Позитивті ығысулы лобтік сорғыш (Позитивті ығысулы лобтік сорғыш)

Кіріспе

Оң ығысулы лобтік сорғы

Roots үрлеуіш – бұл оң ығысулы лобтік сорғы, ол екі біріккен лоб арқылы сұйықтықты қабылдап жұмыс істейді, бұл созылған тісті дөңгелектерге ұқсайды. Сұйықтық лобтардың айналасындағы қалталарда тұрады және сіңіру жағынан шығару жағына тасымалданады. Roots үрлеуіш конструкциясы ауа немесе басқа сұйықтық өтетін кезде көлемді азайтуды / қысымды арттыруды қамтымайды, сондықтан ол ішкі "сығу" механизмі бар "күшейткіштерге" қарағанда, күшейткіш емес, үрлеуіш ретінде сипатталады. Мысалы, cozette, centric, Shorrock күшейткіштері және сондай-ақ Eaton типті осьтік ағынды күшейткіштер. Roots типті үрлеуіштердің ең көп қолданылатын саласы – Detroit Diesel және Electro Motive Diesel компаниялары шығарған екі тактілі дизельдік қозғалтқыштардағы индукциялық құрылғы. Roots типті үрлеуіштер төрт тактілі Отто циклді қозғалтқыштарды күшейту үшін де қолданылады, мұнда үрлеуіш тісті немесе V-белбеу, ролик тізбегі немесе беріліс арқылы қозғалтқыштың коленвалынан қуат алады. Roots типті үрлеуіш американдық өнертапқыштар және ағайындылар Филандер және Фрэнсис Марион Roots құрметіне аталған, олар Индиана штатының Коннерсвилл қаласындағы Roots Blower Company компаниясын құрған және 1860 жылы негізгі конструкцияны жоғары пештер мен басқа да өнеркәсіптік қолданыстарда пайдалану үшін ауа сорғысы ретінде патенттеген. 1900 жылы Готтлиб Даймлер патенттелген қозғалтқыш жобасына Roots үрлеуішін енгізді, бұл Roots типті үрлеуішті қазіргі кездегі барлық түрлердің ең көнесі етті. Roots үрлеуіштері әдетте ауа үрлеуіштер немесе PD (оң ығысулы) үрлеуіштер деп аталады.

Қолданбалар

Roots типті үрлегіш қарапайым және кеңінен қолданылады. Ол төмен қозғалтқыш айналымдарында оң сорғы қысымын (яғни атмосфералық қысымнан жоғары) дамытуда баламалы суперкомпрессорларға қарағанда тиімдірек болуы мүмкін, бұл оны жолаушылар автомобильдері үшін танымал таңдау етеді. Ең жоғары айналым моменті шамамен 2000 айналымға дейін жеткізіледі. Негізгі суреттен айырмашылығы, қазіргі заманғы Roots типті суперкомпрессорлар үш немесе төрт лобтік роторды қамтиды; бұл лобтердің ротор осі бойымен қозғалысқа ие болуына мүмкіндік береді, бұл кіріс және шығыстың импульсін азайтады (екі лобпен мұндай орындау мүмкін емес, өйткені тіпті кішкене бұрылыс белгілі бір бұрыштарда суперкомпрессор арқылы еркін өтуге мүмкіндік береді). Жинақталған жылу ішкі жанатын қозғалтқыштағы компрессордың жұмысында маңызды рөл атқарады. Үш негізгі суперкомпрессор түрінің ішінде Roots дизайны тарихи тұрғыдан ең нашар жылу тиімділігіне ие болды, әсіресе жоғары қысымда. Идеалдық газ заңына сәйкес, сығылу операциясы сығылған шығыстың температурасын көтереді. Сонымен қатар, компрессордың жұмысы үшін энергия қажет, ол жылуға айналады және компрессор корпусы арқылы газға беріліп, оны одан әрі қыздырады. Интеркулерлер көбінесе турбокомпрессорларда қолданылуымен танымал болса да, суперкомпрессорлар да интеркулерді пайдаланудан пайда көре алады. Ішкі жану термодинамикалық циклға негізделген, ал кіріс зарядының төмен температурасы үлкен термодинамикалық кеңеюге, ал жоғары температурасы – кері процеске әкеледі. Ыстық кіріс заряды бензиндік қозғалтқышта детонацияны тудырады және дизельдік қозғалтқышта поршеньдерді балқыта алады, ал интеркулинг кезеңі күрделілікті арттырса да, кіріс зарядын ұлғайту арқылы қуаттылықты жақсарта алады, нәтижесінде қозғалтқыш сыйымдылығы артады. Интеркулер термодинамикалық тиімділікті сығылу арқылы енгізілген жылуды (қуатты) жоғалту арқылы төмендетеді, бірақ әрбір цикл үшін жұмыс массасының артуына байланысты қол жетімді қуатты арттырады. Жоғарыда көрсетілгендей, салқындатудың жақсаруы айтарлықтай болуы мүмкін. Roots типті суперкомпрессорда қолданылатын әдістердің бірі – желдеткіш пен қозғалтқыш арасына жұқа жылу алмастырғышты орнату. Су көлік құралының алдыңғы бөлігіне жақын орналасқан екінші блокқа айналдырылады, онда желдеткіш және қоршаған ауа ағыны жиналған жылуды таратып жібере алады. Roots дизайны екі тактілі дизельдік қозғалтқыштарда (General Motors компаниясының Detroit Diesel [жүк көліктері мен автобустар] және Electro-Motive [теміржол] бөлімдері арқылы танымал болды) кеңінен қолданылды, оларға мәжбүрлі индукцияның қандай да бір түрі қажет, себебі бөлек сіңіру тактысы болмайды. Rootes Co. екі тактілі дизельдік қозғалтқышы, Commer және Karrier көлік құралдарында қолданылды, ол Roots типті үрлегішке ие болды; екі компанияның да байланысы жоқ. Жоғары өнімді қозғалтқыштарда, күлкілі автомобильдерде және басқа да драгстерлерде, сондай-ақ хот-родтарда қолданылатын суперкомпрессорлар, шын мәнінде, General Motors Coach Division өндірген өндірістік дизельдік қозғалтқыштарға арналған үрлегіштердің түйіндік нұсқалары болып табылады, олар драг-рейсинг үшін бейімделген. Бұл агрегаттардың модельдік атауы олардың өлшемін көрсетеді – бір кезде кеңінен қолданылған 4–71 және 6–71 үрлегіштері 71 сериялы дизельдерге арналған. Қазіргі заманғы жарыс драгстерлері 71 сериясына ұқсас GMC модификацияларын пайдаланады, бірақ ротор мен корпус ұзындығы сыйымдылықты арттыру үшін ұлғайтылған; хот-род еншілері де 6–71 үрлегіштерінің көшірмелерін қолданады. Roots үрлегіштері әдетте ауаның үлкен көлемін салыстырмалы түрде аз қысым айырмашылығымен жылжыту қажет болған жағдайларда қолданылады. Бұл Roots үрлегішімен жеке жұмыс істейтін немесе жоғары вакуумдық жүйенің бөлігі ретінде басқа сорғылармен бірлесіп жұмыс істейтін төмен вакуумды қолданбаларды қамтиды. Өнеркәсіптік қолданудың кең таралған түрі – пневматикалық тасымалдау жүйелері, бұл құбырлар арқылы ірі көлемді қатты заттарды тасымалдау үшін ауаның үлкен көлемін жеткізеді. Кейбір азаматтық қорғаныс сиреналары Roots үрлегіштерін роторға (копперге) ауа соғу үшін қолданды, осылайша оның барлық жиілік диапазонында дыбыс шығаруын күрт арттырды. Ең танымалдары – Federal Signal Thunderbolt Series және ACA (қазір American Signal Corporation) Hurricane. Бұл сиреналар "суперзарядталған сиреналар" деп аталады. Roots үрлегіштері газдар немесе сұйықтықтардың ағынын өлшеу үшін кері бағытта да қолданылады, мысалы, газ өлшегіштерде. Roots үрлегіштері ұшақтарда кабинаны қысыммен толтыру үшін қолданылды, алғашқы зерттеулер WW2 алдында жүргізілді (Marshall суперкомпрессоры қолданылды) және Sir George Godfrey and Partners сияқты компаниялармен өндірілді, олар 1960 жылдарға дейін саны артып келе жатқан өнімдерді жеткізіп келді, кейіннен олар реактивтік қозғалтқыштардың сығылу кезеңдерінен алынған ауамен алмастырылды.

The Roots type blower is simple and widely used. It can be more effective than alternative superchargers at developing positive intake manifold pressure (i. e., above atmospheric pressure) at low engine speeds, making it a popular choice for passenger automobile applications. Peak torque can be achieved by about 2000 rpm. Unlike the basic illustration, most modern Roots type superchargers incorporate three lobe or four lobe rotors; this allows the lobes to have a along the rotor axes, which reduces pulsing in the input and output (this is impractical with two lobes, as even a slight twist could open up a free path through the supercharger at certain angles). Accumulated heat is an important consideration in the operation of a compressor in an internal combustion engine. Of the three basic supercharger types, the Roots design historically possessed the worst thermal efficiency, especially at high pressure ratios. In accordance with the ideal gas law, a compression operation will raise the temperature of the compressed output. Additionally, the operation of the compressor itself requires energy input, which is converted to heat and can be transferred to the gas through the compressor housing, heating it more. Although intercoolers are more commonly known for their use on turbochargers, superchargers may also benefit from the use of an intercooler. Internal combustion is based upon a thermodynamic cycle, and a lower temperature of the intake charge results in a greater thermodynamic expansion and vice versa. A hot intake charge provokes detonation in a petrol engine, and can melt the pistons in a diesel, while an intercooling stage adds complexity but can improve the power output by increasing the amount of the input charge, exactly as if the engine were of higher capacity. An intercooler reduces the thermodynamic efficiency by losing the heat (power) introduced by compression, but increases the power available because of the increased working mass for each cycle. Above about the intercooling improvement can become dramatic. With a Roots type supercharger, one method successfully employed is the addition of a thin heat exchanger placed between the blower and the engine. Water is circulated through it to a second unit placed near the front of the vehicle where a fan and the ambient air stream can dissipate the collected heat. The Roots design was commonly used on two stroke diesel engines (popularized by the Detroit Diesel [truck and bus] and Electro Motive [railroad] divisions of General Motors), which require some form of forced induction, because there is no separate intake stroke. The Rootes Co. two stroke diesel engine, used in Commer and Karrier vehicles, had a Roots type blower; the two companies are not related. The superchargers used on top fuel engines, funny cars, and other dragsters, as well as hot rods, are in fact derivatives of General Motors Coach Division blowers for their industrial diesel engines, which were adapted for automotive use in drag racing. The model name of these units delineates their size the once commonly used 4–71 and 6–71 blowers were designed for 71 series diesels. Current competition dragsters use aftermarket GMC variants similar in design to the 71 series, but with the rotor and case length increased for added capacity; hot rodders also use reproduction 6 71s. Roots blowers are typically used in applications where a large volume of air must be moved across a relatively small pressure differential. This includes low vacuum applications, with the Roots blower acting alone, or in combination with other pumps as part of a high vacuum system. One very common industrial application is in pneumatic conveying systems, the blower delivering a high volume of air for the movement of bulk solids through pipes. Some civil defense sirens used Roots blowers to pump air to the rotor (chopper) so as to drastically increase its sound output through all pitch ranges. The most well known are the Federal Signal Thunderbolt Series, and ACA (now American Signal Corporation) Hurricane. These sirens are known as "supercharged sirens". Roots blowers are also used in reverse to measure the flow of gases or liquids, for example, in gas meters. Roots blowers were used for cabin pressurisation in aircraft, initially being investigated immediately before WW2 (using the Marshall supercharger) and made by companies such as Sir George Godfrey and Partners who were still shipping increasing numbers into the 1960s, they were later superseded by air bleeds from jet engine compression stages.

Техникалық ескертулер

Roots үрлеуіштің ең қарапайым түрі циклоидты роторларға ие, олар гипоциклоидты және эпициклоидты қисықтардың кезектесіп жататын жанама бөліктерінен құралған. Екі қанатты ротор үшін кіші туынды шеңберлер үлкенірек диаметрдің төрттен бір бөлігіне тең. Нақты Roots үрлеуіштерде тиімділікті арттыру үшін күрделі пішіндер болуы мүмкін. Бір ротордағы қанаттар екінші роторды барлық күйде минималды бос орынмен жеңілдетпейді, сондықтан қанаттардың фазасын жеке жұп дөңгелектер қамтамасыз етеді. Айналмалы қанатты сорғылар қанаттар арасындағы аралықты сақтау керек болғандықтан, бір сатылы Roots үрлеуіші газды тек шектеулі қысым айырмашылығымен ғана сорғылай алады. Егер сорғы оның техникалық сипаттамасынан артық қолданылса, газдың қысылуы жеткілікті мөлшерде жылу тудырады, соның салдарынан қанаттар кеңейіп, біте қалып, сорғыны зақымдайды. Roots сорғылары үлкен көлемді сорғылауға қабілетті, бірақ олар орташа қысымға ғана жете алатындықтан, бірнеше Roots үрлеуіш сатыларын, көбінесе газды салқындату үшін жылу алмастырғыштармен (суытқыштармен) жиі кездестіруге болады. Сорғылау беттерінде майдың болмауы сорғылауды бақылау маңызды ортада жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Көмірсутектерді жоғары жылдамдықпен сорғылау Roots сорғысына майланған сорғылар, мысалы айналмалы қысым сорғылары мен вакуум камерасы арасында тиімді оқшаулауды қамтамасыз етуге мүмкіндік береді. Оның бір түрі жоғары қысым үшін тырнақ тәрізді роторларды қолданады.

Тамыр тиімділік картасы

Roots типті үрлегіш шамамен 70% тиімділікке қол жеткізе алады, ал ең жоғары қысым қатынасы екіге тең. Жоғары қысым қатынастарына қол жеткізу мүмкін, бірақ тиімділік төмендейді. Roots типті үрлегіш ауаны дискретті импульстармен (бұрандалы компрессордан өзгеше) соғатындықтан, импульстік шу және турбуленттілік төменгі ағынға берілуі мүмкін. Егер бұл дұрыс басқарылмаса (шығыс құбырларының геометриясы арқылы) немесе ескерілмесе (төменгі ағындағы компоненттердің құрылымдық нығайтуымен), пайда болатын импульстар сұйықтық кавитациясына және/немесе үрлегіштен кейінгі компоненттердің зақымдануына әкелуі мүмкін. Кез келген берілген жағдайда жұмыс істейтін Roots үрлегіші үшін картада бір нүкте болады. Бұл нүкте күшейтудің артуымен жоғарылайды және үрлегіш жылдамдығының артуымен оңға қарай жылжиды. Көрініп тұрғанындай, орташа жылдамдық және төмен күшейтуде тиімділік 90% -дан асып кетеді. Roots үрлегіштері бастапқыда осы аймақта жұмыс істеу үшін жасалған, және олар мұнда өте жақсы жұмыс істейді. Күшейту қысым қатынасы түрінде беріледі, яғни үрлегіш алдындағы абсолютті ауа қысымының, үрлегішпен қысылғаннан кейінгі абсолютті ауа қысымына қатынасы. Егер күшейту болмаса, қысым қатынасы 1.0 (яғни 1:1) болады, себебі шығыс қысымы кіріс қысымына тең. 15psi күшейту анықтама үшін белгіленген (атмосфералық қысыммен салыстырғанда 2.0 қысым қатынасынан сәл жоғары). Күшейту кезінде Roots үрлегіштері 50% және 58% аралығында қозғалады. Кіші үрлегішті үлкен үрлегішпен ауыстыру нүктені солға жылжитады. Көп жағдайларда, карта көрсеткендей, бұл оны сол жақтағы тиімділігі жоғары аймаққа жылжитады, себебі кіші үрлегіш графиктің оң жағында жылдам жұмыс істеген болуы мүмкін. Әдетте, үлкен үрлегішті пайдаланып, оны бірдей күшейтуді алу үшін баяурақ жұмыс істету компрессордың тиімділігін арттырады. Roots типті үрлегіштің көлемдік тиімділігі өте жақсы, әдетте барлық ең төменгі үрлегіш жылдамдықтарынан басқа, 90% -дан жоғары болады. Сондықтан, төмен тиімділікпен жұмыс істейтін үрлегіш қозғалтқышқа қажетті ауа көлемін механикалық түрде жеткізеді, бірақ бұл ауа ыстық болады. Дрэг-рейсинг жарыстарында, ыстық ауамен бірге үлкен көлемде отын инъекцияланғанда, отынды буландыру жылуды сіңіреді. Бұл сұйық салқындатқыш жүйесі сияқты жұмыс істейді және Roots конструкциясының тиімсіздігін осы қолдануда жоюға көмектеседі.

The Roots type blower may achieve an efficiency of approximately 70% while achieving a maximum pressure ratio of two. Higher pressure ratios are achievable but at decreasing efficiency. Because a Roots type blower pumps air in discrete pulses (unlike a screw compressor), pulsation noise and turbulence may be transmitted downstream. If not properly managed (through outlet piping geometry) or accounted for (by structural reinforcement of downstream components), the resulting pulsations can cause fluid cavitation and/or damage to components downstream of the blower. For any given Roots blower running under given conditions, a single point will fall on the map. This point will rise with increasing boost and will move to the right with increasing blower speed. It can be seen that, at moderate speed and low boost, the efficiency can be over 90%. This is the area in which Roots blowers were originally intended to operate, and they are very good at it. Boost is given in terms of pressure ratio, which is the ratio of absolute air pressure before the blower to the absolute air pressure after compression by the blower. If no boost is present, the pressure ratio will be 1.0 (meaning 1:1), as the outlet pressure equals the inlet pressure. 15psi boost is marked for reference (slightly above a pressure ratio of 2.0 compared to atmospheric pressure). At boost, Roots blowers hover between 50% and 58%. Replacing a smaller blower with a larger blower moves the point to the left. In most cases, as the map shows, this will move it into higher efficiency areas on the left as the smaller blower likely will have been running fast on the right of the chart. Usually, using a larger blower and running it slower to achieve the same boost will give an increase in compressor efficiency. The volumetric efficiency of the Roots type blower is very good, usually staying above 90% at all but the lowest blower speeds. Because of that, a blower running at low efficiency will still mechanically deliver the intended volume of air to the engine, but that air will be hotter. In drag racing applications, where large volumes of fuel are injected with that hot air, vaporizing the fuel absorbs the heat. That functions as a kind of liquid aftercooler system and goes a long way to negating the inefficiency of the Roots design in that application.

Қатынасты терминдер

"Үрлегіш" термині көбінесе энергия көзі ретінде тікелей механикалық байланысты қолдана отырып, қосымша ауа ағынына мұқтаж қозғалтқыштарға орнатылатын құрылғыны анықтау үшін қолданылады. "Үрлегіш" термині суперчарджерлердің әртүрлі түрлерін сипаттау үшін де пайдаланылады. Бұрандалы, Roots және центробектік суперчарджерлер – бәрі де "үрлегіш" деп аталатын құрылғылардың түрлері. Алайда, Roots суперчарджері ішкі көлемін азайтатын немесе қысымды арттыратын оң ығысулы сорғы болып табылады, ал эксцентрикалық қанатты PowerPlus және Eaton осьтік ағыны сияқты басқа суперчарджерлердің ішкі сығылуы бар және оларды суперчарджерлер деп атау дұрыс. Керісінше, турбокомпрессор, турбинасын айналдыру үшін түтін қысымын пайдаланады және тікелей механикалық байланысы жоқ, сондықтан ол әдетте "үрлегіш" емес, қарапайым "турбо" деп есептеледі.