Нагнетатель Рутса: принцип работы и применение.

Введение

Насос с положительным вытеснением, роторный (лобковый)

Вдувник Roots – это насос с положительным вытеснением, роторный (лобковый), работающий за счет перекачивания жидкости парой взаимодействующих роторов (лобков), напоминающих удлиненные шестерни. Жидкость захватывается в пространства между роторами и транспортируется от впускной до выпускной стороны. Конструкция вдувника Roots не предусматривает уменьшения объема и повышения давления при прохождении воздуха или другой жидкости, поэтому его следует рассматривать как вдувник, а не нагнетатель, в отличие от некоторых других конструкций "нагнетателей", таких как Козетт, центрифугальный, нагнетатель Shorrock, нагнетатель Powerplus, а также осевой нагнетатель Eaton, которые имеют внутреннюю компрессию. Наиболее распространенным применением вдувника Roots является устройство наддува двухтактных дизельных двигателей, например, производства Detroit Diesel и Electro Motive Diesel. Вдувники Roots также используются для наддува четырехтактных двигателей внутреннего сгорания, при этом привод вдувника осуществляется от коленчатого вала двигателя посредством зубчатого или V-образного ремня, роликовой цепи или зубчатой передачи. Вдувник Roots назван в честь американских изобретателей и братьев Филандера и Фрэнсиса Мариона Рутс, основателей компании Roots Blower Company из Коннерсвилля, штат Индиана, США, которые запатентовали базовую конструкцию в 1860 году как воздушный насос для использования в доменных печах и других промышленных целях. В 1900 году Готлиб Даймлер включил вдувник Roots в запатентованную конструкцию двигателя, что сделало вдувник Roots старейшим из существующих на сегодняшний день типов нагнетателей. Вдувники Roots обычно называют воздушными вдувниками или PD (с положительным вытеснением) вдувниками.

Приложения

Вентилятор типа Roots прост и широко используется. Он может быть более эффективным, чем альтернативные нагнетатели, при создании положительного давления во впускном коллекторе (т.е. выше атмосферного давления) на низких оборотах двигателя, что делает его популярным выбором для легковых автомобилей. Пиковый крутящий момент может быть достигнут примерно на 2000 об/мин. В отличие от базовой схемы, большинство современных нагнетателей типа Roots имеют роторы с тремя или четырьмя лопастями; это позволяет лопастям иметь вытяжку вдоль осей ротора, что снижает пульсации на входе и выходе (это непрактично для двух лопастей, так как даже небольшой сдвиг может открыть свободный проход через нагнетатель под определенными углами). Накопление тепла – важный фактор в работе компрессора в двигателе внутреннего сгорания. Из трех основных типов нагнетателей конструкция Roots исторически обладала наихудшей тепловой эффективностью, особенно при высоких степенях сжатия. В соответствии с законом идеального газа, процесс сжатия повышает температуру сжатого воздуха. Кроме того, работа самого компрессора требует затрат энергии, которая преобразуется в тепло и может передаваться газу через корпус компрессора, дополнительно его нагревая. Хотя интеркулеры чаще используются с турбонагнетателями, нагнетатели также могут выиграть от их применения. Внутреннее сгорание основано на термодинамическом цикле, и более низкая температура впускного заряда приводит к большему термодинамическому расширению и наоборот. Горячий впускной заряд вызывает детонацию в бензиновом двигателе и может расплавить поршни в дизельном, в то время как установка интеркулера усложняет конструкцию, но может повысить мощность за счет увеличения количества поступающего заряда, как если бы двигатель был большего объема. Интеркулер снижает термодинамическую эффективность, отводя тепло (мощность), полученное при сжатии, но увеличивает доступную мощность за счет увеличения рабочей массы на каждом цикле. Выше примерно улучшение от интеркулера может стать значительным. В нагнетателе типа Roots одним из успешно применяемых методов является установка тонкого теплообменника между нагнетателем и двигателем. Вода циркулирует через него во второй блок, расположенный в передней части автомобиля, где вентилятор и поток окружающего воздуха рассеивают накопленное тепло. Конструкция Roots широко использовалась в двухтактных дизельных двигателях (популяризированных подразделениями Detroit Diesel [грузовики и автобусы] и Electro Motive [железнодорожный транспорт] General Motors), которым требуется принудительная подача воздуха, поскольку отсутствует отдельный впускной такт. Двухтактный дизельный двигатель Rootes Co., использовавшийся в автомобилях Commer и Karrier, был оснащен нагнетателем типа Roots; эти две компании не связаны между собой. Нагнетатели, используемые в двигателях Top Fuel, Funny Cars и других драгстерах, а также в хот-родах, фактически являются производными от нагнетателей, производимых подразделением General Motors Coach для их промышленных дизельных двигателей, которые были адаптированы для использования в автомобилях для драг-рейсинга. Обозначение модели этих агрегатов указывает на их размер – широко использовавшиеся ранее 4–71 и 6–71 были разработаны для дизелей серии 71. В современных соревнованиях по драг-рейсингу используются модификации GMC, аналогичные по конструкции серии 71, но с увеличенной длиной ротора и корпуса для повышения производительности; хот-роддеры также используют реплики 6–71. Нагнетатели Roots обычно используются в приложениях, где необходимо перемещать большой объем воздуха при относительно небольшом перепаде давления. Это включает в себя приложения с низким разрежением, где нагнетатель Roots работает самостоятельно или в сочетании с другими насосами в составе системы высокого вакуума. Одно из наиболее распространенных промышленных применений – пневматический транспорт, где нагнетатель обеспечивает большой объем воздуха для перемещения сыпучих материалов по трубопроводам. Некоторые сирены гражданской обороны использовали нагнетатели Roots для подачи воздуха к ротору (измельчителю), чтобы значительно увеличить его звуковую мощность во всех диапазонах частот. Наиболее известны Federal Signal Thunderbolt Series и ACA (ныне American Signal Corporation) Hurricane. Эти сирены известны как "сирены с наддувом". Нагнетатели Roots также используются в обратном направлении для измерения расхода газов или жидкостей, например, в газовых счетчиках. Нагнетатели Roots использовались для герметизации кабин самолетов, изначально исследуясь непосредственно перед Второй мировой войной (с использованием нагнетателя Marshall) и производились такими компаниями, как Sir George Godfrey and Partners, которые продолжали поставлять их в возрастающих количествах в 1960-е годы, позже их заменили отбором воздуха из ступеней компрессора реактивных двигателей.

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.

Технические соображения

Простейшая форма воздуходувки Roots имеет циклоидальные роторы, состоящие из чередующихся тангенциальных участков гипоциклоидных и эпициклоидных кривых. Для двухлопастного ротора малые образующие окружности составляют четверть диаметра больших. Реальные воздуходувки Roots могут иметь более сложные профили для повышения эффективности. Лопасти одного ротора не могут напрямую приводить в движение другой ротор, обеспечивая минимальный зазор во всех положениях, поэтому для синхронизации лопастей используется отдельная пара зубчатых передач. Поскольку роторно-лопастным насосам необходимо поддерживать зазор между лопастями, одноступенчатая воздуходувка Roots может перекачивать газ только при ограниченной разнице давлений. При использовании насоса за пределами его технических характеристик сжатие газа генерирует достаточно тепла, чтобы лопасти расширились и заклинило, что приводит к повреждению насоса. Насосы Roots способны перекачивать большие объемы, но, поскольку они обеспечивают лишь умеренное сжатие, часто используются многоступенчатые воздуходувки Roots, нередко с теплообменниками (промежуточными охладителями) между ступенями для охлаждения газа. Отсутствие масла на рабочих поверхностях позволяет насосам работать в средах, где важен контроль загрязнений. Высокая производительность по перекачке углеводородов позволяет насосу Roots эффективно изолировать насосы, работающие с использованием масла, такие как роторно-компрессионные насосы, от вакуумной камеры. Существует вариант с роторами когтеобразной формы для достижения более высокого сжатия.

Карта эффективности корней

Вентилятор типа Roots может достигать эффективности примерно 70% при максимальном коэффициенте наддува, равном двум. Более высокие коэффициенты наддува достижимы, но при этом снижается эффективность. Поскольку вентилятор типа Roots перекачивает воздух дискретными импульсами (в отличие от винтового компрессора), пульсационный шум и турбулентность могут передаваться по потоку. Если это не контролируется должным образом (путем оптимизации геометрии выходных труб) или не учитывается (путем усиления конструкции компонентов, расположенных ниже по потоку), возникающие пульсации могут вызвать кавитацию жидкости и/или повреждение компонентов, расположенных после вентилятора. Для любого вентилятора Roots, работающего в заданных условиях, на графике будет отображена одна точка. Эта точка будет подниматься с увеличением наддува и перемещаться вправо с увеличением скорости вращения вентилятора. Можно заметить, что при умеренной скорости и низком наддуве эффективность может превышать 90%. Это область, для работы в которой изначально и предназначались вентиляторы Roots, и они в этом очень эффективны. Наддув выражается в коэффициенте наддува, который представляет собой отношение абсолютного давления воздуха перед вентилятором к абсолютному давлению воздуха после сжатия. При отсутствии наддува коэффициент наддува будет равен 1,0 (то есть 1:1), поскольку выходное давление равно входному. Для справки отмечен наддув в 15 psi (немного выше коэффициента наддува 2,0 по сравнению с атмосферным давлением). При наличии наддува эффективность вентиляторов Roots обычно находится в диапазоне от 50% до 58%. Замена меньшего вентилятора на больший сдвигает точку влево. В большинстве случаев, как показывает график, это перемещает ее в область с более высокой эффективностью слева, поскольку меньший вентилятор, вероятно, работал бы на высоких оборотах справа на графике. Как правило, использование более крупного вентилятора и работа на более низких оборотах для достижения того же наддува повышает эффективность компрессора. Объемная эффективность вентилятора типа Roots очень высока, обычно оставаясь выше 90% при всех скоростях вращения, кроме самых низких. Благодаря этому вентилятор, работающий с низкой эффективностью, все равно будет механически подавать в двигатель требуемый объем воздуха, но этот воздух будет горячее. В соревнованиях по драг-рейсингу, где вместе с этим горячим воздухом впрыскиваются большие объемы топлива, испарение топлива поглощает тепло. Это действует как своего рода жидкостная система промежуточного охлаждения и значительно снижает неэффективность конструкции Roots в этом применении.

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.

Связанные термины

Термин "нагнетатель" обычно используется для определения устройства, устанавливаемого на двигателях, которым требуется дополнительный поток воздуха, и использующего прямую механическую связь в качестве источника энергии. Термин "нагнетатель" применяется для описания различных типов компрессоров (суперчарджеров). Винтовой компрессор, компрессор типа Roots и центробежный компрессор – все это типы, которые обычно называют нагнетателями, однако существует различие между компрессором типа Roots, который является нагнетателем с объёмным принципом действия, не имеющим внутреннего уменьшения объёма/повышения давления, и другими типами компрессоров, такими как эксцентриковый PowerPlus и осевой Eaton, которые имеют внутреннее сжатие и более правильно называются компрессорами (суперчарджерами). В отличие от этого, турбокомпрессор, использующий энергию сжатия выхлопных газов для вращения турбины, а не прямую механическую связь, обычно не считается "нагнетателем", а просто "турбо".