Виды нагнетателей
Механический нагнетатель — основной конструктивный элемент системы механического наддува. С помощью нагнетателя в впускном тракте создается давление выше атмосферного, а механический он потому, что привод рабочего органа осуществляется непосредственного от коленчатого вала двигателя. За рубежом механический нагнетатель называют одним словом – supercharger.
Применение механического нагнетателя обеспечивает повышение мощности (до 50%) и крутящего момента (до 30%) двигателя. Вместе с тем, механический нагнетатель отличают значительные затраты мощности двигателя на привод, которые могут достигать 30%.
Механический нагнетатель выполняет следующие взаимосвязанные функции: втягивание воздуха, сжатие воздуха и нагнетание воздуха во впускную систему. Втягивание воздуха происходит посредством созданного разряжения. Для того чтобы создать давление, нагнетатель должен вращаться быстрее чем двигатель. Нагнетание воздуха в впускной тракт осуществляется за счет разницы давлений в системе.
Воздух имеет свойство нагреваться при сжатии, при этом снижается его плотность и соответственно давление. Поэтому в системах наддува сжатый воздух охлаждается с помощью специального воздушного или жидкостного охладителя – интеркулера.
Механический нагнетатель конструктивно может иметь один из следующих приводов:
1)прямой привод (непосредственное крепление нагнетателя на фланец коленчатого вала);
2)ременной привод (различный виды ремней – клиновой, зубчатый, плоский);
3)цепной привод;
4)зубчатая передача (цилиндрический редуктор);
5)электрический привод (отдельный электродвигатель).
На современных автомобилях применяются три основных типа механических нагнетателей: кулачковый (нагнетатель Roots), винтовой (нагнетатель Lysholm) и центробежный.
Кулачковый нагнетатель (нагнетатель Roots)
Кулачковый нагнетатель является самым старым типом механического нагнетателя, т.к. используется на автомобилях с 1900 года. Имеет другое название по имени изобретателей – нагнетатель Roots, обиходное название воздуходувка.
Современный кулачковый нагнетатель имеет два трех- или четырехкулачковых ротора, которые вращаются навстречу друг другу. Кулачки расположены по спирали на всей длине ротора. Угол закрутки кулачков обеспечивает максимальную эффективность в плане нагнетания и потерь.
По конструкции и принципу действия кулачковый нагнетатель очень похож на шестеренный масляный насос. Воздух в нагнетателе захватывается кулачками, перемещается в пространстве между кулачками и стенками корпуса, нагнетается в впускной трубопровод. Имеет место т.н. внешнее нагнетание.
Нагнетатель Roots характеризует быстрое создание необходимого давления наддува, а также рост этого давления с увеличением частоты вращения коленчатого вала. Вместе с тем в определенный момент может образоваться избыток давления, и как следствие – заторы в нагнетательном канале, снижение мощности двигателя. Поэтому при использовании механических нагнетателей всех типов осуществляется регулирование давления наддува.
Регулирование давления наддува производится двумя способами:
1)отключением нагнетателя (например, с помощью электромагнитной муфты);
2)перепусканием воздуха при непрерывной работе нагнетателя (с помощью перепускного клапана).
Современные системы механического наддува имеют электронное регулирование наддува, включающее входные датчики (датчик давления наддува, датчик температуры во впускном коллекторе и др.), электронный блок управления, исполнительные механизмы (электромеханический модуль привода перепускного клапана, электромагнит муфты и др.).
Нагнетатели Roots имеют достаточно высокую стоимость, обусловленную малыми допусками в изготовлении. Они предъявляют повышенные требования к чистоте подаваемого воздуха, т.к. инородный предмет в впускной системе может привести к выходу из строя нагнетателя. Необходимо отметить большой вес нагнетателя и высокий уровень шума при его работе. Производители достаточно эффективно борются с шумом. В их арсенале специальная конструкция корпуса, демпфирующие пластины и маты, резонатор, демпферы и др.
Ведущим производителем нагнетателей Roots является фирма Eaton, которая в настоящее время предлагает высокоэффективные четырехкулачковые нагнетатели TVS, Twin Vortices Series (дословно — спаренная серия вихрей). Данные нагнетатели устанавливаются на серийные двигатели автомобилей Cadillac, Toyota, Audi. На некоторых двигателях кулачковые нагнетатели используются совместно с турбонагнетателями, например двойной наддув двигателя TSI.
Винтовой нагнетатель (другое наименование по имени изобретателя – нагнетатель Lysholm) по конструкции похож на нагнетатель Roots. Нагнетатель включает два ротора-шнека специальной формы (один ротор c выступами, другой – с выемками). Роторы имеют коническую форму, при которой воздушные камеры между роторами уменьшаются в размере по длине.
Порция воздуха захватывается шнеками, перемещается и сжимается при вращении шнеков и нагнетается в впускной патрубок. В отличие от кулачковых нагнетателей винтовой нагнетатель обеспечивает внутреннее (т.е. между шнеков) нагнетание воздуха, которое более эффективно. Но цена винтовых нагнетателей значительно больше, поэтому и применяются они реже, в основном на дорогих спортивных автомобилях.
Центробежный нагнетатель в части нагнетания воздуха аналогичен турбокомпрессору. Основу нагнетателя составляет рабочее колесо (крыльчатка), которое вращается с высокой скоростью (порядка 50000-60000 об/мин).
Воздух засасывается в центральную часть колеса. Центробежная сила направляет воздух по лопастям специальной формы наружу. Из рабочего колеса он выходит на большой скорости и с низким давлением. При выходе воздух сталкивается с диффузором, имеющим множество стационарных лопаток вокруг рабочего колеса. Высокоскоростной поток воздуха низкого давления преобразуется в поток воздуха низкой скорости и высокого давления.
Центробежные нагнетатели наиболее распространены из всех механических нагнетателей. Они компактные, легкие, эффективные, имеют возможность разнообразного крепления на двигателе. В пассив центробежных нагнетателей следуют отнести зависимость производительности от скорости вращения коленчатого вала. Это качество центробежных нагнетателей предполагает использование привода с переменным передаточным отношением. Максимальное передаточное отношение привода требуется при низких оборотах двигателя, минимальное — при высоких оборотах.
Область применения механических нагнетателей достаточно широка: спортивные и серийные автомобили, а также тюнинг автомобилей. Практически все спортивные автомобили используют механические нагнетатели – это их основное применение. Установка механических нагнетателей является одним из направлений тюнинга автомобилей. Производители предлагают комплекты, включающие необходимые конструктивные элементы для установки на двигатель. На серийных автомобилях механические нагнетатели встречаются достаточно редко.
В силу своей конструкции нагнетатели Roots и Lysholm применяются для обеспечения высокой разгонной динамики, центробежные нагнетатели эффективны в поддержании высоких скоростей.
НАГНЕТАТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ
Нагнетателями называются машины, служащие для перемещения жидкости и газов и повышения их потенциальной и кинетической энергии.
Известно, что большинство современных технологических процессов связано с перемещением потоков жидких и газообразных сред, и поэтому нагнетатели имеют очень широкое применение во всех отраслях промышленности, сельском и коммунальном хозяйствах.
В зависимости от вида перемещаемого рабочего тела нагнетательные машины подразделяются на две большие группы: насосы — машины, подающие жидкости; вентиляторы и компрессоры — машины, подающие воздух и технические газы.
НАГНЕТАТЕЛИ
Нагнетатели — это машины для создания потока жидкости и газа. Без нагнетателей самого разного типа и назначения невозможна работа ни одного объекта промтеплотехники и теплоэнергетики. Воздух для сжигания топлива подается в топку печи или котла вентилятором. Пылеугольное топливо подается в горелку мельничным вентилятором. Мазут подается к форсунке насосом. Газ к горелке поступает под действием давления, которое создается газовым компрессором или газодувкой. Продукты сгорания удаляются из котла или промышленной печи дымососом. Паровые котлы ТЭС, ТЭЦ районных котельных обслуживаются насосами: сырой водой, питательным, рециркуляционным, конденсатным, подпиточным, сетевой воды. Все движение горячей воды в системах теплоснабжения также обеспечивается насосами. Насосы используются в системах смазки, регулирования и других вспомогательных и обслуживающих системах (золоудаление, очистка дымовых газов и т. д.). Насосы — это нагнетатели для перемещения капельных жидкостей. Нагнетатели для подачи газовых сред в зависимости от развиваемого давления разделяют на вентиляторы газодувки и компрессоры. Вентиляторы — машины, создающие степень повышения давления 8 = рк/рн _ абсолютное давление на входе, рк — давление на выходе из машины). Газодувки — машины, работающие при 1,15 3,0 и имеющие искусственное охлаждение полостей машины, а также межступенчатое охлаждение сжатого газа.
Классификация нагнетателей
По энергетическому и конструктивному признакам нагнетатели разделяют на классы: лопастные, объемные, струйные, пневматические.
Лопастные нагнетатели — это машины, в которых основным элементом является лопасть. К этому классу относятся:
- • центробежные (насосы, вентиляторы, компрессоры), наиболее распространены в технике. Они компактны, дают высокую производительность, развивают высокое давление и обеспечивают непрерывную подачу жидкости (газа). Жидкость засасывается через всасывающий патрубок (рис. 9.1), поворачивает на 90°, попадает в рабочее колесо, вращаемое каким- либо двигателем, подхватывается рабочими лопастями, центробежными силами отбрасывается в спиральный кожух и через напорный патрубок подается в сеть (потребителю);
- • осевые нагнетатели развивают высокую производительность при низком напоре. Жидкость или газ не изменяют направление. Лопасти специальной конструкции пропеллерного типа крепятся к втулке под
Рис. 9.1. Схема устройства центробежного нагнетателя:
1 — лопасти; 2 — кожух; 3 — всасывающий патрубок; 4 — напорный патрубок
Рис. 9.2. Схема осевого нагнетателя: 1 — лопасти; 2 — втулка
Рис. 9.3. Конструктивная схема поршневого нагнетателя
Рис. 9.4. Конструктивная схема роторного компрессора:
1 — корпус; 2 — ротор; 3 — пластины; 4 — всасывающий патрубок; 5 — подающий патрубок
некоторым углом (рис. 9.2), захватывают жидкость, сообщают ей энергию и подают в напорный патрубок. Подача жидкости (газа) происходит непрерывно. Осевые нагнетатели широко распространены в теплотехнике, особенно многоступенчатые компрессоры и насосы.
Объемные нагнетатели — это машины, работа которых состоит из всасывания жидкости (газа) и вытеснения ее твердыми элементами (поршнями, пластинами, зубьями). К ним относятся: поршневые, роторные, шестеренчатые и др. Принцип действия некоторых из них:
- • поршневой нагнетатель имеет корпус (цилиндр), в котором перемещается поршень, совершающий возвратно-поступательное движение (рис. 9.3). Через всасывающий клапан жидкость (газ) поступает при движении поршня назад, через нагнетающий (напорный) клапан — в сеть. Клапаны работают поочередно и открываются автоматически. Недостатком поршневых машин является периодичность подачи вследствие цикличности работы (всасывание — нагнетание). Для получения постоянной подачи используют многоцилиндровые нагнетатели, цилиндры которых работают со сдвигом по фазе. В поршневых компрессорных установках для обеспечения постоянства подачи используют также ресиверы (промежуточные емкости), в которых происходит выравнивание давления газа перед подачей в сеть;
- • роторный пластинчатый насос имеет массивный ротор (рис. 9.4), расположенный эксцентрично по отношению к статору (корпусу). В прорези ротора вставлены пластины, отжимаемые к периферии центробежными силами. Жидкость всасывается через входной патрубок, перемещается пластинами и вытесняется в напорный патрубок.
Струйные нагнетатели, эрлифты, гидравлические тараны, пневматические подъемники не имеют привода и каких- либо движущихся частей:
- • в струйном нагнетателе, например, поток рабочей жидкости с большей кинетической энергией выходит из сопла (рис. 9.5), создает разрежение, всасывает жидкость из нижнего резервуара, переходит в расширяющий патрубок и подает жидкость на высоту Н. Разновидностью струйных нагнетателей являются эжекторы и инжекторы;
- • подъемники типа «эрлифт» или «газлифт» применяют, например, для подъема жидкости с большой глубины (вода, нефть). В обсадную трубу (рис. 9.6) помещена подъемная труба, в нижний конец которой подводится воздух из компрессора; смешиваясь с водой, воздух образует смесь с меньшей плотностью, чем жидкость. За счет разности плотностей (рсм — рж) возникает сила, поднимающая жидкость на высоту Н; над подъемной трубой располагается отбойник, отделяющий воздух от жидкости сливающейся в резервуар, из которого откачивается потребителю;
Рис. 9.5. Схема насоса струйного типа:
1 — сопла; 2 — камера; 3 — нижний уровень; 4 — расширяющий патрубок; 5 — верхний уровень
Рис. 9.6. Схема эрлифта:
1 — обсадная труба; 2 — подъемная труба; 3 — конус-отбойник; 4 — камера; К — компрессор
• работа водоподъемного устройства гидравлический таран основана на принципе гидравлического удара (рис. 9.7). В период запуска вручную открывают клапан 4, через который из резервуара 7 по трубе 6 создается поток воды расходом Q. Быстрое закрытие клапана 4 вызывает гидравлический удар,
т. е. повышение давления до величины р, при которой открывается клапан 5, через который часть воды с расходом q 3 /с; р — давление, кг/м 3 Объемную подачу принято исчислять при условиях всасывания (Т„, рн,
• Полное давление, развиваемое нагнетателем согласно уравнению Д. Бернулли:
где рн и рк — статические давления на входе в нагнетатель (начальное) и на выходе из нагнетателя (конечное), Па; си и ск — средние скорости среды, подаваемой насосом, на входе и выходе, м/с. Второе слагаемое представляет собой разность динамических давлений; ZH и ZK — высота расположения центров входного и выходного отверстия нагнетателя, м. Третье слагаемое является разностью геометрических давлений. Давление р представляет собой удельную энергию, передаваемую нагнетателем жидкости (газа) на 1 м 3 :
т.е. энергию, отнесенную к единице объема.
• Напор Н, создаваемый нагнетателем,
где р — полное давление; Н — полный напор, м.
Рис. 9.9. Полный напор, развиваемый насосом
Напор фактически представляет высоту столба той жидкости, к потоку которого он относится (рис. 9.9):
Если пренебречь разницей динамического напора, которая часто бывает несущественна, полный напор можно представить только статическою частью
• Удельная полезная работа
Для оценки удельной работы компрессоров учитывают термодинамику процесса.
• Полезная мощность нагнетателя — это работа, сообщаемая машиной в секунду подаваемой среде:
Поскольку р = pgH, то через напор мощность рассчитывается по формуле
из которой может быть получена единица измерения мощности:
Мощность, подводимая от двигателя на вал насоса N > Nn. Отношение
называется КПД нагнетателя. N3 > N > Nn — мощность, подводимая к электродвигателю. Отношение
Лекция 1
Нагнетателями называются машины, служащие для перемещения жидкостей и газов и повышения их потенциальной и кинетической энергии.
В зависимости от вида перемещаемого рабочего тела нагнетатели разделяются на две группы: насосы — машины, подающие жидкости; вентиляторы и компрессоры — машины, подающие воздух и технические газы.
Насос – машина, служащая для перемещения жидкостей, а также увеличения их потенциальной энергии (давления).
Вентилятор – машина, служащая для перемещения газов.
Компрессор – машина, служащая для повышения потенциальной энергии газов (давления).
Общие сведения и основные понятия о нагнетателях
1.1. Основные типы и классификация нагнетателей
Нагнетатели можно классифицировать по различным признакам: по конструкции, способу действия, развиваемому давлению, роду перемещаемой среды, назначению в технологическом процессе. В пределах каждой классификационной группы нагнетатели могут подразделяться по вторичным признакам.
По способу действия нагнетатели подразделяются на две основные группы: динамические и объемные.
Динамическим нагнетателем будем называть машину, повышающую энергию жидкости или газа путем использования работы массовых сил потока в полости, постоянно соединенной с входом и выходом нагнетателя.
В объемных нагнетателях повышение энергии рабочего тела достигается силовым воздействием твердых рабочих тел, например поршней в поршневых машинах, в рабочем пространстве цилиндра, периодически соединяемом при помощи клапанов со входом или выходом нагнетателя.
— 
для жидкости
Нагнетатели объемные
На рис. 1.1 приведена схема динамического центробежного нагнетателя. Рабочее колесо, снабженное изогнутыми лопатками 1, вращается двигателем, расположенным в корпусе 2. Рабочее тело (жидкость, газ), входящее в центральную полость колеса через патрубок 3, заполняет весь корпус и криволинейные каналы колеса между лопатками 1. При вращении рабочего колеса под действием центробежных сил масса рабочего тела, находящегося в этих каналах, повышает энергию потока и выбрасывается потоком в спиральный канал, охватывающий рабочее колесо. Далее поток поступает в напорный патрубок 4 и трубопровод 5.
Процесс всасывания и подачи в таких нагнетателях происходит непрерывно и равномерно (при постоянстве скорости вращения рабочего колеса).
Для подачи жидкостей и газов находят применение динамические лопастные нагнетатели осевого типа (рис. 1.3).
Нагнетатель состоит из колеса с рабочими лопастями 1, насаженными под определенным углом на ступицу колеса с обтекателем 2, корпуса 3 и спрямляющего лопаточного аппарата 4, неподвижно закрепленного в корпусе. При вращении колеса лопатки передают энергию рабочему телу и перемещают рабочее тело, (патрубок 5 — всасывающий, патрубок 6 — напорный).
На рис. 1.4 показана схема вихревого нагнетателя. В корпусе 1 концентрично располагается колесо с плоскими радиальными лопатками 2. Рабочее тело поступает через всасывающий патрубок в кольцевой канал 3, увлекается лопатками 2, совершая сложное вихревое движение и повышая энергию, выходит через напорный патрубок 4 в трубопровод.
Схема простейшего объемного нагнетателя-насоса дана на рис. 1.5. Цилиндр 1 и клапанная коробка 2 плотно соединены в единый блок. В коробке размещены всасывающий 3 и напорный 4 клапаны. Поршень 5, двигаясь возвратно-поступательно, производит всасывание и подачу.
Ускорение поршня, двигающегося синусоидально, вызывает, появление инерционных сил, влияющих на прочность ходовой системы нагнетателя и вызывающих разрывы сплошности потока. Это ограничивают допустимую скорость вращения кривошипного вала. Поэтому применяются объемные нагнетатели роторного типа, допускающие прямое соединение с высокоскоростными двигателями.
На рис. 1.6 дано представление о пластинчатом роторном нагнетателе. Массивный ротор 1 c радиальными прорезями помещен эксцентрично в корпус 2. В прорези вставлены прямоугольные стальные пластинки 3, свободно отжимаемые до упора в корпус центробежными силами. При вращении ротора двигателем рабочее тело будет всасываться через патрубок 4 и подаваться через полости переменного сечения 5 и 6 напорный патрубок 7 в трубопроводную систему. Нагнетатель реверсивен: при изменении направления вращения ротора нагнетатель меняет направление потока рабочего тела.
Для перемещения жидкостей и газов в промышленных и лабораторных установках находят применение струйные нагнетатели (рис. 1.7).
Поток рабочей жидкости выходит с высокой скоростью через суживающееся сопло и проходит через камеру 2. Из-за большой скорости поток захватывает частицы среды и уносит их с собой через диффузор 4. В камере устанавливается низкое давление. Под влиянием разности давлений на поверхности жидкости и в камере происходит подъем жидкости по трубе 3 и смешение ее с рабочей жидкостью, выбрасываемой из сопла. Смесь жидкостей — рабочей и поднимаемой по трубе 3 — транспортируется через диффузор 4 и напорную трубу 5 на высоту Н.
В системах промышленного водоснабжения, нефтедобычи, сельском и коммунальном хозяйствах применяются нагнетатели особого типа — эрлифты и газлифты, использующие для подъема жидкостей сжатый воздух или газ. Подъемники такого типа применяются для подъема воды и нефти из глубоких буровых скважин.