Sprężarka typu Roots - Roots-type supercharger

Dmuchawa Rootsa z wirnikami dwupłatkowymi. Większość prawdziwych wirników dmuchaw Rootsa ma trzy lub cztery krzywki. ( wersja animowana ) Klucz:
  1. Łopatka obrotowa 1
  2. Korpus pompy
  3. Łopatka obrotowa 2
  1. Wlot
  2. Pompowanie
  3. Przetłaczane powietrze lub mieszanka paliwowo-powietrzna do kolektora dolotowego

Dmuchawy Roots typu jest wyporowa pompy płat , która działa poprzez pompowanie cieczy z parą zazębionych płaty przypominające zespół rozciągniętych narzędzi. Płyn jest uwięziony w kieszeniach otaczających płaty i przenoszony od strony wlotowej do wydechu. Najczęstszym zastosowaniem dmuchawy typu Roots było urządzenie indukcyjne w dwusuwowych silnikach wysokoprężnych , takich jak produkowane przez Detroit Diesel i Electro-Motive Diesel . Dmuchawy typu Roots są również stosowane do doładowania silników cyklu Otto , przy czym dmuchawa jest napędzana z wału korbowego silnika za pośrednictwempasek zębaty lub klinowy , łańcuch rolkowy lub przekładnia zębata .

Dmuchawa typu Roots została nazwana na cześć amerykańskich wynalazców i braci Philander i Francis Marion Roots , założycieli Roots Blower Company z Connersville w stanie Indiana USA, którzy opatentowali podstawową konstrukcję w 1860 roku jako pompę powietrza do użytku w wielkich piecach i innych zastosowaniach przemysłowych . W 1900 roku Gottlieb Daimler zastosował dmuchawę w stylu Rootsa w opatentowanej konstrukcji silnika, dzięki czemu dmuchawa typu Roots jest najstarszą z dostępnych obecnie konstrukcji. Dmuchawy Rootsa są powszechnie określane jako dmuchawy powietrza lub dmuchawy PD (dodatnie wyporowe) i mogą być powszechnie nazywane „hufferami”, gdy są używane z silnikami spalającymi benzynę w samochodach z gorącym prętem .

Aplikacje

Eaton M62 typu Roots doładowania jest widoczny w przedniej części tej Ecotec silnika LSJ w 2006 Saturn Ion Red Line

Dmuchawa typu Roots jest prosta i szeroko stosowana. Może być bardziej skuteczny niż alternatywne doładowania w wytwarzaniu dodatniego ciśnienia w kolektorze dolotowym (tj. powyżej ciśnienia atmosferycznego) przy niskich prędkościach obrotowych silnika, co czyni go popularnym wyborem w zastosowaniach samochodów osobowych. Maksymalny moment obrotowy można osiągnąć przy około 2000 obr./min. W przeciwieństwie do podstawowej ilustracji, większość nowoczesnych sprężarek typu Roots zawiera wirniki trójpłatowe lub czteropłatowe; pozwala to na lekkie skręcenie listków wzdłuż osi wirnika, co zmniejsza pulsowanie na wejściu i wyjściu (jest to niepraktyczne w przypadku dwóch listków, ponieważ nawet niewielki skręt może otworzyć swobodną ścieżkę przez sprężarkę pod pewnymi kątami).

Skumulowane ciepło jest ważnym czynnikiem w pracy sprężarki w silniku spalinowym . Spośród trzech podstawowych typów sprężarek, konstrukcja Rootsa historycznie charakteryzowała się najgorszą sprawnością cieplną, zwłaszcza przy wysokich stosunkach ciśnienia. Zgodnie z prawem gazu doskonałego , operacja sprężania podniesie temperaturę sprężonego wyjścia. Dodatkowo sama praca kompresora wymaga poboru energii, która zamieniana jest na ciepło i może być przekazana do gazu przez obudowę kompresora, jeszcze bardziej go podgrzewając. Chociaż intercoolery są bardziej znane ze swojego zastosowania w turbosprężarkach , turbosprężarki mogą również korzystać z zastosowania intercoolera. Spalanie wewnętrzne opiera się na cyklu termodynamicznym , a niższa temperatura wsadu wlotowego skutkuje większą ekspansją termodynamiczną i odwrotnie. Gorący ładunek wlotowy wywołuje detonację w silniku benzynowym i może stopić tłoki w silniku wysokoprężnym, podczas gdy etap z chłodzeniem międzystopniowym zwiększa złożoność, ale może poprawić moc wyjściową poprzez zwiększenie ilości ładunku wejściowego, dokładnie tak, jakby silnik miał większą pojemność . Intercooler zmniejsza wydajność termodynamiczną poprzez utratę ciepła (mocy) wprowadzonego przez sprężanie, ale zwiększa dostępną moc ze względu na zwiększoną masę roboczą w każdym cyklu. Powyżej około 5 psi (35 kPa) poprawa w zakresie chłodzenia międzystopniowego może stać się dramatyczna. W przypadku doładowania typu Roots, jedną z pomyślnie stosowanych metod jest dodanie cienkiego wymiennika ciepła umieszczonego między dmuchawą a silnikiem. Woda przepływa przez nią do drugiej jednostki umieszczonej w pobliżu przodu pojazdu, gdzie wentylator i strumień powietrza z otoczenia mogą rozpraszać zgromadzone ciepło.

Animacja pokazująca kierunek przepływu przez trójłopatkową dmuchawę Rootsa z lekkim skręceniem wirników

Konstrukcja Roots była powszechnie stosowana w dwusuwowych silnikach wysokoprężnych (popularnych przez oddziały Detroit Diesel [ciężarówki i autobusy] i Electro-Motive [kolej] General Motors), które wymagają jakiejś formy wymuszonego doładowania , ponieważ nie ma oddzielnego dolotu udar mózgu. The Rootes Co . dwusuwowy silnik wysokoprężny, stosowany w pojazdach Commer i Karrier , posiadał dmuchawę typu Roots; obie firmy nie są powiązane.

W turbinowe stosowane w najlepszych silników na paliwo , śmiesznych samochodów i innych dragsters , jak również gorących prętów , są w rzeczywistości pochodnych od General Motors Coach Division dmuchaw dla swoich przemysłowych silników Diesla , które zostały przystosowane do użytku motoryzacyjnego w drag racing . Nazwa modelu tych jednostek określa ich wielkość – niegdyś powszechnie stosowane dmuchawy 4–71 i 6–71 zostały zaprojektowane do diesli serii 71 . Obecne dragstery konkurencji wykorzystują nieoryginalne warianty GMC podobne w konstrukcji do serii 71, ale ze zwiększoną długością rotora i obudowy w celu zwiększenia pojemności; hot rodders również używają reprodukcji 6-71s.

Dmuchawy Rootsa są zwykle używane w zastosowaniach, w których duża ilość powietrza musi być przemieszczona przy stosunkowo małej różnicy ciśnień. Obejmuje to zastosowania niskopróżniowe, w których dmuchawa Rootsa działa samodzielnie lub w połączeniu z innymi pompami w ramach systemu wysokiej próżni. Jednym z bardzo powszechnych zastosowań przemysłowych są pneumatyczne systemy transportowe, w których dmuchawa dostarcza dużą ilość powietrza do przemieszczania materiałów sypkich przez rury.

Niektóre syreny obrony cywilnej wykorzystywały dmuchawy Rootsa do pompowania powietrza do wirnika (choppera), aby drastycznie zwiększyć jego moc dźwięku we wszystkich zakresach tonu. Najbardziej znane to Federal Signal Thunderbolt Series i ACA (obecnie American Signal Corporation) Hurricane. Te syreny są znane jako „syreny z doładowaniem”.

Dmuchawy Rootsa są również używane w odwrotnej kolejności do pomiaru przepływu gazów lub cieczy, na przykład w gazomierzach .

Względy techniczne

Budowa dwupłatowego wirnika cykloidalnego. Czerwona krzywa to epicykloida, a niebieska to hipocykloida . Mniejsze koła generujące (czerwony i niebieski) stanowią jedną czwartą średnicy większego koła generującego (czarnego). Profil wirnika to gruba linia.
Trójpłatkowa dmuchawa Rootsa. ( Otwórz animację )

Najprostsza forma dmuchawy Rootsa ma wirniki cykloidalne, zbudowane z naprzemiennych odcinków stycznych krzywych hipocykloidalnych i epicykloidalnych . W przypadku wirnika dwupłatowego mniejsze kręgi generujące stanowią jedną czwartą średnicy większego. Dmuchawy Real Roots mogą mieć bardziej złożone profile w celu zwiększenia wydajności. Występy na jednym wirniku nie będą napędzać drugiego wirnika przy minimalnym luzie we wszystkich pozycjach, tak więc oddzielna para kół zębatych zapewnia fazowanie występów.

Ponieważ pompy krzywkowe muszą utrzymywać odstęp między krzywkami, jednostopniowa dmuchawa Rootsa może pompować gaz przy ograniczonej różnicy ciśnień. Jeśli pompa jest używana w sposób wykraczający poza specyfikację, sprężanie gazu generuje wystarczającą ilość ciepła, aby krzywki rozszerzały się do punktu, w którym zacinają się, uszkadzając pompę.

Pompy Rootsa są w stanie pompować duże objętości, ale ponieważ osiągają tylko umiarkowaną kompresję, nierzadko można zobaczyć wiele stopni dmuchawy Rootsa, często z wymiennikami ciepła ( intercooler ) pomiędzy nimi w celu schłodzenia gazu. Brak oleju na powierzchniach pompujących umożliwia pracę pomp w środowiskach, w których ważna jest kontrola zanieczyszczeń. Wysoka szybkość pompowania węglowodorów pozwala pompie Rootsa na zapewnienie skutecznej izolacji pomiędzy pompami olejowymi , takimi jak pompy sprężarkowe rotacyjne , a komorą próżniową.

Wariant wykorzystuje wirniki w kształcie pazurów, aby uzyskać wyższą kompresję.

Mapa wydajności korzeni

Dmuchawa typu Roots może osiągnąć sprawność około 70% przy maksymalnym ciśnieniu dwa. Wyższe stosunki ciśnień są osiągalne, ale przy malejącej wydajności. Ponieważ dmuchawa typu Rootsa pompuje powietrze dyskretnymi impulsami (w przeciwieństwie do sprężarki śrubowej ), hałas pulsacji i turbulencje mogą być przenoszone w dół strumienia. W przypadku nieprawidłowego zarządzania (poprzez geometrię rurociągu wylotowego) lub uwzględnienia (poprzez strukturalne wzmocnienie komponentów za dmuchawą), powstałe pulsacje mogą powodować kawitację płynu i/lub uszkodzenie komponentów za dmuchawą.

Mapa wydajności doładowania Rootsa . Uogólniona mapa wydajności dmuchawy pokazuje, jak wydajność dmuchawy zmienia się wraz z prędkością i doładowaniem.

Dla dowolnej dmuchawy Rootsa działającej w danych warunkach, na mapie przypadnie jeden punkt. Ten punkt będzie rósł wraz ze wzrostem doładowania i przesuwał się w prawo wraz ze wzrostem prędkości dmuchawy. Widać, że przy umiarkowanych obrotach i niskim doładowaniu sprawność może przekraczać 90%. Jest to obszar, w którym pierwotnie miały pracować dmuchawy Rootsa i są w tym bardzo dobre.

Doładowanie jest podawane jako stosunek ciśnienia, który jest stosunkiem bezwzględnego ciśnienia powietrza przed dmuchawą do bezwzględnego ciśnienia powietrza po sprężaniu przez dmuchawę. Jeśli nie ma doładowania, stosunek ciśnień wyniesie 1,0 (co oznacza 1:1), ponieważ ciśnienie wylotowe jest równe ciśnieniu wlotowemu. Doładowanie 15 psi jest oznaczone jako odniesienie (nieco powyżej stosunku ciśnienia 2,0 w ​​porównaniu do ciśnienia atmosferycznego). Przy doładowaniu 15 psi (100 kPa) dmuchawy Rootsa unoszą się między 50% a 58%. Zastąpienie mniejszej dmuchawy większą dmuchawą przesuwa końcówkę w lewo. W większości przypadków, jak pokazuje mapa, spowoduje to przeniesienie go do obszarów o wyższej wydajności po lewej stronie, ponieważ mniejsza dmuchawa prawdopodobnie będzie działała szybko po prawej stronie wykresu. Zwykle użycie większej dmuchawy i wolniejsze jej działanie w celu osiągnięcia tego samego doładowania daje wzrost wydajności sprężarki.

Wydajność wolumetryczna dmuchawy typu Roots jest bardzo dobra i zwykle utrzymuje się powyżej 90% przy wszystkich, z wyjątkiem najniższych prędkości dmuchawy. Z tego powodu dmuchawa pracująca z niską wydajnością nadal będzie mechanicznie dostarczać do silnika zamierzoną ilość powietrza, ale powietrze to będzie cieplejsze. W zastosowaniach wyścigowych, gdzie duże ilości paliwa są wtryskiwane z gorącym powietrzem, odparowanie paliwa pochłania ciepło. Działa to jako rodzaj układu dochładzania cieczy i znacznie neguje nieefektywność projektu Roots w tej aplikacji.

Zalety komparatywne

Dmuchawy rotacyjne, powszechnie nazywane dopalaczami w zastosowaniach wysokiej próżni, nie są używane jako samodzielna pompa. W zastosowaniach o wysokiej próżni prędkość pompowania wspomagaczy może być wykorzystana do zmniejszenia ciśnienia końcowego i zwiększenia prędkości pompowania.

Terminy pokrewne

Termin „dmuchawa” jest powszechnie używany do określenia urządzenia umieszczonego na silnikach, którego funkcjonalna potrzeba dodatkowego przepływu powietrza, wykorzystującego jako źródło energii bezpośrednie połączenie mechaniczne. Termin dmuchawa jest używany do opisania różnych typów sprężarek. Śrubowe sprężarka Roots typu doładowania, a odśrodkowy doładowania są wszystkie typy dmuchaw. I odwrotnie, turbosprężarka , wykorzystująca sprężanie spalin do obracania turbiny, a nie bezpośrednie połączenie mechaniczne, nie jest ogólnie uważana za „dmuchawę”, ale po prostu „turbo”.

Zobacz też

  • Wyścigi drag , gdzie sprężarki typu Roots są używane do dragsterów z najlepszym paliwem T/F , zabawny samochód F/C Fuel Coupe, każdy na benzynę nitrometanową i dragstery T/AD oraz śmieszne samochody TA/FC na paliwo alkoholowe i Pro Modified na metanol paliwo w profesjonalnych klasach wyścigów drag racing
  • Doładowanie TVS

Bibliografia

Zewnętrzne linki