Воздуходувка Рутса — это объемный кулачковый насос , который работает, перекачивая жидкость парой сцепленных кулачков, напоминающих набор растянутых шестеренок. Жидкость удерживается в карманах, окружающих кулачки, и переносится со стороны впуска к выпуску.
Конструкция нагнетателя Рутса не предполагает уменьшения объема/увеличения давления при прохождении воздуха или другой жидкости, поэтому его лучше всего можно описать как нагнетатель, а не нагнетатель, в отличие от некоторых других конструкций «нагнетателей», таких как нагнетатель Cozette, Centric, нагнетатель Shorrock , нагнетатель Powerplus , а также нагнетатель осевого потока типа Eaton, которые имеют внутреннее «сжатие».
Наиболее распространенным применением нагнетателя типа Рутса было индукционное устройство на двухтактных дизельных двигателях , таких как те, которые производятся Detroit Diesel и Electro-Motive Diesel . Нагнетатели типа Рутса также используются для наддува четырехтактных двигателей с циклом Отто , при этом нагнетатель приводится в действие от коленчатого вала двигателя через зубчатый или клиновой ремень , роликовую цепь или зубчатую передачу .
Воздуходувка типа Рутс названа в честь американских изобретателей и братьев Филандера и Фрэнсиса Мэриона Рутс , основателей компании Roots Blower Company из Коннерсвилля, штат Индиана , которые запатентовали базовую конструкцию в 1860 году как воздушный насос для использования в доменных печах и других промышленных применениях. В 1900 году Готтлиб Даймлер включил воздуходувку типа Рутс в запатентованную конструкцию двигателя, сделав воздуходувку типа Рутс старейшей из различных конструкций, доступных сейчас. Воздуходувки типа Рутс обычно называют воздуходувками или воздуходувками PD (вытеснительного действия). [1]
Нагнетатель типа Рутса прост и широко используется. Он может быть более эффективным, чем альтернативные нагнетатели, при создании положительного давления во впускном коллекторе (т. е. выше атмосферного) на низких оборотах двигателя, что делает его популярным выбором для легковых автомобилей. Пиковый крутящий момент может быть достигнут примерно при 2000 об/мин. В отличие от базовой иллюстрации, большинство современных нагнетателей типа Рутса включают в себя трех- или четырехлопастные роторы; это позволяет лопастям иметь небольшой поворот [ необходимо разъяснение ] вдоль осей ротора, что снижает пульсацию на входе и выходе (это непрактично с двумя лопастями, так как даже небольшой поворот может открыть свободный путь через нагнетатель под определенными углами) [ необходима цитата ] .
Накопленное тепло является важным фактором в работе компрессора в двигателе внутреннего сгорания . Из трех основных типов нагнетателей конструкция Рутса исторически обладала наихудшей тепловой эффективностью , особенно при высоких степенях давления. [2] [3] В соответствии с законом идеального газа , операция сжатия повысит температуру сжатого выхода. Кроме того, работа самого компрессора требует ввода энергии, которая преобразуется в тепло и может быть передана газу через корпус компрессора, нагревая его больше. Хотя промежуточные охладители более известны своим использованием в турбонагнетателях , нагнетатели также могут выиграть от использования промежуточного охладителя. Внутреннее сгорание основано на термодинамическом цикле , и более низкая температура всасываемого заряда приводит к большему термодинамическому расширению и наоборот. Горячий всасываемый заряд провоцирует детонацию в бензиновом двигателе и может расплавить поршни в дизельном двигателе, в то время как стадия промежуточного охлаждения добавляет сложности, но может улучшить выходную мощность за счет увеличения количества входящего заряда, точно так же, как если бы двигатель имел большую мощность. Промежуточный охладитель снижает термодинамическую эффективность за счет потери тепла (мощности), вносимого сжатием, но увеличивает доступную мощность из-за увеличения рабочей массы для каждого цикла. Выше примерно 5 фунтов на квадратный дюйм (35 кПа) улучшение промежуточного охлаждения может стать существенным. [ необходима цитата ] С нагнетателем типа Рутса одним из успешно применяемых методов является добавление тонкого теплообменника, размещенного между нагнетателем и двигателем. Вода циркулирует через него во второй блок, размещенный вблизи передней части транспортного средства, где вентилятор и поток окружающего воздуха могут рассеивать собранное тепло.
Конструкция Roots 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 такта впуска. Двухтактный дизельный двигатель Rootes Co. , используемый в транспортных средствах Commer и Karrier , имел нагнетатель типа Roots; эти две компании не связаны.
Нагнетатели, используемые на двигателях с верхним топливом , забавных автомобилях и других драгстерах , а также на хот-родах , на самом деле являются производными от нагнетателей General Motors Coach Division для их промышленных дизельных двигателей , которые были адаптированы для использования в автомобильных гонках . Название модели этих агрегатов характеризует их размер — некогда широко используемые нагнетатели 4–71 и 6–71 были разработаны для дизелей серии 71. Современные гоночные драгстеры используют вторичные варианты GMC, похожие по конструкции на серию 71, но с увеличенной длиной ротора и корпуса для дополнительной мощности; хот-роддеры также используют воспроизведение 6-71.
Воздуходувки Рутса обычно используются в приложениях, где большой объем воздуха должен перемещаться через относительно небольшой перепад давления. Это включает в себя низковакуумные приложения, где воздуходувка Рутса действует самостоятельно или в сочетании с другими насосами как часть высоковакуумной системы. Одним из очень распространенных промышленных приложений являются пневматические транспортные системы [4] , где воздуходувка подает большой объем воздуха для перемещения сыпучих материалов по трубам.
Некоторые сирены гражданской обороны использовали нагнетатели Roots для подачи воздуха в ротор (прерыватель), чтобы резко увеличить его звуковой выход во всех диапазонах тона. Наиболее известны Federal Signal Thunderbolt Series и ACA (теперь American Signal Corporation) Hurricane. Эти сирены известны как «суперзаряженные сирены».
Воздуходувки Рутса также используются в обратном направлении для измерения расхода газов или жидкостей, например, в газовых счетчиках .
Воздуходувки Рутса использовались для наддува салона самолетов, первоначально они были исследованы непосредственно перед Второй мировой войной (с использованием нагнетателя Маршалла ) и производились такими компаниями, как Sir George Godfrey and Partners, которые продолжали поставлять их в больших количествах вплоть до 1960-х годов. Позднее они были заменены воздухоотводами из ступеней сжатия реактивных двигателей. [5]
Простейшая форма воздуходувки Рутса имеет циклоидальные роторы, построенные из чередующихся тангенциальных секций гипоциклоидальных и эпициклоидальных кривых. Для двухлопастного ротора меньшие образующие окружности составляют одну четверть диаметра большей. Настоящие воздуходувки Рутса могут иметь более сложные профили для повышения эффективности. Кулачки на одном роторе не будут приводить в движение другой ротор с минимальным свободным ходом во всех положениях, так что отдельная пара шестерен обеспечивает фазировку кулачков.
Поскольку роторные кулачковые насосы должны поддерживать зазор между кулачками, одноступенчатый нагнетатель Рутса может перекачивать газ только через ограниченный перепад давления. Если насос используется за пределами его спецификации, сжатие газа генерирует достаточно тепла, чтобы кулачки расширялись до такой степени, что они заклинивают, повреждая насос.
Насосы Рутса способны перекачивать большие объемы, но, поскольку они достигают лишь умеренной степени сжатия, нередко можно увидеть несколько ступеней нагнетателя Рутса, часто с теплообменниками ( промежуточными охладителями ) между ними для охлаждения газа. Отсутствие масла на рабочих поверхностях позволяет насосам работать в средах, где важен контроль загрязнения. Высокая скорость перекачки углеводородов позволяет насосу Рутса обеспечивать эффективную изоляцию между масляными насосами , такими как роторные компрессионные насосы , и вакуумной камерой.
В одном из вариантов используются роторы в форме когтя для более высокой степени сжатия.
Воздуходувка типа Рутса может достигать эффективности около 70% при достижении максимального коэффициента давления, равного двум. Более высокие коэффициенты давления достижимы, но при снижении эффективности. Поскольку воздуходувка типа Рутса качает воздух дискретными импульсами (в отличие от винтового компрессора ), шум пульсации и турбулентность могут передаваться вниз по потоку. Если они не управляются должным образом (через геометрию выпускного трубопровода) или не учитываются (путем структурного усиления компонентов ниже по потоку), возникающие пульсации могут вызвать кавитацию жидкости и/или повреждение компонентов ниже по потоку от воздуходувки.
Для любого заданного воздуходува Roots, работающего в заданных условиях, на карте будет одна точка. Эта точка будет подниматься с увеличением наддува и будет смещаться вправо с увеличением скорости воздуходувки. Видно, что при умеренной скорости и низком наддуве эффективность может превышать 90%. Это область, в которой изначально предназначались воздуходувки Roots, и они в этом очень хороши.
Наддув дается в терминах коэффициента давления, который является отношением абсолютного давления воздуха перед нагнетателем к абсолютному давлению воздуха после сжатия нагнетателем. Если наддув отсутствует, коэффициент давления будет равен 1,0 (то есть 1:1), так как давление на выходе равно давлению на входе. Наддув 15 фунтов на квадратный дюйм отмечен для справки (немного выше коэффициента давления 2,0 по сравнению с атмосферным давлением). При наддуве 15 фунтов на квадратный дюйм (100 кПа) нагнетатели Roots колеблются между 50% и 58%. Замена меньшего нагнетателя на больший смещает точку влево. В большинстве случаев, как показывает карта, это сместит ее в области более высокой эффективности слева, так как меньший нагнетатель, вероятно, будет работать быстро в правой части графика. Обычно использование большего нагнетателя и его более медленной работы для достижения того же наддува дает увеличение эффективности компрессора.
Объемная эффективность нагнетателя типа Roots очень хорошая, обычно она превышает 90% на всех скоростях, кроме самых низких. Из-за этого нагнетатель, работающий с низкой эффективностью, все равно будет механически подавать требуемый объем воздуха в двигатель, но этот воздух будет горячее. В гоночных приложениях, где большие объемы топлива впрыскиваются с этим горячим воздухом, испарение топлива поглощает тепло. Это работает как своего рода система жидкостного охладителя и в значительной степени компенсирует неэффективность конструкции Roots в этом приложении.
Роторные лопастные воздуходувки, обычно называемые бустерами в приложениях высокого вакуума, не используются в качестве отдельного насоса. В приложениях высокого вакуума скорость откачки бустеров может быть использована для снижения конечного давления и увеличения скорости откачки.
Вентиляторы С низким повышением давления вентиляторы обычно используются для перемещения значительных объемов газа. Они обычно используются для циркуляции воздуха в зданиях, машинной вентиляции, охлаждающего оборудования и других промышленных применений.
Воздуходувки Воздуходувки способны создавать среднее давление воздуха с умеренными уровнями давления. Они используются в приложениях, где потребность в давлении выше, чем у вентиляторов.
Компрессоры Компрессоры создают более высокое давление воздуха в промышленных применениях, как правило, от 8 до 12 бар при меньшем расходе воздуха.
Термин «воздуходувка» обычно используется для определения устройства, размещаемого на двигателях с функциональной потребностью в дополнительном потоке воздуха, использующем прямую механическую связь в качестве источника энергии. Термин «воздуходувка» используется для описания различных типов нагнетателей. Нагнетатель винтового типа , нагнетатель типа Рутса и центробежный нагнетатель — все это типы того, что обычно описывается как нагнетатели, однако существует различие между нагнетателем типа Рутса, который представляет собой «воздуходувку» с положительным вытеснением без внутреннего уменьшения объема/увеличения давления, и другими типами нагнетателей, такими как эксцентриковый лопастной powerplus и осевой поток Eaton, которые имеют внутреннее сжатие и более правильно описываются как нагнетатели.
Напротив, турбокомпрессор , использующий для вращения турбины сжатие выхлопных газов, а не прямую механическую связь, обычно не рассматривается как «нагнетатель», а просто как «турбо».