Энергетические машины и установки

Министерство науки и высшего образования 
Российской Федерации

Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

В. Л. Блинов

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ МАШИНЫ 
И УСТАНОВКИ

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом 
Уральского федерального университета 
для студентов вуза, обучающихся 
по направлению подготовки 
13.03.03 — Энергетическое машиностроение

2-е издание, стереотипное

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
Издательство Уральского университета
2022

УДК 621.1.01(075.8)
ББК 31.16я73
          Б69
Рецензенты:

Б69 

заместитель главного конструктора АО «Уральский турбинный завод », 
канд. техн. наук А. А. Ямалтдинов ;
д‑р техн. наук, проф. С. М. Шанчуров (завкафедрой «Энергетика» ФГБОУ ВПО 
«Уральский государственный лесотехнический университет»)

Научный редактор канд. техн. наук Б. С. Ревзин

Блинов В. Л.
   Энергетические машины и установки : учебное пособие / В. Л. Блинов. — 2-е 
изд., стер. — Москва : ФЛИНТА : Изд‑во Урал. ун‑та, 2022. — 128 с. — ISBN 
978‑5‑9765-4989-0 (ФЛИНТА); ISBN 978‑5‑7996‑3147‑5 (Изд‑во Урал. ун‑та). —
Текст : электронный.

В пособии представлен вводный материал в курс «Энергетические машины и 
установки». В издании изложены принципы действия наиболее распространенных на 
объектах топливно‑энергетического сектора энергетических машин и установок. 
Представлена 
их 
классификация 
и 
некоторые 
особенности 
проектирования 
и 
эксплуатации. Также кратко затронуты вопросы энергосбережения, экологии и перспектив 
развития энергетических машин и установок.
Учебное пособие предназначено для студентов, слушателей системы подготовки, пе‑ 
реподготовки и повышения квалификации специалистов газотранспортных предприятий и 
энергетического комплекса.

Табл. 2. Рис. 36.

УДК 621.1.01(075.8)
ББК 31.16я73

Учебное издание

Блинов Виталий Леонидович

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И УСТАНОВКИ

Учебное пособие

В авторской редакции

Подписано к выпуску 25.01.2022. Формат 70×100/16. 
Уч.‑изд. л. 7,22. 
Электронное издание для распространения через Интернет.

ООО «ФЛИНТА», 117342, г. Москва, ул. Бутлерова, д. 17-Б, офис 324. 
Тел./факс: (495) 334-82-65; тел.: (495) 336-03-11.
E-mail: flinta@mail.ru; WebSite: www.flinta.ru

ISBN 978‑5‑9765-4989-0 (ФЛИНТА)
ISBN 978‑5‑7996‑3147‑5 (Изд‑во Урал. ун‑та) 

© Уральский федеральный
     университет, 2020

Оглавление

1. Введение в энергетические машины и установки ............................. 5

1.1. Энергетика и развитие общества ............................................. 5

1.1.1. Энергия ветра и воды ...................................................... 6
1.1.2. Паровая энергия ............................................................. 7
1.1.3. Электричество ................................................................. 8
1.1.4. Силовые двигатели ........................................................11
1.1.5. Атомная энергия ............................................................14
1.1.6. Возобновляемые источники энергии ...........................15

1.2. Топливно‑энергетические ресурсы ........................................17

1.2.1. Виды топлив ...................................................................17
1.2.2. Возобновляемые ресурсы ..............................................18

1.3. Классификация энергетических машин и установок ............19

1.3.1. Понятие энергетических машин и установок ..............19
1.3.2. Классификация двигателей ...........................................20

1.4. Современная энергетическая отрасль России .......................21

1.4.1. Структура энергетической отрасли ...............................22
1.4.2. Энергетический машины и установки в энергетике ....23

1.5. Современная газовая отрасль России ....................................26

1.5.1. Структура газовой отрасли ............................................26
1.5.2. Энергетические машины и установки в газовой 
           отрасли ...........................................................................27
Контрольные вопросы к главе 1 ....................................................29

2. Энергетические машины в топливно-энергетической 
      промышленности ............................................................................30

2.1. Лопаточные машины ..............................................................30

2.1.1. Классификация и особенности лопаточных машин ....30
2.1.2. Принципы действия лопаточных машин .....................32

2.2. Энергетические машины для повышения давления газов 
        (компрессоры).........................................................................36

2.2.1. Классификация компрессоров......................................36
2.2.2. Конструкция и принцип действия осевых 
            компрессоров ................................................................37
2.2.3. Параметры и эксплуатационные характеристики 
            осевых компрессоров ....................................................43

Оглавление

2.2.4. Конструкция и принцип действия центробежных 
            компрессоров ................................................................50
2.2.5. Параметры и эксплуатационные характеристики 
            центробежных компрессоров .......................................56

2.3. Энергетические машины для перекачивания жидкостей 
        (насосы) ...................................................................................63

2.3.1. Насосные установки ......................................................63
2.3.2. Принцип действия осевых и центробежных насосов ....65
2.3.3. Основные параметры и эксплуатационные 
            характеристики насосов ................................................68

2.4. Энергетические машины для получения механической 
        энергии (турбины) ..................................................................76

2.4.1. Газовые турбины ............................................................77
2.4.2. Паровые турбины ..........................................................80
2.4.3. Описание и принцип действия осевой турбины ..........81
2.4.4. Радиальные турбины .....................................................86
2.4.5. Гидротурбины ................................................................89
2.4.6. Ветротурбины ................................................................94
Контрольные вопросы к главе 2 ....................................................97

3. Энергетические установки в топливно-энергетической 
     промышленности .............................................................................98

3.1. Паротурбинные установки .....................................................98
3.2. Установки, работающие по органическому циклу 
        Ренкина .................................................................................103
3.3. Газотурбинные установки .....................................................106
3.4. Парогазовые установки.........................................................113
3.5. Установки в гидро‑ и ветроэнергетике .................................115
3.6. Основные понятия энергосбережения и экологии..............117

3.6.1. Понятие энергосбережения ........................................117
3.6.2. Потенциал энергосбережения .....................................119
3.6.3. Энергосбережение на предприятии и в быту .............121
3.6.4. Экологические показатели ..........................................123
Контрольные вопросы к главе 3 ..................................................124

Список библиографических ссылок ...................................................126

1. Введение в энергетические машины 
и установки

С

овременный мир тяжело представить без электричества, теп‑
ла и различных механизмов, делающих нашу жизнь современ‑
ной. Человечество на протяжении всей истории стремилось 
«приручить» энергию. С древних времен мы нуждаемся в дополни‑
тельной силе — двигателях, которые позволили бы людям эффектив‑
ней (быстрее и продуктивнее, качественнее) заниматься земледелием, 
осваивать новые территории, строить дома и т. д., иными словами, вы‑
живать и делать жизнь безопасной и комфортной.
Энергия играет ключевую роль в формировании наших условий су‑
ществования, поэтому производство и потребление энергии являют‑
ся важными направлениями человеческой деятельности. В переводе 
с древнегреческого языка термин энергия означает силу, действие, де‑
ятельность, мощь. Энергия — это скалярная физическая величина, яв‑
ляющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия 
материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие. 
Другими словами, энергия — это физическая величина, показываю‑
щая, какую работу может совершить тело (несколько тел). Количество 
энергии измеряется в джоулях (Дж).
В природе существуют разные виды энергии, например механиче‑
скую, электрическую, магнитную, тепловую, химическую, ядерную 
(или атомную) и т. д. Каждая из них имеет свои особенности.
Большую часть энергии (в виде электромагнитных волн) всё суще‑
ствующее на Земле получает от Солнца.

1.1. Энергетика и развитие общества

Независимо от того, где люди находили энергию для поддержания 
своего общества и культуры, ясно, что человеческая жизнь всегда была 
во власти вековой потребности в энергии.

1. Введение в энергетические машины и установки

Человечество на протяжении всей истории стремилось «приручить» 
энергию. Долгое время люди полагались на химическую (калорийную) 
энергию, полученную из пищи, которая производит механическую 
(кинетическую) работу мышц. Поначалу использовалась своя мускуль‑
ная сила, впоследствии — прирученных и одомашненных животных. 
Это была эра биоэнергетики. В процессе развития удалось преодолеть 
физические ограничения собственного тела, используя инструменты 
и осваивая энергию природы. Одной из первых была освоена энер‑
гия ветра. Человечество использовало паруса для лодок еще в третьем 
тысячелетии до новой эры (хотя ветряную мельницу с крыльями (ло‑
пастями) изобрели лишь в VII в. н. э.). Вскоре была освоена и энер‑
гия воды. Так люди стали искать территории для жилья, обладающие 
энергетическим преимуществом.

1.1.1. Энергия ветра и воды

Территория, которая обладала большими площадями водно‑энер‑
гетического потенциала, обладала преимуществом — возможностью 
использовать энергию перемещения воды. Вертикальное водяное ко‑
лесо распространилось по всей Европе в течение нескольких сотен лет. 
Водяные мельницы обеспечивали энергией выделку кожи, производ‑
ство ткани, помол зерна, распиловку дерева, плавку, формовку железа 
и выполняли множество иных промышленных процессов. В средние 
века мельницы устанавливались на лодках и мостах, и вместе с этим 
появляются плотины для аккумуляции энергии воды и направления 
ее по каналам на рабочие колеса. Производительность труда выросла, 
зависимость от человеческой и животной мышечной силы постепен‑
но уменьшалась, а места с хорошими водно‑энергетическими ресур‑
сами стали центрами экономической и промышленной деятельности 
человечества. В то же время освоение энергии ветра для движения 
крупных парусных судов позволило пересечь океан и открыть Амери‑
ку. Водяное колесо дало мощный толчок развитию металлургии, и на‑
чиная с ХIII века оно становится устройством, характеризующим тех‑
нический уровень энергетики вплоть до промышленного переворота 
в конце ХVIII столетия.
На Руси до середины XIV века основным источником механической 
энергии была мускульная сила людей и животных. Основным источни‑

1.1. Энергетика и развитие общества

ком тепла, помимо Солнца, являлись дрова из леса. Первое упомина‑
ние об использовании гидроэнергии в Москве относится к 1389 году. 
В завещании Великого князя Дмитрия Донского говорится о работе 
водяных мельниц на реках Яузе и Ходынке. В 1516 году на Руси по‑
явилась первая каменная плотина, которая была сооружена на речке 
Неглинной. В 1723 году по указу императора Петра I на берегах реки 
Исеть началось строительство крупнейшего в России железоделатель‑
ного завода. Энергию для приведения в действие механизмов завода 
должна была обеспечить плотина, сооружение которой и стало началом 
строительства нового города. В настоящее время это место называет‑
ся Историческим сквером. В результате сооружения плотины на реке 
Исеть образовался пруд, называющийся сейчас Городским прудом. Да‑
той рождения города стал день 7 (18) ноября 1723 года, когда в цехах 
завода был осуществлен пробный пуск боевых молотов. В честь импе‑
ратрицы Екатерины I и покровительницы горных ремесел Святой Ве‑
ликомученицы Екатерины завод‑крепость нарекли Екатеринбургом. 
Плотины и по настоящее время используются для выполнения цело‑
го ряда задач, но сегодня — это огромные строения.

1.1.2. Паровая энергия

Современная эпоха началась с восемнадцатого века с внедрения па‑
ровой энергии. Изобретение универсального парового двигателя яви‑
лось вторым этапом промышленного переворота ХVIII века. На сме‑
ну ранней гидроэнергетике пришла теплоэнергетика.
Развитие энергетики протекало во взаимосвязи с развитием машин 
и характеризовалось непрерывным нарастанием единичных мощно‑
стей энергетических установок. В 1782 году Джеймс Уатт получил ан‑
глийский патент на паровой двигатель с расширением, он также ввел 
первую единицу мощности — лошадиную силу (позднее его именем 
была названа другая единица мощности — ватт). Лучшие водяные и ве‑
тряные колеса средневековья достигали мощности 40–60 лошадиных 
сил (1 л. с. = 0,736 кВт). Паровая машина Уатта благодаря экономич‑
ности получила широкое распространение и сыграла огромную роль 
в переходе к машинному производству.
Взаимоотношения в областях добычи угля, железной промышлен‑
ности и паросиловых установок привели к достижениям в области па‑

1. Введение в энергетические машины и установки

ровой техники. Человечество поняло, что сила пара преодолела геогра‑
фическую зависимость от энергии воды, что один паровой двигатель 
может работать на несколько заводов, в то время как водяные колеса 
были подвержены остановкам, вызванными засухой, наводнениями 
и замерзанием рек. Хотя энергия воды являлась доминирующим энер‑
гоносителем для производства на протяжении большей части девятнад‑
цатого века, в итоге паровая энергия оказалась более гибкой и эконо‑
мически эффективной. Вскоре паровые двигатели распространились 
на речных судах и железных дорогах.
Французский ученый Сади Карно в 1824 г. разработал основы тео‑
рии паровых машин (циклы Карно). Он показал, что чем больше раз‑
ность температур подводимого и отводимого тепла у теплоносителя, 
тем выше эффективность тепловой машины. Со времен Карно тепло‑
вые (паровые, газовые и др.) машины стали развиваться в направле‑
нии повышения параметров теплоносителя (температуры и давления). 
Этими вопросами занимались Стирлинг, Эриксон и др.
В результате использования парового двигателя установилась по‑
стоянная связь между ископаемыми энергетическими ресурсами и ин‑
дустриализацией. Вначале в качестве топлива использовалось дерево, 
потом уголь. Позднее дефицит и высокая стоимость качественного 
угля в совокупности с открытием месторождений нефти привели к ее 
использованию в качестве топлива для паровых двигателей в течение 
первой половины двадцатого столетия.

1.1.3. Электричество

К концу XVIII века человечество начинает исследовать феномен 
электричества. В 1791 году итальянский анатом Луиджи Гальвани опу‑
бликовал труд «Трактат о силах электричества при мышечном движе‑
нии». Это открытие через 121 год дало толчок исследованиям челове‑
ческого организма с помощью биоэлектрических токов (обнаружение 
больных органов при исследовании их электрических сигналов). Опы‑
ты Гальвани натолкнули профессора Тессинского университета Алес‑
сандро Вольта на изобретение нового источника электричества. Он 
создал прибор, способный за счет химической энергии производить 
электризацию тел (поддерживать в проводнике движение зарядов, 
то есть электрический ток). Изобретение было названо в честь Галь‑

1.1. Энергетика и развитие общества

вани гальваническим элементом, а электрический ток, получающий‑
ся от этого элемента, — гальваническим током. В 1802 году итальян‑
ский ученый Романьози обнаружил отклонение магнитной стрелки 
компаса под влиянием электрического тока, протекавшего по распо‑
ложенному вблизи проводнику. Первым, кто правильно смог объяс‑
нить причину этого явления, был французский ученый Андре Мари 
Ампер. Оказалось, что ток способствует возникновению в проводни‑
ке магнитного поля. Одной из важнейших заслуг Ампера было то, что 
он впервые объединил два разобщенных ранее явления — электриче‑
ство и магнетизм — одной теорией электромагнетизма. Воодушевлен‑
ный этими открытиями английский ученый Майкл Фарадей предпо‑
ложил, что не только магнитное поле может воздействовать на магнит, 
но и наоборот — двигающийся магнит будет оказывать воздействие 
на проводник. Позже данное открытие послужило основой для созда‑
ния трех главных устройств электротехники — электрического гене‑
ратора, электрического трансформатора и электрического двигателя.
Важным этапом развития энергетики стала электрификация, явля‑
ющаяся стержнем современной энергетической техники. У истоков 
освещения с помощью электричества стоял Василий Владимирович 
Петров, профессор Медико‑хирургической академии в Петербурге. 
Исследуя световые явления, вызываемые электрическим током, он 
в 1802 году сделал свое знаменитое открытие — электрическую дугу, 
сопровождающуюся появлением яркого свечения и высокой темпе‑
ратуры. В 1876 году в России была сооружена первая электростанция 
на Сормовском машиностроительном заводе. Уже в апреле 1879 года 
впервые в России электрическими фонарями освещен объект — мост 
Александра II (сегодня это Литейный мост) в Санкт‑Петербурге. Пер‑
вая в мире центральная станция была пущена в работу в 1882 году 
в Нью‑Йорке, она имела мощность 500 кВт. В Москве впервые элек‑
трическое освещение появилось в 1881 году, тогда зажглись первые 
100 электросветильников, из которых 24 освещали площадь у Храма 
Христа Спасителя. Первая стационарная городская электростанция 
на постоянном токе появилась в Москве в 1888 году. А еще в 1874 году 
русский инженер Федор Пироцкий предложил использовать в качестве 
проводника электрической энергии железнодорожные рельсы, позже 
такая система нашла развитие в виде современного метро.
Одной из ключевых технологических проблем в использовании 
энергии являлась ее передача. Производство электроэнергии с помо‑

1. Введение в энергетические машины и установки

щью первых батарей, затем на основе явления электромагнитной ин‑
дукции, передача электроэнергии по медным проводам, и развитие 
электродвигателей в конечном счете произвели революцию в транс‑
портировке энергии. К концу XIX века прямое подключение промыш‑
ленных машин от водяных, ветряных мельниц и паровых двигателей 
через приводные валы и ремни уступило место электрическому при‑
воду, получающему энергию по проводам, протянутым от удаленных 
гидроэлектростанций и паротурбинных установок. В результате струк‑
тура заводов в ХХ веке кардинально изменилась, поскольку машины 
с электроприводом можно было установить где угодно. Электроэнер‑
гия вытеснила конные и паровые повозки троллейбусами, заменила 
газ и керосин для освещения, дрова и уголь в печах и обогревателях. 
Первоначальным стандартом для систем производства и распределе‑
ния электроэнергии стала система Эдисона, основанная на постоян‑
ном токе. Но она не могла быть легко применена для передачи элек‑
троэнергии на большие расстояния (что возможно при использовании 
переменного тока). Осуществляя конкуренцию с компанией Эдисо‑
на в области электроэнергетики, компания Вестингауза использова‑
ла переменный ток, что сделало возможным развитие крупных гене‑
рирующих электростанций, расположенных на больших расстояниях 
от потребителей. А первым, кто изобрел прибор для измерения ко‑
личества использованной электроэнергии (электрический счетчик), 
был Томас Эдисон.
Бурный рост электроэнергетики и теплоэнергетики в России начал‑
ся в 20‑е годы XX столетия после принятия по предложению В. И. Ле‑
нина плана ГОЭЛРО (Государственной электрификации России). 
План был утвержден 22 декабря (ныне день энергетики) 1920 года 
на VIII Всероссийском съезде Советов. План ГОЭЛРО должен был 
быть реализован в течение десяти‑пятнадцати лет, а его результатом 
должно было стать создание крупного индустриального хозяйства, 
что имело огромное значение для экономического развития страны.
Самая первая тепловая электростанция, построенная по плану 
ГОЭЛРО в 1922 году, называлась «Уткина заводь» (в день пуска пе‑
реименована в «Красный Октябрь» и так проработала до 2010 года, 
а сегодня — это Правобережная ТЭЦ ПАО «ТГК‑1»). Днем начала те‑
плофикации в России можно считать 25 ноября 1924 года, когда зара‑
ботал первый теплопровод, предназначенный для общего пользования 
в доме № 96 на набережной реки Фонтанки. Так, электростанция № 3, 

1.1. Энергетика и развитие общества

которую переоборудовали для комбинированной выработки тепло‑
вой и электрической энергии, является первой в России теплоэлек‑
троцентралью, а Ленинград (ныне Санкт‑Петербург) — пионером те‑
плофикации.

1.1.4. Силовые двигатели

Дальнейшее развитие техники с появлением электрогенераторов 
переменного тока и наступлением века электричества выявило по‑
требность в новых быстроходных двигателях. Паровые машины были 
универсальными двигателями, но постепенно проявлялись их недо‑
статки: низкая экономичность (при этом еще и топливо постоянно 
дорожало), невозможность получения больших мощностей в одном 
агрегате (потребность в мощности быстро росла) и сравнительная ти‑
хоходность. Для решения этих недостатков появились паровые турби‑
ны, которые и сегодня являются основными двигателями современ‑
ных электростанций.
Еще в XVIII веке теорией турбин занимался Д. Бернулли, который 
исследовал динамику различных потоков энергии. Во многих стра‑
нах ученые, исследователи, механики предлагали различные варианты 
конструкций турбин (Б. Фурнейрон, Д. Френсис, А. Пельтон, К. Ла‑
валь, Ч. Парсонс и др.).
Паровые машины и турбины требовали устройства, в котором 
была бы топка, котел, охлаждающий агрегат. Они выполняли свое 
назначение, однако были очень громоздки и неудобны в эксплуата‑
ции. Уже в конце XVII века появилась идея создания двигателя вну‑
треннего сгорания (ДВС), в котором не нужен котел и топка, так как 
газообразное рабочее тело получает энергию от сжигания топлива вну‑
три рабочего цилиндра. В основе первой попытки создания ДВС лег‑
ла идея Х. Гюйгенса о пороховой машине, хотя она не была реализо‑
вана из‑за отсутствия подходящего топлива. Бурное развитие добычи 
и переработки нефти в конце XIX и начале XX веков стало стимулом 
для создания этого вида двигателя, работающего на жидком топливе. 
Двигатели внутреннего сгорания стали незаменимыми для получения 
сравнительно небольших и средних мощностей при умеренной бы‑
строходности. Еще во второй половине XIX века французский меха‑
ник Э. Ленуар изобрел горизонтальный двигатель внутреннего сгора‑

1. Введение в энергетические машины и установки

ния двойного действия с КПД около 4 %. Менделеев Д. И. разработал 
теорию горения топлива, которая позволяла определить теплотворную 
способность топлив различного состава, выбрать оптимальные режи‑
мы горения и многое другое. Первый четырехтактный двигатель вну‑
треннего сгорания был построен немцем Николаусом Отто в 1876 году, 
затем он был усовершенствован русским инженером О. Костовичем. 
Этими же вопросами занимались немецкие изобретатели Г. Даймлер 
и К. Бенц (основатели концерна «Мерседес»). Первый дизель‑мотор 
(немецкого инженера Рудольфа Дизеля) был изготовлен в 1897 году, 
он содержал все основные элементы современного мотора и являлся 
самым экономичным из ДВС. Двигатели внутреннего сгорания ста‑
ли использоваться в качестве силовых установок судов, тепловозов, 
электростанций постоянного тока и, конечно, автомобилей. Большое 
применение ДВС получили и в новой активно развивающейся отрас‑
ли — авиации.
С последующим развитием техники известные двигатели перестали 
удовлетворять новым потребностям, в первую очередь именно в ави‑
ации. Повышение требуемой мощности с ростом грузоподъемности 
и скорости самолетов бензиновыми поршневыми двигателями по‑
крываться уже не могло. Установка на один самолет большего числа 
двигателей (до 8 штук) значительно усложняла и утяжеляла его, а лег‑
ко воспламеняющийся бензин создавал опасность пожара. Выходом 
стал переход на газовые турбины, которые позволяют развивать боль‑
шую удельную мощность, а их топливо было менее пожароопасным.
Так, в ХХ веке появились турбореактивный двигатель и газовая тур‑
бина. Начало развитию таких двигателей положил англичанин Д. Бар‑
бер еще в 1791 году, когда получил патент на тепловой двигатель, в ко‑
тором продукты сгорания смеси воздуха и газа подавались на лопатки 
турбины. Первый работающий газотурбинный двигатель был скон‑
струирован и испытан в 1897 году русским инженером‑изобретателем 
П. Д. Кузьминским, топливом для этого двигателя служил керосин.
Ученые и инженеры всего мира многие годы работали над созда‑
нием эффективной газовой турбины, но до середины пятидесятых го‑
дов XX века каких бы то ни было высоких результатов получено не было 
(как минимум для стационарных установок), хотя опыт и знания соз‑
дания паровых турбин уже был. Это связано с двумя основными труд‑
ностями, преодолеть которые пытались долгие годы. Во‑первых, в от‑
личие от двигателя внутреннего сгорания, в котором сжатие воздуха