Газодинамический обменник давления Советский патент 1980 года по МПК F02B33/42 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности дизелестроения, а именно к устройству газодинамических обменнико давления, используемых в системе наддува дизеля . Известны газодинамические обменники давления, содержащий ротор с прямолинейными ячейками, вращающийся в статоре между торцовыми плитами, одна из которых снабжена окнами для впуска и выпуска сжимаемого воздуха, а другая - окнами для подвода и от вода сжимающего газа 1 . Обмен давления между газом и воздухом основан на распространении волн давления в ячейках ротора. Поэтому необходимо, чтобы момент сообщения торца ячейки с соответству щим окном совпадал с моментом приближения к этому торцу волны давления. Периодич ность открытия окон зависит от частоты вращения ротора, а скорость распространения волн в ячейках - от параметров рабочей среды. В случае рассогласования скоростей распространения волн с частотой вращения эффек тивность обмена давления снижается и возможно перемешивание сред. Известен обменников котором между окнами для впуска и выпуска сжимающего воздуха (по ходу вращения ротора) в торцовой плите выполняют углубление и между окном для отвода газа и окном для подвода газа (также по ходу вращения ротора), в другой плите размещают дополнительную полость и сообщают ее с боковой поверхностью последнего при помощи канала в перемычке 2. Углубление снижает вредное влияние, оказываемое на процесс обмена отраженными волнами, в случае рассогласования скорости распространения волн с частотой вращения ротора, а дополнительная полость повышает положительное действие кармана. Однако в известных обменниках дополнительная полость и канал выполнены постоянного сечения, что не позволяет регулировать их влияние на ; рабочий процесс и сужает диапазон рабочих режимов обменника давления.

Целью изобретения является повышение эффективности и расширение диапазона рабочШ режимов обменника давления.

Для этого в предлагаемом обменнике канал выполнен в виде группы отверстш, размещенных в леремычке с наклоном от торцовой поверхности ротора к дну полости, и снабжен дросселем переменного сечения. Дроссель может быть выполнен в виде заслонки, установленной с возможностью ее перемещения вдоль перемычки.

На фиг. 1 схематически изображен описываемый обменник давлений, разрез; на фиг.2плита с окнами для впуска и выпуска сжимаемого воздуха, вид с торца; на фиг. 3 - плита с окнами для подвода и отвода сжимающего газа, вид с торца; на фиг. 4 - развертка по ячейкам ротора с нанесенными на нее волнами давления; на фиг. 5 - сечение А-А на фиг. 4.

Обменник давления состонт из ротора 1 с прямолинейными каналами 2, расположенными по окружности D вдоль оси ротора. Статор 3 снабжен торцовой плитой 4, в которой по ходу вращения ротора расположены: дополнительная полость 5 с ведущей а и ведомой в кромками, окно 6 подвода газов высокого давления с ведущей с и ведомой d кромками и окно 7 отвода газов низкого давления с ведущей е и ведомой f кромками. В торцовой плите 8 по ходу вращения ротора расположены углубление 9 с ведущей q и ведомой h кромками, окно 10 выпуска воздуха нод высоким давлением с ведущей j 5 ведомой k кромками и окно 11 выпуска воздуха низкого давления с ведущей кромкой и ведомой т.3ас;7онка 12 с перепускнь ми отверстиями 13 (фиг. 4, 5) установлена с возможностью перемещения вдоль перемычки 14 между дополнительной полостью 5 и впускным окном 6 с приводом от регулирующего устройства 15. В перемычке расположена группа отверстий 16, наклоненных от торца ротора к дну полости 5. Регулирующее устройство 15 может быть выполнено любым известным образом. В частности, рабочая полость регулирующего устройства может быть соединена с окнами обме1шика давления, с выпускной или впускной системами двигателя внутреннего сгорания, с гидравлическим приводом от рейки топливного насоса или от системы дистанционного управления двигателем. Эффективное проходное сечение Ротв перепускных отверстий 13 изменяется в зависимости от

режима работы двигателя при перемещен1Ш заслонки.

Направление вращения ротора 1 указано стрелкой и на фиг. 4. Каналы 2 последовател

но проходят в направлении вращения ротора кромки а, Ь, h, с, J, d, k, е, t, т, q, f.

При вращении ротора обменника давления с но1«цшальной скоростью начальная волна сжатия ah распространяется от ведущей кромки а полости 5 и достигает противоположного конца канала 2, когда последний откроется ведущей кромкой j окна 10. Распространению отраженной ъотгы сжатия в обратном направлении по каналу противодействует новая волна сжатия jc, возникшая при подходе канала 2 к ведущей кромке с окна 6. Взаимодействием волн сжатия ah и с достигается повыщение давления наддувочного воздуха. Ступенчатым поджатием воздуха в каналах ротора одновремегшо с повышением степени сжатия достигается и другая цель - уменьшение зоны смещения воздуха с газом за счет снижения начальной скорости потока, входящего в каналы.

Отраженная волна сжатия ke, возникающа у ведомой кромки k окна 10 выпуска воздуха высокого давления распространяется поканалу до подхода последнего к ведущей кромке е окна 7 отвода газов низкого давления. С этого момента происходит свободное истечение газа из рассматриваемого канала ротора. К моменту открытия канала ведущей кромкой & окна 11 впуска воздуха низ- , кого давления волна расширения е В создает частичное разрежение в канале, который начинает продуваться воздухом из атсмосферы. Отраженная от открытого конца канала волна расцшрения Em способствует вытеснению из канала отработавших газов. При подходе канала к ведущей кромке q углубления 9 слабая волна сжатия mq опрокидывается сжатым воздухом, и вторичная слабая волна сжатия qf распространяется по каналу до подхода последнего к ведущей кромке а, после чего Щ1КЛ повторяется.

Если ротор 1 вращается со скоростью ниже номинальной, в обменнике да вления происходит нарушение волнового режима и соответственно нарущается продувка канаг ов ротора. В результате часть отработавших газов остается в каналах 2 ротора 1 до подхода к ведущей кромке q углубления 9, заполненного продувочным воздухом. При уменьшении числа оборотов ротора 1 возрастает время прохождения каналом участка от кромки q до кромки f и волна сжатия qf продувочного воздуха достигает противоположного конца канала 2 до подхода его к ведомой кромке f окна 7 отвода газа низкого давления. Следовательно, имеет место допродувка каналов ротора от оставшихся в них продуктов сгорания до начала очередного цикла.

Аналогично, волна сжатия ah, возникающая у ведущей кромки а полости 5, достигает противоположного конца канал 2 до подхода его к ведомой кромке h углубления 9, который пополняется воздухом частично вытесненным из канала.

Таким образом, на неноминальных режимах работы обменника давления воздух из каналов 2 ротора 1 вытесняется в окно 10 взаимодействием вторичной волны сжатия jc не с пертвичной волной ah, а с ее отражением от перемычки 14. При форсировке транспортного двигателя по нагрузочно-скоростпой характеристике перепускные каналы 13 частично перекрываются перемещением заслонки вправо. При снижении нагрузки - проходное сечение перепускных каналов 13 увеличивается за счет перемещения заслонки 12 влево.

Эффективное проходное сечение FQTB. перепускных каналов 13, в зависимости от нагрузочно-скоростного режима работы двигателя, изменяют из условия обеспечения оптимальной скорости потока, входящего в каналы 2 ротора обменника давления из полости 5:

tc(t-1Cil о,

отв К-Б

у .. 1G

Yi--nr «

где FVD эффективное выходное Сечение поIx.D,

лости;

1t - степень расщирепия газа, перепускаемого в полость; ТС - степень расширения газа при входе

в каналы ротора из полости. Полость 5 находится в таком положении относительно углубления 9 и окна 10 выпуска воздуха, при котором при номинальной скорости вращения ротора 1 слабая волна сжатия, начинающаяся в каждом канале от ведущей кромки q углубления 9, точно достигает ведущей кромки а полости 5, усиливается и .после изменения направления достигает противоположного конца канала 2 к моменту подхода последнего к ведущей кромке j окна 10 выпуска воздуха высокого давления. Ведомая кромка в полости 5 и ведомая кромка f выпускного окна низкого давления 7 перекрываются, соответственно, ведомой кромкой h и ведущей кромкой q углубления 9 из условия обеспечения эффективной продувки каналов ротора от оставщихся в них продуктов сгорания до начала очередкого 1щкл Наибольшее количество продуктов сгорания Остается в каналах 2 ротора 1 при умепьщении нагрузки транспортного двигателя ниже 50% от номинальной. Поэтому ведомая кромка f окна 7 смещена относительно ведущей кромки q углубления 9 на такое

угловое расстояние, при котором при указанных нахрузках волна сжатия qf от продувочного воздуха достигает противоположного конца канала 2 до подхода его к кромке f. 5 Соответственно, ведомая кромка h углубления 9 смещена относительно ведущей кромки а полости 5 на такое угловое расстояние, при котором сжатия ah, возникшая у кромки а, при нагрузках менее 50% дости10 гает противоположного конца рассматриваемого канала 2 до подхода его к кромке h.

Ведомая кромка k окна 10 расположена относительно ведущей кромки с окна 6 так, что за время прохождения каналом углового tS расстояния между этими кромками вторившая волна сжатия высокого давлен1Ш jc проходит . расстояние, равное длуше канала 2 ротора 1. Аналогично, угловое расстояние между ведомой кромкой 1 окна 10 и ведущей кром20 кой е окна 7 определяется из периода прохождения по каналу отраже1гаой волны сжатрш ke. Ведущая кромка f окна 11 расположена относительно ведущей кромки е окна 7 на таком угловом расстоянии, 5 при котором давление в канале к моменту открытия его ведущей кромкой Е всегда немного ниже атмосферного. Ведомая кромка т окна 11 отстоит от ведущей кромки q углубления 9 на таком угловом расстоянии, 0 что слабая волна сжатия Е ц, достигает торда ячейки во всем диапазоне скоростных режимов работы обменника давления.

Угловое расстояние между ведомой и веду щей кромками окна 6 определяется из усяо5 ВИЯ обеспечения давления наддувочного воздуха для заданного коэффищ1ента избытка воздуха при сгорании.

Наклон группы отверстий 16 в перемычке приводит к тому, что при работе обменника 0 давления в полости 5 образуется вихревой поток, направление вращеш1я которого в плоскости касания с входными кромками каналов 2 совпадает с направлением вращения ротора 1, , что снижает скорость и кол№ ество газа, поступающего в каналы 2 при част1мном открытии их ведущей кромкой а лтлубления. При такой организащ1и потока уменьщается зона смещетш газа с воздухом и, следовательно, повышается КПД и слепень сжатия обменника давления.

Формула изобретения 1. Газод1шамический обменпик давления, содержащий ротор с прямолш1ейпыми ячейками, вращающийся в статоре между торцовыми плитами, одна из которых снабжена окнами для впуска и выпуска сжимаемого воздуха и