Нагнетатель типа Рутса - Roots-type supercharger

Воздуходувка Рутса с двухлопастными роторами. Роторы большинства настоящих воздуходувок Рутса имеют три или четыре лопасти.
Ключ:
  1. Роторная лопатка 1
  2. Корпус насоса
  3. Поворотная заслонка 2
  1. Прием
  2. Насос
  3. Нагнетание воздуха или топливовоздушной смеси во впускной коллектор
Анимированная версия

В Воздуходувка Рутса это положительное смещение лепестковый насос который работает путем накачки жидкость с парой зацепляющихся лепестков, напоминающих набор вытянутых шестерен. Жидкость задерживается в карманах, окружающих лопасти, и переносится со стороны впуска к выпуску. Чаще всего воздуходувки Рутса применялись в качестве индукционного устройства на двухтактные дизельные двигатели, например, произведенные Детройт Дизель и Электро-Дизель. Воздуходувки типа Рутса также используются для перезарядка Цикл Отто двигателей, при этом нагнетатель приводится в движение от двигателя коленчатый вал через зубчатый или же Клиновой ремень, а роликовая цепь или зубчатая передача.

Воздуходувка Рутса названа в честь американских изобретателей и братьев. Филандер и Фрэнсис Мэрион Рутс, основатели Компания Roots Blower из Коннерсвилл, Индиана США, которые запатентовали базовую конструкцию в 1860 году как воздушный насос для использования в доменные печи и другие промышленные применения. В 1900 г. Готлиб Даймлер Включает нагнетатель Рутса в запатентованную конструкцию двигателя, что делает воздуходувку Рутса самой старой из различных конструкций, доступных в настоящее время. Воздуходувки Рутса обычно называют воздуходувками или ПД (объемного вытеснения). воздуходувки,[1] и их обычно называют "глушителями" при использовании с бензиновыми двигателями в хотрод индивидуальные авто.[2]

Приложения

Eaton M62 Roots типа нагнетатель виден в передней части этого Двигатель Ecotec LSJ в 2006 году Красная линия Иона Сатурна

Воздуходувка Рутса проста и широко используется. Он может быть более эффективным, чем альтернативные нагнетатели, при создании положительного давления во впускном коллекторе (то есть давления выше атмосферного) при низких оборотах двигателя, что делает его популярным для применения в легковых автомобилях. Вершина горы крутящий момент достигается примерно на 2000 об / мин. В отличие от базовой иллюстрации, большинство современных нагнетателей типа Рутса включают трех- или четырехлепестковые роторы; это позволяет лопастям слегка закручиваться вдоль осей ротора, что снижает пульсации на входе и выходе (это непрактично с двумя лепестками, поскольку даже небольшой поворот может открыть свободный путь через нагнетатель под определенными углами)[нужна цитата ].

Накопленное тепло является важным фактором при работе компрессор в двигатель внутреннего сгорания. Из трех основных типов нагнетателей конструкция Рутса исторически имела худший тепловой КПД, особенно при высоких степенях давления.[3][4] В соответствии с закон идеального газа, операция сжатия повысит температуру сжатого вывода. Кроме того, для работы самого компрессора требуется подводимая энергия, которая преобразуется в тепло и может передаваться газу через корпус компрессора, нагревая его больше. Несмотря на то что интеркулеры более широко известны своим использованием на турбокомпрессоры нагнетатели могут также выиграть от использования промежуточного охладителя. Внутреннее сгорание основано на термодинамический цикл, а более низкая температура всасываемого заряда приводит к большему термодинамическому расширению и наоборот. Горячий всасываемый заряд вызывает детонацию в бензиновом двигателе и может расплавить поршни в дизеле, в то время как стадия промежуточного охлаждения добавляет сложности, но может улучшить выходную мощность за счет увеличения количества входящего заряда, как если бы двигатель имел большую мощность. . Промежуточный охладитель снижает термодинамический КПД за счет потери тепла (мощности), выделяемого при сжатии, но увеличивает доступную мощность из-за увеличения рабочей массы для каждого цикла. При давлении выше 5 фунтов на квадратный дюйм (0,3 бар) улучшение промежуточного охлаждения может стать значительным.[нужна цитата ] С нагнетателем типа Рутса успешно применяется один метод - добавление тонкого теплообменник помещается между нагнетателем и двигателем. Вода циркулирует через него во второй блок, расположенный рядом с передней частью автомобиля, где вентилятор и поток окружающего воздуха могут рассеивать накопленное тепло.

Анимация, показывающая направление потока через трехлопастную воздуходувку Рутса с небольшим поворотом роторов

Дизайн Roots обычно использовался на двухтактные дизельные двигатели (популяризировано Детройт Дизель [грузовик и автобус] и Электро-Мотив [железнодорожные] подразделения General Motors), которым требуется принудительная индукция, так как нет отдельного такта впуска. The Rootes Co. двухтактный дизельный двигатель, применяемый в Коммерсант и Karrier автомобили, имевшие воздуходувку типа Рутса; две компании не связаны.

Нагнетатели, используемые на Топливные двигатели, забавные машины, и другие драгстеры, а также горячие стержни, на самом деле производные из Подразделение General Motors Coach воздуходувки для их промышленных дизельные двигатели, которые были адаптированы для использования в автомобилях в дрэг-рейсинг. Название модели этих агрегатов указывает на их размер - когда-то использовавшиеся воздуходувки 4–71 и 6–71 были разработаны для 71 серия дизели. Текущий конкурс драгстеры использовать послепродажные варианты GMC, аналогичные по конструкции серии 71, но с увеличенными ротором и длиной корпуса для увеличения производительности; хот-роддеры Также воспользуйтесь репродукцией 6-71с.

Воздуходувки Рутса обычно используются в тех случаях, когда необходимо перемещать большой объем воздуха при относительно небольшом перепаде давления. Сюда входят приложения с низким вакуумом, когда нагнетатель Рутса работает отдельно или в сочетании с другими насосами как часть системы высокого вакуума. Одно из самых распространенных промышленных применений - это системы пневмотранспорта,[5] воздуходувка, подающая большой объем воздуха для перемещения сыпучих материалов по трубам.

Немного сирены гражданской обороны использовал воздуходувки Рутса для нагнетания воздуха в ротор (измельчитель), чтобы резко увеличить его выход звука во всех диапазонах высоты тона. Наиболее известны Серия Federal Signal Thunderbolt, и ACA (теперь American Signal Corporation) Hurricane. Эти сирены известны как «сирены с наддувом».

Воздуходувки Рутса также используются для измерения расхода газов или жидкостей, например, в счетчики газа.

Технические соображения

Конструкция двухлопастного циклоидального ротора. Красная кривая - это эпициклоида а синяя кривая - это гипоциклоида. Меньшие порождающие круги (красный и синий) составляют четверть диаметра большего порождающего круга (чёрного). Профиль ротора - жирная линия.
Трехлопастная воздуходувка Рутса. (Открытая анимация )

Самая простая форма воздуходувки Рутса имеет циклоидальные роторы, состоящие из чередующихся тангенциальных секций гипоциклоидный и эпициклоидный кривые. Для двухлопастного ротора меньшие образующие круги составляют четверть диаметра большего. Воздуходувки Real Roots могут иметь более сложные профили для повышения эффективности. Лепестки одного ротора не будут приводить в движение другой ротор с минимальным люфтом во всех положениях, так что отдельная пара шестерен обеспечивает фазировку лопастей.

Поскольку роторные насосы должны поддерживать зазор между лопастями, одноступенчатый нагнетатель Рутса может перекачивать газ только через ограниченный перепад давления. Если насос используется не по спецификации, при сжатии газа выделяется достаточно тепла, так что лопасти расширяются до такой степени, что они заклинивают, повреждая насос.

Корни насосы способны перекачивать большие объемы, но, поскольку они достигают только умеренного сжатия, нередко можно увидеть несколько ступеней нагнетателя Рутса, часто с теплообменники (интеркулеры ) между ними для охлаждения газа. Отсутствие масла на поверхностях насоса позволяет насосам работать в средах, где важен контроль загрязнения. Высокая скорость перекачки углеводородов позволяет насосу Рутса обеспечивать эффективную изоляцию между загрязненными нефтью насосы, Такие как роторные компрессионные насосы, и вакуумная камера.

В варианте используются роторы в форме кулачков для более высокого сжатия.

Воздуходувка типа Рутса может достигать КПД примерно 70% при максимальном перепаде давления, равном двум. Возможны более высокие отношения давлений, но при снижении эффективности. Потому что вентилятор типа Рутса перекачивает воздух дискретными импульсами (в отличие от винтовой компрессор ), шум пульсации и турбулентность могут передаваться вниз по потоку. При неправильном управлении (из-за геометрии выпускного трубопровода) или учете (конструктивным усилением компонентов ниже по потоку) возникающие пульсации могут вызвать кавитацию жидкости и / или повреждение компонентов ниже по потоку от нагнетателя.

Карта эффективности нагнетателя Рутса. Обобщенная карта эффективности нагнетателя показывает, как эффективность нагнетателя зависит от скорости и наддува.

Карта эффективности корней

Для любого данного воздуходувки Roots, работающего в заданных условиях, на карте будет отображаться одна точка. Эта точка будет повышаться с увеличением наддува и перемещаться вправо с увеличением скорости вентилятора. Видно, что при умеренной скорости и низком наддуве КПД может превышать 90%. Это та область, в которой изначально предназначались воздуходувки Рутса, и они очень хороши в этом.

Повышение давления дано в единицах степени давления, которая представляет собой отношение абсолютного давления воздуха перед воздуходувкой к абсолютному давлению воздуха после сжатия нагнетателем. Если наддува нет, степень сжатия будет 1,0 (то есть 1: 1), так как давление на выходе равно давлению на входе. Повышение давления 15 фунтов на квадратный дюйм отмечено для справки (коэффициент давления чуть выше 2,0 по сравнению с атмосферным давлением). При давлении наддува 15 фунтов на кв. Дюйм (1,0 бар) нагнетатели Рутса колеблются между 50% и 58%. Замена воздуходувки меньшего размера на нагнетатель большего размера смещает точку влево. В большинстве случаев, как показано на карте, это переместит его в области с более высокой эффективностью слева, так как вентилятор меньшего размера, вероятно, будет быстро работать в правой части диаграммы. Обычно использование вентилятора большего размера и его медленной работы для достижения того же наддува дает повышение эффективности компрессора.

Объемный КПД воздуходувки типа Рутса очень хороший, обычно он составляет более 90% на всех скоростях, кроме самых низких. Из-за этого вентилятор, работающий с низким КПД, по-прежнему будет механически подавать в двигатель заданный объем воздуха, но этот воздух будет более горячим. В соревнованиях по дрэг-рейсингу, когда большие объемы топлива впрыскиваются горячим воздухом, испарение топлива поглощает тепло. Это функционирует как своего рода система доохладителя жидкости и в значительной степени сводит на нет неэффективность конструкции Рутса в этом приложении.

Сравнительные преимущества

Роторные воздуходувки, обычно называемые бустерами в условиях высокого вакуума, не используются в качестве автономных насосов. В приложениях с высоким вакуумом скорость откачки бустеров можно использовать для снижения конечного давления и увеличения скорости откачки.

Связанные термины

Термин «нагнетатель» обычно используется для обозначения устройства, размещаемого на двигателях, с функциональной потребностью в дополнительном потоке воздуха с использованием прямой механической связи в качестве источника энергии. Термин «нагнетатель» используется для описания различных типов нагнетателей. А нагнетатель винтового типа, Нагнетатель типа Рутса и центробежный нагнетатель есть все типы воздуходувок. И наоборот, a турбокомпрессор, использующий сжатие выхлопных газов для вращения своей турбины, а не прямую механическую связь, обычно не рассматривается как «нагнетатель», а просто как «турбо».

Смотрите также

  • Дрэг-рейсинг, где используются нагнетатели типа Рутса для T / F топ топливо драгстеры, F / C Fuel Coupe забавная машина каждый использует нитрометановое топливо и драгстеры T / AD и забавные автомобили TA / FC на спиртовом топливе и Pro Modified с использованием метанольного топлива в профессиональных классах дрэг-рейсинга.
  • TVS нагнетатель

Рекомендации

  1. ^ [1], Услуги воздуходувки
  2. ^ Хот Род Журнал Уличные машины и брекет-рейсинг № 3 (Лос-Анджелес: Petersen Publishing, 1979), стр.65.
  3. ^ Белл, Корки. С наддувом!. Bentley Publishers, 2001, стр. 48.
  4. ^ http://kennebell.net/tech/supercharger-tech/twin-screw-vs-roots/
  5. ^ http://www.powderprocess.net/Equipments%20html/Blowers.html

внешняя ссылка