Волновой обменник давления «Компрекс»

Волновой обменник давления является устройством, в котором в результате непосредственного контакта выпускных газов и воздуха происходит сжатие воздуха и расширение газов. Существует несколько запатентованных схем обменников давления, но распространение получило только устройство, получившее название система наддува «Компрекс».

Первый патент на обменник давления получил в 1913 г. швейцарец Бурхарт. В 1942 г. швейцарская фирма Brown Boveri разработала обменник давления «Компрекс» и лишь в 1950 г. процесс был реализован. Как указывалось выше, обменники «Компрекс» применялись на дизелях и бензиновых двигателях, однако, были вытеснены турбокомпрессорами.

На рис. 3.15 приведена конструкция системы «Компрекс», основными элементами которой являются ротор с продольными ребрами, образующими открытые с обоих концов каналы-ячейки, и статор с выпускными и впускными окнами. Каналы-ячейки могут быть выполнены в 2-3 яруса. Для привода ротора используется ременная передача.

Рис. 3.15. Система наддува "Компрекс"

Принцип действия системы основан на использовании волн давления в выпускном трубопроводе для сжатия воздуха, поступающего в цилиндры двигателя. Для иллюстрации принципа работы обменника давления на рис. 3.16 представлена развертка его ротора по среднему диаметру.

Рис. 3.16. Схема течения газов по каналам ротора системы "Компрекс"

Рабочий цикл в каждом канале начинается с момента ее совмещения с газоподводящим окном А. В этот момент по каналу от выпускного органа распространяется волна давления, которая сжимает находящийся в канале воздух. С момента совмещения канала с окном B сжатый воздух поступает во впускной коллектор двигателя, а к противоположному концу канала распространяется волна разрежения. Разобщение канала с окном B происходит до момента подхода отработавших газов.

При дальнейшим движении канал совмещается с окном С и происходит истечение отработавших газов. При совмещении канала с окном D вследствие разрежения, создаваемого при истечении отработавших газов происходит ее заполнение свежим воздухом. Так как часть свежего воздуха смешивается с отработавшими газами то размеры окон C и D выбирают таким образом, чтобы образовавшаяся смесь вытекала через окно С.

В простейшем обменнике давления отклонение от расчетного режима приводит к значительному ухудшению показателей из-за рассогласования момента прихода волн к концам каналов. Применение специальных карманов в стенках статора позволяет расширить диапазон работы обменника.

По назначению карманы делятся на расширительные, компрессионные и газовые. С расширительным карманом Е сообщаются несколько соседствующих каналов. При уменьшении давления в канале, сообщающемся с окном С, до значений меньших, чем в окне С вследствие перетекания воздуха через карман Е предотвращается обратное течение в окно D.

Аналогичные процессы происходят в компрессионном кармане G. При соединении соседних каналов происходит поджатие воздуха волной давления, распространяющейся от окна А. В результате повышается давление воздуха на частичных режимах.

Газовый карман F сообщается с окном А и тем самым как бы увеличивает площадь этого окна. Поэтому волны разрежения, распространяющиеся от окна В к окну А, отражаются не от стенки статора, а от объема кармана и, соответственно, отражаются волнами давления, увеличивают давление в расширительном кармане Е и ускоряют движение воздуха к канале в направлении окна С.

Частота вращения ротора обменника составляет 4500 об/мин для небольших двигателей, а для мощных двигателей достигает
18 000 об/мин. Уровень степени повышения давления достигает 3,0.

Достоинства обменника давления "Компрекс" следующие.

1. Благоприятное протекание внешней скоростной характеристики двигателя.

2. Высокая приемистость (не надо раскручивать ротор агрегата).

К недостаткам обменника можно отнести следующее.

1. Смешение газов в зоне контакта.

2. Увеличенные габариты по сравнению с турбокомпрессором.

3. Большая стоимость.

4. Отклонение от расчетного режима приводит к ухудшению показателей двигателя.

5. Теплообмен со стенками ротора снижает плотность воздуха.

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные типы нагнетателей, применяемых для наддува ДВС.

2. Что называется характеристикой компрессора?

3. Каков принцип действия нагнетателей объемного типа?

4. Перечислите основные типы объемных нагнетателей, применяемых для наддува ДВС.

5. Как зависит расход воздуха через поршневой компрессор от давления на его выходе?

6. Перечислите достоинства и недостатки поршневого компрессора.

7. У какого объемного нагнетателя самая высокая степень повышения давления?

8. Почему КПД нагнетателя Roots падает с ростом давления нагнетания?

9. В чем заключается главное достоинство нагнетателя Roots?

10. Чем различаются принципы работы компрессоров Roots и Lysholm?

11. В чем заключаются главные недостатки роторно-пластинчатого компрессора?

12. Опишите принцип действия спирального нагнетателя.

13. Опишите принцип действия обменника давления «Компрекс».

14. Почему обменник давления «Компрекс» сегодня не может конкурировать с турбокомпрессором?

 

ЛОПАТОЧНЫЕ КОМПРЕССОРЫ

Устройство для преобразования энергии движущейся жидкости или газа в энергию вращающегося вала (например, турбина) или наоборот (например, компрессор) называется лопаточной машиной.

Лопаточный компрессор является разновидностью лопаточной машины, в котором увеличение полного давления газа осуществляется путем динамического воздействия на непрерывный поток вращающимися решетками лопаток, то есть за счет преобразования механической работы компрессора в кинетическую энергию рабочего тела с последующим преобразованием ее в потенциальную энергию.

По направлению движения рабочего тела относительно оси вращения лопаточные компрессоры бывают центробежного и осевого типов. Лопаточные компрессоры получили наибольшее распространение для наддува ДВС. Их характерной особенностью является работа при высоких окружных скоростях (на периферии колеса 200-450 м/с) и высокая производительность при относительно малых габаритах. Предварительно рассмотрим параметры крылового профиля и решетки профилей, которые необходимы для рассмотрения течения газа в лопаточных компрессорах и других лопаточных машинах.