Как работают механический, электрический, центробежный нагнетатели воздуха

Виды и принцип работы механического нагнетателя

Механический наддув является одним из способов повысить мощность двигателя. Главным элементом такой системы является механический нагнетатель (Supercharger или compressor).

Он представляет собой компрессор, приводимый в действие за счет вращения коленчатого вала. Установка механического нагнетателя обеспечивает увеличение мощности двигателя до 50%.

Supercharger осуществляет забор воздуха через воздушный фильтр, сжимает и далее отправляет его во впускной коллектор ДВС, что и способствует повышению мощности последнего.

Конструкция и принцип работы механического наддува

В современном автомобилестроении применяется несколько видов систем механического наддува, каждая из которых имеет свои конструктивные особенности и принцип нагнетания воздуха.

Устройство механического наддува

Система механического наддува состоит из следующих элементов:

  • механический нагнетатель (компрессор);
  • интеркулер;
  • дроссельная заслонка;
  • заслонка перепускного трубопровода;
  • воздушный фильтр;
  • датчики давления наддува;
  • датчики температуры воздуха во впускном коллекторе.

Схема работа механического наддува

Управление механическим нагнетателем осуществляется при помощи дроссельной заслонки, которая при высоких оборотах открыта.

При этом заслонка трубопровода закрыта, и весь воздух поступает во впускной коллектор двигателя.

Обратите внимание

Когда двигатель работает на низких оборотах, дроссельная заслонка открыта под небольшим углом, а заслонка трубопровода открыта полностью, что обеспечивает возврат части воздуха на вход компрессора.

Поступающий из нагнетателя воздух проходит через интеркулер, что снижает температуру нагнетаемого воздуха примерно на 10°C, способствуя более высокой степени его сжатия.

Типы привода механического наддува

Ременной привод кулачкового компрессора

Передача крутящего момента от коленчатого вала к механическому компрессору может осуществляться различными способами:

  • Система прямого привода — предполагает  монтаж компрессора непосредственно на фланец коленчатого вала двигателя.
  • Ременный привод. Передача усилий реализуется при помощи ремня. Различные производители используют свои виды ремней (плоские, клиновидные или зубчатые). Системы с использованием ремня характеризуются коротким сроком службы и вероятностью возникновения проскальзывания.
  • Цепной привод. Имеет аналогичный ременному приводу принцип.
  • Шестеренчатый привод. Недостатком такой системы является повышенный шум и большие габариты.

Виды механических компрессоров

Центробежный компрессор

Каждый тип привода наддува имеет свои эксплуатационные особенности. Всего различают три вида механических нагнетателей:

  • Центробежный нагнетатель. Самый распространенный вид механических нагнетателей. Основной рабочий элемент системы — колесо (крыльчатка), которое имеет сходную конструкцию с компрессорным колесом турбины. Оно вращается со скоростью порядка 60 000 оборотов в минуту. При этом воздух всасывается в центральную часть компрессорного колеса в режиме высокой скорости и малого давления. Пройдя через лопасти нагнетателя, воздух подается во впускной коллектор, но уже в режиме низкой скорости и высокого давления. Этот вид нагнетателя используется в комплексе с турбокомпрессорами для устранения турбоямы.
  • Винтовой нагнетатель. Представляет собой систему из двух вращающихся шнеков (винтов) конической формы. Воздух, попадая в более широкую часть, проходит по камерам компрессора и, благодаря вращению, сжимается и нагнетается в патрубок впускного коллектора. Такие системы применяются в основном на спортивных и дорогостоящих автомобилях, поскольку достаточно сложны в изготовлении. Их преимущество — высокая эффективность работы.
  • Кулачковый нагнетатель (roots). Один из первых видов механических нагнетателей. Конструктивно он представляет собой два ротора со сложным профилем сечения. Оси вращения роторов соединяются двумя одинаковыми шестернями. При вращении системы воздух перемещается между стенками корпуса и кулачками, в результате чего происходит его нагнетание во впускной трубопровод. Недостатком этой системы является образование избыточного давления, что провоцирует сбои в работе наддува. Для устранения этого явления в конструкции кулачкового нагнетателя предусматриваются либо муфта с электрическим приводом (управление с отключением нагнетателя), либо перепускной клапан (без отключения нагнетателя).

Источник: https://TechAutoPort.ru/dvigatel/vpusknaya-sistema/mehanicheskiy-nagnetatel.html

Устройство центробежных компрессоров

Центробежные компрессоры представляют собой оборудование, входящее в группу компрессоров динамического типа с радиальной конструкцией.

Главным преимуществом установок данного типа является их высокая производительность, которая в разы превышает показатели компрессоров других видов.

Благодаря этому, центробежные воздушные компрессоры, устройство которых позволяет использовать их при интенсивной эксплуатации, широко используются в промышленных масштабах – в нефтеперерабатывающей отрасли, металлообработке и других сферах деятельности.

Центробежные компрессоры – устройство и основные элементы

Компрессорные установки, состоящие в группе оборудования центробежного типа, представляют собой широкое разнообразие агрегатов, различных по своим характеристикам и техническому оснащению. Но при этом, центробежным компрессорам характерно общее стандартное оснащение. Так, оборудование данного типа включает в себя такие основные элементы, как:

  • корпус оборудования;
  • патрубки – входное и выходное устройства;
  • рабочие колеса;
  • диффузор;
  • привод – может быть различных типов (дизельный, электрический и другие).

Здесь Вы можете ознакомиться с каталогом компрессоров, реализуемых ООО ГК «ТехМаш». 

Конструкция центробежных установок может быть различной в зависимости от количества в оборудовании следующих элементов:

  • ступеней – одно- и многоступенчатые;
  • роторов – однороторные и многороторные.

Кроме того, устройство центробежных компрессоров также имеет классификацию и по типу корпуса:

  • Установки с разъемом корпуса горизонтального типа – в данном случае корпус имеет горизонтальное разделение на две части. Подобные особенности конструкции установки обеспечивают легкий доступ к ротору оборудования в случае необходимости. Используются агрегаты данного типа при необходимости получения давления с показателем ниже 60 атмосфер.
  • Оборудование с разъемом корпуса вертикального типа – данное оборудование устанавливается в специальный цилиндр и применяется в технологических процессах, где уровень давления доходит до 700 атмосфер. При этом цилиндр содержит такие же диафрагмы и ротор, как и оборудование, корпус которого имеет горизонтальный разъем.
  • Установки, оснащенные редуктором – данное оборудование, как правило, оснащено несколькими валами и редуктором, обеспечивающим передачу движения с мотора на вал. Применяются подобные компрессоры при необходимости получения давления с показателем ниже среднего.

Действие центробежных компрессоров

Устройство и принцип работы центробежных компрессоров основаны на динамическом сжатии газообразной среды. Основным элементом данного оборудования является ротор, оснащенный валом с рабочими колесами, расположение которых симметрично.

В процессе работы оборудования, на частицы газа действует сила инерции, которая возникает благодаря наличию вращательного движения, совершаемого лопатками колеса. При этом происходит перемещение газа от центра компрессора к краю рабочего колеса и в результате газ сжимается и приобретает скорость.

Далее скорость газа снижается и последующее сжатие происходит в круговом диффузоре – кинетическая энергия переходит в потенциальную. На следующем этапе газ поступает в обратный направляющий канал и переходит в следующую ступень установки.

Важным отличием центробежных установок от оборудования другого типа является отсутствие контакта между маслом и газом.

В случае с агрегатами данного типа требования к смазке рабочих элементов оборудования значительно ниже, нежели в установках объемного действия.

При этом смазка полностью защищает от ржавчины элементы оборудования, а масло, имеющее слабое окисление, смазывает зубчатые колеса, уплотнения и подшипники максимально эффективно.

Так, работа компрессора центробежного имеет достаточно простой принцип действия и основывается на вращательном движении лопастей рабочего колеса, который является одним из главных рабочих элементов установок центробежной группы. При этом, данному оборудованию характерно быстрое повышение уровня давления и достижение его максимальной величины за короткий период работы агрегата.

Важно

Одна из главных особенностей установок данного типа заключается в зависимости потребляемой оборудованием мощности, давления сжимаемого газа и его коэффициента полезного действия от уровня производительности компрессора. Характер и степень данной зависимости указывается в рабочих характеристиках установок, при этом индивидуально для каждой модели оборудования.

Конструкция, а также принцип работы центробежных компрессоров являются достаточно простыми в сравнении с установками других типов.

Данная особенность позволяет получить сразу несколько преимуществ – возможность длительного срока использования оборудования при его интенсивной эксплуатации и высоком уровне эффективности работы.

При этом, данное оборудование на протяжении всего периода использования требует минимального технического обслуживания, а в случае необходимости, легко поддается ремонту при поломках различных типов.

Источник: https://www.pnevmoteh.ru/Centrobezhnyj-kompressor-ustrojstvo-princip-raboty

Устройство механического компрессора

Механический компрессор представляет собой одну из разновидностей систем наддува воздуха для увеличения мощности двигателя. Главной целью использования такого нагнетателя является создание заметно повышенного давления, которое превышает атмосферное во впускном коллекторе мотора.

Компрессор называется механическим по причине того, что имеет привод непосредственно от коленвала двигателя. В этом состоит и его главное отличие от другой системы нагнетания воздуха в цилиндры под давлением-турбокомпрессора.

Механический нагнетатель еще называется суперчарджер (от англ. supercharger). Механические нагнетатели способны обеспечить прирост мощности двигателя до 50%. Показатель крутящего момента увеличивается до 30%.

Недостатком механического нагнетателя заслуженно считается то, что для его работы требуются существенные затраты мощности самого двигателя.

Энергия расходуется на  привод нагнетателя, а отбор мощности достигает отметки в 30%.

Принцип работы механического компрессора

Механический нагнетатель по своему принципу работы напоминает турбокомпрессор. Компрессор аналогично турбине реализует целый список взаимосвязанных функций. Суперчарджер втягивает наружный воздух, осуществляет его сжатие и последующее нагнетание во впускную систему мотора.

Втягивание воздуха реализовано на основе созданного в коллекторе разрежения. Для создания необходимого давления механическому нагнетателю необходимо вращаться на более высоких оборотах, опережая при этом двигатель.

Нагнетание воздуха во впуск происходит за счет разницы давлений во всей системе.

Воздух, который сжимается компрессором, демонстрирует увеличение температуры при сжатии. Это ведет к снижению его плотности, а результатом становится соответственное снижение уровня давления.

Совет

Механическая система наддува оснащается интеркулером для решения этой проблемы.

Интеркулер представляет собой воздушный или жидкостной радиатор, который качественно охлаждает сжатый воздух после прохождения компрессора.

Устройство привода механических нагнетателей

Механический компрессор ДВС конструктивно может отличаться от других похожих решений. Главным отличием от аналогичных систем зачастую выступает система его привода. Нагнетатели могут иметь следующее приводное устройство:

  • систему прямого привода, при которой нагнетатель имеет крепление напрямую к фланцу коленвала;
  • устройство ременного привода, которое включает в себя различные виды поликлиновых, зубчатых или плоских ремней;
  • привод на основе цепи (цепной привод);
  • зубчатую передачу, под которой стоит понимать цилиндрический редуктор;
  • электрический привод, который подразумевает использование отдельного электродвигателя;

Виды механических компрессоров

Давайте рассмотрим каждый из основных видов механических компрессоров более подробно. Итак, поехали. Современные автомобили могут быть оснащены различными видами нагнетателей. Наибольшее распространение получили три главных вида таких механических систем:

  • кулачковый нагнетатель (Roots);
  • винтовой нагнетатель (Lysholm);
  • центробежный нагнетатель;

Кулачковый нагнетатель

Данный тип механического нагнетателя представляет собой одну из самых ранних разработок. Кулачковый нагнетатель стали устанавливать на автомобилях с 1900 года. В мире компрессор хорошо известен по имени изобретателей данной системы-Roots.

Современная реализация конструкции кулачкового нагнетателя выглядит таким образом, что нагнетатель имеет пару роторов. Эти роторы могут иметь три или четыре кулачка и вращаются друг другу навстречу.

Кулачки расположены так, чтобы находиться по спирали и размещены по всей длине ротора.

Угол закрутки таких кулачков подобран именно для обеспечения наилучшей эффективности нагнетания воздуха при учете возникающих при этом потерь.

 По своей общей конструкции, а также и по принципу действия такой кулачковый нагнетатель напоминает шестеренный масляный насос, который устанавливается в системе смазки ДВС.

Читайте также:  Новый хэтчбек от hyundai

Поступающий воздух в компрессоре захватывается кулачками на роторе, перемещается в межкулачковом пространстве и пространстве между стенками корпуса устройства, сжимается, а затем осуществляется нагнетание во впуск. Такой принцип работы называется внешним нагнетанием.

Нагнетатели типа Roots отличаются тем, что быстро создают необходимое давления наддува. Отмечается также рост указанного давления параллельно с увеличением частоты вращения коленвала силовой установки автомобиля.

Обратите внимание

 В некоторых случаях компрессор может создать такое давление, которое превысит необходимое.

Результатом станут воздушные пробки в нагнетательном канале и падение эффективного давления наддува, что и приводит к общему снижению итоговой мощности силового агрегата в различных режимах его работы.

Для того чтобы избежать таких негативных последствий, при использовании механических компрессоров различных видов обязательно реализуется дополнительный контроль и регулирование давления наддува. Давление наддува регулируется двумя доступными способами:

  1. К первому способу можно отнести регулировку давления путем отключения нагнетателя. Зачастую такое отключение происходит при помощи электромагнитной муфты;
  2. Ко второму способу относится перепускание воздуха в процессе непрерывной работы компрессора. Воздух перепускается при помощи перепускного клапана;

Сегодня системы механического наддува оснащаются электронными схемами регулирование такого наддува.

Комплексное решение состоит из входных датчиков давления наддува, датчика во впуске, электронных управляющих блоков и т.д.

Параллельно используются многочисленные механизмы исполнения, к которым относят электромеханические модули привода перепускного клапана, электромагнит муфты и другие устройства.

Нагнетатели типа Roots стоят достаточно дорого. Это обусловлено крайне малыми допусками в процессе их изготовления. Такие компрессоры демонстрируют повышенные требования к чистоте поступающего в компрессор воздуха. Любое загрязнение или посторонние предметы в системе впуска могут с легкостью вывести из строя чувствительный нагнетатель.

Компрессоры данного типа имеют солидный вес, а также характеризуются высоким уровнем шума в процессе их работы. Производители эффективно используют ряд мер для шумоподавления, начиная от специальной конструкции корпуса и заканчивая демпфирующими пластинами, резонаторами, демпферами и т.п.

Среди лидеров по производству нагнетателей Roots можно  особо выделить компанию Eaton, которая специализируется на  изготовлении четырехкулачковых нагнетателей  Twin Vortices Series повышенной эффективности (в переводе с англ. это означает «двойная серия вихрей»).

Такие механические нагнетатели штатно установлены на серийные моторы Cadillac, Audi, Toyota. Встречаются моторы, на которых кулачковые нагнетатели являются составным элементом системы вместе с турбонагнетателями.

Для примера стоит упомянуть двигатели семейства TSI с двойным наддувом.

Винтовой нагнетатель

Винтовой нагнетатель является конструктивно схожим решением с нагнетателем Roots. Такие нагнетатели еще имеют наименование по имени их создателя и называются нагнетателем Lysholm.

Указанный компрессор состоит из двух роторов-шнеков особой формы. На одном роторе имеются характерные выступы, а на другом выемки-канавки.

Данные роторы напоминают по форме  конус, а воздушные камеры между роторами становятся меньшего размера. Это видно в том случае, если следовать по длине ротора.

Важно

 Поступающий воздух захватывается шнеками,  далее перемещается и сжимается. Сжатие происходит в результате вращения шнеков.

Последним этапом становится нагнетание сжатого воздуха во впускной патрубок. Главным отличием винтового нагнетателя от кулачкового является то, что такой компрессор обеспечивает внутреннее нагнетание. Воздух нагнетается между шнеками, что делает способ более эффективным.

К минусам винтовых нагнетателей однозначно относится их высокая цена, которая  сильно превышает стоимость и без того не самых доступных кулачковых аналогов. По этой причине винтовые нагнетатели применяются довольно редко. Их чаще устанавливают на массовые дорогие спортивные автомобили или модели лимитированных серий.

Центробежный нагнетатель

Что касается центробежного нагнетателя, то процесс нагнетания воздуха в нем реализован по такому принципу, который напоминает турбокомпрессор. В своей основе он имеет рабочее колесо-крыльчатку. Колесо вращается с очень высокой скоростью, а число оборотов может достигать отметки в 50000-60000 об/мин.

Работает нагнетатель по следующему принципу, когда поступающий воздух засасывается компрессором в центральную часть колеса. Благодаря центробежной силе воздух направляется по лопастям особой формы. Воздух из рабочего колеса выходит уже на большой скорости, но еще имеет низкое давление.

Именно во время выхода из колеса воздух проходит через особый диффузор, который имеет множество стационарных лопаток, расположенных вокруг рабочего колеса. Поток воздуха на высокой скорости и с низким давлением после прохождения диффузора проходит процесс преобразования и превращается в поток воздуха низкой скорости, но уже с высоким давлением.

Стоит отметить, что центробежные нагнетатели являются наиболее распространенным решением среди всех нагнетателей механического типа. Среди основных плюсов выделяют их компактные размеры, низкий вес, эффективность работы, разумную стоимость и отличную возможность различных вариаций крепления на двигателе.

К минусам центробежных нагнетателей относят сильно выраженную зависимость их производительности от скорости вращения коленвала двигателя. Разработчики сегодня особо учитывают эту особенность.

Для центробежных нагнетателей широко используют привод с переменным передаточным отношением.

Указанное передаточное отношение привода на максимальной отметке потребуется тогда, когда двигатель работает на низких оборотах, минимальное же отношение используется при режиме работы на высоких оборотах.

Благодаря ряду особенностей конструкции нагнетатели типа Roots и Lysholm устанавливают на автомобили для обеспечения высоких показателей динамики при разгоне, а центробежные нагнетатели наиболее эффективны при работе мотора в режиме пиковых нагрузок и максимально высокой скорости.

Применение механических компрессоров на автомобилях

Применение механических нагнетателей очень востребовано как для серийных дорогих авто, так и на спортивных моделях. Компрессоры активно используются для тюнинга автомобилей. Большинство спортивных автомобилей оборудованы механическим нагнетателем или комплексным решением, которое включает в себя одновременно механический и турбокомпрессор.

Широчайшая популярность механических нагнетателей в области тюнинга  автомобильных ДВС привела к тому, что производители  компрессоров предлагают сегодня готовые комплекты для установки компрессора на атмосферный мотор. Такие комплекты включают в себя полный список необходимых элементов конструкции для доступной установки на различные модели двигателей.

Напоследок хотелось бы добавить, что серийные массовые автомобили, особенно среднего ценового сегмента, оснащаются механическими нагнетателями довольно редко.

Источник: http://KrutiMotor.ru/ustrojstvo-mexanicheskogo-kompressora/

Электрический нагнетатель. Российская разработка – Автоблог – Autoutro.ru

11.06.2015 | Фото: Internet

Электрический нагнетатель. Российская разработка

На дорогах нашей страны с каждым годом автомобилей становится все больше, поколения сменяются поколениями, модели моделями. В данном разнообразии очень легко запутаться, а вот выделиться из общего потока, наоборот, становится все сложнее. В данной статье я хочу рассказать свои мысли на тему изменения характера автомобиля.

Итак, за весь свой водительский стаж (около 8 лет) я поездил на многих автомобилях и пришел к выводу, что отсутствие тяги на низких и средних оборотах  –  проблема практически всех современных малолитражных двигателей, в среднем до 3000 оборотов они не «едут» совсем – ускорения нет никакого, что несомненно неудобно и в городе, и на трассе.

По-видимому, такие настройки динамики вводятся автопроизводителями в угоду снижению токсичности выхлопа, расхода топлива и повышению надежности двигателей (искусственно заниженная мощность на низких оборотах продлевает жизнь всем трущимся деталям в двигателе).

Совет

Данная проблема кардинально решается несколькими методами: — замена мотора на более объемный; — установка небольшой турбины с ранним выходом на наддув (довольно популярный метод, дает эффект более объемного двигателя с 1500-2000 оборотов);

 — установка объемного компрессора с приводом от коленчатого вала двигателя (дает эффект более объемного двигателя практически с холостых оборотов, но занимает очень много места в подкапотном пространстве, метод практически не пользуется популярностью).

В один прекрасный день мне в голову пришла идея – а что, если взять холодную часть турбины (центробежный компрессор) и вращать его крыльчатку не отработанными выхлопными газами и не при помощи ремня от коленчатого вала ДВС, а мощным электродвигателем, обороты которого можно менять при помощи электроники, и выставлять такие, какие точно нужны для поддержания необходимого уровня наддува, а, соответственно, и мощности и крутящего момента автомобиля на любых (!) оборотах.

Данная идея относительно не нова – первые упоминания о таких системах относятся к 2009 году – год разработки вспомогательного электрического наддува автоконцерном Audi.

В их системе электродвигатель вращает крыльчатку небольшого компрессора на оборотах до 3000 до включения основного турбокомпрессора, тем самым нивелируя эффект «турболага» – плохой отзывчивости мощного турбированного двигателя на низких оборотах.

Система была продемонстрирована на модели Audi RS5 в 2012 году, но на конвейер так и не попала. Аналогичные системы планируются к разработке и другими автопроизводителями – ориентировочно такие системы увидят свет на серийных автомобилях в 2017-2019 годах.

А что если не ограничиться 3000 оборотами и крутить электродвигатель и дальше, до 4000 — 5000 оборотов? Таким образом можно перекрыть практически весь диапазон оборотов, использующийся при вождении автомобиля в 90% случаев.

Да, на это потребуется довольно большая мощность. По моим расчетам, при частоте вращения коленчатого вала 4000 оборотов для двигателя объемом 1600 куб.

см и необходимого наддува в 0,4 бара (максимальный уровень наддува, поддерживаемый большинством штатных ЭБУ автомобилей без перепрошивки и внедрения в электронику авто) – отбираемая мощность на привод крыльчатки компрессора составит около 4,5 кВт (с учетом среднестатистического КПД центробежного компрессора в 50%).

Обратите внимание

В свободной продаже сейчас есть довольно мощные и в то же время небольшие по габаритам авто/авиамодельные бесколлекторные электродвигатели, развивающие мощность в максимуме до 17 кВт и имеющие напряжение питания 50-70 вольт.

В качестве встроенного устройства интеллектуального управления (контроллера наддува) будет выступать миниатюрный итальянский контроллер Arduino Nano (ATmega328):

Недолго думая, я приобрел диагностический адаптер – ELM 327 bluetooth mini:

На его основе был сделан считыватель данных об оборотах и положении дроссельной заслонки двигателя. На фото по порядку: диагностический адаптер, arduino uno, простой бесколлекторный мотор и регулятор к нему.

Далее был написан скетч для «ардуино» (программа для контроллера). Моторчик при заведенном двигателе стал вращаться со скоростью, пропорциональной оборотам двигателя:

Теперь осталось дело за «малым» – собрать прототип устройства, которое будет нагнетать воздух в двигатель, исходя из данных о текущем положении дроссельной заслонки и оборотах двигателя.

На сбор прототипа и реализацию данного проекта нужны средства, собрать можно «всем миром» при помощи краудфандинговой компании на ресурсе Boomstarter.

На данном ресурсе можно проспонсировать проект, получив за это определенные интересные вознаграждения.

Также там можно более подробно узнать о работах в данном направлении, посмотреть подробное описание и поясняющие видеоролики, а также задать свои вопросы или прислать пожелания автору.

Антон Алексеев

Источник: http://autoutro.ru/blog/2015/06/11/elektricheskij-nagnetatel-rossijskaya-razrabotka

Центробежный компрессор, его конструкция, принцип действия

На
рис. 2.3 показано устройство центробежного
компрессора. Действует он аналогично
центробежному насосу.

Вал
центробежного компрессора соединяется
с валом приводного двигателя
(электродвигатель, паровая или газовая
турбина) или непосредственно, или через
механическую передачу, повыша ющую
частоту вращения вала компрессора.
Последним достигается уменьшение
размеров компрессора, снижается его
масса и стоимость.

Читайте также:  Моторные и трансмиссионные масла, можно ли смешивать различные виды

Рис.
2.3. Одноступенчатый центробежный
компрессор.

Центробежным
компрессором

называется лопаточная машина, в которой
происходит преобразование подводимой
механической работы в энергию давления,
при этом сжатиеосуществляется
за счет действия центробежных сил
инерции на массы рабочего тела, увлекаемые
во вращательное движение совместно с
рабочим колесом компрессора.

Центробежные
компрессоры, применяемые для компримирования
природного газа, называются центробежными
нагнетателями.

Важно

Центробежный
компрессор состоит из следующих
элементов: подвода 1, рабочего колеса
2, отвода 3 и корпуса 4 (рисунок 1).

1-подвод
(входное устройство); 2-рабочее колесо;
3-отвод (лопаточный диффузор); 4-корпус.

Рисунок
1. Схема устройства центробежного
компрессора.

Подводом
называется часть проточной полости
центробежного компрессора, предназначенная
для создания равномерного осесимметричного
потока рабочего тела на входе в рабочее
колесо. При осесимметричном входе вектор
аб­солютной скорости потока направлен
по оси симмет­рии компрессора.

Под
абсолютной скоростью понимается скорость
потока, измеренная в неподвижной
относительно центробежного компрессора
системе координат, одна из осей которой
совпа­дает с осью симметрии машины.

Подвод
в центробежных компрессорах изготавливают
в форме сужающегося канала (конфузора).

Конфузорный эффект позволяет увеличить
скорость движения рабочего тела во
входном устройстве(до 70…90 м/сек) за счет
снижения давления, т.е. потенциальная
энергия переходит в кинетическую.
Вследствие наличия газодинамического
трения потока о стенки канала в конфузоре
возникают потери энергии, составляющие
примерно 5 %.

В
некоторых случаях вход газа в рабочее
колесо может выполняться с предва­рительной
закруткой потока.

Рабочее
колесо

представляет собой диск с торцевы­ми
радиальными лопатками, образующими
расширяющиеся межлопаточные каналы.

В
центробежном колесе рабочее тело
движется по линии наименьшего
сопротивления. Гладкая вращающаяся
поверхность входного участка рабочего
колеса не оказывает воздействия на
поток, поэтому на входе в рабочее колесо
вектор аб­солютной скорости потока
остается направлен по оси симмет­рии
машины.

Перед входом в межлопаточные
каналы поток разворачивается на 900
и направление течения потока изменяется
из осевого в радиальное. Вход рабочего
тела в межлопаточный канал также
происходит по кратчайшему расстоянию.

Совет

В межлопаточном канале колеса рабочее
тело взаимодействует с вращающейся
лопаткой и центробежные силы инерции
совершают работу по перемещению рабочего
тела по радиусу рабочего колеса (от
центра к перифирии). При этом на входе
в рабочее колесо образуется значительное
разряжение, вызывающее поступление в
центробежный компрессор новой порции
рабочего тела.

Работа центробежных сил
на пути движения рабочего тела по
межлопаточным каналам сопровождается
увеличением абсолютной скорости и
ростом кинетической энергии потока.
Поскольку межлопаточный канал рабочего
колеса представляет собой вращающийся
диффузор в рабочем колесе также происходит
повышение давления.

Рисунок
2. Схема течения рабочего тела в
центробежном колесе.

Отводом
(диффузором) называется часть проточной
полости центробежного компрессора, в
которой кинетическая энергия потока
(динамическое давление) преобразуется
в потенциальную энергию (статическое
давление).

Он устанавливается
непосредственно за рабочим колесом.
Наибольшее распространение в центробежных
лопаточных машинах получил ло­паточный
отвод (лопаточный диффузор) с кольцевой
полостью (рисунок 3).

I
– рабочее колесо; 2 — лопаточный отвод
(диффузор); 3 — кольце­вая полость

Рисунок
3. Схема лопаточного отвода с кольцевой
полостью.

Лопаточный
диффузор 2 представляет собой диффузорный
канал с профилированными лопатками. В
лопа­точном диффузоре происходит
поворот потока рабочего тела, уменьшение
скорости его движения и повышение
давления.

Кольцевая полость 3 представляет
собой безлопаточный диффузор, в котором
проис­ходит дальнейшее снижение
скорости потока вследствие увеличения
проходной площади из-за роста радиуса.
Кроме того, в безлопаточном диффузоре
происходит выравнивание скоростей
потока после рабо­чего колеса.

Таким
образом, в лопаточном диффузоре с
кольцевой полостью происходит
дополнительное повышение статического
давления.

Вывод:
в центробежном компрессоре статическое
давление повышается как в рабочем
колесе, так и в лопаточном отводе
(лопаточном диффузоре).

Кроме того,
повышение давления происходит в
нагнетательной улитке центробежного
компрессора, но ее вклад по сравнению
с рабочим колесом и диффузором не велик
в силу низких скоростей движения рабочего
тела в улитке (практически улитка
являет­ся разновидностью безлопаточного
диффузора).

Отношение
работы по повышению давлению в рабочем
колесе к общей работе по повышению
давлению в ступени центробежного
компрессора характеризует параметр —
степень
реактивности

θ
=
lр.к./lст

Обратите внимание

В
современных конструкциях применяют
центробежные компрессоры и нагнетатели
со степенью реактивности θ
=
0,6…0,7,
т.е. основное повышение давления
происходит в рабочем колесе (реактивные
центробежные машины).

Корпус.


Ротор центробежного компрессора
устанавливается в корпусе на двух опорах
(консольно или двухопорно). Передняя
опора ротора обычно представляет собой
опорный подшипник скольжения,
воспринимающий радиальные нагрузки.

Задняя опора ротора, как правило,
представляет собой опорно-упорный
подшипник скольжения, который, кроме
радиальных нагрузок воспринимает осевую
нагрузку.

Последняя воз­никает в
результате разных по значению и
направ­лению давлений, действующих
на внешние поверхности рабочего колеса
(составляющая от разности давлений) и
в результате взаимодействия потока
рабочего тела с рабочим колесом при повороте его на 90º (инерционная
составляющая).

В
одной ступени центробежного компрессора
можно получить степень повышения
давления *ст
=1,21,35
(для природного газа) и *ст
≤ 1,6 (для воздуха).

При необходимости
получения больших значений степени
повышения давления центробежные компрессоры выполняют многоступенчатыми
(двух- и реже трех- и четырехступенчатыми).

На магистральных газопроводах в составе
газоперекачивающих агрегатов применяются
двухступенчатые центробежные нагнетатели
газа, обеспечивающие общую степень
повышения давления к*
=1,35…1,45.

В
двухступенчатом центробежном компрессоре

(см. рисунок 4) для подвода газа ко второй
ступени служит обратный направляющий
аппарат 4.

1-входное
устройство (подвод); 2,5 – рабочие колеса
1-й и 2-й ступеней; 3,8 – диффузоры; 4 –
обратный направляющий аппарат; 6 –
улитка выходного устройства; 7 –
разгрузочный диск.

Рисунок
4. Схема двухступенчатого центробежного
компрессора.

После выхода га­за из диффузора 3 первой
ступени поток газа поворачивается к
центру и по неподвижным криволинейным
каналам обратного направляющего
аппа­рата 4 при мало изменяющейся
скорости поступает к рабочему колесу
второй ступени. Лопат­ки обратного
направляющего аппарата на выходе из
него имеют радиальное или близкое к
радиальному направление с тем, чтобы
обеспечить осевой осесимметричный
подвод газа к следующему рабочему колесу
(без закручивания потока).

Важно

В
рабочем колесе второй ступени сечение
проточной части выпол­няется уже, чем
у первой. Это необходимо из-за уменьшения
объема газа вследствие его сжатия в
первой ступени.

Практичес­ки сужение
проходного сечения достигается
уменьшением ширины выход­ного канала
рабочего колеса при сохранении его
наружного и внутрен­него диаметров
постоянными.

За
последней ступенью устанавливается
улит­ка 6, служащая для направленного
движения потока газа к нагнетающему
трубопроводу. В улитке происходит
выравнивание скоростей, замедле­ние
движения потока и увеличение давления.

Источник: https://StudFiles.net/preview/4520460/page:10/

Что такое нагнетатель воздуха?

Двигатель внутреннего сгорания – это очень старое изобретение. Однако практически сразу инженеры стали придумывать как бы увеличить коэффициент полезного действия двигателя не слишком вмешиваясь в его устройство. На этом моменте и был изобретен нагнетатель воздуха.

Принцип работы двигателя основан на том, что при впуске в цилиндры двигателя поступает смесь топлива и кислорода, которая сгорает, образуя расширяющиеся газы. Однако для качественного и эффективного сгорания топлива необходимо определенное количество кислорода. Со временем было рассчитано, что оптимальным соотношением кислорода и топлива является соотношение 1:14,7.

Нагнетатель воздуха позволяет увеличить мощность двигателя в два раза.

Автомобильные нагнетатели

То есть, говоря простым русским языком, если к давлению в одну атмосферу добавить еще одну атмосферу, то выйдет в два раз больше поступающего в цилиндры кислорода. К примеру, обычный двигатель 1.5 литра при давлении компрессора равному немного более атмосферы повысит мощность до уровня 3-х литрового двигателя без компрессора.

И это ни разу не конечная остановка: можно расточить картер и головку блока цилиндров до большего объема, что означает больше поступающего кислорода и еще больше мощности. Однако обычно нагнетателя ставят на малообъемные двигатели, чтобы увеличить мощность на маленьком двигателе.

Основными типами нагнетателей являются:

  • Центробежные
  • Roots
  • Винтовые

Далее предложен разбор каждого конкретного типа.

Немного исторических сведений

Использовать нагнетатель воздуха в своих разработках первыминачали;Alfa Romeo Mercedes и Fiat.Вообще же идея применять механический компрессор была придумана и разработана практически сразу же после изобретения самого ДВС уже в 1885 г ученый Готтлиб Даймлер оформил патент на свой нагнетатель воздуха.

Внешне его идея немного отличалась от нашего понимая сути нагнетателей: он предлагал, что некий насос или специальный вентилятор будет нагнетать в двигатель большую нежели, обычно порцию кислорода. Вскоре, всего через 7 лет, в 1902 году Луис Рено получил свой патент на конструкцию центробежного нагнетателя.

Рено даже сделали выпуск малой серией автомобиля с нагнетателем, однако в дальнейшем проект забросили. Альфред Бюхи так же в 1905 году придумал свой турбонагнетатель, который работал с использованием выхлопных газов. Известные roots носят фамилию своих изобретателей изобрели их еще аж 1859 году братья Рутс.

Из себя рутс представляют роторно-шестерёнчатые компрессоры. Винтовой компрессор был изобретен значительно позже, в 1936 году, патент принадлежит Альфу Лисхольму, главному инженеру SRM.

У всех этих устройств есть один общий момент, в свое время, а это почти 100 лет назад, они не получили должного распространения ввиду заторможенности общего технического процесса. Зато ныне компрессор – это важная составляющая современного автомобиля.

Центробежный нагнетатель

Центробежный механический компрессор сейчас имеет широчайшее распространение среди любителей тюнинговать свои авто. Конструкционно центробежный нагнетатель воздуха наиболее близок к турбо наддуву, так как принципы их конструкции очень близки. Основной принцип работы заключается в следующем.

Внутри корпуса установлена крыльчатка самая главная деталь компрессора. Говоря в общем крыльчатка представляет собой колесо с лопастями, отдаленно напоминающее корабельный винт. Оттого насколько хорошо и правильно выполнено это колесо зависит то, насколько нагнетатель воздуха будет результативен.

В общем, воздух попадает внутрь “улитки” и его захватывают лопасти крыльчатки. Захваченный воздух лопасти закручивают и с помощью центробежной силы отбрасывают его на отдаленные участки корпуса, где есть диффузор, который ловит этот воздух. Диффузор предназначен для восприятия подаваемого крыльчаткой воздух так, чтобы созданное давление не терялось.

Совет

Далее воздух подается в кольцевидный тоннель, который идет вокруг всего корпуса. Именно из-за этого тоннеля центробежный нагнетатель воздуха и называют улиткой. Подобная конструкция создает условия для увеличения давления воздуха.

Суть в том, что воздух, который движется по каналу движется быстро и имеет маленькое давление, а потом конец канала резко расширяется. Благодаря этому скорость воздуха несколько падает, а вот давление значительно увеличивается.

По факту давление, что создает этот компрессор равно скорости крыльчатки, умноженной на саму себя. Скорости могут быть разными, преимущественно от 40 000 об/мин.

Сам механизм довольно шумный, так как в действие он приводится ремнем от шкива коленчатого вала автомобиля.

Некоторые производители устанавливают в корпусе еще и повышающую передачу, что позволяет сохранить ресурс турбины до 80 000 км и существенно уменьшить шум, что создает компрессор при работе.

Читайте также:  Работники завода general motors требуют повышения выплат по увольнению

Компрессор типа Roots

Нагнетатель воздуха типа рутс – это представитель класса объемных нагнетателей. В плане своего устройства такой механический компрессор очень прост и больше всего напоминает обычный масляный шестеренчатый насос. Корпус имеет овальную форму. Внутри него установлены оси, на которых вращаются в противоположные стороны два ротора.

Между роторами и корпусом поддерживается специальный зазор. Этот нагнетатель воздуха отличается от всех остальных тем, что сжатие воздуха происходит не в корпусе, а во внешнем трубопроводе. Из-за этого рутсы часто называют “механический компрессор с внешним сжатием”.

За счет вращения роторов воздух захватывается и сквозь маленькие зазоры между корпусом и ротором выдавливается в трубопровод под давлением. Однако хоть такая система и имеет поклонников она же и главный минус.

Так как нагнетатель воздуха осуществляет сжатие вне своего корпуса он может это осуществлять только до определённых значений, после которых воздух начинает просачиваться в обратную сторону. Исправить этот момент можно увеличением скорости ротора, но это тоже возможно только в определенных пределах.

Механический компрессор типа рутс имеет еще один минус: при просачивании воздуха в трубопровод не под давлением создается турбулентность, благодаря которой воздух нагревается еще больше. Так как температура воздуха и так растет из-за того, что он сжимается, а тут температура еще выше поднимается.

Обратите внимание

Положительными моментами можно назвать заметно меньший шум от работы по сравнению с “улиткой”; и отсутствие характерного им свиста: рутс имеют свою особую тональность. Однако из-за роторного принципа работы наддув сопровождается пульсацией давления.

С пульсацией инженерам удалось справиться достаточно быстро – роторам придали спиралевидную форму, а форму входного и выходного отверстия изменили на треугольную. С помощью таких ухищрений удалось добиться равномерной и тихой работы. Еще одним большим плюсом является то, что такой нагнетатель воздуха проявляет свою эффективность уже на малых оборотах коленчатого вала, в отличие от центробежного, что очень положительно влияет на динамику разгона автомобиля.

Винтовой нагнетатель воздуха

Механический компрессор для автомобиля такого типа имеет удивительную схожесть ни с чем иным как с мясорубкой, разница только лишь в том, что шнеков два. По форме и основному принципу винтовые напоминают “рутс”, но имеют основное различие – сжатие воздуха происходит внутри корпуса.

Два ротора имеют взаимодополняющие выступы и отверстия, они вращаются всегда в зацеплении, но с небольшим зазором между друг другом. Винты загребают воздух, который сжимается между роторами и подаётся дальше под действием вращательного движения винтов.

Потери при таком сжатии чрезвычайно малы, а степень сжатия очень велика. Однако при достижении слишком больших оборотов роторов может возникнуть необходимость внешнего охлаждение корпуса.

Зато при стандартных показателях скорости вращения эффект от прироста мощности появляется при любых оборотах коленчатого вала автомобиля. Также плюсами можно назвать компактность конструкции при высокой мощности, долговечность и отсутствие шума при работе.

Этот механический компрессор имеет достаточно плюсов, должен иметь и минус винтовые нагнетатели мало распространены из-за своей дороговизны. Производить их очень сложно, поэтому и цена является высокой. Однако некоторые тюнинг ателье устанавливают на автомобили именно винтовой компрессор.

Итоги о нагнетателях

Когда речь зайдёт об установке нагнетателя для автомобиля от очень многих можно услышать, что компрессор существенно уменьшит ресурс двигателя. Это не совсем правда.

Требуется соблюдать меру и понимать, когда компрессор благоприятно влияет на двигатель автомобиля, а когда нет. Слишком высокие обороты могут действительно привести к поломке двигателя, а вот на применение нагнетателя на низких оборотах для повышения крутящего момента наоборот только положительно повлияет на ресурс.

Однако если нагнетатель будет использоваться для получения большой мощности заранее необходимо заменить многие детали на более прочные, чтобы не винить компрессор в поломке двигателя.

Источник: https://autodont.ru/running-gear/tires-disks/compressor/vozdushnye-nagnetateli

Механический нагнетатель — типы нагнетателей, конструкция и применение

Механический нагнетатель, или как его еще называют supercharger, является главной составной частью всего механизма наддува. Его роль состоит в создании давления выше атмосферного, которое образуется во впускном тракте.

Такое название он получил по причине непосредственной связи с коленчатым валом, с которым его соединяет специальный привод.

Привод нагнетателя с коленчатым валом

Преимущества использования нагнетателя

Работа данного устройства построена по следующей схеме:

  • втягивание воздуха;
  • сжатие;
  • нагнетание воздуха в саму впускную систему.

Для того чтобы втянуть необходимое количество воздуха внутри нагнетателя образуется разряжение. Что касается создания давления, то это осуществляется путем быстрого вращения механизма (быстрее, чем обороты двигателя). А вот нагнетание происходит из-за имеющейся разницы в давлении.

Особенности конструкции

В данной конструкции присутствует интеркулер. Это специальный радиатор, предназначенный для охлаждения сжатого воздуха. Дело в том, что во время сжатия воздух нагревается, а это влечет значительное снижение показателей давления и плотности.

Интеркулер может быть 2-х видов:

Привод, посредством которого происходит соединение коленчатого вала и механического нагнетателя, имеет несколько типов:

  • прямой – нагнетатель закрепляется на фланец коленвала;
  • цепной – для связи используется металлическая цепь;
  • ременной – применяются различные типы ремней. Это может быть плоский, зубчатый или клиновой ремень;
  • электрический – он представляет собой электродвигатель;
  • зубчатый – это редуктор цилиндрического типа.

Типы механических нагнетателей

Конструкция этих устройств может быть разной.

Типы механических нагнетателей

За всю историю было разработано довольно много видов данных агрегатов. Некоторые из них устанавливаются на автомобили до сих пор, но о многих забыли, потому как они не оправдали возложенных надежд.

Стоит упомянуть о таких аппаратах как: шиберные (лопастные), спиральные, подпоршневые насосы и другие. Все эти типы, по тем или иным причинам, либо не были запущены в массовое производство, либо были сняты с конвейера.

В настоящее время наиболее популярными и востребованными являются 3 типа механических нагнетателей (на фото выше):

  1. Кулачковый (Roots);
  2. Винтовой (Lysholm);
  3. Центробежный.

Кулачковые нагнетатели

В честь имени своих создателей такое устройство называется Roots, в простонародье же носит название «воздуходувка». Данный тип конструкции по праву можно назвать старейшим. Его использование началось еще в далеком 1900 году. С той поры они постоянно совершенствуются.

Сегодня такой нагнетатель располагает роторами, состоящими из 3-х или 4-х кулачков, вращающихся навстречу друг другу. Их расположение напоминает спираль и протягивается через весь ротор.

Благодаря точно рассчитанному углу наклона этих кулачков, достигается оптимальный баланс потерь и нагнетания. Он работает по принципу внешнего нагнетания, в ходе которого кулачки захватывают воздух и нагнетают его в трубопровод (впускной).

Похожий принцип работы и у самого обычного масляного насоса.

Важно

Неоспоримым достоинством такого устройства является очень быстрое нагнетание воздуха до необходимых показателей, а также повышение этого давления параллельно с учащением вращения коленчатого вала.

Но это преимущество имеет и обратную сторону. Такой тип обязательно должен оснащаться системой регулировки давления. В противном случае, из-за неконтролируемого нагнетания воздуха, образуется избыток давления, который приводит к заторам в канале (нагнетательном). По этой причине падает мощность двигателя.

Для осуществления регулировки применяются 2 метода:

  1. Перепускание воздуха – в таком случае нагнетатель работает все время, а при необходимости открывается перепускной клапан;
  2. Отключение механического нагнетателя.

В целях обеспечения корректной работы всей системы, она комплектуется различными датчиками (температуры во впускном коллекторе, давления и другие), ЭБУ, а также исполнительными механизмами. К последним относятся: электромагнит муфты, модуль привода перепускного клапана и другие.

Механические нагнетатели такого типа довольно дороги, потому как точность их изготовления очень высокая.

Чистота втягиваемого воздуха также имеет большое значение, потому как даже мелкий мусор может вывести всю систему из строя.

Само устройство довольно тяжелое и создает заметный шумовой фон, для погашения которого устанавливаются резонаторы, демпферы, совершенствуется конструкция корпуса и так далее.

Винтовые нагнетатели

Можно встретить еще одно название такого прибора – Lysholm. Этот тип имеет сходство с кулачковым. Он состоит их 2-х роторов-шнеков, имеющих особую коническую форму. Один из них с выступами на поверхности, а другой с выемками.

Во время работы воздух захватывается шнеками и при их вращении сжимается, после чего следует его нагнетание во впускной патрубок. Главное отличие винтового прибора от кулачкового – внутренне нагнетание воздуха. Данный способ более эффективен.

Но широкое распространение такого типа конструкции сдерживается высокой ценой на устройство, которая объясняется значительными издержками при его изготовлении. Главная сфера применения данных нагнетателей – дорогие спортивные и гоночные автомобили.

Центробежные нагнетатели

Такой тип практически одинаков с турбокомпрессором. Он оснащен крыльчаткой (колесом), которое очень быстро вращается (частота достигает порядка 50-60 тысяч оборотов в минуту). Изобретение этого нагнетателя произошло практически одновременно с кулачковым – на заре ХХ века.

Вначале происходит засос воздуха в центральную часть крыльчатки. Под действием центробежной силы он устремляется по лопастям, имеющим особую форму. На выходе воздух располагает низким давлением и высокой скоростью. В таком состоянии происходит его столкновение с диффузором. Благодаря этому возникает воздушный поток высокого давления с низкой скоростью.

У такого типа нагнетателей множество преимуществ перед остальными:

  • малый вес;
  • компактность;
  • эффективность;
  • множество вариантов крепления на моторе;
  • невысокая стоимость.

Но имеются и недостатки, главный из которых – зависимость эффективности устройства от частоты вращения коленвала. По этой причине требуется установка привода с передаточным отношением переменного типа.

Главный недостаток всех механических нагнетателей

Он состоит в том, что их работа основана на задействовании части мощности, создающейся двигателем.

В этом и состоит основное отличие нагнетателя от турбины, которая функционирует за счет энергии газов (отработанных).

Это значит, что та мощность, которая могла бы пойти на увеличение скорости автомобиля, используется для приведения в действие «суперчарджера». А эти потери весьма значительны, особенно на высокой скорости.

Применение

Совет

Данные устройства используются как при производстве автомобилей, так и во время тюнинга. В целом можно выделить 3 основные области применения:

  1. производство серийных машин;
  2. тюнинг;
  3. выпуск спортивных автомобилей.

На серийных машинах механические нагнетатели устанавливаются нечасто, а вот что касается спортивных версий, то они не обходятся без этого прибора. При тюнинге монтаж нагнетателя на двигатель не является редкостью. В целях их правильной установки производители изготавливают специальные комплекты, которые включают в себя все детали для корректной установки.

Видео:

Таким образом, область применения механических нагнетателей довольно обширна, чему способствует разнообразие видов устройств. У них есть определенные недостатки, но они не критичны, и не в состоянии кардинально изменить ситуацию.

(Пока оценок нет)
Загрузка…

Источник: http://avto-i-avto.ru/ustrojstvo-avto/mexanicheskij-nagnetatel-tipy-nagnetatelej-konstrukciya-i-primenenie.html

Ссылка на основную публикацию