Лопастные компрессоры

Лопастные компрессоры наиболее широко (в сравнении с другими объёмными компрессорами) применяются в ДВС для целей наддува. Компрессор такого типа был предложен ещё в XIX веке англичанином Roots. Поэтому такие компрессоры получили название компрессоров типа «Рут».

На рисунке показано, что такой компрессор имеет привод от коленчатого вала двигателя.

Рис. Схема работы объёмного лопастного компрессора

Воздух поступает в компрессор через окно 1, а в двигатель отводится через окно 2. Два ротора R при своём вращении осуществляют это нагнетание. На рисунке видна внутренняя часть компрессора благодаря вырезу части его корпуса. Внешний принципиальный вид показан также на рисунке. Роторы 2, размещённые на нижнем 1 и верхнем 4 валах, вращаются синхронно благодаря шестерёнчатой передаче 3.

Рис. Схема, демонстрирующая разрез лопастного компрессора

Рис. Принципиальные схемы устройства двухроторных нагнетателей:
а) с двумя лопастями (прямыми), б) с тремя лопастями (винтовыми), в) общий вид роторов с тремя винтовыми лопастями.
1 — нижние валы, 2 — роторы, 3 — шестерни, 4 — верхний вал, 5 — корпус воздуходувки, 6 — к коленчатому валу дизеля.

При этом верхний вал связан с коленчатым валом 6 двигателя. Видно, что роторы могут иметь оси, параллельные валам, т.е. прямые роторы, а могут быть винтовыми. Количество лопастей на каждом из роторов может быть два, три, редко четыре. Увеличение числа лопастей делается для уменьшения амплитуд колебаний давления воздуха на выходе из компрессора. Для этой же цели роторы выполняются винтовыми.

Принцип работы компрессора представлен на рисунке, где показаны четыре последовательных этапа процесса нагнетания воздуха компрессором. На схеме А стрелкой обозначен вход воздуха и направления вращения роторов компрессора. В поперечном сечении роторы имеют форму лопастей или лепестков, откуда и появилось их общее название. Видно, что роторы вращаются в противоположных направлениях. Т.е. верхний вращается по часовой стрелке, а нижний — против. Слева от роторов происходит заполнение воздухом объёма между роторами и стенками корпуса, а справа — нагнетание воздуха.

Рис. Принципиальная схема работы двухроторного трёхлопастного нагнетателя типа «Рут»:
1 — впуск очищенного воздуха, 2 — верхний ротор, 3 — нижний ротор, 4 — корпус нагнетателя, 5 — нагнетательная полость, 6 — выпуск сжатого воздуха.

На схеме Б видно, что верхний ротор начинает закрывать впускное окно, а нижний уже закрыл впускное окно, так что полость А теперь замкнута, и объём воздуха в ней переносится при вращении ротора к выпускному окну. Переносимый объём не меняется в размере, так что изменения давления в нём не происходит. Как только переносимый объём соединяется с полостью впускного коллектора двигателя, так воздух, находящийся в сжатом состоянии в этом коллекторе, устремится в указанный переносимый объём (схема В). Затем, как показано на схеме Г, объём А по мере поворота роторов уменьшается, т. е. происходит его сжатие и нагнетание во впускной коллектор двигателя. При дальнейшем вращении роторов с впуском в двигатель соединится нижняя камера Б компрессора и т.д.

Роторы размещены в корпусе с зазорами порядка 0,5 — 1,5 мм, т. е. отсутствует контакт, отсутствует трение, нет необходимости в смазке. Между роторами также имеется постоянный зазор такого же порядка. Т. е. между роторами нет зацепления. Они имеют собственные строго синхронизированные друг с другом приводы. Однако при этом возникают проблемы с утечками воздуха, особенно на режимах пониженных частот вращения. На рисунке приведена типичная схема двухтактного двигателя с продувкой-наддувом от нагнетателя типа «Рут» с трёхлопастными роторами.

Рис. Схема двухтактного дизеля с прямоточной продувкой при установке лопастного нагнетателя типа «Рут»:
1 — нагнетатель,
2 — вход воздуха,
3 — выпускные клапаны,
4 — форсунка,
5 — впускной ресивер,
6 — поршень,
7 — впускные (продувочные) окна.

На рисунке ниже показана аналогичная схема, но двигатель — с горизонтальными цилиндрами.

Рис. Схема двухтактного дизеля с горизонтальным расположением цилиндров и продувкой-наддувом от к нагнетателя типа «Рут» с трехлопастными роторами:
1 — шатун,
2 — шатун,
3 — выпуск отработавших газов,
4 — форсунка,
5 — продувочные окна,
6 — впускной коллектор,
7 — нагнетатель типа «Рут» с механическим приводом,
8 — балансир (коромысло),
9 — коленчатый вал.

Итак, за один поворот двухлопастных роторов они переносят от впуска на нагнетание четыре порции воздуха, а трёхлопастные — шесть порций. При частоте вращения порядка 1500 оборотов в минуту роторы компрессора такого типа, предназначенного для тепловозного дизеля, переносят порядка 150 м3 воздуха в минуту или 9000 м3 в час.