Воздуходувка Рутса представляет собой кулачковый насос объемного действия , который перекачивает жидкость с помощью пары сцепляющихся лопастей, напоминающих набор растянутых шестерен. Жидкость задерживается в карманах, окружающих лепестки, и переносится от впускной стороны к выпускной.
Конструкция нагнетателя Рутса не предполагает какого-либо уменьшения объема/увеличения давления при прохождении воздуха или другой жидкости, поэтому ее лучше всего можно описать как нагнетатель, а не нагнетатель, в отличие от некоторых других конструкций «нагнетателя», таких как Козетт, центрический, Нагнетатель Shorrock , нагнетатель Powerplus , а также нагнетатель с осевым потоком типа Eaton, которые имеют внутреннее «сжатие».
Наиболее распространенным применением нагнетателя типа Рутса было индукционное устройство на двухтактных дизельных двигателях , например, производимых Detroit Diesel и Electro-Motive Diesel . Нагнетатели типа Рутса также используются для наддува четырехтактных двигателей с циклом Отто , при этом нагнетатель приводится от коленчатого вала двигателя через зубчатый или клиновой ремень , роликовую цепь или зубчатую передачу .
Воздуходувка типа Рутса названа в честь американских изобретателей и братьев Филандер и Фрэнсис Мэрион Рутс , основателей компании Roots Blower Company из Коннерсвилля, штат Индиана , США, которые в 1860 году запатентовали базовую конструкцию воздушного насоса для использования в доменных печах и других промышленных применениях. . В 1900 году Готлиб Даймлер включил нагнетатель типа Рутса в запатентованную конструкцию двигателя, что сделало нагнетатель типа Рутса самой старой из различных конструкций, доступных сейчас. Воздуходувки Рутса обычно называют воздуходувками или воздуходувками PD (принудительного вытеснения). [1]
Воздуходувка типа Рутса проста и широко используется. Он может быть более эффективным, чем альтернативные нагнетатели, при создании положительного давления во впускном коллекторе (т. е. выше атмосферного давления) при низких оборотах двигателя, что делает его популярным выбором для легковых автомобилей. Пиковый крутящий момент достигается примерно при 2000 об/мин. В отличие от основной иллюстрации, большинство современных нагнетателей типа Рутса имеют трехлопастные или четырехлопастные роторы; это позволяет кулачкам иметь небольшой поворот [ необходимы пояснения ] вдоль осей ротора, что уменьшает пульсацию на входе и выходе (это непрактично с двумя лепестками, так как даже небольшой поворот может открыть свободный путь через нагнетатель при определенных углы) [ нужна ссылка ] .
Накопление тепла является важным фактором при работе компрессора двигателя внутреннего сгорания . Из трех основных типов нагнетателей конструкция Рутса исторически обладала наихудшим тепловым КПД , особенно при высоких степенях давления. [2] [3] В соответствии с законом идеального газа , операция сжатия приведет к повышению температуры сжатого продукта. Кроме того, для работы самого компрессора требуется затрата энергии, которая преобразуется в тепло и может передаваться газу через корпус компрессора, еще больше нагревая его. Хотя интеркулеры более широко известны благодаря использованию в турбокомпрессорах , использование интеркулера также может принести пользу нагнетателям. Внутреннее сгорание основано на термодинамическом цикле , и более низкая температура всасываемого заряда приводит к большему термодинамическому расширению и наоборот. Горячий заряд на впуске провоцирует детонацию в бензиновом двигателе и может расплавить поршни в дизеле, в то время как ступень промежуточного охлаждения усложняет задачу, но может улучшить выходную мощность за счет увеличения количества входного заряда, точно так же, как если бы двигатель был большей мощности. . Промежуточный охладитель снижает термодинамический КПД за счет потери тепла (мощности), выделяемого при сжатии, но увеличивает доступную мощность из-за увеличения рабочей массы для каждого цикла. При давлении выше 5 фунтов на квадратный дюйм (35 кПа) улучшение промежуточного охлаждения может стать существенным. [ нужна цитата ] В нагнетателе типа Рутса одним из успешно применяемых методов является добавление тонкого теплообменника , помещенного между нагнетателем и двигателем. Вода циркулирует через него ко второму блоку, расположенному рядом с передней частью автомобиля, где вентилятор и поток окружающего воздуха могут рассеивать собранное тепло.
Конструкция Рутса обычно использовалась в двухтактных дизельных двигателях (популяризированных подразделениями Detroit Diesel [грузовики и автобусы] и Electro-Motive [железнодорожные] компании General Motors), которые требуют некоторой формы принудительной индукции , поскольку нет отдельного впуска. гладить. Компания Рутс . двухтактный дизельный двигатель, использовавшийся на автомобилях Commer и Karrier , имел нагнетатель типа Рутса; эти две компании не связаны между собой.
Нагнетатели, используемые на топовых двигателях , забавных автомобилях и других драгстерах , а также хот-родах , на самом деле являются производными от нагнетателей General Motors Coach Division для их промышленных дизельных двигателей , которые были адаптированы для использования в автомобилях в дрэг-рейсинге . Название модели этих агрегатов определяет их размер - некогда широко используемые нагнетатели 4–71 и 6–71 были разработаны для дизелей 71 серии . В нынешних драгстерах для соревнований используются варианты GMC послепродажного обслуживания, аналогичные по конструкции серии 71, но с увеличенной длиной ротора и корпуса для дополнительной мощности; хот-роддеры также используют репродукции 6-71.
Воздуходувки Рутса обычно используются в тех случаях, когда необходимо перемещать большой объем воздуха при относительно небольшом перепаде давления. Сюда входят приложения с низким вакуумом, когда воздуходувка Рутса действует отдельно или в сочетании с другими насосами как часть системы высокого вакуума. Одним из наиболее распространенных промышленных применений являются системы пневматической транспортировки [4]: воздуходувка, подающая большой объем воздуха для перемещения сыпучих материалов по трубам.
В некоторых сиренах гражданской обороны использовались воздуходувки Рутса для нагнетания воздуха в ротор (прерыватель), чтобы значительно увеличить выходную мощность звука во всех диапазонах шага. Наиболее известными из них являются серии Federal Signal Thunderbolt и ACA (ныне American Signal Corporation) Hurricane. Эти сирены известны как «сирены с наддувом».
Воздуходувки Рутса также используются в обратном направлении для измерения расхода газов или жидкостей, например, в газовых счетчиках .
Воздуходувки Рутса использовались для повышения давления в кабине самолетов, первоначально исследовавшиеся непосредственно перед Второй мировой войной (с использованием нагнетателя Marshall ) и производившиеся такими компаниями, как Sir George Godfrey and Partners, которые все еще поставляли все большее количество самолетов в 1960-е годы. Позже их заменили воздухоотводчики. от ступеней сжатия реактивного двигателя. [5]
Самая простая форма воздуходувки Рутса имеет циклоидальные роторы, состоящие из чередующихся тангенциальных участков гипоциклоидальных и эпициклоидальных кривых. Для двухлопастного ротора меньшие образующие круги составляют четверть диаметра большего. Воздуходувки Real Roots могут иметь более сложные профили для повышения эффективности. Кулачки одного ротора не будут приводить в движение другой ротор с минимальным свободным ходом во всех положениях, поэтому фазирование кулачков обеспечивает отдельная пара шестерен.
Поскольку роторно-лопастным насосам необходимо поддерживать зазор между лопастями, одноступенчатый нагнетатель Рутса может перекачивать газ только при ограниченном перепаде давления. Если насос используется не по назначению, при сжатии газа выделяется достаточно тепла, так что лепестки расширяются до такой степени, что заклинивают, повреждая насос.
Насосы Рутса способны перекачивать большие объемы, но, поскольку они обеспечивают лишь умеренное сжатие, нередко можно увидеть несколько ступеней нагнетателя Рутса, часто с теплообменниками ( промежуточными охладителями ) между ними для охлаждения газа. Отсутствие масла на перекачивающих поверхностях позволяет насосам работать в средах, где важен контроль загрязнения. Высокая скорость откачки углеводородов позволяет насосу Рутса обеспечивать эффективную изоляцию между смазанными насосами , такими как ротационные компрессионные насосы , и вакуумной камерой.
В варианте используются роторы в форме когтя для более высокого сжатия.
Воздуходувка типа Рутса может достигать эффективности примерно 70% при достижении максимальной степени сжатия, равной двум. Более высокие степени давления достижимы, но при снижении эффективности. Поскольку воздуходувка типа Рутса нагнетает воздух дискретными импульсами (в отличие от винтового компрессора ), пульсационный шум и турбулентность могут передаваться вниз по потоку. Если их не контролировать должным образом (за счет геометрии выпускного трубопровода) или не учитывать (путем усиления конструкции расположенных ниже по потоку компонентов), возникающие пульсации могут вызвать кавитацию жидкости и/или повреждение компонентов после воздуходувки.
Для любого вентилятора Рутса, работающего в определенных условиях, на карте будет одна точка. Эта точка будет подниматься с увеличением наддува и смещаться вправо с увеличением скорости вентилятора. Видно, что при умеренной скорости и малом наддуве КПД может превышать 90%. Это та область, в которой изначально предназначались для работы воздуходувки Рутса, и они очень хорошо справляются с этой задачей.
Наддув выражается в виде коэффициента давления, который представляет собой отношение абсолютного давления воздуха перед нагнетателем к абсолютному давлению воздуха после сжатия нагнетателем. Если наддув отсутствует, соотношение давлений будет равно 1,0 (то есть 1:1), поскольку давление на выходе равно давлению на входе. Для справки указано давление наддува 15 фунтов на квадратный дюйм (немного выше коэффициента давления 2,0 по сравнению с атмосферным давлением). При давлении наддува 15 фунтов на квадратный дюйм (100 кПа) нагнетатели Рутса колеблются между 50% и 58%. Замена вентилятора меньшего размера на вентилятор большего размера перемещает точку влево. В большинстве случаев, как показано на карте, это переместит его в область более высокой эффективности слева, поскольку меньший вентилятор, вероятно, будет работать быстро в правой части диаграммы. Обычно использование нагнетателя большего размера и его медленная работа для достижения того же наддува приводит к увеличению эффективности компрессора.
Объемный КПД воздуходувки типа Рутса очень хороший и обычно остается выше 90% на всех скоростях, кроме самых низких. По этой причине вентилятор, работающий с низкой эффективностью, все равно будет механически подавать в двигатель заданный объем воздуха, но этот воздух будет более горячим. В дрэг-рейсинге, где большие объемы топлива впрыскиваются вместе с горячим воздухом, испарение топлива поглощает тепло. Это действует как своего рода система жидкостного доохлаждения и во многом сводит на нет неэффективность конструкции Рутса в этом приложении.
Роторно-лопастные воздуходувки, обычно называемые бустерами в условиях высокого вакуума, не используются в качестве автономного насоса. В условиях высокого вакуума скорость откачки бустеров можно использовать для снижения конечного давления и увеличения скорости откачки.
Вентиляторы . Вентиляторы с низким увеличением давления обычно используются для перемещения значительных количеств газа. Обычно они используются для циркуляции воздуха в зданиях, машинной вентиляции, охлаждающем оборудовании и других промышленных применениях.
Воздуходувки Воздуходувки способны создавать среднее давление воздуха с умеренным уровнем давления. Они используются в приложениях, где потребность в давлении выше, чем у вентиляторов.
Компрессоры Компрессоры в промышленных целях создают более высокое давление воздуха, обычно от 8 до 12 бар, с меньшим расходом воздуха.
Термин «вентилятор» обычно используется для определения устройства, установленного на двигателях с функциональной потребностью в дополнительном потоке воздуха, использующего прямую механическую связь в качестве источника энергии. Термин «нагнетатель» используется для описания различных типов нагнетателей. Нагнетатель винтового типа , нагнетатель типа Рутса и центробежный нагнетатель — это все типы того, что обычно называют нагнетателями, однако существует различие между нагнетателем типа Рутса, который представляет собой «нагнетатель» объемного насоса без уменьшения внутреннего объема. увеличение давления и другие типы нагнетателей, такие как эксцентриковый лопастной нагнетатель Powerplus и осевой поток Eaton, которые имеют внутреннее сжатие и правильнее называть нагнетателями.
И наоборот, турбокомпрессор , использующий сжатие выхлопных газов для вращения турбины, а не прямую механическую связь, обычно считается не «нагнетателем», а просто «турбо».