Роторно-лопастные. Нагнетатели Рутс

Объемные нагнетатели

Нагнетатели Рутс характеризуются простотой конструкции, достаточно большим сроком службы и уравновешенностью. Наибольшее распространение получили нагнетатели с двумя одинаковыми роторами. Принцип действия рассмотрим на примере роторно-лопастного нагнетателя с двухлопастными роторами (рис. 3.1).

В неподвижном корпусе 1 равномерно вращаются в противоположных направлениях роторы 2 и 4. Функции органов распределения выполняют роторы, сообщая при вращении полости с впускным 3 и выпускным 5 окнами в корпусе нагнетателя. При работе нагнетателя выемки ротора 4 и стенка корпуса образуют изолированную полость А, а у ротора 2 полость Б (см. положение III).

В положении I полость Н, соединенная через выпускное окно 5 с впускным ресивером двигателя, заполнена воздухом с давлением наддува p_k. В полости А воздух с давлением p ₀ перемещается в сторону нагнетания. Общий объем полости Б и В соединяется через впускное окно нагнетателя с атмосферой.

Рис. 3.1. Схема нагнетателя Рутс

При переходе в положение II объем полости Н уменьшается и воздух вытесняется во впускной ресивер двигателя. Одновременно полость А, соединившись с полостью Н и выпускным окном 5, заполняется воздухом со стороны нагнетания. Это происходит до выравнивания давлений в полостях А и Н. Такое перетекание воздуха является отрицательным фактором в работе нагнетателя, так как снижается его производительность и КПД. С левой стороны объем полости Б увеличивается и она через впускное окно 3 заполняется воздухом из атмосферы.

В положении III в сторону нагнетания перемещается воздух в полости Б. Выемка А с другой стороны ротора 4, объединенная с полостью В, заполняется воздухом со стороны впуска в нагнетатель. В дальнейшем процесс нагнетания воздуха происходит подобно переходу из положения I в положение II. При вращении роторы не касаются корпуса и друг друга, что обеспечивается подшипниками, установленными в торцах корпуса, и синхронизирующей зубчатой передачей 6.

В процессе перемещения воздуха от впускного окна к выпускному, он в рабочей полости не сжимается, т.е. отсутствует так называемое внутреннее сжатие. Поэтому роторно-лопастные нагнетатели Рутс часто называют нагнетателями с внешним сжатием. Вследствие этого нагнетатели такого типа работают достаточно эффективно лишь при умеренном давлении наддува p_k. Величина наддува в этих нагнетателях зависит от соотношения производительности (м³/с) нагнетателя V_k и объемного расхода воздуха через двигатель V _e. Обычно V_k > V _e. Чем больше эта разность, тем выше степень повышения давления при наддуве π _k, обеспечиваемая нагнетателем. Такая особенность нагнетателя Рутс является особенно предпочтительной для наддува двигателей с количественным регулированием.

Период пульсаций давления в полости нагнетания при двухлопастных роторах соответствует 90º угла поворота ротора. Для уменьшения периода и амплитуд пульсаций давления p_k применяют трехлопастные (реже четырехлопастные) роторы. Кроме того для улучшения равномерности подачи воздуха и уменьшения шума роторы изготавливают спиральными по длине. Роторы обычно пустотелые, материал – алюминиевый сплав. Минимальное перетекание воздуха между полостями обеспечивается точной обработкой профилей поверхности ротора по эпициклоиде. Радиальные зазоры между корпусом и роторами, необходимые для компенсации термических и механических деформаций, обычно составляют не более 0,003 межцентрового расстояния между роторами. Величина торцевых зазоров зависит от длины ротора.

На рис. 3.2 в качестве примера приведена характеристика нагнетателя Рутс фирмы Eaton (США). На ней приведены кривые зависимости частоты вращения ротора нагнетателя n _k и коэффициента полезного действия η _k от объемного расхода воздуха V_k и степени повышения давления при наддуве π _k. Дополнительно на характеристику нанесены кривые изменения мощности N _k, затрачиваемой на привод нагнетателя, и роста приращения температуры воздуха Δ T_k.

Главной особенностью характеристики нагнетателя Рутс является отсутствие зон неустойчивой работы (помпажа) при любых режимах его работы в составе поршневого двигателя. Относительно крутой характер протекания кривой n _k= f (V_k, π _k) свидетельствует о возможности получения достаточно высоких значений π _k в области малых V_k, т.е. при работе двигателя на частичных и переходных режимах. Это несомненное преимущество нагнетателей с внешним сжатием, особенно в составе с двигателем с количественным регулированием мощности.

При n _k = const с увеличением π _k расход G_k снижается вследствие роста перетекания воздуха между полостями через зазоры в нагнетателе. Наличие значительных перетеканий воздуха и конструктивных особенностей привода заметно снижает КПД нагнетателей Рутс. На характеристике (рис. 3.3) максимальное значение его равно η _{k max} = 0,62.

Смазка подшипников и синхронизирующих шестерен осуществляется маслом, подаваемым из двигателя.

Мощность, затрачиваемая на привод нагнетателя, может доходить до 20% от эффективной мощности двигателя. Отношение частот вращения роторов нагнетателя и вала двигателя обычно принимается .

3.2.2. Нагнетатели Ванкеля. Ro -нагнетатель

Одним из представителей нагнетателей Ванкеля является Ro - нагнетатель фирмы Kuehnle, Korr und Kausch (ККК, Германия). Схема конструкции и принцип его работы показан на рис. 3.3 [23].

В корпусе 1 вращается внешний ротор 2 с цилиндрической наружной поверхностью. Внутри ротора 2 имеется три выемки с пазами. В выемки периодически входят лопасти внутреннего ротора 3. Роторы 2 и 3 вращаются в одном направлении. Ось ротора 3 эксцентрична относительно оси ротора 2. При вращении роторов выемки образуют три полости (объема) А, Б и В, последовательно соединяющиеся через пазы в наружной поверхности ротора 2 с каналами в корпусе: выпускным 4 и впускным 5.

В положении I выпускной канал перекрыт выступом внешнего ротора 2. Полость А переместилась к моменту начала вытеснения воздуха. Объем ее уменьшился, вследствие чего произошло некоторое внутреннее сжатие воздуха. Величина этого сжатия определяется относительным положением кромки выступа ротора 2 и выпускного канала 4. Объем полости Б увеличивается и происходит заполнение ее воздухом из канала 5. Объем полости В в этом положении минимальный. В ней закончилось вытеснение воздуха в выпускной канал 4 и ожидается начало заполнения из канала 5.

В положении II происходит вытеснение воздуха из полости А и заполнение полости В. Полость Б имеет максимальный объем, воздух в котором перемещается в сторону нагнетания.

В положении III воздух из впускного канала 5 поступает в полость А. Из полости Б, вследствие входа лопасти ротора в выемку, воздух выталкивается через выпускной канал 4 во впускную систему двигателя с давлением p_k. В полости В заканчивается заполнение ее воздухом из канала 5.

В положении IV объем полости А уменьшается. Происходит сжатие воздуха и перемещение его к выпускному каналу 4. Объем полости Б увеличивается и заполняется воздухом из канала 5. Из полости В воздух вытесняется в выпускной канал нагнетателя.

Следующее положение будет равнозначно положению I. Таким образом за один оборот роторов происходит три процесса подачи воздуха во впускную систему двигателя. Это соответствует отношению частот вращения внутреннего 3 и внешнего 2 роторов равному 3 / 2.

Конструкция Ro -нагнетателей фирмой ККК разрабатывалась для наддува малоразмерных двигателей, устанавливаемых на легковые автомобили. Вес нагнетателей находится в пределах от 6 до 10 кг. Длина, в зависимости от производительности, от 200 до 300 мм.

Нагнетатель Ro -2013 предназначен для наддува бензиновых двигателей с рабочим объемом 1,3 дм³ и дизелей – 1,6 дм³. По сравнению с нагнетателем Рутс данный нагнетатель рассчитан на меньший расход воздуха (примерно в 7,5 раза). Так как в нагнетателе Ro- 2013 присутствует внутреннее сжатие (степень сжатия до 1,13), то степень повышения давления воздуха достигает значения π _k =1,8. Максимальный КПД увеличен до η _{k max} = 0,65. Следует также отметить меньший подогрев воздуха при нагнетании Δ T_k (на 10 - 20ºC). Характер изменения основных параметров на характеристиках у роторно-лопастных нагнетателей, несмотря на различную конструкцию, примерно одинаков.

Нагнетатель Pierburg

В нагнетателе фирмы Pierburg также реализован принцип Ванкеля (рис. 3.4).

В корпусе 1 вращается внутренний ротор 2, имеющий четыре выемки с окнами 6 для соединения с выпускным 4 и впускным 5 каналами. Внутренний ротор трохоидного профиля имеет три лопасти. Оба ротора вращаются в одну сторону в отношении три (внешний) к четырем (внутренний). Это обеспечивается синхронизирующей шестеренчатой передачей. Привод внешнего ротора 2 осуществляется от вала двигателя плоскоременной передачей. При работе нагнетателя между выемками внешнего ротора 2 и лопастями внутреннего ротора 3 образуются полости А, Б, В и Г. В каждой полости за один оборот ротора 3 происходит четыре такта:

• впуск, когда полость соединена через окно 6 с впускным каналом 5;

• максимальный объем полости;

• внутреннее сжатие, когда объем полости уменьшается вследствие

входа в выемку лопасти внутреннего ротора 3;

• выталкивание, когда полость через окно 6 соединяется с выпускным

каналом 4 на стороне нагнетания.

Нагнетатель Pierburg, предназначен для наддува с целью повышения мощности: бензинового двигателя от 90 до 210 кВт; дизеля от 60 до 150 кВт.

Достаточно высокие значения КПД имеют место при степени повышения давления воздуха π _k = 1,5…1,6. Максимальное значение КПД нагнетателя η _{k max} = 0,67. Это достигнуто благодаря жестким допускам на изготовление роторов. Применение трохоидного профиля и уменьшение вредных объемов обеспечили снижение перетекания воздуха со стороны нагнетания в сторону впуска. При низких частотах вращения двигателя КПД нагнетателя заметно уменьшается, что, однако, можно замедлить применением регулируемого наддува.

Использование трехлопастного ротора увеличило его инерционность. Для уменьшения массы ротора пришлось изготавливать его полым с достаточно тонкими стенками. Фирмой Pierburg выпущены только экспериментальные образцы этих нагнетателей.

Дата добавления: 2014-10-17