تويت
الضاغط المحوري
Axial compressor
هو آلة تضغط الغاز بإستمرار، ويتكون من مجموعة من الجنيحات الدوارة المثبتة على عمود الدوران، ويتدفق الغاز أو مائع التشغيل بشكل موازي لمحور الدوران. و يختلف هذا عن الأنواع الأخرى من الضواغط الدوارة مثل ضاغط الطرد المركزي و الضواغط مختلطة السريان، حيث يتدفق المائع في كلا الاتجاهين المحوري والنصف قطري. تزداد طاقة المائع أثناء تدفقه خلال الضاغط بسبب انتقال طاقة الحركة من عمود الدوران إلى المائع من خلال عزم الدوران الذي تؤثر به الجنيحات على المائع فترتفع طاقة حركته.
رسم متحرك لمحاكاة الضاغط المحوري.
مقطع جانبي للضاغط المحوري في
المحرك التوربيني المروحي برات آند ويتني تي اف 30
تدفق المانع على جنيح ناسا 002 عند زاوي سقوط متوسطة.
محرك برات آند ويتني تي إف 30 التوربيني المروحي
مرحلة ضاغط محوري لمحرك جينرال إليكتريك جيه 79،
و يظهر فيه صفوف الريش المتحركة يتبعها صفوف الريش الثابتة.
تعمل الريش الثابتة على خفض طاقة حركة المائع و تحويلها إلى ضغط، فيرتفع ضغط المائع. و هذا هو الغرض من الضاغط. تُدار الضواغط عادة بواسطة محرك كهربي أو توربينة غازية أو توربينة بخارية.
تنتج الضواغط محورية السريان تدفق مستمر للغاز المضغوط، وتمتاز بالكفاءة المرتفعة و معدل تدفق الكتلة الكبير، بالنسبة لحجمها و مساحة مقطعها. لكن على الرغم من ذلك، تحتاج الضواغط المحورية إلى العديد من صفوف الجنيحات لكي تحقق الارتفاع الكبير في الضغط، مما يجعلها معقدة ميكانيكيا وباهظة الثمن مقارنة بالتصاميم الأخرى مثل ضواغط الطرد المركزي.
تُستخدم الضواغط المحورية في تصميمات التوربينات الغازية الكبيرة، المستخدمة في المحركات النفاثة و محركات السفن مرتفعة السرعة، و محطات الطاقة الصغيرة. كما تُستخدم أيضا في التطبيقات الصناعية مثل المحطات الضخمة لفصل الهواء و أفران الهواء اللافحة و التكسير الحفزي للهواء، و نزع الهيدروجين من البروبان. كما تُستخدم في محركات الطيران بسبب ارتفاع أدائها واعتماديتها و مرونتها أثناء دورة الطيران.
طريقة العمل
بينما يدخل المائع إلى الضاغط و يغادر في الاتجاه المحوري، لا يكون هناك أي تأثير لمركبة الطرد المركزي أو المركبة الدورانية لحركة المائع في معادلة الطاقة. يعتمد الانضغاط كليا على تأثير الانتشار نتيجة تباعد المسارات بين الريش الثابتة وبعضها، حيث يتم تحويل طاقة الحركة المطلقة للمائع إلى زيادة في الضغط، بينما تتواجد مركبة طاقة الحركة النسبية في معادلة الطاقة فقط بسبب دوران الريش الدوارة. تعمل الريش الدوارة على خفض قيمة طاقة الحركة النسبية للمائع و إضافتها إلى طاقة الحركة المطلقة له، أي أن تأثير الريش الدوارة على جزيئات المائع، يؤدي إلى زيادة السرعة المطلقة للمائع، و خفض السرعة النسبية بين المائع و الريش الدوارة. باختصار، ترفع الريش الدوارة السرعة المطلقة للمائع، و تحول الريش الثابتة هذه الزيادة في السرعة إلى زيادة في الضغط .
إن تصميم مسارات الريش الدوارة مع قابلية الانتشار للمائع (تكون المسارات بين الريش على شكل ممر متباعد) يؤدي إلى ارتفاع في الضغط فضلا عن الوظيفة الأساسية للريش الدوارة (تحويل طاقة الحركة إلى المائع)، و يؤدي ذلك إلى ارتفاع كبير في الضغط في المرحلة الواحدة، حيث تساهم كل من الريش الدوارة والثابتة في ذلك. و تُعرف النسبة بين الزيادة في الضغط نتيجة الريش الدوارة إلى الزيادة في الضغط في المرحلة كلها (الريش الدوارة والثابتة) بمبدأ رد الفعل في الألات التوربينية. إن كان 50% من زيادة الضغط في المرحلة تم بواسطة الريش الدوارة، فإن درجة رد الفعل تكون 50%.
تتحدد قيمة الزيادة في الضغط الناتجة عن مرحلة واحدة من الضاغط بالسرعة النسبية بين الريش الدوارة و المائع، و قدرة الريش الدوارة على تقليب وانتشار المائع. تستطيع المرحلة النموذجية في ضاغط تجاري أن تنتج زيادة في الضغط تتراوح بين 15% و 60% (نسبة ضغط من 1.15-1.16) عند ظروف التصميم بكفاءة عامة تتراوح بين 90-95%، و تصمم الضواغط المحورية بأعداد مختلفة من المراحل و السرعات الدورانية لكي تحقق نسب ضغوط مختلفة. بناء على التجربة، يمكننا فرض أن كل مرحلة في الضاغط لها نفس مقدار الزيادة في درجة الحرارة، لذلك، يجب أن تزيد درجة حرارة الدخول لكل مرحلة من الضاغط تدريجيا، بينما تنخفض النسبة بين مقدار الزيادة في درجة الحرارة خلال المرحلة (الفرق بين درجة حرارة الخروج من المرحلة والدخول لها) و درجة حرارة الدخول إلى المرحلة، ويؤدي ذلك إلى الانخفاض التدريجي في نسبة الضغط للمرحلة خلال الضاغط، لذلك تنتج المرحلة الأخيرة نسبة ضغط منخفضة عن المرحلة الأولى. يُمكن أيضا تحقيق نسب ضغط مرتفعة للمرحلة من الضاغط لو كانت السرعة النسبية بين المائع و الريش الدوارة أكبر من سرعة الصوت، لكن هذا سيكون على حساب الكفاءة و عمليات تشغيل الضاغط. تُستخدم الضواغط التي تزيد نسب ضغط المرحلة فيها عن 2، عندما يكون من المهم جدا تقليل حجم أو وزن الضاغط مثل المستخدمة في الطائرات النفاثة العسكرية. يتم ملائمة تصميم الجنيحات بحيث تتناسب مع سرعات معينة وتقليب المائع عند ظروف معينة. بالرغم من أن الضواغط يُمكن ان تعمل عند ظروف أخرى غير الظروف التصميمية مع تدفقات و سرعات مختلفة للمائع أو نسب ضغط مختلفة، يُمكن أن يؤدي ذلك إلى انخفاض في الكفاءة أو انفصال المائع عن الريش بشكل جزئي أو كلي (فيما يعرف بموجة التضاغط أو الاضطراب في المائع، و يكون نيجة زيادة الضغط عن قيمة معينة)، لذلك عمليا يكون هناك حدود لعدد المراحل و نسبة الضغط الكلية، يتم تحديدها عندما تعمل مراحل الضاغط بعيدا عن الظروف التصميمية. يُمكن تخفيف الآثار الناتجة عن العمل في الظروف الخارجة عن التصميم عن طريق بعض المرونة التشغيلية في الضاغط، و يحدث هذا باستخدام ريش ثابتة متغيرة (يمكن تغيير وضعها) أو استخدام صمامات استنزاف بعض المائع من التدفق الرئيسي له بين المراحل (يعرف باستنزاف بين المراحل).
تستخدم المحركات النفاثة الحديثة سلسلة من الضواغط تعمل عند سرعات مختلفة، لتزويد هواء بنسبة ضغط تقترب من 1:40 من أجل الاحتراق، مع مرونة كافية لجميع ظروف الطيران.
Axial compressor
هو آلة تضغط الغاز بإستمرار، ويتكون من مجموعة من الجنيحات الدوارة المثبتة على عمود الدوران، ويتدفق الغاز أو مائع التشغيل بشكل موازي لمحور الدوران. و يختلف هذا عن الأنواع الأخرى من الضواغط الدوارة مثل ضاغط الطرد المركزي و الضواغط مختلطة السريان، حيث يتدفق المائع في كلا الاتجاهين المحوري والنصف قطري. تزداد طاقة المائع أثناء تدفقه خلال الضاغط بسبب انتقال طاقة الحركة من عمود الدوران إلى المائع من خلال عزم الدوران الذي تؤثر به الجنيحات على المائع فترتفع طاقة حركته.
رسم متحرك لمحاكاة الضاغط المحوري.
مقطع جانبي للضاغط المحوري في
المحرك التوربيني المروحي برات آند ويتني تي اف 30
تدفق المانع على جنيح ناسا 002 عند زاوي سقوط متوسطة.
محرك برات آند ويتني تي إف 30 التوربيني المروحي
مرحلة ضاغط محوري لمحرك جينرال إليكتريك جيه 79،
و يظهر فيه صفوف الريش المتحركة يتبعها صفوف الريش الثابتة.
تعمل الريش الثابتة على خفض طاقة حركة المائع و تحويلها إلى ضغط، فيرتفع ضغط المائع. و هذا هو الغرض من الضاغط. تُدار الضواغط عادة بواسطة محرك كهربي أو توربينة غازية أو توربينة بخارية.
تنتج الضواغط محورية السريان تدفق مستمر للغاز المضغوط، وتمتاز بالكفاءة المرتفعة و معدل تدفق الكتلة الكبير، بالنسبة لحجمها و مساحة مقطعها. لكن على الرغم من ذلك، تحتاج الضواغط المحورية إلى العديد من صفوف الجنيحات لكي تحقق الارتفاع الكبير في الضغط، مما يجعلها معقدة ميكانيكيا وباهظة الثمن مقارنة بالتصاميم الأخرى مثل ضواغط الطرد المركزي.
تُستخدم الضواغط المحورية في تصميمات التوربينات الغازية الكبيرة، المستخدمة في المحركات النفاثة و محركات السفن مرتفعة السرعة، و محطات الطاقة الصغيرة. كما تُستخدم أيضا في التطبيقات الصناعية مثل المحطات الضخمة لفصل الهواء و أفران الهواء اللافحة و التكسير الحفزي للهواء، و نزع الهيدروجين من البروبان. كما تُستخدم في محركات الطيران بسبب ارتفاع أدائها واعتماديتها و مرونتها أثناء دورة الطيران.
| الصناعية | دون سرعة الصوت |
1.05–1.2 | 88-92% |
| الفضاء | الانتقال من دون سرعةالصوت إلى سرعةالصوت |
1.15–1.6 | 80-85% |
| البحث | أسرع من سرعة الصوت | 1.8–2.2 | 75-85% |
بينما يدخل المائع إلى الضاغط و يغادر في الاتجاه المحوري، لا يكون هناك أي تأثير لمركبة الطرد المركزي أو المركبة الدورانية لحركة المائع في معادلة الطاقة. يعتمد الانضغاط كليا على تأثير الانتشار نتيجة تباعد المسارات بين الريش الثابتة وبعضها، حيث يتم تحويل طاقة الحركة المطلقة للمائع إلى زيادة في الضغط، بينما تتواجد مركبة طاقة الحركة النسبية في معادلة الطاقة فقط بسبب دوران الريش الدوارة. تعمل الريش الدوارة على خفض قيمة طاقة الحركة النسبية للمائع و إضافتها إلى طاقة الحركة المطلقة له، أي أن تأثير الريش الدوارة على جزيئات المائع، يؤدي إلى زيادة السرعة المطلقة للمائع، و خفض السرعة النسبية بين المائع و الريش الدوارة. باختصار، ترفع الريش الدوارة السرعة المطلقة للمائع، و تحول الريش الثابتة هذه الزيادة في السرعة إلى زيادة في الضغط .
إن تصميم مسارات الريش الدوارة مع قابلية الانتشار للمائع (تكون المسارات بين الريش على شكل ممر متباعد) يؤدي إلى ارتفاع في الضغط فضلا عن الوظيفة الأساسية للريش الدوارة (تحويل طاقة الحركة إلى المائع)، و يؤدي ذلك إلى ارتفاع كبير في الضغط في المرحلة الواحدة، حيث تساهم كل من الريش الدوارة والثابتة في ذلك. و تُعرف النسبة بين الزيادة في الضغط نتيجة الريش الدوارة إلى الزيادة في الضغط في المرحلة كلها (الريش الدوارة والثابتة) بمبدأ رد الفعل في الألات التوربينية. إن كان 50% من زيادة الضغط في المرحلة تم بواسطة الريش الدوارة، فإن درجة رد الفعل تكون 50%.
تتحدد قيمة الزيادة في الضغط الناتجة عن مرحلة واحدة من الضاغط بالسرعة النسبية بين الريش الدوارة و المائع، و قدرة الريش الدوارة على تقليب وانتشار المائع. تستطيع المرحلة النموذجية في ضاغط تجاري أن تنتج زيادة في الضغط تتراوح بين 15% و 60% (نسبة ضغط من 1.15-1.16) عند ظروف التصميم بكفاءة عامة تتراوح بين 90-95%، و تصمم الضواغط المحورية بأعداد مختلفة من المراحل و السرعات الدورانية لكي تحقق نسب ضغوط مختلفة. بناء على التجربة، يمكننا فرض أن كل مرحلة في الضاغط لها نفس مقدار الزيادة في درجة الحرارة، لذلك، يجب أن تزيد درجة حرارة الدخول لكل مرحلة من الضاغط تدريجيا، بينما تنخفض النسبة بين مقدار الزيادة في درجة الحرارة خلال المرحلة (الفرق بين درجة حرارة الخروج من المرحلة والدخول لها) و درجة حرارة الدخول إلى المرحلة، ويؤدي ذلك إلى الانخفاض التدريجي في نسبة الضغط للمرحلة خلال الضاغط، لذلك تنتج المرحلة الأخيرة نسبة ضغط منخفضة عن المرحلة الأولى. يُمكن أيضا تحقيق نسب ضغط مرتفعة للمرحلة من الضاغط لو كانت السرعة النسبية بين المائع و الريش الدوارة أكبر من سرعة الصوت، لكن هذا سيكون على حساب الكفاءة و عمليات تشغيل الضاغط. تُستخدم الضواغط التي تزيد نسب ضغط المرحلة فيها عن 2، عندما يكون من المهم جدا تقليل حجم أو وزن الضاغط مثل المستخدمة في الطائرات النفاثة العسكرية. يتم ملائمة تصميم الجنيحات بحيث تتناسب مع سرعات معينة وتقليب المائع عند ظروف معينة. بالرغم من أن الضواغط يُمكن ان تعمل عند ظروف أخرى غير الظروف التصميمية مع تدفقات و سرعات مختلفة للمائع أو نسب ضغط مختلفة، يُمكن أن يؤدي ذلك إلى انخفاض في الكفاءة أو انفصال المائع عن الريش بشكل جزئي أو كلي (فيما يعرف بموجة التضاغط أو الاضطراب في المائع، و يكون نيجة زيادة الضغط عن قيمة معينة)، لذلك عمليا يكون هناك حدود لعدد المراحل و نسبة الضغط الكلية، يتم تحديدها عندما تعمل مراحل الضاغط بعيدا عن الظروف التصميمية. يُمكن تخفيف الآثار الناتجة عن العمل في الظروف الخارجة عن التصميم عن طريق بعض المرونة التشغيلية في الضاغط، و يحدث هذا باستخدام ريش ثابتة متغيرة (يمكن تغيير وضعها) أو استخدام صمامات استنزاف بعض المائع من التدفق الرئيسي له بين المراحل (يعرف باستنزاف بين المراحل).
تستخدم المحركات النفاثة الحديثة سلسلة من الضواغط تعمل عند سرعات مختلفة، لتزويد هواء بنسبة ضغط تقترب من 1:40 من أجل الاحتراق، مع مرونة كافية لجميع ظروف الطيران.