Волновой обменник давления Советский патент 1981 года по МПК F04F11/02 F02B33/42 

(54) ВОЛНОВОЙ ОБМЕННИК ДАВЛЕНИЯ

I

Изобретение относится к машиностроению, в частности к устройству нагнетателей, перекачивающих воздух непосредственным воздействием сжатой среды и предназначенных для наддува двигателей внутреннего сгорания.

Известны волновые обмеиники давления, содержащие неподвижный барабан, разделенный на продольные ячейки, каналы подвода и отвода сжимающего рабочего тела к одному из его торцев, каналы подвода и отвода сжимаемого рабочего тела ко второму торцу, вращающиеся торцевые диски, снабженные окнами для поочередного сообщения ячеек с каналами, и соединенный с дисками вал, расположенный в центральной полости барабана и связанный с приводом.

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

При наддуве двигателей внутреннего сгорания при помощи волнового обменника давления сжимающим рабочим телом служат отработавшие газы двигателя, а сжимаемым - воздух.

Взаимное угловое положение торцевых дисков рассчитано на то,, чтобы при работе двигателя на расчетном режиме волны давления и расширения, распространяющиеся в ячейках, достигали торцев каждой ячейки в момент, когда она сообщена с соответствующим каналом 1 и 2.

Однако если частота вращения привода обменника давления изменяется, то моменты сообщения торцев ячеек с каналами не сов10падают, с моментами подхода волн к этим торцам, и эффективность обменника давления падает.

Известны волновые обменники давления,, позволяющие избежать рассогласования волн с фазами газообмена, выполненные в виде вращающегося барабана и неподвижных торцевых дисков. Неподвижность дисков позволяет изменять их взаимное угловое положение 3.

Такие обменники давления обладают

20 серьезным недостатком, существенно затрудняющим их применение для наддува двигателей внутреннего сгорания, поскольку такие двигатели работают, как правило, в широком диапазоне частоты вращения.

Цель изобретения - повышение эффективности путем регулирования взаимного углового положения торцевых дисков.

Для достижения поставленной цели обменник давления снабжен центробежным датчиком частоты вращения привода, а расположенный в полости барабана участок вала выполнен составным с соединением двух его частей при помощи винтовой пары, связанной через исполнительный механизм с датчиком частоты.

На фиг. 1 изображен волновой обменник давления, разрез; на фиг. 2 - каналы подвода и отвода сжимающего рабочего тела в аксонометрической проекции; на фиг. 3 - датчик частоты вращения и винтовая пара; на фиг. 4 - схема идеального газодинамического процесса, происходящего в обменнике давления, представленного схематично на развертке; на фиг. 5 - схема распространения волн при снижении частоты вращения привода; на фиг. 6 - схема, обеспечиваемая предлагаемой системой.

Примечания на чертеже:

ВОД - волновой обменник давления;

ГВД - газ (рабочее тело) высокого давления, в данном случае отработавшие газы двигателя;

ГНД - газ (рабочее тело) низкого давления;

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

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

ВОД содержит неподвижньш барабан, состоящий из кожуха 1 и полого вала 2, соединенных радиальными перегородками 3 и образующих продольные ячейки. С обоих торцев барабана установлены вращающиеся торцевые диски 4 и 5, предназначенные для поочередного сообщения ячеек с каналами подвода и отвода газа и воздуха (фиг. 1),

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

На консольной части вала 7 предусмотрено уплотнение 8 (фиг. 1) для соединения с подводящим патрубком 9 ГВД 7

Одним из вариантов такого уплотнения может быть так называемое бесконтактное газодинамическое уплотнение, представляющее собой нарезанные на уплотняющихся поверхностях винтовые канавки, например

прямоугольного профиля, отделяющее при относительном вращении области низкого и высокого давления.

Аналогичные уплотнения 10, II и 12 имеются в других местах сопряжения вращающихся н неподвижных деталей.

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

Взаимное угловое положение дисков при изменении частоты вращения привода ВОД может быть осуществлено механизмом, установленным на расположенном в полости барабана участке вала 15, соединяющем 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, соединяющего торцевые диски. На конце этой части 17 имеется выступ 18, входящий 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 вращения ВОД преобразуется в угловой поворот распределителей Л °, а следовательно и соответствующих окон относительно друг друга в нужном направлении. Рычаги 21 и пружина 22 выполняют функции исполнительного механизма.

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

Цикл начинается с того, что ячейка барабана заполняется свежим воздухом под действием атмосферного давления. Отработавшие газы из двигателя (ГВД) поступают в выпускной коллектор и через диск 4 под .постоянным давлением перетекают в ячейки барабана. Как только, вследствие вращения дисков, заполненная ВНД ячейка входит в контакт с каналом ГВД, возникает волна 23. давления, Которая распространяется в ячейке со скоростью звука, снимает находящийся в ней воздух и вытесняет его в направле5 НИИ патрубка ВВД.

Вслед за волной давление в ячейку ротора входит ГВД. Поскольку распределители вращаются в направлении U, соединительная линия фронта волны в отдельных ячейках проходит под углом к осевому направлению. Волна 23 давления достигает конца ячейки примерно в тот момент, когда открывается выход ВВД. Волна. давленнзЯу ражается от торца ячейки и возврайиа 5(31 в нее в виде волны 24 давления,. доs жимает свежий воздух. В зоне вьгсойяго д&вления сжатый воздух вытекает вaЙйytкнoй коллектор, а из него поступает в двигатель. Внезапная отсечка газового потока у кромки, перекрывающей вход газов в из

канала ГВД создает волну 25 разрежения, которая снижает давление газов и уменьшает до нуля скорость их движения. В тот момент, когда кромка, перекрывающая канал ВВД, проходит первый конец ячейки, выпускные газы заполняют приблизительно две трети ячейки и отделяются от имеющегося воздуха зоной перемешивания.

В зоне 26 давление ниже, чем в зоне высокого давления, но выше, чем атмосферное, поэтому газы вытекают из ячейки в выпускное окно диска, как только диск поворачивается в положение, при котором ячейка сообщается с каналом отвода газов ГНД. Волна 27 разрежения, возникающая в ячейке, достигает правого ее конца в тот момент, когда устанавливается сообщение с каналом ВИД. Эта волна разрежения и отраженные волны 28, 29 и 30 создают повышенное давление у газового края ячейки, и газы вытекают в канал ГНД. При этом с воздушной стороны этой ячейки образуется разрежение, и она заполняется свежим воздухом. Когда выпускные газы и смесь газов с воздухом, естественно образующаяся при их непосредственном контакте, полностью вытекает из ячеек, цикл может начинаться вновь с заполнения ячейки барабана свежим воздухом.

Если скорость вращения ВОД, например, уменьшается без соответствующего изменения углового положения отверстий на правой стороне относительно отверстий на левой стороне ВОД, то наблюдается полная рассинхронизация главных волн ВОД, как показано на фиг. 5. Поэтому, например, волна 23 сжатия, возникающая у передней кромки 31 отверстия ГВД, проходит через ячейки барабана и заканчивается на протиш положном распределителе перед передней кромкой 32 отверстия ВВД. В результате это приводит к возникновению главной отраженной волны 24, которая снова отражается, когда достигнет отверстия ГВД.

Кроме того, возникает волна 33 ускоренного разрежения у передней кромки 32 отверстия ВВД. Возникновение этих и нежелательных главных волн, вследствие рассинхронизации, приводит к возникновению обратного потока у отверстия ВВД, что вызывает не толькб существенное уменьщение давления в отверстии ВВД, но и уменьшение массового потока до величины, существенно меньшей, чем требуется для поршневого двигателя, для которого ВОД служит нагнетателем.

При помощи регулирования взаимного углового положения торцевых дисков можно скорректировать это состояние. Например, на фиг. 6 показано, как диски поворачиваются друг относительно друга на определенный угол так, что угловое смещение между окном ВВД и окном ГНД уменьшается настолько, что передняя кромка 32 отверстия ВВД занимает такое угловое положение что волна 23, возникающая у передней кромки 31 отверстия Г|ВЛ. заканчивается у нее.

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

скорость вращения ВОД уменыкается или увеличивается по сравнению с расчетной При этом ВОД с регулируемыми положением дисков работает с оптимальными КПД за. счет восстановления правильной синхрониза ции главных волн, благодаря чему в отверстии ВВД всегда поддерживается постояиное давление, независимо от скорости вращения ВОД. Как было отмечено, при помощи предлагаемого ВОД можно поддерживать не только заданное давление на входе в двигатель, но также можно удовлетворить требование изменяемости массового потока воздуха для поршневого двигателя.

Так, например, если скорость вращения поршневого двигателя уменьшается, а значиf уменьшается и скорость вращения ВОД,

то соответствующее уменьшение требуемой величины массового потока воздуха для поршневого двигателя автоматически производится ВОД, поскольку, благодаря наличию регулируемых дисков, массовый поток воздуха в отборном отверстии уменьшен без уменьшения КПД. При этом, так как регулируемые диски поддерживают практически постоянное давление в отверстии ВВД, то уменьшение скорости, вследствие уменьшения частоты вращения поршневого двигателя, автоматически вызывает уменьшение массовых потоков ВОД в соответствии с уменьшенной потребностью поршневого двигателя.

Таким образом, предлагаемый волновой обменник давления сохраняет требуемую

синхронизацию волн для различных скоростей вращения и постоянное давление в отверстии ВВД, а также изменяет величину массового потока воздуха, необходимого для поршневого двигателя.

Формула изобретения

Волновой обменник давления, преимущественно для наддува двигателя внутреннего сгорания, содержащий неподвижный барабан, .разделенный на продольные ячейки, каналы подвода и отвода сжимающего рабочего тела к одному из его горцев, каналы подвода и отвода сжимаемого рабочего тела ко второму торцу, вращающиеся торцезые диски, снабженные окнами для поочередного сообщения ячеек с каналами, и соедииеггный с дисками вал, расположенный в центральной полости барабана и связанный с приводом, отличающийся тем, что, с целью повыщения эффективности путем регулирования взаимного углового положения торцевых дисков, обменник давления снабжен центробежным датчиком частоты вращения привода, а расположенный в полости Зарабана участок вала выполнен составным с. соединением двух его частей при помощи винтовой-.нары связанной, через исполнительный механизм с частоты.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

fpue-3