تويت
المحركات النفاثة محورية السريان
رسم ضاغط محوري للضغط المنخفض، لمحرك رولز رويس أوليمبس
في المحرك النفاث، يعمل الضاغط على مدى متنوع من ظروف التشغيل.
على الأرض عند الإقلاع: يكون ضغط الدخول للضاغط مرتفع و سرعة الدخول تساوي صفر، ويدور الضاغط عند سرعات مختلفة طبقا للقدرة التي يستمدها. عند الطيران: ينخفض ضغط الدخول للضاغط، بينما ترتفع سرعة الدخول (نتيجة الحركة الأمامية للطائرة) لتعويض بعض من الضغط المفقود، ويدور الضاغط على سرعة واحدة لفترات زمنية طويلة.
.يمكننا القول بوضوح أنه لا يوجد ضاغط مثالي يعمل على مدى واسع من ظروف التشغيل. و تكون الضواغط ثابتة التكوين (لا يمكن زيادة عدد المراحل فيها)، مثل تلك التي استخدمت في المحركات النفاثة الأولية، تكون محدودة بنسبة انضغاط حوالي 4 أو 1:5. كما بالنسبة لأي محرك حراري، تعتمد كفاءة الوقود بشكل كبير على نسبة الانضغاط، لذلك تدفعنا الحاجة الاقتصادية بشدة، لتحسين مراحل الضاغط الذي يعمل على نسب انضغاط تتعدى تلك النسب.
يمكن أيضا أن يتوقف الضاغط نتيجة تغيير ظروف دخول المائع بشكل مفاجئ، وكانت هذه أحد المشاكل الشائعة في المحركات النفاثة الأولية. في بعض الحالات، لو حدث التوقف بالقرب من مقدمة المحرك، ستتوقف كل المراحل بداية من تلك النقطة عن ضغط الهواء. في هذه الحالة، تنخفض القدرة اللازمة لتشغيل الضاغط بشكل مفاجئ، ويسمح الهواء الساخن المتبقي في نهاية المحرك للتربينة، بزيادة سرعة المحرك كله.
تُسمى هذه الحالة بالاندفاع (Surging)، و كانت أحد المشاكل الرئيسية في المحركات النفاثة الأولية، ودائما ما كانت تؤدي إلى انهيار التربينة أو الضاغط و تحطم الريش.
لكل هذه الأسباب السابقة، تعتبر الضواغط المحورية في المحركات النفاثة الحديثة، أكثر تعقيدا من تلك التي كانت موجودة في التصاميم الأولية.
أعمدة الدوران
كل الضواغط يكون لديها نقطة مثالية متعلقة بسرعة الدوران و الضغط، و مع زيادة الانضغاط، يتطلب زيادة السرعة.
صُممت المحركات النفاثة الأولية بشكل مبسط، واستخدمت ضاغط وحيد كبير يدور عند سرعة معينة. بينما قامت التصاميم التالية بإضافة تربينة ثانية وتقسيم الضاغط إلى قسمين، قسم الضغط المنخفض وقسم الضغط المرتفع، حيث يدور الأخير بسرعة أكبر. هذا التصميم ذو العمودين الدوارين (عمود دوار لكل قسم من أقسام الضاغط يصله بالقسم المقابل له في التربينه) أصبح شائع الاستخدام في محرك رولز رويس أوليمبس، و أدى إلى زيادة الكفاءة.
يمكن زيادة الكفاءة أكثر بإضافة عمود دوران ثالث، لكن عمليا هذا سيضيف تعقيد أكثر للمحرك و سيزيد من تكلفة الصيانة إلى الحد الذي يلغي أي فائدة اقتصادية. يوجد العديد من المحركات المستخدمة ذات ثلاث أعمدة دوران، لعل أشهرها محرك رولز رويس أر بي 211، المستخدم في كثير من الطائرات التجارية.
إستنزاف الهواء
عندما تغير الطائرة سرعتها أو ارتفاعها، سيتغير ضغط الهواء الداخل إلى الضاغط. و لملائمة الضاغط لمثل هذه الظروف المتغيرة، أرادت تصاميم بدأت في الخمسينات من 1950، إستنزاف الهواء للخارج من منتصف الضاغط لتجنب ضغط كمية كبيرة من الهواء في مراحل الضاغط الأخيرة. كما استخدم ذلك أيضا للمساعدة في بداية تشغيل المحرك، بالسماح له بزيادة سرعة دورانه بدون ضغط كمية كبير من الهواء عن طريق إستنزاف أكبر كمية ممكنة. على أي حال، كانت أنظمة إستنزاف الهواء شائعة الاستخدام، لتزويد تدفق الهواء إلى مرحلة التربينة حيث يستخدم لتبريد ريش التربينة، بالإضافة إلى تزويد الهواء المضغوط إلى أنظمة تكييف الهواء داخل الطائرة.
الريش الثابتة المتغيرة
يعتبر تصميم الريش الثابتة المتغيرة (Variable stators) تصميما أكثر تقدما، حيث يستخدم ريش ثابتة يمكن تدويرها بشكل منفرد حول محورها، عكس محور القدرة للمحرك (تدوير الريش الثابتة عكس اتجاه دوران المحرك).
للبدء، يتم تدوير الريش الثابتة حتى تغلق المسارات بينها، فينخفض الانضغاط، ثم يتم تدويرها عكسيا لتعود مرة أخرى داخل تدفق الهواء بالزاوية التي تتطلبها الظروف الخارجية. يعتبر محرك جينرال إليكتريك جيه 79 أول مثال رئيسي لاستخدام تصميم الريش الثابتة المتغيرة، واليوم أصبح ميزة شائعة في معظم المحركات النفاثة العسكرية.
بغلق الريش الثابتة المتغير تدريجيا، بينما تنخفض سرعة دوران الضاغط، يقل ميل خط الاندفاع (أو التوقف) على خريطة خصائص التشغيل، مما يؤدي لتحسين حدود ظاهرة الاندفاع (تزيد النقطة التي تحدث عندها) في وحدة الضاغط المركبة في المحرك.
نجحت جنرال إليكتريك لمحركات الطائرات بتطوير ضاغط محوري مكون من 10 مراحل بإمكانه العمل على نسبة ضغط تصميمية تبلغ 1:23، وذلك بعد أن قامت بدمج ريش ثابتة متغيرة في المراحل الخمس الأولى من الضاغط.
رسم ضاغط محوري للضغط المنخفض، لمحرك رولز رويس أوليمبس
في المحرك النفاث، يعمل الضاغط على مدى متنوع من ظروف التشغيل.
على الأرض عند الإقلاع: يكون ضغط الدخول للضاغط مرتفع و سرعة الدخول تساوي صفر، ويدور الضاغط عند سرعات مختلفة طبقا للقدرة التي يستمدها. عند الطيران: ينخفض ضغط الدخول للضاغط، بينما ترتفع سرعة الدخول (نتيجة الحركة الأمامية للطائرة) لتعويض بعض من الضغط المفقود، ويدور الضاغط على سرعة واحدة لفترات زمنية طويلة.
.يمكننا القول بوضوح أنه لا يوجد ضاغط مثالي يعمل على مدى واسع من ظروف التشغيل. و تكون الضواغط ثابتة التكوين (لا يمكن زيادة عدد المراحل فيها)، مثل تلك التي استخدمت في المحركات النفاثة الأولية، تكون محدودة بنسبة انضغاط حوالي 4 أو 1:5. كما بالنسبة لأي محرك حراري، تعتمد كفاءة الوقود بشكل كبير على نسبة الانضغاط، لذلك تدفعنا الحاجة الاقتصادية بشدة، لتحسين مراحل الضاغط الذي يعمل على نسب انضغاط تتعدى تلك النسب.
يمكن أيضا أن يتوقف الضاغط نتيجة تغيير ظروف دخول المائع بشكل مفاجئ، وكانت هذه أحد المشاكل الشائعة في المحركات النفاثة الأولية. في بعض الحالات، لو حدث التوقف بالقرب من مقدمة المحرك، ستتوقف كل المراحل بداية من تلك النقطة عن ضغط الهواء. في هذه الحالة، تنخفض القدرة اللازمة لتشغيل الضاغط بشكل مفاجئ، ويسمح الهواء الساخن المتبقي في نهاية المحرك للتربينة، بزيادة سرعة المحرك كله.
تُسمى هذه الحالة بالاندفاع (Surging)، و كانت أحد المشاكل الرئيسية في المحركات النفاثة الأولية، ودائما ما كانت تؤدي إلى انهيار التربينة أو الضاغط و تحطم الريش.
لكل هذه الأسباب السابقة، تعتبر الضواغط المحورية في المحركات النفاثة الحديثة، أكثر تعقيدا من تلك التي كانت موجودة في التصاميم الأولية.
أعمدة الدوران
كل الضواغط يكون لديها نقطة مثالية متعلقة بسرعة الدوران و الضغط، و مع زيادة الانضغاط، يتطلب زيادة السرعة.
صُممت المحركات النفاثة الأولية بشكل مبسط، واستخدمت ضاغط وحيد كبير يدور عند سرعة معينة. بينما قامت التصاميم التالية بإضافة تربينة ثانية وتقسيم الضاغط إلى قسمين، قسم الضغط المنخفض وقسم الضغط المرتفع، حيث يدور الأخير بسرعة أكبر. هذا التصميم ذو العمودين الدوارين (عمود دوار لكل قسم من أقسام الضاغط يصله بالقسم المقابل له في التربينه) أصبح شائع الاستخدام في محرك رولز رويس أوليمبس، و أدى إلى زيادة الكفاءة.
يمكن زيادة الكفاءة أكثر بإضافة عمود دوران ثالث، لكن عمليا هذا سيضيف تعقيد أكثر للمحرك و سيزيد من تكلفة الصيانة إلى الحد الذي يلغي أي فائدة اقتصادية. يوجد العديد من المحركات المستخدمة ذات ثلاث أعمدة دوران، لعل أشهرها محرك رولز رويس أر بي 211، المستخدم في كثير من الطائرات التجارية.
إستنزاف الهواء
عندما تغير الطائرة سرعتها أو ارتفاعها، سيتغير ضغط الهواء الداخل إلى الضاغط. و لملائمة الضاغط لمثل هذه الظروف المتغيرة، أرادت تصاميم بدأت في الخمسينات من 1950، إستنزاف الهواء للخارج من منتصف الضاغط لتجنب ضغط كمية كبيرة من الهواء في مراحل الضاغط الأخيرة. كما استخدم ذلك أيضا للمساعدة في بداية تشغيل المحرك، بالسماح له بزيادة سرعة دورانه بدون ضغط كمية كبير من الهواء عن طريق إستنزاف أكبر كمية ممكنة. على أي حال، كانت أنظمة إستنزاف الهواء شائعة الاستخدام، لتزويد تدفق الهواء إلى مرحلة التربينة حيث يستخدم لتبريد ريش التربينة، بالإضافة إلى تزويد الهواء المضغوط إلى أنظمة تكييف الهواء داخل الطائرة.
الريش الثابتة المتغيرة
يعتبر تصميم الريش الثابتة المتغيرة (Variable stators) تصميما أكثر تقدما، حيث يستخدم ريش ثابتة يمكن تدويرها بشكل منفرد حول محورها، عكس محور القدرة للمحرك (تدوير الريش الثابتة عكس اتجاه دوران المحرك).
للبدء، يتم تدوير الريش الثابتة حتى تغلق المسارات بينها، فينخفض الانضغاط، ثم يتم تدويرها عكسيا لتعود مرة أخرى داخل تدفق الهواء بالزاوية التي تتطلبها الظروف الخارجية. يعتبر محرك جينرال إليكتريك جيه 79 أول مثال رئيسي لاستخدام تصميم الريش الثابتة المتغيرة، واليوم أصبح ميزة شائعة في معظم المحركات النفاثة العسكرية.
بغلق الريش الثابتة المتغير تدريجيا، بينما تنخفض سرعة دوران الضاغط، يقل ميل خط الاندفاع (أو التوقف) على خريطة خصائص التشغيل، مما يؤدي لتحسين حدود ظاهرة الاندفاع (تزيد النقطة التي تحدث عندها) في وحدة الضاغط المركبة في المحرك.
نجحت جنرال إليكتريك لمحركات الطائرات بتطوير ضاغط محوري مكون من 10 مراحل بإمكانه العمل على نسبة ضغط تصميمية تبلغ 1:23، وذلك بعد أن قامت بدمج ريش ثابتة متغيرة في المراحل الخمس الأولى من الضاغط.