Волновой обменник давления

(9 1 02 3 4 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ Е ИЗОБРЕТЕНИЯВИДЕТЕЛЬСТВУ 3/25-068283. Бюл. 9саков и Н.Врадский ордский инстит 3 Галышкни ена Ленина ут им. М.И. Ка 3.052(088.8)тент Великобритании кл. 8(1)С, 1963.(54)(57) ВОЛНОВОЙ ОБИЕННИ преимущественно давления ших газов и воздуха для с дува двигателя внутреннег содержащий ротор, снабжен ными ячейками для обменив лением рабочих сред и при НИЯавнад ния, доль- дав- т ВЛ бо стемы сгор ый пр ющихс одом ОПИСАНИ К АВТОРСКОМУ(71) Ленин политехнич линина (53) 621.4 (56) 1. Па Р 921686,энергии расширения одной из последних, и охватывающий его статор с торцовыми плитами, в каждой из которыхразмещены, рграниченные радиальнымибоковыми стенками, сегментные окна;в первой - для подвода и отвода сжи-,маемого воздуха, а во второй - дляподвода и отвода сжимающих газов,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью повышения экономичности,в первой торцовой плите выполненыдополнительные окна, примыкающие кобеим боковым стенкам сегментного окна для отвода сжимаемого воздуха, ипривод ротора выполнен в виде турбины, впусйное отверстие кото 1 рой подключено к дополнительнымокнам,Изобретение относится к машинбстроению, в частности энергетического машиностроения, а именно к устрой,ству волновых обменников давления,предназначенных для систем наддувадвигателей внутреннего сгорания.Известны волновые обменники давления, содержащие ротор, снабженныйпродольньпи ячейками для обменивающихся давлением рабочих сред и приводом от энергии расширения одной из 10последних, и охватывающий его статорс торцовыми плитами, в каждой из которых размещены, ограниченные радиальными боковыми стенками, сегментныеокна: в первой - для подвода и отвода сжимаемого воздуха, а во второй "- для подвода и отвода сжимающих газов. Привод в известных обменниках давления выполнен в виде криволинейного участка ячеек, в каждомиэ которых сжимающие газы расширяются перед обменом давления в ячейке,а затем после обмена давления в процессе истечения сжимаются. Разностьработ. расширения и сжатия обеспечивает вращение ротора, в результатечего посторонний привод ротора нетребуется Я .Недостатком иэвестного обменникаявляется отсутствие средств согласо.вания Фаз движения обменивающихсядавлением сред в ячейках со скоростью вращения ротора, что снижаетэкономичность обменника давления приработе на нерасчетных режимах.Целью изобретения является повышечие экономнчности обменника давления.Поставленная цель достигается тем,что у волнового обменника, содержащего ротор, снабженный продольными 40ячейками 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, ограниченные радиальными боковыми стенками, сегментные окна: впервой - для подвода и отвода сжимаемого воздуха, а во второй - для подвода и отвода сжимающих газов, в пер вой торцовой плите выполнены допол-нительные окна, примыкающие к обеимбоковым стенкам сегментного окна дляотвода сжимаемого воздуха, и приводротора выполнен в виде турбины,впускное отверстие которой подключено к дополнительным окнам.На Фиг. 1 приведена схема соединения ротора с колесом турбины; наФиг. 2 - схематическая развертка ротора и окон для воздуха и газов.60Волновой обменник давления состо-.ит из ротора 1 и охватывающего егостатора (не показан) с первой торцо,вой плитой 2 и второй торцовой плитой 3. Ротор 1 обменника давления о 65 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 двигателяи 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 газывысокого давления, достигла второго торца при соединении с окном 8 для отвода сжимаемого воздуха.При этом из дополнительного от 1 верстия 10 заполняющая ячейку газо- ,воэдушная 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 обмен- ника 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 подсосРвоздуха 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 пра"вого торца ячейки в момент прохождения ею окна 9, волна давления проходит в этот канал и поступает далее к сопловому аппарату и рабочи) лопат" кам 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 обмен- ника 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 ЗОгде Т - 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 ЗЪ, и может быть принята постоянной. При этом ко личество воздуха, заполняющего ячей" ки обменника давления в единицу вре- мени, также будет постоянным. В идеальном случае это должно привести кповышению давления наддува обратнопропорционально .уменьшению числа оборотов двигателя. В действительности,с учетом газодинамического принципаработы обменника давления, нельзяожидать столь большого повышениядавления наддува хотя бы за счетувеличения количества воздуха, остающегося в ячейке. На практике, во из.бежание заброса газов в цилиндрыдвигателя, обменник давления рассчитывается так, чтобы при нагнетаниивоздуха условная граница раздела газов и воздуха не достигала торца ротора. Если на номинальном режиме количество воздуха, не вытесняемого вдвигатель, составляет 20 от объемаячейки, 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 суменьшением числа оборотов двигателяне столь существенно, но не менее,чем на 20.Поскольку крутящий момент прямопропорционален давлению наддува иобратно пропорционален коэффициентуизбытка воздуха, отношение максимального крутящего момента к номинальному (коэффициент приспособляемости)для двигателя, в системе которого.установлен предлагаемый обменникдавления, 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 Редактор Г. Волкова 96/3 Эа Тираж 665 Подписно ВНИИПИ Государственного комитета СССР по деламизобретений и открытий 13035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/