Волновой обменник давления

Изобретение относится к волновым обменникам давления для наддува двигателя внутреннего сгорания. Цель изобретения - повышение эффективности использования энергии сжимающего газа. Ротор 3 волнового обменника давления установлен между торцовыми плитами 1 и 6, его продольные ячейки разделены по высоте на две секции: укороченную 4 и основную 5. Плита 6 выполнена с плоским торцом, примыкающим к торцу ротора, в ней расположены окна впуска сжимаемого воздуха в обе секции и окна выпуска воздуха из основной секции. Другая плита выполнена со ступенчатым торцом, примыкающим к торцам основной и укороченной секций. Каждое расположенное в ней окно впуска сжимающего газа разделено на три канала, из которых два подключены к укороченной секции, а один - к основной. Каждое окно выпуска сжимающего газа разделено на два канала, один из которых сообщен с укороченной секцией, а другой - с основной. Между окнами в плоском торце плиты выполнен карман с радиальными ребрами. Обмен давления между основной и укороченной секциями сглаживает рассогласование волн с моментами подключения ячеек к окнам, что повышает использование энергии сжимающего газа. 12 ил.

выполнена со ступенчатым торцом, примыкающим к торцам основной и укороченной секций, каждое расположенное в ней окно впуска сжимающего газа paaACvieno на три канала, два из которых сообщены с торцом укороченной секции, а один - с торцом основной секции, и каждое расположенное в ней окно выпуска сжимающего газа разде//

/S

/J

9

лено на два отсека разной ширины, один из которых сообщен с торцом укороченной секции , а другой - с торцом основной секции , причем карман расположен в первой плите, сообщен с торцами обеих секций и выполнен по меньшей мере с одной перегородкой , расположенной вдоль радиуса ротора .

Bi/ /1

,72

f5

16

S.

Фиг. 5

ГВЦ. J

лс

гнд

LH

1:2

Г5

x-fOT- 5

Vi4

гв

Jt

п vT

I/

ФигП

17

Фиг. 12

11

гнд

4

СО ел

4

05 О

Изобретение относится к ман.инострое- нпю, в чаетности к двигателестроению, а именно к волновым обменникам давления для наддува двигателей внутреннего сгорания .

ILe. ib нзобрегения - новьпненне эф( тивности иснользования энергии сжимаю- Hiei o |-аза.

Па (|)иг. 1 п(1казаи р,о. 1новой обмеиник давлеинн, разрез; на фиг. 2 -- вид А на фиг. 1 (торцовая и:1ита с окнами виуека и выпуска сжимаемого возду.ха н карманами): на фи|-. 3вид Б иа фиг. 1 (стунеичатая

торцовая 11, с окнами liiiycKa и вынус- ка сжн.маюнимч) га,а); на (j)iir. 4 ротор, ноиеречный разрез; иа фиг. 5 -- диаграмма распространении волн нри расчетном )е- жиме рабо 1 1;1 волповог ообмениика давлс-иия; на (|)нг. () то .ке, при нопп/кеииой частоте вранк ния р отпра Р. c.rvMai- отсутствия ка|)маиов; на (|)Н1. 7 то же, с.учетом влияния кар. на ф-иг: 8 схема ii. ianfvi- иого |),то/кения окон для виХ Ск; п иыкус- ка сжимаюнцм о газа н сжимаемого воздуха; на фиг. 9 - диаграмма раснространения в(),-1и в укороченной секции при нггзко частоте 15ран1.еиия рогора; на (|)иг. 10 1ч) же, ири c)e.THeii частоте вращения ротора; на 4 иг. 1 1то же, нри макснма.мьной частоге BpnHieiMUi |ютора; на фиг. 2 диаграмма |1аснространення волн в укороченной и ocHOBHoii секциях рото1)а нри низкой час- тоге вращеиия.

В(). 1И()В()й обмениик давления еодерл и1 ((j)Hr. I) торцовую и.миту 1, )1кован- нук) ступенчатым торном к цили1гдричес- к()м кориус} 2, в котором устацо1 лен цилиндрический ротор 3 с иродо.льи1)1ми яче 1ками, разделениымг ио высоте на две секции, црнчем одна из секций 4 вынолнеиа укороченной ио отношеиню к другой -- основной секции 5. С другой стороны с корпусом 2 стыкуется 1 орцо и1Я и;|цта () с нлос- ким торном, в KOTopoi i установ:1еиЬ нодниш- иики 7. В нодишнииках ,7 установлен вал h-, на котором с одной сгороны зак|)е:1лен п.ри- водно1 | шкив 9 н гайка 10, а с дру|-ой - )отор 3.

То|)цовая илита 6 (({)иг. 2) выцолнена с кар.манамн 11 сжатия, которгле сообщены торцами обеи.х секщ-.й ротора, окнами впуска сжимаемог о возду.ха, карманами 13 расн1Ире1Н1я, сообщеннымн с торцами обеи.х секций, окнами 14 выиуска сжимаемого воздуха , сообщенными с ociioiiHOJ ротора , и перегородками ,15, расноложенными вдо,11 радиуса ротора в кармана.х 11.

Гор11овая ц, 1ига 1 (фиг. 3) вьию.анена с окнамн д. 1Я ниуска сжимающего 1Ч1за, каждое из которых разделено на гри Kana. ia I (5 18, Д1и1 H;i которых 16 и 17 сообнхены с торцом укороченной секцни 4 рото;)а, а тре- | ий 18 с торцом основной секции 5 и с окнами Д.ТЯ BbuiycKa сжимающего газа, каждое из которых разделено иа два о1 сека |9

9

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

и 20, один из которых 9 сообщен с основной секцией ротора, а другой 20 - с укороченной секнд ей. С.хема взаимного расположения окон д.чя виуека и выпуска сжи- .маюц|е| о газа, и сжимаемого возду.ха цока- 3aiia на фи1 8 (количество окон зависит от ко, 1ичестза цик.тов за одни оборбт ротора).

азодина.мический цик; в во.тновом об- меннике д.ав.чения иа расчетно.м режиме 11 Н дстаилен схематично на фиг. 5 в виде диаграммы распространения волн иа развертке ротора (волновой диагра.м.мы). На диаграммах ириияты следующие сокращения; ГВД - газ (рабочее тело) высокого давления, в данно.м случае сжимающий 1 аз, ностунающий из двигате,.1я; ГИД - газ (рабочее тело) низкого давления; ВВД - воздух (рабочее тело) высокого давления, в данном с. сжимаемый воздух, иостунающи(1 в двигатель; ВИД - воздух (рабочее те.то HHiiKcjro да(.;им1ия, т. е. ат.мосфериый , поступающий в волновой обменник дав, ения; К( - сжатия; КР - карман раснп-;- рения.

азо.тииамический цикл начинается с того , что ячейка )отора заполняется свежим воздухо.м 1к,м действием атмосферного давления . При подходе ячейки к окну виуека сжи.мающего г аза высокого давления (ГВД) окно начинает открываться и на его кромке С возникает волма давления CF, которая раснростраияется но ячейке. За фронтом ЭТО во.чны дав,1ение IlOBЫЦJaeтcя, а частицы воздуха но.тучают импу,тьс движе- иия в направлении к окну выиуека сжимаемого воздуха (BB/U. Волна давления достигает ирогивоио,тож1101 о Koinia ячейки, отражается и возвращ.ается в нее в виде волны давлеиия FK. Затем открывается окно выпуска сжимаемого воздуха (ВВД) и сжатый воздух вытекает из ячейки во BHycKHoii Ko.T, ieKTC)) двигателя. Тем временем сжи.;а1оц;ий i-аз н)одо, 1жает втекать в ячейк iipHMepiio на 2/3 ее д,тины, чтобы зона смешения |-аза с воздухом не достигла окна выиуска сжимаемого воздуха (ВВД). В э юг .мо.мент закрывается окно выиуска сжимаю- mei O газа ( ВД) и на кромке К возникает во.тна раз)ежеиия КМ, которая снижает давление газов и уменьщает скорость их движения. В момент -прихода волны разрежения КМ на кромку М закрывается окно BijHiycKa сжимаемого воздуха (ВВД). Затем отк)ывается окно выпуска сжимающего газа (ГИД), и газы, оставшиеся в ячейке под остаточным давление.м ||еско,1ько вьипе ат.мосферного, начинают, вытекать в окно выпуска сжимающего газа (ГПД), а па кромке I; возникает волна разрежения , вследствие чегю частицы начинают покидать ячейку, а с гцзотивопо- ложной стороны к моменту прихода волны разрежения IJVv на кромку открывается окно виуека сжимаемо1-о воздуха (ВИД), и воздух втекает в ячейку. E5o.ina дапл1 1ия.

возникающая на кромке V, приходит к противоположному концу ячейки и отражается в виде волны разрежения, которая затем приходит на кромку Q. Таким образом, газы полностью удаляются из ячейки и ячейка оказывается заполненной воздухом. Окно впуска сжимаемого воздуха (ВИД) закрывается и на кромке Q при этом возникает волна разрежения QP, которая приводит частицы воздуха в состояние покоя. К моменту прихода волны разрежения QP на кромку Р закрывается окно выпуска сжимаемого газа (ГНД), и цикл может начаться сначала .

Работа волнового обменника давления по такой схеме возможна при постоянной частоте вращения ротора и неизменных параметрах газа и воздуха. При незначительном (свыше 10%) изменении скоростного или нагрузочного режима двигателя внутреннего сгорания происходит полная рассинхрони- зация волн во времени, что значительно ухудшает характеристики обменника давления .

При работе волнового обменника давления с частотой вращения ротора ниже расчетной волновая диагра.мма распространения волн имеет вид, показанный на фиг. 6. В этом случае волна давления СР , возникающая на кромке С при открытии канала впуска сжимающего газа (ГВД), приходит к нрс тивоположному ячейки рано, т. е. до открытия окна выпуска сжимаемого воздуха (ВВД). Волна давления CF отражается как волна да)лсния IF - , за которой давление повышается за счет торможения потока. Поэтому, когда волна давления IF подходит к окну впуска сжи- .мающего газа. (ГВД), в него происходит вытекание газа из ячейки (показано стре,ткой В). Волна давления IF отразится от окна впуска сжимающего газа (ГВД) и будет двигаться в 1раво по ячейке как волна раз- режения IF При открытии окна выпуска сжимаемого воздуха (ВВД) кромкой F в ячейке возникает волна разрежения IF, вследствие чего восстанавливаются условия вытекания из окна впуска сжимающего газа (ГВД) в ячейку (показано стрелкой Г). Область, ограниченная волнами IF и IF, достигает окна выпуска сжимаемого воздуха (ВВД) и создает нежелательное втекание в ячейку сжимаемого воздуха (ВВД) (показано стрелкой Д). Однако приход гзолны давления IF, которая возникает при отражении волны IF от окна впуска сжимающего газа (ГВД), восстанавливает условия вытекания в окно выпуска сжимаемого воздуха (ВВД) (показано стрелкой Е). При закрытии окна впуска сжимающего газа (ГВД) на кромке К возникает волна разрежения КМ. За волной КМ давление значительно ниже давления в окне впуска сжимающего газа (ГВД) и окне сжимае.мого

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

воздуха (ВВД). Вследствие понижении частоты вращения ротора волна разрежения КМ приходит к правому концу ячейки рано. При этом наблюдается дополнительное нежелательное вытекание воздуха из окна выпуска сжимаемого воздуха (ВВД) (показано стрелкой Ж).

Описанные изменения направления потока в окнах впуска сжимающего газа (ГВД) и выпуска сжимаемо|-о воздуха (ВВД) приводят к стеснению потока и снижению расхода , причем расход через окно выпуска сжимаемого воздуха (ВВД) уменьшается в большей степени, чем через окно впуска сжимающего газа (ГВД), что для нагнетателя поршневого двигателя неприе.млемо.

Одной из основных особенностей рабочего процесса в волново.м обмепнике давления является необходимость обеспечения полной продувки ячеек ротора воздухом.

Волновая диаграмма на фиг. 6 поясняет распространение волн при продувке ячеек в случае пониженной частоты Bpanie- ния ротора. Так, при открытии окна выпуска сжимающего газа (ГНД) в ячейках ротора находится газ под более высоким давлением, чем в окне, и на кромке U возникает волна разрежения UW, которая отражается от , 1евой стороны ячейки (стенки ), как волна разрежения EW, а на правом конце ячейки (окно выпуска сжимающего газа) как во,1на дав, 1ения EW В свою очередь при открытии окна впуска сжи.маемО1ч) воздуха (ВПД) па кромке W возникает BO/I- на давления BW, которая в окне выпуска сжимающего газа (ГПД) отражается как волна разрежения что приводит к вьгге- канию воздуха из ячейки в окно виуска сжимаемого воздуха (BHZU (показано стрелкой К). От|)ажение этих волн от окна впуска сжимаемого воздуха приводит к восстановлению продувки, по продувка в этом случае происходит не полностью.

Для того, чтобы избежать указанных недостатков, в волновом обменнике дав. 1е- ния используют карман сжатия для согласования во времени волн давления и кар.ман расширения для согласования во времени волн, обеспечиваюп1их продувку ротора.

На фиг. 7 показано влияние карманов па рабочий процесс в волново.м обмепнике давления. Карман сжатия обеспечивает предварительпое сжатие в ячейках воздуха в исходном состоянии, а это снижает скорост1 распространения волны дав. 1ения, на11)имор волны CF. Карман расширения, п )м поддерживается noBbiiHCinioe дав.ienne, от)а- жает волну )ежения , iipHnie.unx K) рано к правому концу ячейки, как во.чпу давления .V.f которая повышаег скорост) потока в ячейках ротора и обеспечивает быстрое вытекание газа в окно вьн1уск;1 сжимаюп1е1Ч) газа (ГНД). На расчетном режиме волна разрежения Л., вознпкаюн1ая па кромке U, приходит к кромке nejiea

открытием окна впуска и сжимае.мог о воздуха (ВИД) и на ее движение карман разрежения не влияет.

Волновой обменник давления с еекция- ми разной длины работает следуюи 1,им образом .

На фи1-. 9 ноказана волновая диаграмма газодинамического цикла на развертке укороченной секции но среднему диаметру ири низкой частоте враи1,еиия ротора. Цикл начннается с того, что ячейка занолняется возду.хом иод действием атмосферного давления . Как только, вследствие вращения ротора , ячейка подключается к каналу 17 окиа внуска сжимающего газа (ГВД), на кромке D возникает волна давления DG, которая распространяете;; к правой стороне ячейкк и дости1 ает ее ii зо и- де11С ; вия isapMaiia сжатия. Эт() приводи г к I t/i; ii,i;; i;i:K: с;-като- 14) воздуха в карман с. катия и iiejjeieKatn-iK) его в основную секни;:). lipH : на.ла 17 окна впуска с.ки.м; () на кромке В возникав- режения BS, которая ириводиг к . -ор.изже- 1И11О потока в ячейке укороченной секции и дозировке количества .ха в карман сжатия. В ячейке основной секции 5 (фи1 12) ири нереходе волны давления DCi через карман 11 ежатия раснрост|)аняется lio. Hia сжа| ия (jR, но уже меньшей интенсивности , что вызвано некоторым |ием движунитося воздуха в ячейке оеиов- -ной секции 5. имеюн1ей большее ноиереч- ное сече1Н1е, чем ячейка укороченной секции 4. -lepea некоторое времм (зависит от расстояния между открываюии1мися кромками каналов 17 и 18 окна внуска сжи- маю1цего газа и частоты враи1еиия ротора) к Kaiia. iy 18 окна внуска сжимаю1це1ч) газа (1 ВД) подключается ячейка основной секции 5, что приводит к возникиовению на кромке С волн ы давления CR, расиростра- няю1цейся в основной секции 5. Волны давления CR и GR различной интенсивности встречаются в точке R, и в результате образуется волна давления RF, которая нрихо- Д1ГГ в точку, .соответствующую началу открытия окна 14 вынуска сжимаемого воздуха , т. е. во. ша давления GR тормозит волну давления CR, и в результате образуется во;|иа давления RF (фиг. 12). Пр1 даль- неЙ1нем движении рассматриваемой ячейки укороченной секции (фиг. 9) она нодк.чю- чается к каналу 16 окна впуска сжимающего г аза (ГВД), что 11|)иводит к появлению волны давления ОТ, которая сжимает остав1 1уюся 5 ячейке часть воздуха. Приход волны давления ОТ иа правую сторону ячейки совпадает с открытием кармана расши- ре1тя, и оетав1инйся в ячейке укороченной секции воздух выгекает в карман расширения , а зате.м и в ячейку основной секции . Цовьпиение давле1тя в ячейке основной секции приводит к иоявлению волны

0

0

5

0

5

0

5

0

5

давления, например, М. (фиг. 7). При закрытии канала 16 окна впуска сжимающего газа (ГВД) на кро.мке Н возникает волна разрежения НТ, которая тормозит поток в ячейке укороченной секции и осуществляет дозировку количества воздуха в карман расширения. При подходе ячейки укороченной секции к отсеку 20 окна выпуска сжимающего газа (ГНД) на кромке L возникает волна разрежения L., которая приводит к вытеканию газа из ячейки укороченной секции. По цриходу волны разрежения l.N на кромку V, открывается окно 2 внуска сжимаемого воздуха (ВИД), на кромке Y возникает волна давления VF и ячейка заполняется воздухом. Таким образом , цикл может начаться сначала.

В случае снижения нагрузки по отно- к пг)елыдущему случаю (фиг. 9) волна давления DG возникающая на кромке 13, приходит к правому концу ячейки ближе к кромке S кар.мапа сжатия. Это вызывает перетекание части сжатого воздуха в ячейки основной секции через карман сжатия, но уже меньшего количества, так как зона перетекания уменьшается, что приводит к снижению интенсивности волны давления в основной секции, исходящей от кармана сжатия, по OTHOHjenHio к предыдуи,ему случаю . Учитывая, что с ионижение.м нагрузки снижается и интенсивность волны давления в основиой секции, возникающей ири открытии окна впуска сжимающего газа, результирующая дав,:|ения 1 риходит непосредственно перед открытием окна вьщуска сжимае.мого воздуха. При дальней1нем движении ячейки укороченной секции и нодсоедииении ее к каналу 16 окиа впуска сжимающего газа на кромке О возникает волна давления ОТ которая движется с меньшей скоростью относительно ячейки, так как первоначальное давление в ячейке несколько (меньше зона перетекания в карман сжатия), и нриходит в зону действия кармана расширения , что вызывает повыщение давления в ячейках основной секции за счет перетекания воздуха через карман расширения . При закрытии канала 16 окиа впуска сжимающего газа (ГВД) на кромке Н возникает волна разрежения НТ, которая тормо- зиг исток воздуха в ячейке укороченной секции и дозирует количество возду.ха, по- сгупающего в кармап расщирепия. При открытии отсека 20 выпуска сжи.мающего газа (ГНД) на кро.мке L возникает во, 1на разреже 1ия L.N, которая приходит на кромку V, т. е. скорость волны зависит от перепада давлений в ячейке и отсеке 20 окна выпуска сжимающего газа (ГНД), а давление в ячейке укороченной секции становится выше, чем в предыдущем случае (меньшее количество воздуха, поступившего в кармаи расширения).

На режиме, соответствующем какой-либо средней частоте вращения ротора волнового обменника давления, процесс протекает аналогично, но с некоторыми отличиями . Как показано на фиг. 10, волна давления DG, возникающая при подсоединении ячейки укороченной секции к каналу 17 окна впуска сжимающего газа (ГВД), достигает карман сжатия ближе к кромке S, так как переносная скорость ячейки увеличивается. Это приводит к перетеканию меньшего количества возду.ха из ячеек укороченной секции в ячейки основной секции, что соответствует своевременному приходу волны давления в ячейках основной секции к окну вынуска сжимаемого воздуха (ВВД). Волна разрежения BS, возникающая на кромке В, снижает скорость потока в ячейке секции и дозирует количество воздуха, поступающего в карман сжатия. 11ри ла.1ьнейп1ем движении ячейки укороченной секции и подсоединении ее к каналу 16 окна впуска сжимающего газа (ГВД) на кромке О возникает волна давления ОТ, которая п|)иходит на правую сторону ячейки в зоне кармана расширения, но уже б:1ижс к кромке А. Это приводит к уменьшению ко.1ич(ч тва перетекающего воздуха через карман расширения, что соответствует нормальной работе волнового обменника дав, 1е11ия, так как продувка в ячейках основной секции за)5псит не только от давления в кармане рас1пирения, по и от частоты вращения ротора. Продувка ячейки укороченной секции осуществляется за счет оставшегося высокого давлення, и волна разрежения LN приходит на кромку V перед окном 12 впуска сжимае.мого воздуха (ВВД), что объясняется как новыщенпым давлением в ячейке укороченной секции, так и новы- н енной частотой вращения ротора. В случае повышения нагрузки при указанной частоте вращения (фиг. 10) волна давлс1П1я DG возникающая на кромке D при подсоединении ячейки укороченной секции к кана. п 17 окна впуска сжимающего газа (ГВД|, приходит в зону кармана сжатия, но уже несколько ближе к кро.мке G, что приводит к уве;1ичению давления в ячейках осмовной секции за счет большего количества перетекающего воздуха через карман сжатии и обеспечивает тем самы.м приход во.шы дав.че- ния в ячейке основной секции непосред- ствеппо перед открытием окна выпуска сжимаемого воздуха (BBZl). Дальнейший процесс продувки мало чем отличается от . описанного. Расход сжимающего газа (ГВД) па промежуточных частотах вращения ротора значительно ниже, чем в предыдущем случае, так как расход сжимающего газа (ГВД) через канал 16 уменьщается.

Перегородки 15 позволяют расп ирить дианазо | регулирования и у.меиынают перс- текапие воздуха через карман сжатия Б соседние ячейки.

0

При расчетной частоте вращения ротора (фиг. 1 1) волна давления DG, возникающая на кромке D при подсоединении ячейки укороченной секции к каналу 17 окна впус- 5 ка сжимающего газа (ГВД), ири.чодит к правому концу ячейки, когда карман сжатия уже не соединяется с данной ячейкой. При дальнейшем движении ячейки укороченаой секции и подсоединении ее к каналу 16 окна

Q впуска сжимающего газа (ГВД) па кромке О возникает слабая волна давле1П1Я ОТ, так как давление в ячейке незначительно отличается от давления сжимающего газа (ГВД), и сжимающий газ практически ие втекает в ячейку через канал 16. Открытие секции 20

5 окна выпуска сжимающего газа (ГПД) приводит к возникновению на кромке L во,1ны разрежения L.N, которая приходит на кромку V перед открытием окна 12 впуска сжимаемого воздуха (ВИД), и на кро.мке V возникает волна дав, 1епия Г,,которая приводит к продувке ячеек укороченной секции воздухом. Продувка в ячейках укороченной секции в это.м случае осуществляется за счет более высокого давления газа и воздуха в ней вс.едспик- уменьшения

5 или отсутствия расхода воздуха в карманы сжатия и расширения, что п;)ии()диг в конечном счете к увеличении) 1азлепия в ячейке укороченной секции Hoc. ie 1:|:одувки и . |уч- щенню работ1)1 во. пюного Г Г) д;1в, 1е- ния на расчетном режиме.

При 1)аличии укороченпой секции умепь- шаются утечки сжимаемого воздуха в основной секции через зазорьк

Таким образом, система иаддува с И1)ед- лагаемым волновым обмен1П1Ком дав.чения позволяет повысит1 коэффициент ириспособ5 ляемости и повысить эффективность исио.ш- зовапия энергии сжимающего газа.

Форму.т u. iodpi гения

д Волновой обменник давления, нроиму- нк ственно давлення отработавн1пх г азов и наддувочног о воздуха двп1 ателя внут1)ен1{ег(.) сгорания, содержащий цп.чиндрический ро- гор с продо, 1ьпыми ячейка.ми, разделенными п вькч)те на две секции, уста)1о.в, 1енный в

5 корпусе между торцовы.ми п:1итами, в первой из которых распо. южеиы окна д, 1Я впуска и выпуска сжимаемого воздуха, во вто|)ойокна для внуска и вынуска

сжимаюпхего газа, а но меньшей мере в одной из плит между окнами расположены

0 карманы, сообщающиеся с торцами ячеек, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности использования )гин сжимающего газа, одна из секций выполнена укороченной по сравнению с другой - ос , новной, первая плита вьнюлпена с плоским торцом, расположенные в ней окна впуска сжимаемого воздуха сообщены с обеими еек- . ция.ми, а окна выпуска сжимаемого воздуха - с основной секцией, вторая нлита

И

12