منفاخ جذور

مضخة روتس هي مضخة إزاحة موجبة تعمل عن طريق ضخ سائل بواسطة زوج من الفصوص المتشابكة التي تشبه مجموعة من التروس الممتدة. يُحصر السائل في جيوب تحيط بالفصوص وينتقل من جانب السحب إلى جانب العادم.

لا يتضمن تصميم منفاخ روتس أي انخفاض في الحجم / زيادة في الضغط عند مرور الهواء أو السوائل الأخرى، وبالتالي يمكن وصفه بأنه منفاخ بدلاً من شاحن فائق على عكس بعض التصاميم الأخرى لـ "الشاحن الفائق" مثل كوزيت، وسنتريك، وشوروك ، وباور بلس ، وكذلك شاحن إيتون ذو التدفق المحوري الذي يحتوي على "ضغط" داخلي.

يُعدّ استخدام منفاخ رووتس في محركات الديزل ثنائية الأشواط ، مثل تلك التي تنتجها شركتا ديترويت ديزل وإلكترو -موتيف ديزل ، من أكثر التطبيقات شيوعًا. كما تُستخدم منفاخات رووتس لشحن محركات دورة أوتو رباعية الأشواط ، حيث يتم تشغيل المنفاخ من عمود المرفق للمحرك عبر سير مسنن أو سير على شكل حرف V ، أو سلسلة بكرات ، أو مجموعة تروس .

سُمّي منفاخ روتس نسبةً إلى المخترعين الأمريكيين والأخوين فيلاندر وفرانسيس ماريون روتس ، مؤسسي شركة روتس بلوور في كونرزفيل، إنديانا ، واللذين حصلا على براءة اختراع التصميم الأساسي عام 1860 كمضخة هواء تُستخدم في أفران الصهر وغيرها من التطبيقات الصناعية. وفي عام 1900، أدرج غوتليب دايملر منفاخًا من طراز روتس في تصميم محرك حاصل على براءة اختراع، مما يجعل منفاخ روتس أقدم التصاميم المتوفرة. ويُشار إلى منافيخ روتس عادةً باسم منافيخ الهواء أو منافيخ الإزاحة الموجبة. ^{[ 1 ]}

يُعدّ منفاخ روتس بسيطًا وشائع الاستخدام. وقد يكون أكثر فعالية من الشواحن الفائقة الأخرى في توليد ضغط موجب في مشعب السحب (أي أعلى من الضغط الجوي) عند سرعات المحرك المنخفضة، مما يجعله خيارًا شائعًا في سيارات الركاب. ويمكن الوصول إلى ذروة عزم الدوران عند حوالي 2000 دورة في الدقيقة. وعلى عكس الرسم التوضيحي الأساسي، فإن معظم الشواحن الفائقة الحديثة من نوع روتس تتضمن دوارات ثلاثية أو رباعية الفصوص؛ وهذا يسمح للفصوص بانحناء طفيف على طول محاور الدوار، مما يقلل من النبضات في المدخل والمخرج (وهذا غير عملي مع فصين، حيث أن حتى الانحناء الطفيف قد يفتح مسارًا حرًا عبر الشاحن الفائق عند زوايا معينة) .

تُعدّ الحرارة المتراكمة عاملاً هاماً في تشغيل الضاغط في محرك الاحتراق الداخلي . ومن بين الأنواع الثلاثة الأساسية للشواحن الفائقة، كان تصميم روتس يتميز تاريخياً بأقل كفاءة حرارية ، خاصةً عند نسب الضغط العالية. ^{[ 2 ] [ 3 ]} ووفقاً لقانون الغاز المثالي ، فإن عملية الضغط ترفع درجة حرارة الغاز المضغوط. إضافةً إلى ذلك، يتطلب تشغيل الضاغط نفسه طاقةً تُحوّل إلى حرارة، ويمكن نقلها إلى الغاز عبر غلاف الضاغط، مما يزيد من سخونته. ورغم أن المبردات البينية معروفة أكثر باستخدامها في الشواحن التوربينية ، إلا أن الشواحن الفائقة قد تستفيد أيضاً من استخدامها. يعتمد الاحتراق الداخلي على دورة ديناميكية حرارية ، حيث تؤدي درجة حرارة منخفضة لشحنة السحب إلى تمدد ديناميكي حراري أكبر، والعكس صحيح. تتسبب شحنة السحب الساخنة في حدوث انفجار في محرك البنزين، وقد تُذيب المكابس في محرك الديزل، بينما تُضيف مرحلة التبريد البيني تعقيداً، لكنها تُحسّن من خرج الطاقة عن طريق زيادة كمية شحنة السحب، تماماً كما لو كان المحرك ذو سعة أكبر. يُقلل المُبرد البيني من الكفاءة الديناميكية الحرارية بفقدان الحرارة (الطاقة) الناتجة عن الضغط، ولكنه يزيد من الطاقة المتاحة بفضل زيادة كتلة التشغيل لكل دورة. عند ضغط يزيد عن 5 رطل لكل بوصة مربعة (35 كيلو باسكال)، يصبح تحسين التبريد البيني ملحوظًا للغاية. في حالة الشاحن التوربيني من نوع رووتس ، تتمثل إحدى الطرق الناجحة في إضافة مُبادل حراري رقيق يوضع بين المنفاخ والمحرك. يُمرر الماء عبره إلى وحدة ثانية موضوعة بالقرب من مقدمة السيارة، حيث تعمل مروحة وتيار الهواء المحيط على تبديد الحرارة المُتجمعة.  

كان تصميم روتس شائع الاستخدام في محركات الديزل ثنائية الأشواط (التي اشتهرت بفضل قسمي ديترويت ديزل (للشاحنات والحافلات) وإلكترو-موتيف (للسكك الحديدية) التابعين لشركة جنرال موتورز)، والتي تتطلب نوعًا من الشحن التوربيني ، لعدم وجود شوط سحب منفصل. وكان محرك الديزل ثنائي الأشواط من شركة روتس، المستخدم في مركبات كومر وكاريير ، مزودًا بشاحن توربيني من نوع روتس؛ والشركتان ليستا مرتبطتين.

إن الشواحن الفائقة المستخدمة في محركات سباقات السرعة القصوى ، وسيارات السباق المضحكة ، وغيرها من سيارات الدراجستر ، بالإضافة إلى سيارات الهوت رود ، هي في الواقع مشتقات من شواحن قسم جنرال موتورز للشاحنات، المصممة لمحركات الديزل الصناعية ، والتي تم تعديلها للاستخدام في سباقات السيارات . ويشير اسم طراز هذه الوحدات إلى حجمها - فقد صُممت شواحن 4-71 و6-71، التي كانت شائعة الاستخدام في السابق، لمحركات الديزل من سلسلة 71. وتستخدم سيارات الدراجستر المنافسة حاليًا إصدارات مُعدّلة من جنرال موتورز، مشابهة في تصميمها لسلسلة 71، ولكن مع زيادة طول الدوار والعلبة لزيادة السعة؛ كما يستخدم مُعدّلو سيارات الهوت رود أيضًا نسخًا مُعاد إنتاجها من شواحن 6-71.

تُستخدم منفاخات روتس عادةً في التطبيقات التي تتطلب نقل كمية كبيرة من الهواء عبر فرق ضغط صغير نسبيًا. ويشمل ذلك تطبيقات الفراغ المنخفض، حيث يعمل منفاخ روتس بمفرده، أو بالاشتراك مع مضخات أخرى كجزء من نظام فراغ عالٍ. ومن التطبيقات الصناعية الشائعة جدًا أنظمة النقل الهوائي، ^{[ 4 ]} حيث يقوم المنفاخ بتوفير كمية كبيرة من الهواء لنقل المواد الصلبة السائبة عبر الأنابيب.

استخدمت بعض صفارات الإنذار الخاصة بالدفاع المدني منفاخات روتس لضخ الهواء إلى الدوار (المروحة) لزيادة قوة صوتها بشكل كبير عبر جميع نطاقات النغمات. ومن أشهرها سلسلة ثاندربولت من شركة فيدرال سيجنال ، وصفارات هوريكين من شركة إيه سي إيه (التي تُعرف الآن باسم شركة أمريكان سيجنال). وتُعرف هذه الصفارات باسم "الصفارات فائقة الشحن".

تُستخدم منفاخات الجذور أيضًا بشكل عكسي لقياس تدفق الغازات أو السوائل، على سبيل المثال، في عدادات الغاز .

استُخدمت منفاخات جذور لزيادة ضغط المقصورة في الطائرات، وقد خضعت للدراسة في البداية قبل الحرب العالمية الثانية مباشرة (باستخدام شاحن مارشال الفائق ) وصُنعت من قبل شركات مثل شركة سير جورج جودفري وشركائه التي استمرت في شحن أعداد متزايدة منها حتى الستينيات، ثم حلت محلها لاحقًا فتحات تهوية الهواء من مراحل ضغط المحرك النفاث. ^{[ 5 ]}

أبسط أشكال منفاخ روتس يتكون من دوارات حلقية ، تتألف من أقسام مماسية متناوبة من منحنيات تحت حلقية وفوق حلقية . في الدوار ثنائي الفصوص، يكون قطر الدائرة المولدة الأصغر ربع قطر الدائرة الأكبر. قد تحتوي منافيخ روتس الحقيقية على أشكال أكثر تعقيدًا لزيادة الكفاءة. لا تُحرك فصوص أحد الدوارين الدوار الآخر مع وجود هامش خطأ ضئيل في جميع الأوضاع، لذا يوفر زوج منفصل من التروس تزامن حركة الفصوص.

نظراً لأن مضخات الفصوص الدوارة تحتاج إلى الحفاظ على خلوص بين الفصوص، فإن منفاخ روتس أحادي المرحلة لا يستطيع ضخ الغاز إلا عبر فرق ضغط محدود. إذا تم استخدام المضخة بما يتجاوز مواصفاتها، فإن ضغط الغاز يولد حرارة كافية لتمدد الفصوص إلى درجة انسدادها، مما يؤدي إلى تلف المضخة.

تتميز مضخات روتس بقدرتها على ضخ كميات كبيرة، ولكن نظرًا لأنها لا تحقق سوى ضغط متوسط، فليس من النادر رؤية مراحل نفخ متعددة من نوع روتس، غالبًا مع مبادلات حرارية ( مبردات داخلية ) بينها لتبريد الغاز. يُتيح عدم وجود زيت على أسطح الضخ لهذه المضخات العمل في بيئات يكون فيها التحكم في التلوث أمرًا بالغ الأهمية. كما أن معدل الضخ العالي للهيدروكربونات يسمح لمضخة روتس بتوفير عزل فعال بين المضخات المُزيتة ، مثل مضخات الضغط الدورانية، وغرفة التفريغ .

يستخدم أحد الأنواع دوارات على شكل مخلب لزيادة الضغط.

قد تصل كفاءة منفاخ روتس إلى حوالي 70% مع تحقيق نسبة ضغط قصوى تبلغ اثنين. ويمكن تحقيق نسب ضغط أعلى، ولكن مع انخفاض الكفاءة. ولأن منفاخ روتس يضخ الهواء على شكل نبضات منفصلة (على عكس الضاغط اللولبي )، فقد ينتقل ضجيج النبضات والاضطراب إلى أسفل مجرى الهواء. وإذا لم تتم إدارتها بشكل صحيح (من خلال هندسة أنابيب المخرج) أو لم يتم أخذها في الحسبان (عن طريق التدعيم الهيكلي للمكونات الواقعة أسفل مجرى الهواء)، فقد تتسبب النبضات الناتجة في حدوث تجويف في السائل و/أو تلف المكونات الواقعة أسفل منفاخ روتس.

بالنسبة لأي منفاخ من نوع رووتس يعمل في ظروف محددة، ستظهر نقطة واحدة على الخريطة. ترتفع هذه النقطة مع زيادة قوة الدفع، وتتحرك نحو اليمين مع زيادة سرعة المنفاخ. يتضح أنه عند سرعة متوسطة وقوة دفع منخفضة، قد تتجاوز الكفاءة 90%. هذا هو المجال الذي صُممت منافيخ رووتس للعمل فيه أصلاً، وهي تُجيده للغاية.

يُقاس ضغط التعزيز بنسبة الضغط، وهي نسبة ضغط الهواء المطلق قبل المنفاخ إلى ضغط الهواء المطلق بعد ضغطه. في حال عدم وجود تعزيز، تكون نسبة الضغط 1.0 (أي 1:1)، حيث يتساوى ضغط المخرج مع ضغط المدخل. تم تحديد قيمة تعزيز 15 رطل لكل بوصة مربعة كمرجع (أعلى بقليل من نسبة ضغط 2.0 مقارنةً بالضغط الجوي). عند تعزيز 15 رطل لكل بوصة مربعة (100 كيلو باسكال) ، تتراوح كفاءة منفاخات روتس بين 50% و58%. يؤدي استبدال منفاخ أصغر بآخر أكبر إلى تحريك المؤشر إلى اليسار. في معظم الحالات، كما هو موضح في الخريطة، سيؤدي ذلك إلى نقله إلى مناطق ذات كفاءة أعلى على اليسار، حيث من المرجح أن يكون المنفاخ الأصغر قد عمل بسرعة عالية على يمين الرسم البياني. عادةً، يؤدي استخدام منفاخ أكبر وتشغيله بسرعة أقل لتحقيق نفس التعزيز إلى زيادة كفاءة الضاغط.  

تتميز منفاخات رووتس بكفاءة حجمية عالية، حيث تتجاوز عادةً 90% عند جميع سرعات التشغيل باستثناء السرعات المنخفضة جدًا. ونتيجةً لذلك، فإن المنفاخ الذي يعمل بكفاءة منخفضة سيظل يُوصل حجم الهواء المطلوب إلى المحرك، ولكن هذا الهواء سيكون أكثر سخونة. في سباقات السرعة، حيث تُحقن كميات كبيرة من الوقود مع هذا الهواء الساخن، يمتص تبخر الوقود الحرارة. يعمل هذا كنظام تبريد سائل لاحق، مما يُساهم بشكل كبير في التغلب على عدم كفاءة تصميم رووتس في هذا التطبيق.

لا تُستخدم منفاخات الفصوص الدوارة، والتي تُعرف عادةً باسم المعززات في تطبيقات الفراغ العالي، كمضخة مستقلة. في تطبيقات الفراغ العالي، يمكن استخدام سرعة ضخ المعززات لتقليل الضغط النهائي وزيادة سرعة الضخ.

تُستخدم المراوح، التي تتميز بزيادة طفيفة في الضغط، بشكل شائع لتحريك كميات كبيرة من الغاز. وتُستخدم عادةً لتدوير الهواء في المباني، وتهوية الآلات، وتبريد المعدات، وغيرها من التطبيقات الصناعية.

تُعدّ المنافيخ قادرة على توليد تدفق هواء متوسط ​​بمستويات ضغط معتدلة. وتُستخدم في التطبيقات التي تتطلب ضغطًا أعلى من المراوح.

تقوم الضواغط بتوليد ضغوط هواء أعلى في التطبيقات الصناعية تتراوح عمومًا بين 8 و 12 بار مع معدلات تدفق هواء أقل.

يُستخدم مصطلح "المنفاخ" عادةً لوصف جهاز يُركّب على المحركات لتوفير تدفق هواء إضافي، ويعتمد في ذلك على وصلة ميكانيكية مباشرة كمصدر للطاقة. ويُستخدم هذا المصطلح لوصف أنواع مختلفة من الشواحن الفائقة. فالشاحن الفائق اللولبي، والشاحن الفائق من نوع روتس ، والشاحن الفائق الطارد المركزي ، كلها أنواع تُوصف عادةً بالمنفاخات. مع ذلك، ثمة فرق بين الشاحن الفائق من نوع روتس، وهو عبارة عن مضخة إزاحة موجبة "منفاخ" لا تُقلل الحجم الداخلي أو تزيد الضغط، وبين أنواع أخرى من الشواحن الفائقة، مثل شاحن باور بلس ذي الريش اللامركزي وشاحن إيتون ذي التدفق المحوري، والتي تتميز بضغط داخلي، ويُطلق عليها بشكل أدق اسم الشواحن الفائقة.

وعلى العكس من ذلك، فإن الشاحن التوربيني ، الذي يستخدم ضغط العادم لتدوير التوربين الخاص به، وليس وصلة ميكانيكية مباشرة، لا يعتبر بشكل عام "منفاخًا" بل مجرد "توربو".

• سباقات السرعة ، حيث تُستخدم شواحن توربينية من نوع رووتس لسيارات سباق السرعة T/F ، وسيارات F/C Fuel Coupe التي تعمل بوقود النيتروميثان، وسيارات T/AD وTA/FC التي تعمل بوقود الكحول، وسيارات Pro Modified التي تعمل بوقود الميثانول في فئات سباقات السرعة الاحترافية