Расчет и проектирование осевого нагнетателя

Расчет и проектирование  
осевого нагнетателя

Учебно-методическое пособие

В.П. Леонов 

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет)»

УДК 621.5 
ББК 31.363 
Л47 
 
Издание доступно в электронном виде по адресу 
ebooks.bmstu.press/catalog/57/book1962.html 

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 осевого нагнетателя : учебно-
методическое пособие / В. П. Леонов. — Москва : Издательство 
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2019. — 17, [3] с. : ил. 
 
ISBN 978-5-7038-5097-8 
 
Представлены методики расчета осевого нагнетателя, работающего 
в составе турбохолодильного агрегата системы кондиционирования воздуха 
летательных аппаратов, а также профилирования лопаток рабочего 
колеса и направляющего аппарата. 
Для студентов, изучающих дисциплину «Турбомашины низкотемпературной 
техники». 

 
УДК 621.5 
ББК 31.363 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019 
  
 Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-5097-8                                МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019 

Л47 

Предисловие 

Учебно-методическое пособие предназначено для освоения методики 
расчета и проектирования осевого нагнетателя при выполнении 
домашнего задания. В теоретической части приведены схемы 
систем кондиционирования воздуха самолетов, в которых одним из 
основных элементов является турбохолодильник. Осевой нагнетатель 
присутствует во всех конструкциях турбохолодильников. 
Представлен также алгоритм расчета основных параметров нагнетателя.  

Практическая часть посвящена профилированию лопаток рабочего 
колеса с выполнением графического построения. 
В заключение представлены контрольно-оценочные средства 
и вопросы для самоконтроля. 
Проведенные расчеты и рекомендации по проектированию позволят 
перейти к выполнению графической части домашнего задания. 
Цель учебно-методического пособия — овладение методикой 
расчета и проектирования осевого нагнетателя. Данные расчеты 
являются необходимым этапом проектирования турбомашин при 
изучении дисциплин «Системы кондиционирования воздуха», 
«Системы вентиляции» и «Системы жизнеобеспечения» в рамках 
курса «Турбомашины низкотемпературной техники». 
Закреплению теоретического материала способствуют вопросы 
для самоконтроля. 
Текущий контроль знаний позволяет оценить знания, умения 
и навыки, дающие возможность студентам уверенно ориентироваться 
в вопросах расчета и проектирования турбомашин, к которым 
относится и осевой нагнетатель. Основным критерием правильности 
расчета нагнетателя является получение всех основных 
его параметров в рекомендуемых пределах. 
Материал учебно-методического пособия позволяет изучить и 
грамотно пользоваться терминологией и основными понятиями 
при проектировании турбомашин. Полученные студентами умения 
и навыки могут быть применимы без каких-либо ограничений при 
дальнейшем изучении на старших курсах циклов холодильных и 
криогенных установок, циклов систем кондиционирования воздуха 
самолетов и т. п.  
 

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 

Расчет основных параметров осевого нагнетателя  

В авиационных системах кондиционирования воздуха (СКВ) 
(рис. 1.1) воздух отбирается от 7…12 ступеней компрессора 
двигателя (в зависимости от высоты полета) и, пройдя блок теплообменных 
аппаратов 5, 6, подается на турбину 4 турбохолодильника. 
Энергия, выработанная турбиной, по валу передается 
компрессору 3 и осевому нагнетателю (вентилятору) 1.  
 

 
Рис. 1.1. Схема СКВ самолета: 

1 — вентилятор; 2 — направление потока; 3 — компрессор; 4 — турбина; 5 —  
подводящий патрубок; 6–9 — теплообменники 

Рабочий воздух, предварительно охлажденный в блоке возду-
хо-воздушных теплообменников 8 и 9, компрессором подается в 
кабину и салон самолета. Охлаждающий наружный воздух прокачивается 
по этим теплообменникам нагнетателем 1. 
Внешний вид турбохолодильника с осевым нагнетателем и его 
конструктивная схема приведены на рис. 1.2 и 1.3 соответственно. 

Рис. 1.2. Внешний вид турбохолодильника с осевым нагнетателем 

 
Рис. 1.3. Конструктивная схема турбохолодильника с осевым нагнетателем 

В соответствии с техническим заданием на проектирование 
осевого нагнетателя, входящего в состав авиационного турбохолодильника, 
могут быть следующие параметры:  
 рабочее тело — воздух; 
 мощность (Вт), подаваемая на нагнетатель, 
н
т
N
N

  

к
п,
N
N


 где 
т
к
п
,
,
N
N
N  — мощность, соответственно вырабатываемая 
турбиной, потребляемая компрессором (в случае 
трех- или четырехколесной машины) и теряемая в подшипниках; 
 частота вращения ротора n (об/мин); 
 расход m (кг/с) или напор (Па) H =
к
н
 
;
p
p

 
 начальные параметры — давление 
н
p  и температура 
н.
T  
Если задан расход воздуха, расчет проводят в следующей последовательности: 
определяют объемный расход 
н
н ,
V
m


 где 
н
  — 
плотность воздуха по начальным параметрам. Тогда напор, обеспечиваемый 
нагнетателем, находят по мощности 
н
н
г
η ,
N
HV

 т. е. 

н
г
н
η
,
H
N
V

 где 
г
η  — гидравлический КПД нагнетателя; для 
крупных машин составляет 0,93…0,95, для малых — 0,85…0,90. 
Напор осевого нагнетателя  

2
2
с вт
н в
,8 ξ
ρ
.
0


H
z
k
u
 

Здесь 
сz  — число ступеней (в турбохолодильниках обычно 
с
1);
z 
 

вт
в
вт
ξ
,
d
d

 принимается равным 0,6…0,8; 
в
d  — внешний диаметр 
рабочего колеса нагнетателя; 
вт
d
 — диаметр втулки; 

φ
вт ,

a
k
c
u
 обычно принимается равным 0,5…1,0; 
ac  — осевая 

составляющая абсолютной скорости; 
вт
u
 — окружная скорость на 
диаметре втулки; 
в
u  — окружная скорость на внешнем диаметре. 

Таким образом, 
в
2
вт φ н
0,8ξ
ρ
H
u
k

 и 
в
в
60
.
u
d
n
 
 

Внешний диаметр можно также определить в соответствии с рекомендациями 
профессора Ф.М. Чистякова по значению расхода: 

н
3
в
0
φ
,
V
d
k
nk

 

где 



3
0
2
вт
вт

1
2,9
.
ξ
1
ξ
k 

 

Среднеквадратичный диаметр на выходе из турбины 

2
вт
с
в
1
ξ
.
2
d
d


 

Диаметр втулки 
вт
вт
в.
ξ
d
d

 Диаметр втулки согласовывается  
с диаметром вала. 
Высота рабочих и спрямляющих лопастей 

в
вт .
2
d
d
l


 

Хорда профиля лопатки 


0,8...1,0
b
l

 при больших значени-

ях 
вт
ξ .  
Скорость в выходном устройстве и трубопроводе 

н
0
2
в

4
.
π
V
c
d

 

Осевая скорость в проточной части 

0
2
вт
.
1
ξ
a
c
c 

 

Поскольку в общем случае степень реактивности ступени 
ст

 
может изменяться по высоте лопастей, ее определяют на среднем 
квадратичном диаметре 
с:
d
 

1
2
ст
с
ρ
1
.
2

u
u
c
c
u

 
 

Окружная скорость на среднеквадратичном диаметре 
сu 

в
с
в .
u d
d

 
Значение степени реактивности 
ст
ρ
0,5

 целесообразно применять 
при больших значениях окружных скоростей 
в
240...250 
u 
 м/с 
и при работе нагнетателя на воздухе. 

Если 
1
3

a
a
c
c
 и 1
3

c
c , что характерно для большинства ступеней 
осевого нагнетателя, то треугольники скоростей рабочих и 
направляющих лопаток симметричны, а профили их одинаковы 
(рис. 1.4, а). 

 

 
Рис. 1.4. Профили лопаток и треугольники скоростей 
осевого нагнетателя 

Тогда из треугольников скоростей следует, что 
1
2
.
u
u
с
c
c
u


 
Поскольку  

1
1 ;
u
c
u
w
u
c


     
2
2 ,
u
c
u
w
u
c


 

1
2
u
u
c
w

 и 
2
1 ;
u
u
c
w

 

т
2
1
н с
,
u
u
H
c
c
u



   а   1
2
, 
u
u
с
c
c
u


 

то  

т
н
2
2

с
с
u
H
u
u
c



 и 1
2


u
с
u
c
u
c
. 

Теоретический напор ступени осевого нагнетателя 
т
г
η .
H
H

 
Ступень с осевым входом и осевым выходом (см. рис. 1.4, б ), 
характеризуется отсутствием закручивания потока перед ступенью 
и за ней, т. е. 1
3

u
u
c
c
. Степень реактивности таких ступеней 

ст
ρ
0,5...0,8.

 Данные ступени применяют при умеренных значениях 
окружных скоростей 
в
200...250
u 
 м/с и числах Маха 

1
М
0,9...0,95,

 где 
1
1
н
М
,

a
c
a
 
н
н.
a
kRT

 

В ступенях со степенью реактивности 
ст
1
2 ,
ρ
1

 
u
u
c
c
 т. е. 
поток закручивается перед рабочим колесом в сторону, противоположную 
направлению вращения ротора (рис. 1.4, в). Такие ступени 
более высоконапорные, чем ступени с меньшей степенью 
реактивности и их целесообразно применять при малых окружных 
скоростях
в
 
160...220
u 
 м/с. 
Влияние степени реактивности на эффективность ступени иллюстрирует 
рис. 1.5. 
 

 

Рис. 1.5. Зависимость гидравлического КПД 
г
  от приведенной  
скорости 
1
u c  при различных значениях степени реактивности 
ст
ρ
 

Углы лопаток на входе и выходе определяют по следующим 
формулам: 

1
1л
с
1
tgβ
;



a

u

c
u
c
 

2
2л
с
2
tgβ
,



a

u

c
u
c
 

где 1
2
.
a
a
a
c
c
c


 
Угол изгиба профиля 
л
1л
2л
  

 желательно обеспечить 
равным 40…50°, а угол лопатки на выходе 
2л

 обычно  90°.