Волновой обменник давления
Иллюстрации
Реферат
ВОЛНОВОЙ ОВМЕННИК ДАВЛЕНИЯ, преимущественно давления отработавших газов и воздуха для системы надг дува двигателя внутреннего сгорания содержащий ротор, снабженный продольными ячейками для обменивающихся давлением рабочих сред и приводом от энергии расширения одной из последних , и охватывающий его статор с торцовыми плитами, в каждой из которых размещены, ргран)сченные радиальными боковыми стенками, сегментные окна: в первой - для подвода и отвода ежи .маемого воздуха, а во второй - для подвода и отвода сжимающих газов, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности, в первой торцовой плите выполнены дополнительные окна, примыкающие к обеим боковым стенкам сегментного для отвода сжимаемого воздуха, и привод ротора выполнен в виде тур .бины, впускное отверстие кото1рой подключено к дополнительным окнам. (Л
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (19) 01) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3440983/25-06 (22) 20.05.82 (46) 07.09.83. Бюл. Р 33 (72) Ю.Н. Исаков и Н.В. Галышкин (71) Ленинградский ордена Ленина политехнический институт им. М.И. Калинина (53) 621.43.052(088.8) (56) 1. Патент Великобритании
Р 921686, кл. 8(1)С, 1963. (54)(57) ВОЛНОВОИ ОБМЕННИК ДАВЛЕНИЯ преимущественно давления отработавших газов и воздуха для системы над; дува двигателя внутреннего сгорания, содержащий ротор, снабженный продольными ячейками для обменивающихся давлением рабочих сред и приводом от
SG1) F 04 F 11 02 F 02 В 33 42 энергии расширения одной из последних, и охватывающий его статор с торцовыми плитами, в каждой из которых размещены, ограниченные радиальными боковыми стенками, сегментные окна; в первой - для подвода и отвода сжи,маемого воздуха, а во второй — для подвода и отвода сжимающих газов, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности, в первой торцовой плите выполнены
1 дополнительные окна, примыкающие к обеим боковым стенкам сегментного ок-! на для отвода сжимаемого воздуха, и привод ротора выполнен в виде турбины, впускное отверстие кото1рой подключено к дополнительным Я окнам.
1040233
Изобретение относится к машинб. строению, в частности энергетического машиностроения, а именно к устрой, ству волновых обменников давления, предназначенных для систем наддува двигателей внутреннего сгорания.
Известны волновые обменники давления, содержащие, ротор, снабженный продольньп и ячейками для обменивающихся .давлением рабочих сред и приводом от энергии расширения одной из 10 последних, и охватывающий его статор с торцовыми плитами, в каждой из ко„торых размещены, ограниченные радиальными боковыми стенками, сегментные окна: в первой — для подвода и от- 5 вода сжимаемого воздуха, а во второй -- для подвода и отвода сжимающих газов. Привод в известных обменниках давления выполнен в виде криволинейного участка ячеек, в каждом иэ которых сжимающие газы расширяются перед обменом давления в ячейке, а затем после обмена давления в процессе истечения сжимаются. Разность работ. расширения и сжатия обеспечи- 25 вает вращение ротора, в результате чего посторонний привод ротора не требуется (lj .
Недостатком иэвестного обменника является отсутствие средств согласования фаз движения обменивающихся давлением сред в ячейках со скоро- ° стью вращения ротора, что снижает экономичность обменника давления при работе на нерасчетных режимах.
Целью изобретения является повышечие экономнчности обменника давления.
Поставленная цель достигается тем, что у волнового обменника, содержащего ротор, снабженный продольными 40 ячейками для обменивающихся давлением рабочих сред и приводом от энергии расширения одной из последних, и охватывающий его статор с торцовыми плитами, в каждой из которых .Раз- 45 мещены, ограниченные радиальными боковыми стенками, сегментные окна1 в первой — для подвода и отвода сжимаемого воздуха, а во второй — для подвода и отвода сжимающих газов, в пер-50 вой торцовой плите выполнены дополнительные окна, примыкающие к обеим боковым стенкам сегментного окна для отвода сжимаемого воздуха, и привод ротора выполнен в виде турбины, впускное отверстие которой подключено к дополнительным окнам.
На фиг. 1 приведена схема соединения ротора с колесом турбины; на фиг. 2 — схематическая развертка ротора и окон для воздуха и газов. 60
Волновой обменник давления состо-. ит из ротора 1 и охватывающего его статора (не показан) с первой торцо,вой плитой 2 и второй торцовой пли той 3. Ротор 1 обменника давления механически соединен с рабочим колесом газовой турбины 4.
Ротор 1 разеделен на продольные ячейки. В плите 3 выполнены сегментные окна 5 для подвода сжимающих отработавших газов из двигателя и окна б — для их.отвода после расширения.
В плите .2 выполнено сегментное окно
7 для подвода и сегментное окно 8 для сжимаемого воздуха. К боковым стенкам последнего примыкают дополнительные окна 9 и 10, расположены до и после окна 8 по направлению вращения ротора. Впускное отверстие турбины 4 при помощи разветвляющейся трубы 11 подключено к дополнительным окнам. Сегментное окно 7 соединено с впускным трактом двигателя ели со входом второй ступени наддува. Окно 5 соединено трубопроводом с выпускным трактом двигателя.
Обменник давления работает в системе наддува следующим образом.
На установившемся режиме работы двигателя скорость вращения ротора согласована со скоростью распространения волны давления в ячейках таким образом, чтобы волна давления, возникающая на левом торце ячейки в момент прохождения ею передней кромки окна .5, через которое в ячейку попадают газы высокого давления, достигла второго торца при соединении с окном 8 для отвода сжимаемого воздуха.
При этом из дополнительного от1верстия 10 заполняющая ячейку газо-
;воздушная смесь поступает на рабочие
:лопасти турбины 4, приводящей ротор обменника давления во вращение. Незначительное количество воздуха поступает через отверстие 9 (либо эжектируется из него к лопаткам турбины 4).
При изменении режима работы двигателя йзменяется скорость распространения возмущений в ячейках обменника давления, что приводит к рассогласованию скоростей вращения ротора обменника давления и скорости распространения по его ячейкам волн давления. При увеличении скорости вращения ротора относительно согласованной, волна давления, распространяющаяся вдоль ячейки подходит к первому торцу с запозданием и через окна 10 и 9 в ячейку, в которой находится воздух с давлением несколько ниже атмосферного где происходит подсос
/ воздуха из трубы 11, при этом уменьшается количество рабочего тела, поступающего на лопатки турбины, что приводит к уменьшению ее,мощностц и, соответственно, к снижению скорости вращения ротора обменника давления.
При уменьшении скорости вращения ротора волна давления достигает праl040233 вого торца ячейки в момент прохождения ею окна 9, волна давления проходит в этот канал и поступает далее к сопловому аппарату и рабочим лопаткам турбины. Количество рабочего тела, поступающего на рабочие лопатки, увеличивается (за счет поступления . газовоздушной смеси из канала 10 и дополнительного количества воздуха из канала 9), увеличивается мощность турбины и скорость ее вращения..10
Избыток мощности приводит к увеличению скорости вращения ротора обменника давления, Система выйдет на установившийся режим.
При выполнении системы наддува 15 с предлагаемым обменником давления, частота вращения ротора газовой турбины и связанного с ней ротора обменника давления, как следует из описания работы устройства, автоматически поддерживается на уровне, при котором время прохождения волны давления по ячейке равно времени поворота ротора на определенный угол.
Следовательно, частота вращения ротора на всех режимах пропорциональ. на скорости прохождения волны давления, т.е. скорости звука .в газе
ЗО где Т вЂ” абсолютная температура газа.
Как известно, при работе по внешней характеристике температура выпускных газов изменяется в сравнительно узких пределах, например в пределах от 650 до 690 С. Собственно скорость звука и частота вращения ротора обменника давления изменится не более, чем на 3%, и может быть принята постоянной. При этом ко- 40 личество воздуха, заполняющего ячейки обменника давления в единицу вре- мени, также будет постоянным. В идеальном случае это должно привести к повышению давления наддува обратно пропорционально .уменьшению числа обо. ротов двигателя. В действительности, с учетом газодинамического принципа работы обменника давления, нельзя ожидать столь большого повышения давления наддува хотя бы за счет увеличения количества воздуха, остающегося в ячейке. На практике, во избежание заброса газов в цилиндры двигателя, обменник давления рассчитывается так, чтобы при нагнетании воздуха условная граница раздела газов и воздуха не достигала торца ротора. Если на номинальном режиме количество воздуха, не вытесняемого в двигатель, составляет 20% от объема ячейки, то с ростом давления воздуха эта величина увеличится. Соответственно снизится коэффициент подачи.
С учетом этого и других факторов, можно приближенно считать, что давление наддува будет увеличиваться с уменьшением числа оборотов двигателя не столь существенно, но не менее, чем на 20%.
Поскольку крутящий момент прямо пропорционален давлению наддува и обратно пропорционален коэффициенту избытка воздуха, отношение максимального крутящего момента к номинальному (коэффициент приспособляемости) для двигателя, в системе которого. установлен предлагаемый обменник давления, будет высоким.
При этом выполнение привода в виде отдельной турбины и подача на ее привод газовоздушной смеси из ячеек с возможностью использования магистрали между турбиной и ячейками в качестве компенсационной емкости для пополнения ячеек на переходных режимах существенно повышает экономичность обменника давления.
1040233
Составитель М. Файн
Техред A.À÷
Редактор Г. Волкова
КорректорИ. Ватрушкина
Тираж 665 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам..изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Заказ 6896/39 о
Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4