SU883571A1 - Волновой обменник давлени - Google Patents

Description

(54) ВОЛНОВОЙ ОБМЕННИК ДАВЛЕНИЯ

I

Изобретение относитс  к машиностроению , в частности к устройству нагнетателей, перекачивающих воздух непосредственным воздействием сжатой среды и предназначенных дл  наддува двигателей внутреннего сгорани .

Известны волновые обмеиники давлени , содержащие неподвижный барабан, разделенный на продольные  чейки, каналы подвода и отвода сжимающего рабочего тела к одному из его торцев, каналы подвода и отвода сжимаемого рабочего тела ко второму торцу, вращающиес  торцевые диски, снабженные окнами дл  поочередного сообщени   чеек с каналами, и соединенный с дисками вал, расположенный в центральной полости барабана и св занный с приводом .

Каждый торцевой диск может быть вы . полней в виде днища стакана, охватывающего концевой участок барабана, и окна при этом располагаютс  по образующим цилиндрической части стакана.

При наддуве двигателей внутреннего сгорани  при помощи волнового обменника давлени  сжимающим рабочим телом служат отработавшие газы двигател , а сжимаемым - воздух.

Взаимное угловое положение торцевых дисков рассчитано на то,, чтобы при работе двигател  на расчетном режиме волны давлени  и расширени , распростран ющиес  в  чейках, достигали торцев каждой  чейки в момент, когда она сообщена с соответствующим каналом 1 и 2.

Однако если частота вращени  привода обменника давлени  измен етс , то моменты сообщени  торцев  чеек с каналами не сов10 падают, с моментами подхода волн к этим торцам, и эффективность обменника давлени  падает.

Известны волновые обменники давлени ,, позвол ющие избежать рассогласовани  волн с фазами газообмена, выполненные в виде вращающегос  барабана и неподвижных торцевых дисков. Неподвижность дисков позвол ет измен ть их взаимное угловое положение 3.

Такие обменники давлени  обладают

20 серьезным недостатком, существенно затрудн ющим их применение дл  наддува двигателей внутреннего сгорани , поскольку такие двигатели работают, как правило, в широком диапазоне частоты вращени .

Цель изобретени  - повышение эффективности путем регулировани  взаимного углового положени  торцевых дисков.

Дл  достижени  поставленной цели обменник давлени  снабжен центробежным датчиком частоты вращени  привода, а расположенный в полости барабана участок вала выполнен составным с соединением двух его частей при помощи винтовой пары, св занной через исполнительный механизм с датчиком частоты.

На фиг. 1 изображен волновой обменник давлени , разрез; на фиг. 2 - каналы подвода и отвода сжимающего рабочего тела в аксонометрической проекции; на фиг. 3 - датчик частоты вращени  и винтова  пара; на фиг. 4 - схема идеального газодинамического процесса, происход щего в обменнике давлени , представленного схематично на развертке; на фиг. 5 - схема распространени  волн при снижении частоты вращени  привода; на фиг. 6 - схема, обеспечиваема  предлагаемой системой.

Примечани  на чертеже:

ВОД - волновой обменник давлени ;

ГВД - газ (рабочее тело) высокого давлени , в данном случае отработавшие газы двигател ;

ГНД - газ (рабочее тело) низкого давлени ;

ВВД - воздух (рабочее тело) высокого Давлени , в данном случае наддувочный воздух , поступающий в двигатель;

ВИД - воздух (рабочее тело) низкого давлени , т.е. атмосферный воздух, поступающий в ВОД.

ВОД содержит неподвижньш барабан, состо щий из кожуха 1 и полого вала 2, соединенных радиальными перегородками 3 и образующих продольные  чейки. С обоих торцев барабана установлены вращающиес  торцевые диски 4 и 5, предназначенные дл  поочередного сообщени   чеек с каналами подвода и отвода газа и воздуха (фиг. 1),

Сварна  конструкци  (фиг. 2) состоит из диска 4, в котором имеютс  окна, например дл  подвода ГВД и отвода ГНД, и двух полых конических секторов 6, сообщающихс  с полым валом 7, через который поступает ГВД, и образующих каналы дл  подвода и отвода сжимающего рабочего тела. Количество окон зависит от количества циклов работы ВОД за один оборот, в данном случае предполагаетс  выполнение двух циклов за I оборот ВОД.

На консольной части вала 7 предусмотрено уплотнение 8 (фиг. 1) дл  соединени  с подвод щим патрубком 9 ГВД 7

Одним из вариантов такого уплотнени  может быть так называемое бесконтактное газодинамическое уплотнение, представл ющее собой нарезанные на уплотн ющихс  поверхност х винтовые канавки, например

пр моугольного профил , отдел ющее при относительном вращении области низкого и высокого давлени .

Аналогичные уплотнени  10, II и 12 имеютс  в других местах сопр жени  вращающихс  н неподвижных деталей.

С противоположной стороны диск 5 и каналы дл  воздуха закрыты кожухом 13, на котором укреплен шкив 14 привода ВОД, например дл  клиноремеиной передачи двигател .

Взаимное угловое положение дисков при изменении частоты вращени  привода ВОД может быть осуществлено механизмом, установленным на расположенном в полости барабана участке вала 15, соедин ющем диски 4 и 5 (фиг. 1), действие которого показано более подробно на схеме, приведенной на фиг. 3. Центробежный датчик 16 вызывает осевое перемещение Д1 части 17 вала 15, соедин ющего торцевые диски. На конце этой части 17 имеетс  выступ 18, вход щий в зацепление с внутренней винтовой канавкой 19, нарезанной на конце неподвижной части 20 вала 15. Осевое перемещение Д I подвижной части 17 вала относительно неподвижной части вала 20 под действием центробежного датчика с изменением

скорости вращени  ВОД преобразуетс  в угловой поворот распределителей Л °, а следовательно и соответствующих окон относительно друг друга в нужном направлении. Рычаги 21 и пружина 22 выполн ют функции исполнительного механизма.

Газодинамический цикл ВОД на расчетном режиме представлен схематично на развертке барабана (фиг. 4) и осуществл етс  следующим образом.

Цикл начинаетс  с того, что  чейка барабана заполн етс  свежим воздухом под действием атмосферного давлени . Отработавшие газы из двигател  (ГВД) поступают в выпускной коллектор и через диск 4 под .посто нным давлением перетекают в  чейки барабана. Как только, вследствие вращени  дисков, заполненна  ВНД  чейка входит в контакт с каналом ГВД, возникает волна 23. давлени , Котора  распростран етс  в  чейке со скоростью звука, снимает наход щийс  в ней воздух и вытесн ет его в направле5 НИИ патрубка ВВД.

Вслед за волной давление в  чейку ротора входит ГВД. Поскольку распределители вращаютс  в направлении U, соединительна  лини  фронта волны в отдельных  чейках проходит под углом к осевому направлению . Волна 23 давлени  достигает конца  чейки примерно в тот момент, когда открываетс  выход ВВД. Волна. давленнзЯу ражаетс  от торца  чейки и возврайиа 5(31 в нее в виде волны 24 давлени ,. доs жимает свежий воздух. В зоне вьгсой го д&влени  сжатый воздух вытекает вaЙйytкнoй коллектор, а из него поступает в двигатель. Внезапна  отсечка газового потока у кромки , перекрывающей вход газов в из

канала ГВД создает волну 25 разрежени , котора  снижает давление газов и уменьшает до нул  скорость их движени . В тот момент , когда кромка, перекрывающа  канал ВВД, проходит первый конец  чейки, выпускные газы заполн ют приблизительно две трети  чейки и отдел ютс  от имеющегос  воздуха зоной перемешивани .

В зоне 26 давление ниже, чем в зоне высокого давлени , но выше, чем атмосферное , поэтому газы вытекают из  чейки в выпускное окно диска, как только диск поворачиваетс  в положение, при котором  чейка сообщаетс  с каналом отвода газов ГНД. Волна 27 разрежени , возникающа  в  чейке, достигает правого ее конца в тот момент, когда устанавливаетс  сообщение с каналом ВИД. Эта волна разрежени  и отраженные волны 28, 29 и 30 создают повышенное давление у газового кра   чейки , и газы вытекают в канал ГНД. При этом с воздушной стороны этой  чейки образуетс  разрежение, и она заполн етс  свежим воздухом. Когда выпускные газы и смесь газов с воздухом, естественно образующа с  при их непосредственном контакте, полностью вытекает из  чеек, цикл может начинатьс  вновь с заполнени   чейки барабана свежим воздухом.

Если скорость вращени  ВОД, например, уменьшаетс  без соответствующего изменени  углового положени  отверстий на правой стороне относительно отверстий на левой стороне ВОД, то наблюдаетс  полна  рассинхронизаци  главных волн ВОД, как показано на фиг. 5. Поэтому, например, волна 23 сжати , возникающа  у передней кромки 31 отверсти  ГВД, проходит через  чейки барабана и заканчиваетс  на протиш положном распределителе перед передней кромкой 32 отверсти  ВВД. В результате это приводит к возникновению главной отраженной волны 24, котора  снова отражаетс , когда достигнет отверсти  ГВД.

Кроме того, возникает волна 33 ускоренного разрежени  у передней кромки 32 отверсти  ВВД. Возникновение этих и нежелательных главных волн, вследствие рассинхронизации , приводит к возникновению обратного потока у отверсти  ВВД, что вызывает не толькб существенное уменьщение давлени  в отверстии ВВД, но и уменьшение массового потока до величины, существенно меньшей, чем требуетс  дл  поршневого двигател , дл  которого ВОД служит нагнетателем .

При помощи регулировани  взаимного углового положени  торцевых дисков можно скорректировать это состо ние. Например , на фиг. 6 показано, как диски поворачиваютс  друг относительно друга на определенный угол так, что угловое смещение между окном ВВД и окном ГНД уменьшаетс  настолько, что передн   кромка 32 отверсти  ВВД занимает такое угловое положение что волна 23, возникающа  у передней кромки 31 отверсти  Г|ВЛ. заканчиваетс  у нее.

Таким образом, происходит полное восстановление правильной синхронизации глав ных волн ВОД, как показано на фиг. 6, если

скорость вращени  ВОД уменыкаетс  или увеличиваетс  по сравнению с расчетной При этом ВОД с регулируемыми положением дисков работает с оптимальными КПД за. счет восстановлени  правильной синхрониза ции главных волн, благодар  чему в отверстии ВВД всегда поддерживаетс  посто иное давление, независимо от скорости вращени  ВОД. Как было отмечено, при помощи предлагаемого ВОД можно поддерживать не только заданное давление на входе в двигатель , но также можно удовлетворить требование измен емости массового потока воздуха дл  поршневого двигател .

Так, например, если скорость вращени  поршневого двигател  уменьшаетс , а значиf уменьшаетс  и скорость вращени  ВОД,

то соответствующее уменьшение требуемой величины массового потока воздуха дл  поршневого двигател  автоматически производитс  ВОД, поскольку, благодар  наличию регулируемых дисков, массовый поток воздуха в отборном отверстии уменьшен без уменьшени  КПД. При этом, так как регулируемые диски поддерживают практически посто нное давление в отверстии ВВД, то уменьшение скорости, вследствие уменьшени  частоты вращени  поршневого двигател , автоматически вызывает уменьшение массовых потоков ВОД в соответствии с уменьшенной потребностью поршневого двигател .

Таким образом, предлагаемый волновой обменник давлени  сохран ет требуемую

синхронизацию волн дл  различных скоростей вращени  и посто нное давление в отверстии ВВД, а также измен ет величину массового потока воздуха, необходимого дл  поршневого двигател .

Claims (3)

1.Патент США № 2526818, кл. 417- опублик. 1950.

2.Авторское свидетельство СССР Л 6229%, кл. F 02 В 33/42, 1974.

3.Патент США М 2836346, кл 417- опублик. 1958.

fpue-3