
многих областях народного хозяйства. 
Процесс сгорания топлива и выделения тепла может происходить внутри самого двигателя и вне его, в другом агрегате. Продукты сгорания топлива как носители тепла в одних случаях при превращении тепла в работу непосредственно 
являются рабочим телом в двигателях, а в других случаях передают свое тепло 
другому веществу (воде), и тогда уже другое промежуточное вещество (пар) является рабочим телом в тепловом двигателе. Таким образом, в первом случае рабочий процесс в двигателе осуществляется без промежуточного теплоносителя, 
а во втором - с промежуточным теплоносителем. 
Способы превращения тепла в механическую работу разнообразны. Наиболее 
распространены следующие пять типов тепловых двигателей: паровые машины, 
паровые турбины, двигатели внутреннего сгорания, газовые турбины и реактивные двигатели (турбореактивные и ракетные). 
В крупных тепловых электростанциях и мощных промышленных теплоэнергетических установках наиболее экономичными остаются паросиловые установки с паровыми турбинами. Почти все крупные тепловые и атомные электростанции снабжены паротурбинными установками. 
6 
 

В современной технике машины для подачи жидкостей называют насосами. 
Машины для подачи газов в зависимости от развиваемого ими давления принято 
подразделять на компрессоры, нагнетатели и вентиляторы. 
Количество насосов, компрессоров и вентиляторов различного назначения, 
выпускаемых промышленностью технически развитых стран, исчисляется миллионами штук в год; электрическая энергия, используемая для их привода, составляет существенную часть в энергетическом балансе стран. Поэтому теоретические и экспериментальные исследования, направленные на усовершенствование рабочих процессов и повышение коэффициента полезного действия (КПД) 
машин этого вида, имеют очень большое значение. 
Государственный стандарт определяет насос как машину для создания потока 
жидкой среды. Развитие этого определения приводит к пониманию насоса как 
машины, предназначенной для перемещения жидкости и увеличения ее энергии. 
При работе насоса энергия, получаемая им от двигателя, превращается в потенциальную, кинетическую и в незначительной мере - в тепловую энергию потока 
жидкости. 
Вентилятор - машина, перемещающая газовую среду при степени повышения 
давления H до 1,15. 
Нагнетатель - машина, работающая при H ! 1,15, но не охлаждаемая искусственно. 
Компрессор сжимает газ при H ! 1,15 и имеет искусственное (обычно водяное) 
охлаждение полостей, в которых происходит сжатие газа. 
 
 
7 
 

1. ПАРОВЫЕ ТУРБИНЫ 
1.1.Краткий обзор развития паровых турбин 
Идея теплового двигателя, работающего по принципу паровой турбины, возникла еще за 120 лет до начала н. э., когда Герон Александрийский описал прибор, у которого вращение шара осуществлялось за счет реактивного действия 
струй пара, вытекающих из изогнутых трубок. 
В паровой турбине превращение тепла в механическую работу осуществляется в результате двух процессов. В первом процессе пар от начального состояния до конечного расширяется в соплах или насадках и приобретает большую 
скорость, во втором кинетическая энергия движущейся струи пара превращается 
в механическую работу. 
Промышленные конструкции паровых турбин начали создаваться в конце 
XIX-начале XX в. на основе работ шведского инженера Г. Лаваля (1845-1913 гг.), 
построившего первую промышленную активную паровую турбину, и англичанина Ч. Парсонса (1854-1931 гг.), работавшего в области реактивных турбин. Во 
Франции О. Рато (1863-1930 гг.) разработал конструкцию активных турбин со 
ступенями давления, которые в дальнейшем были усовершенствованы швейцарским инженером Целли. Американский инженер Кертис (1860-1953 гг.) построил 
активную турбину со ступенями скорости. Значительный вклад в разработку теории процессов, протекающих в паровой турбине, и в практическое турбостроение 
внес чехословацкий ученый А. Стодола (1859-1942 гг.). Успешную и плодотворную работу по развитию строительства паровых турбин провели коллективы советских турбостроительных заводов и научно-исследовательских институтов.  
В развитие паровых турбин внесли вклад советские ученые А. А. Радциг, 
Г. С. Жирицкий, А. В. Щегляев и др. 
В настоящее время шаровые турбины достигли высокой степени совершенства и являются основным двигателем в стационарной энергетике и на крупных 
морских судах. Широкое применение паровых турбин объясняется рядом преимуществ их по сравнению с другими тепловыми двигателями. Основными из 
них являются возможность создания агрегатов с большой единичной мощностью, высокая экономичность и надежность работы, относительно небольшие габариты, возможность непосредственного соединения с электрическим генератором, воздухо- и газодувками, а также применения пара с высокими параметрами 
и глубокого вакуума. 
В дореволюционной России строительство паровых турбин широкого распространения не имело. С 1904 г. шаровые турбины строили на Петербургском 
металлическом заводе, который до 1913 г. выпустил 26 турбин, их общая мощность не превышала 9000 кВт. Строительство судовых турбин вели на Балтийском и Николаевском судостроительных заводах. 
Для осуществления плана ГОЭЛРО Ленинградский металлический завод 
(ЛМЗ) в 1930 г. начал строить турбины единичной мощностью по 24 и 50 тыс. кВт 
с начальными параметрами пара 26-29 ата и 375-400ƒ С. Позже на ЛМЗ были 
построены турбины мощностью 25 и 50 тыс. кВт с регулируемым отбором пара. 
8 
 

С 1931 г. на Петербургском «Кировском заводе» начали строить паровые турбины 
мощностью 2,5-4 и 12 тыс. кВт. Турбины небольшой мощности строили и на 
Невском машиностроительном заводе им. Ленина (НЗЛ). В 1934 г. турбины мощностью 50 и 100 тыс. кВт начал выпускать Харьковский турбогенераторный завод 
им. Кирова (ХТГЗ). В 1947 г. на ЛМЗ была создана двухцилиндровая конденсационная турбина мощностью 100 тыс. кВт при 3000 об/мин с высокими начальными 
параметрами пара (90 ата и 480 ƒС), а затем турбина, рассчитанная на сверхвысокие параметры (170 ата и 550 ƒС) мощностью 150 тыс. кВт. 
Предусмотрено дальнейшее развитие турбостроения с сооружением блочных 
агрегатов мощностью 100, 150, 200, 300 тыс. кВт и выше с применением сверхкритических параметров, производство которых успешно осуществляется. 
В транспортных установках (автомобили, мотоциклы, тракторы, тепловозы, 
морские и речные суда) и во всех других случаях, когда требуются компактные 
силовые установки малой и средней мощности, наиболее подходящими в настоящее время признаны двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Для малых и средних мощностей (1-10000 кВт) среди всех тепловых энергетических установок 
самыми универсальными являются поршневые ДВС, поэтому они широко применяются в различных областях народного хозяйства. 
Газовые турбины как самостоятельные силовые агрегаты, кроме авиации 
(турбореактивные двигатели), распространены пока еще меньше, чем паровые 
турбины и двигатели внутреннего сгорания; газовые турбины применяются на 
газоперекачивающих компрессорных станциях, на электростанциях (главным 
образом в качестве резервных, пиковых, установок), на железнодорожных газотурбовозах, а также на некоторых судах и экспериментальных автомобилях. 
Газовые турбины как вспомогательные силовые агрегаты за последнее время 
стали широко применяться в турбопоршневых комбинированных двигателях 
внутреннего сгорания. 
Реактивные двигатели с газовыми турбинами, которые позволяют получать 
высокие скорости движения, заняли господствующее положение в авиации, вытеснив (кроме некоторых тихоходных самолетов, вертолетов, санитарной и сельскохозяйственной авиации) поршневые двигатели внутреннегосгорания. 
Инженерно-техническим работникам промышленной теплоэнергетики в 
своей практической деятельности больше всего приходится заниматься вопросами эксплуатации тепловых двигателей. 
1.2.Тепловые двигатели и их типы 
Тепловые двигатели - машины, преобразующие теплоту в механическую работу. 
В настоящее время главными источниками получения теплоты являются органическое топливо, которое при химических реакциях окисления выделяет теплоту, а также ядерное топливо, участвующее в ядерных реакциях. 
В промышленности превращение теплоты в электричество происходит с промежуточным преобразованием ее в механическую работу. 
9 
 

В связи с этим пока основная доля электрической энергии вырабатывается на 
тепловых электростанциях, где теплота используется для вращения роторов 
мощных турбогенераторов. 
По способу превращения теплоты в механическую работу различают следующие типы тепловых двигателей: паровые машины, паровые турбины, газовые 
турбины, двигатели внутреннего сгорания и реактивные двигатели. 
Паровые машины (поршневые) ранее широко использовались в паровозах и пароходах, но в настоящее время заменены более экономичными машинами (установками). 
Паровая турбина (ПТ) - двигатель, в котором внутренняя энергия пара 
превращается в кинетическую, а кинетическая - в механическую энергию вращения ротора. Ротор турбины непосредственно (через муфту) соединен с ротором либо электрогенератора, либо насоса, либо компрессора и др. 
Газовая турбина (ГТ) по принципу действия и конструктивно аналогична паровой. В газовой турбине рабочим телом являются продукты сгорания 
топлива (жидкого, твердого, газового) в смеси с воздухом. 
Газотурбинные установки (ГТУ) уступают паротурбинным (ПТУ) по 
мощности и долговечности, но могут превосходить их по высоким требованиям 
к качеству топлива. 
ГТ как самостоятельные силовые агрегаты применяются значительно реже 
(кроме авиации), чем ПТ. Таким образом, ГТ устанавливают на ГЭС чаще в качестве резервных, пиковых установок на газоперекачивающих компрессорных 
станциях (магистральных газопроводов при подаче газа), на крупных предприятиях в качестве утилизованных турбин, на морском флоте, на газотурбовозах железнодорожного транспорта. 
Если по условиям эксплуатации требуются мобильные компактные силовые 
установки малой и средней мощности (до 20000 л. с.), применяют ДВС. 
В ДВС рабочим телом является газообразные продукты сгорания топлива 
(жидкого либо газового). В них преобразование теплоты в механическую работу 
происходит при высокой разнице термодинамических потенциалов газов - при 
горении и в конце расширения. Это и предопределяет получение в ДВС наибольшего КПД среди других тепловых двигателей. 
ДВС характеризуются высокой экономичностью (малым расходом топлива), 
малыми массой и габаритами; быстрым пуском, значительной единичной мощностью (до 40 тыс. кВт); широко используются в различных отраслях. 
Реактивные двигатели с газовыми турбинами позволяют получать высокие 
скорости движения и широко применяются в авиации (турбореактивные двигатели), устанавливаются в ракетах, но в стационарных наземных установках практически не используются. 
С повышением скорости локомотивов и судов на воздушной подушке усиливается перспектива использования в них воздушно-реактивных двигателей вместо традиционных ГТУ и ДВС. 
В настоящее время для различных целей используют отработавшие летный 
ресурс турбоактивные авиационные двигатели. 
Окислителем топлива на борту ракет является кислород атмосферы. 
10