Волновой обменник давления Советский патент 1983 года по МПК F04F11/02 F02B33/42 

Изобретение относится к машиностроению, в частности энергетического машиностроения, а именно к устрой ству волновых о.бменникор давления, предназначенных для систем наддува двигателей внутреннего сгорания. Известны волновые обменники давления, содержащие fioTop, снабженный продольными ячейками для обменивающихся давлением рабочих сред и приводом от энергии расширения одной из последних, и охватывающийего статор с торцовыми плитами, в каждой из ко„торых-размещены, ограниченные радиальными боковыми стенками, сегментные окна:В первой - для подвода и отвода сжимаемого воздуха, а во второй - для подвода и отвода сжимающих газов. Привод в известных обменниках давления выполнен в виде криволинейного участка ячеек, в каждом из которых сжимающие газы расширяются перед обменом давления в ячейке, а затем после обмена давления в процессе истечения сжимаются. Разность работ, расширения и сжатия обеспечивает вращение ротора, в результате чего посторонний привод ротора не требуется l . Недостатком известного обменника является отсутствие средств согласо вания фаз движения обменивающихся давлением сред в ячейках со скоро-. стью вращения ротора, что снижает экономичность обменника давления при работе на нерасчетных режимах. Целью изобретения является повышение экономичности обменника давления. Поставленная цель достигается тем что у волнового обменника, содержащего ротор, снабженный продольными ячейками для обменивающихся давлением рабочих сред и приводом от энергии расширения одной из последних, и охватывающий его статор с торцовыми плитами, в каждой из которых .размещены, ограниченные радиальными боковыми стенками, сегментные окна: в первой - для подвода и отвода сжимаемого воздуха, а во второй - для под вода и отвода сжиМающих газов, в пер вой торцовой плите выполнены дополнительные окна, примыкающие к обеим боковым стенкам сегментного окна для отвода сжимаемого воздуха, и привод ротора выполнен турбины, впускное отверстие которой подключено к дополнительным окнам, На фиг. 1 приведена схема соединения ротора с колесом турбины; на фиг. 2 - схематическая развертка ротора и окон для воздуха и газов. Волновой обменник давления состоит из ротора 1 и охватывающего его статора (не показан) с первой торцо|ВОй плитой 2 и второй торцовой плитой 3. Ротор 1 обменника давления механически соединен с рабочим колесом газовой турбины 4. Ротор 1 разеделен на продольные . ячейки. В плите 3 выполнены сегментные окна 5 для подвода сжимающих отработавших газов из двигателяи окна б - для их.отвода после расширения. В плите 2 выполнено сегментное окно 7 для подвода и сегментное окно 8 для сжимаемого воздуха. К боковым стенкам последнего примыкают дополнительные окна 9 и 10, расположены до и после окна 8 по направлению вращения ротора. Впускное отверстие турбины 4 при помощи разветвляющейся трубы 11 подключено к дополнительным окнам. Сегментное окно 7 соединено .с впускным трактом двигателя или со входом второй ступени наддува. Окно 5 соединено трубопроводом с выпускным трактом двигателя. Обменник давления работает в сиетеме наддува следующим образом. На установившемся режиме работы двигателя скорость вращения ротора согласована со скоростью распространения волны давления в ячейках таким образом, чтобы волна давления, возникающая на левом торце ячейки в момент прохождения ею передней кромки окна.5, через которое в ячейку попадают газы высокого давления, достигла второго торца при соединении с окном 8 для отвода сжимаемого воздуха. При этом из дополнительного отверстия 10 заполняющая ячейку газЬ1воздушная смесь поступает на рабочие лопасти турбины 4, приводящей ротор Ьбменника давления во вращение. Незначительное количество воздуха поступает через отверстие 9 (либо эжектируется из него к лопаткам турбины 4) . При изменении режима работы двигателя изменяется скорость распространения возмущений в ячейках обменника давления, что приводит к рассогласованию скоростей вращения ротора обменника давления и скорости распространения по его ячейкс1м волн давления. При увеличении скорости вращения ротора относительно согласованной, волна давления,- распространяющаяся вдоль ячейки подходит к первдму торцу с запозданием и через окна 10 и 9 в ячейку, в которой находится воздух с давлением несколько ниже атмосферного где происходит подсос воздуха из трубы 11, при этом уменьшается количество рабочего тела, поступающего на лопатки турбины, что приводит к уменьшению ее .мощностей, соответственно, к снижению скорости вращения ротора обменника давления. При уменьшении скорости вращения ротора волна давления достигает правого торца ячейки в момент прохождения ею окна 9, волна давления про ходит в этот канал и поступает дале к сопловому аппарату и рабочим лопа кам турбины. Количество рабочего те ла, поступающего на рабочие лопатки увеличивается (за счет поступлениягазовоздушной смеси из канала 10 и дополнительного количества воздуха из канала 9), увеличивается мощность турбины и скорость ее вращени Избыток мощности приводит к увеличе нию скорости вращения ротора обменника давления. Система выйдет на ус тановившийся режим. При выполнении системы наддува с предлагаемым обменником давления, частота вращения ротора газовой тур бины и связанного с ней ротора обменника давления, как следует из описания работы устройства, автоматически поддерживается на уровне, при котором время прохождения волны давления по ячейке равно времени поворота ротора на определенный угол. Следовательно, частота вращения ротора на всех режимах пропорциональ |На скорости прохождения волны давления, т.е. скорости звука .в газе где Т - абсолютная температура газа. Как известно, при работе по внешней характеристике температура выпускных газов изменяется в сравнительно узких пределах, например в пределах от 650 до б90с. Собственно скорость звука и частота вращения ротора обменника давления изменится не более, чем на 3%, и может быть принята постоянной. При этом количество воздуха, заполняющего ячейки обменника давления в единицу времени, также будет постоянным. В идеальном случае это должно привести к повышению давления наддува обратно пропорционально уменьшению числа оборотов двигйтеля. В действительности, с учетом газодинамического принципа ра:боты обменника давления, нельзя ожидать столь большого повышения давления наддува хотя бы за счет увеличения количества воздуха, остающегося в ячейке. На практике, во избежание заброса газов- в цилиндры двигателя, обменник давления рассчитывается так, чтобы при нагнетании воздуха условная граница раздела газов и воздуха не достигала торца ротора. Если на номинальном режиме количество Воздуха, не вытесняемого в двигатель, составляет 20% от объема ячейки, то с ростом давления воздуха э.та величина увеличится. Соответственно снизится коэффициент подачи. С учетом этого и других факторов, можно приближенно считать, что давление наддува будет увеличиваться с уменьшением числа оборотсгв двигателя не столь существенно, но не менее, чем на 20%. Поскольку крутящий момент прямо пропорционален давлению наддува и обратно пропорционален коэффициенту избытка воздуха, отношение максимального крутящего момента к номинальному (коэффициент приспособляемости) для двигателя, в системе которого, установлен предлагаемый обменник давления, будет высоким. При этом выполнение привода в виде отдельной турбины и подача на ее привод газовоздушной смеси из яче- , ек с возможностью использования магистрали между турбиной и ячейками в качестве компенсационной емкости для пополнения ячеек на переходных режимах существенно повышает эконо мичность обменника давления.

ВОЛНОВОЙ ОВМЕННИК ДАВЛЕНИЯ, преимущественно давления отработавших газов и воздуха для системы надг дува двигателя внутреннего сгорания содержащий ротор, снабженный продольными ячейками для обменивающихся давлением рабочих сред и приводом от энергии расширения одной из последних, и охватывающий его статор с торцовыми плитами, в каждой из которых размещены, ргран)сченные радиальными боковыми стенками, сегментные окна: в первой - для подвода и отвода ежи.маемого воздуха, а во второй - для подвода и отвода сжимающих газов, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности, в первой торцовой плите выполнены дополнительные окна, примыкающие к обеим боковым стенкам сегментного для отвода сжимаемого воздуха, и привод ротора выполнен в виде тур.бины, впускное отверстие кото1рой подключено к дополнительным окнам. (Л