Типы приводных нагнетателей Центробежные компрессоры
Центробежные компрессоры получили в настоящее время наибольшее распространение для наддува двигателей внутреннего сгорания. Центробежный компрессор относится к лопаточным машинам, принцип работы которых основан на динамическом воздействии высокоскоростного потока газа с лопатками рабочего колеса и лопатками неподвижных элементов машины. По сравнению с объемными, лопаточные компрессоры более компактны и относительно просты по конструкции.
Центробежный компрессор включает входное устройство, рабочее колесо (называемое также крыльчаткой), диффузор, состоящий из безлопаточной и лопаточной частей (последняя может отсутствовать), и воздухосборник, часто выполняемый в виде улитки. Воздух через фильтр поступает во входное устройство, суживающееся по направлению движения воздуха, что способствует устойчивости потока. Входное устройство должно обеспечивать равномерный подвод воздуха к колесу при минимальных потерях. Рабочее колесо установлено на шлицах или, в случае малых размеров, на гладком валу, связанном механической передачей с коленчатым валом двигателя или непосредственно с рабочим колесом газовой турбины.
Кинетическая и потенциальная (в виде давления) энергия сообщается воздуху в рабочем колесе. Кинетическая энергия на выходе из колеса составляет обычно около половины общей энергии потока, поэтому для превращения ее в энергию давления за рабочим колесом устанавливают диффузор. При движении воздуха в диффузоре вследствие непрерывного увеличения площади проходного сечения скорость потока падает, а давление возрастает. Возникающие при этом потери составляют значительную долю от общих потерь в компрессоре. Вследствие наличия в диффузоре лопаточной части уменьшаются потери по сравнению с диффузором без лопаток. Воздух, выходящий по окружности из диффузора, собирается в воздухосборнике и из него направляется во впускные трубопроводы двигателя. Воздухосборник в зависимости от общей компоновки на двигателе может иметь один или несколько выходных патрубков.
Основными параметрами, характеризующими работу центробежного компрессора, являются расход воздуха через компрессор, степень повышения давления, а также КПД компрессора. Применяемые в настоящее время для наддува двигателей внутреннего сгорания центробежные компрессоры имеют весьма широкий диапазон изменения этих параметров. Так, степень повышения давления меняется от 1,2 в компрессорах с приводом от вала двигателя, используемых в ряде случаев в качестве второй ступени наддува, до 3-3,5 и более в компрессорах форсированных комбинированных двигателей. В одной ступени возможно получение степени повышения давления порядка 10. Окружные скорости рабочего колеса компрессоров современных комбинированных двигателей на периферии превышают 400 м/с, поэтому для обеспечения высокой прочности колеса необходимо применение высококачественных материалов.
Частота вращения колеса компрессора зависит от потребностей окружной скорости на периферии колеса, определяемой, в свою очередь, степенью повышения давления в компрессоре, и от размеров колеса, связанных с расходом воздуха через компрессор. Поэтому высокая частота вращения, достигающая 150.000 об/мин, характерна для высоконапорных компрессоров автомобильных дизелей.
Роторно-шестеренчатые компрессоры (типа Roots)
Ранее широко использовались для воздухоснабжения двигателей. Характеризуются сравнительной простотой конструкции, достаточно большим сроком службы, уравновешенностью, высокой чистотой подаваемого воздуха и благоприятной зависимостью изменения давления за компрессором от частоты вращения его роторов, что весьма важно при работе двигателя на переменных режимах.
В процессе переноса от впускного окна к выпускному воздух в рабочей полости не сжимается, т.е. отсутствует так называемое внутреннее сжатие, поэтому роторно-шестеренчатые компрессоры часто называются компрессорами с внешним сжатием. Вследствие этого роторно-шестеренчатые компрессоры работают достаточно эффективно лишь при умеренной степени повышения давления, равной отношению давления на нагнетании к давлению на всасывании. С ростом последней КПД компрессора заметно падает. К недостаткам рассматриваемых компрессоров относятся также сильная зависимость КПД от величины зазоров между рабочими органами компрессора, сильный шум и пульсации давления нагнетания, особенно в случае применения более простых в изготовлении прямозубых роторов.
Наибольшее распространение получили роторно-шестеренчатые компрессоры с двумя одинаковыми роторами и поперечным расположением в корпусе впускного и выпускного окон.
Для улучшения равномерности подачи воздуха и уменьшения шума роторы делают спиральными. Однако применение таких роторов или окон клиновидной формы может лишь уменьшить пульсацию давления — полностью устранить ее в компрессоре с внешним сжатием невозможно. В случае использования трехзубчатых роторов период пульсации скорости и давления в проточной части соответствует 60° угла поворота роторов; амплитуда пульсаций по сравнению с двузубчатыми роторами меньше.
Винтовые компрессоры (типа Lysholm)
В отличие от роторно-шестеренчатых компрессоров, компрессоры с винтовыми роторами имеют проточную часть с диагональным движением воздуха. Наличие внутреннего сжатия, достигаемого изменением объема полостей между вращающимися винтовыми роторами и корпусом, допускает весьма высокую степень повышения давления воздуха в компрессоре (до 7 при наличии охлаждения корпуса) при достаточно высоком КПД. Высокая быстроходность компрессора (до 12. 000 об/мин) делает его компактным и дает возможность осуществлять привод от газовой турбины. К преимуществам винтового компрессора относятся также высокая надежность и уравновешенность. Кроме того, в подаваемом воздухе отсутствуют примеси масла. Винтовой компрессор наиболее пригоден для совместной работы с поршневым двигателем.
Основными недостатками винтовых компрессоров являются сложность формы роторов, изготовление которых требует специальной сложной оснастки, а также их массивность. Следует отметить, что работа винтового компрессора сопровождается шумом высокой частоты, вызываемым пульсациями давления на всасывании и нагнетании.
Роторы винтового компрессора имеют вид зубчатых колес со спиральными зубьями с большим углом наклона спирали. Ведущий ротор имеет четыре зуба, а ведомый ротор — шесть выемок, профиль которых соответствует профилю зубьев ведущего ротора. Профиль зуба асимметричен и состоит из эпициклоидальных кривых и дуг окружности. Зубья роторов в процессе работы не соприкасаются между собой и с корпусом, что обусловливается наличием синхронизирующих шестерен, закрепленных на валах роторов, и подшипников. Отношение чисел зубьев шестерен равно отношению чисел зубьев соответствующих роторов. Зубчатые шестерни передают небольшой крутящий момент (около 10% общего крутящего момента), так как ротор с впадинами выполняет главным образом функцию распределительного органа.
Рабочий цикл винтового компрессора можно разбить на четыре этапа:
1. Всасывание. Через отверстие внизу корпуса со стороны всасывания воздух поступает в полость, образующуюся в результате выхода зуба ведущего ротора из впадины ведомого. При дальнейшем вращении роторов увеличивается объем полости до тех пор, пока у противоположного торца зуб не выйдет из впадины ротора.
2. Подача. Воздух в полости между роторами без изменения давления переносится в верхнюю часть корпуса, где во впадину ведомого ротора начинает входить зуб ведущего ротора. При этом сообщение полости между роторами с пространством всасывания прекращается.
3. Сжатие. Зуб движется по впадине со стороны всасывания и сжимает воздух, находящийся в полости, ограниченной впадиной ведомого ротора, стенками корпуса и поверхностью зуба ротора.
4. Нагнетание. После достижения расчетного давления полость со сжатым воздухом соединяется с выпускным отверстием в цилиндрической и торцевой частях корпуса. Происходит нагнетание с постепенным уменьшением объема. В дальнейшем цикл повторяется.
Окружные скорости роторов на наружном диаметре зуба достигают 50 — 100 м/с.
Роторы обычно изготовляют из углеродистой стали; КПД винтовых компрессоров
