Роторно-шестеренчатый компрессор Roots

Одними из распространенных в транспортных двигателях является объемный нагнетатель типа Roots.

Нагнетатель Roots был запатентован американцами братьями Филандером и Фрэнсисом Рутс в 1860 г. Первоначально этот механизм использовался исключительно для вентиляции промышленных помещений и шахт, и лишь в 1885 г. Готлиб Даймлер получил свой патент на нагнетатель, работающий по принципу нагнетателя братьев Рутс. Как указывалось ранее, в 1900 г. увидел свет автомобиль с двигателем, оснащенным первым механическим нагнетателем типа Roots.

Схема компрессора и его трехмерная модель показаны на
рис. 3.5.

а                                               б

Рис. 3.5. Компрессор Roots:

а – схема компрессора; б – трехмерная модель

В корпусе овальной формы вращаются в противоположные стороны два ротора, имеющие специальный профиль. В зависимости от размеров роторов частота их вращения составляет 500-6000 об/мин и может достигать 12000 об/мин. Роторы насажены на валы, связанные одинаковыми шестернями. Между самими роторами и корпусом поддерживается небольшой зазор. Основное отличие этого метода нагнетания заключается в том, что воздух сжимается не внутри, а непосредственно в нагнетательном трубопроводе, поэтому его эффективная работа возможна лишь до определенных значений давления наддува, как правило, степень повышения давления не превышает 2.

В 1949 г. другой американский изобретатель, Итон, улучшил конструкцию нагнетателя – прямозубые шестерни уступили место косозубым роторам и воздух начал перемещаться не поперек их осей вращения, а вдоль. Но, как и до модернизации, основным принципом работы нагнетателей типа Roots является простая перекачка воздуха в другой объем, без сжатия воздуха внутри механизма.

Универсальная характеристика компрессора показана на
рис. 3.6.

Рис. 3.6. Универсальная характеристика компрессора Roots

Нагнетатели данного типа, в отличие от центробежных, начинают свою работу уже при низких частотах вращения вала и продолжают без потери эффективности нагнетать воздух в цилиндры. С ростом давления в нагнетательном трубопроводе, а также при низком расходе воздуха увеличиваются утечки воздуха в зазорах, и его КПД ощутимо снижается. Увеличением скорости вращения роторов можно несколько снизить утечки воздуха, но лишь до определенных пределов.

В отличие от центробежных компрессоров, работа роторно-шестеренчатых нагнетателей сопровождается пульсациями давления. Для снижения шума и амплитуды пульсаций в последнее время наибольшее распространение получили трехзубчатые роторы спиральной формы. В настоящее время современные технологические возможности вывели подобные компрессоры на очень высокий уровень производительности. Достоинством объемных нагнетателей является эффективность на малых и средних частотах вращения вала двигателя. Достоинством нагнетателя является также его прямая связь с частотой вращения вала двигателя, благодаря чему исключается отставание в воздухоснабжении двигателя при резком увеличении частоты вращения вала двигателя. Малое количество движущихся частей и малые скорости вращения делают эти нагнетатели одними из самых надежных и долговечных. К достоинствам относится также чистота подаваемого воздуха, уравновешенность, отсутствие проблем с охлаждением.

Недостатками нагнетателя являются большие габариты, сложность в изготовлении, высокая цена (относительно центробежных), ограниченное давление наддува, пульсации давления, сравнительно низкий КПД и необходимость механической связи с валом двигателя.

Нагнетатели Roots наиболее распространены на крупных двухтактных дизелях. Причем на крупных дизелях применяют трех- или четырехлопастные нагнетатели, а на более мелких – двухлопастные.

Винтовой компрессор

Винтовой компрессор или компрессор Lysholm был запатентован в 1936 г. шведским инженером Альфом Лисхольмом.

Компрессор имеет два винтовых ротора, причем ведущий ротор с выпуклой нарезкой соединен непосредственно или через зубчатую передачу с двигателем, а на ведомом роторе нарезка выполнена с вогнутыми впадинами (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Схема роторов винтового компрессора

В отличие от роторно-шестеренчатого винтовой компрессор имеет проточную часть с диагональным движением воздуха и характеризуются внутренним сжатием, что обусловлено изменением объема между вращающимися винтовыми роторами. Внешний вид винтового компрессора показан на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Винтовой компрессор

Компрессор имеет высокую степень повышения давления (до 7) при достаточно высоком КПД (» 80%) и высокую частоту вращения роторов (до 25 000 об/мин), что делает их более компактными и позволяет в качестве привода использовать газовую турбину.

Характеристика винтового компрессора показана на рис. 3.9.

Рис. 3.9. Универсальная характеристика винтового компрессора

Главным недостатком компрессора является очень высокая цена, делающая этот агрегат труднодоступным.