کمپرسور محوری

رای دهی: 0 / 5

غیر فعال سازی ستارهغیر فعال سازی ستارهغیر فعال سازی ستارهغیر فعال سازی ستارهغیر فعال سازی ستاره
 

Axial-Compressor-Animation.gif

کمپرسور محوری (axial compressor) یک دستگاه تولید فشار و نوعی کمپرسور دوار مبتنی بر ایرفویل است که در آن جریان سیال موازی با محور چرخش است. این در تضاد با دیگر کمپرسورهای دوار از قبیل کمپرسور سانتریفوژ (centrifugal compressor) و کمپرسور جریان مختلط (mixed-flow compressor) است که در آن سیال به صورت محوری وارد می‌شود اما دارای یک مولفه شعاعی قابل توجه در خروج خواهد بود.

کمپرسورهای جریان محوری یک جریان پیوسته با شتاب منفی از گاز فشرده ایجاد می‌کنند. سطح انرژی هوا یا گاز درون کمپرسور محوری توسط عمل تیغه‌های روتور که گشتاوری را به سیال اعمال می‌کنند، توسط یک موتور الکتریکی (electric motor) یا توربین بخار (steam turbine) و یا توربین گاز (gas turbine) تامین می‌شود. مزیت کمپرسورهای محوری راندمان بالا، دبی جرمی بزرگ به ویژه نسبت به سطح مقطع آن‌ها است. البته کمپرسورهای محوری نیاز به چندین ردیف ایرفویل برای رسیدن به افزایش فشارهای بزرگ دارند که باعث پیچیده و گران شدن ساخت آن‌ها نسبت به طرح‌های دیگری همانند کمپرسورهای سانتریفوژ (centrifugal compressors) می‌شود.

 

Axial-Compressor-Cutoff.jpg

 

کمپرسورهای محوری به طور گسترده‌ای در توربین‌های گازی (gas turbines) مانند موتورهای جت، موتور کشتی با سرعت بالا و نیروگاه‌های کوچک استفاده می‌شوند. همچنین کمپرسورهای محوری در کاربردهای صنعتی مانند پلانت‌های جداسازی هوا (air separation plants) با حجم بالا، هوای کوره دمشی (blast furnace)، هوای کراکینگ کاتالیزوری سیال (fluid catalytic cracking) و هیدروژن‌زدایی پروپان (propane dehydrogenation) استفاده می‌شوند. با توجه به کارایی بالا، قابلیت اطمینان بالا و کارکرد انعطاف‌پذیر در موتورهای هوایی استفاده می‌شوند.

 

کاربرد

نوع جریان

نسبت فشار در هر مرحله

% راندمان در هر مرحله

صنعتی

مادون صوت

1.05–1.2

88–92

هوافضا

صوتی

1.15–1.6

80–85

تحقیقاتی

مافوق صوت

1.8–2.2

75–85

 

ساختمان کمپرسورهای محوری

کمپرسورهای محوری از اجزای دوار و ثابت تشکیل شده‌اند. شافت یک درام مرکزی که توسط بیرینگ‌ها (bearings) نگه داشته شده است را می‌گرداند. درام دارای تعدادی ردیف حلقوی ایرفویل است که معمولا به صورت جفت‌هایی در کنار هم قرار می‌گیرند و یکی از آن‌ها دوار و دیگری ثابت و متصل به یک محفظه لوله‌ای ثابت است. یک جفت از ایرفویل‌های دوار و ثابت، یک مرحله (stage) نامیده می‌شوند. ایرفویل‌های دوار همچنین به عنوان تیغه (blade) یا روتور (rotor) شناخته می‌شوند و به سیال شتاب می‌دهند. ایرفویل‌های ثابت که همچنین به عنوان استاتور (stator) و یا پره (vane) شناخته می‌شوند، به وسیله نفوذ یا انتشار (diffusion) انرژی جنبشی دورانی افزایش یافته را به فشار استاتیک تبدیل می‌کنند و مسیر جهت جریان سیال را به صورتی تغییر می‌دهند که برای پره‌های روتور مرحله بعدی آماده شوند. سطح مقطع بین درام روتور و محفظه در جهت جریان کاهش می‌یابد تا بتوان همراه با تراکم سیال، با استفاده از هندسه متغیر عدد ماخ بهینه را حفظ کرد.

 

Axial-Compressor-Cutoff2.jpg

 

کارکرد کمپرسورهای محوری

به دلیل این که سیال در جهت محوری وارد و خارج می‌شود، در معادله انرژی مولفه سانتریفوژ وارد بازی نمی‌شود. در اینجا تراکم به طور کامل بر اساس انتشار (diffusion) در مسیرها انجام می‌شود. عمل نفوذ در استاتور هد جنبشی مطلق مایع را به افزایش فشار تبدیل می‌کند. هد جنبشی نسبی در معادله انرژی، عبارتی است که تنها به دلیل چرخش روتور وجود دارد. روتور هد جنبشی نسبی سیال را کاهش و بر هد جنبشی مطلق سیال می‌افزاید؛ به عبارتی روتور بر سرعت (مطلق) ذرات سیال می‌افزاید و در نتیجه سرعت نسبی بین سیال و روتور را کاهش می‌دهد. به طور خلاصه، روتور سرعت مطلق مایع را افزایش می‌دهد و استاتور آن را به افزایش فشار تبدیل می‌کند. طراحی مسیر روتور با یک قابلیت انتشار می‌تواند علاوه بر کارکرد طبیعی آن، یک افزایش فشار تولید کند. این باعث تولید افزایش فشار بیش‌تر در هر مرحله در هر دو استاتور و روتور می‌شود. این اصل واکنش (reaction principle) در توربوماشین‌ها می‌باشد. اگر 50 درصد از افزایش فشار در یک مرحله در بخش روتور به دست آید، گفته می‌شود که میزان واکنش 50 درصد است.

 

Pressure-Velocity-Change.gif

افزایش فشار و سرعت در یک مرحله از کمپرسور محوری

 

طراحی کمپرسورهای محوری

افزایش فشار تولید شده در یک مرحله توسط سرعت نسبی بین روتور و سیال و قابلیت‌های چرخش و نفوذ ایرفویل‌ها محدود می‌شود. یک مرحله معمولی از یک کمپرسور تجاری، در شرایط طراحی با راندمان پلی‌تروپیک حدود 90 تا 95 درصد، افزایش فشاری بین 15 تا 60 درصد (نسبت فشار 1.15 تا 1.6) تولید می‌کند. برای رسیدن به نسبت‌های فشار مختلف، کمپرسورهای محوری با تعداد مراحل و سرعت‌های دوران مختلفی طراحی می‌شوند.

 

Rotor2.jpg

 

به عنوان یک قاعده سر انگشتی می‌توانیم فرض کنیم که هر مرحله در یک کمپرسور دارای افزایش دمای (ΔT) یکسان است. بنابراین در ورودی، دمای ورودی (Tstage) به هر مرحله باید به تدریج در طول کمپرسور افزایش و نسبت (ΔT/Tstage) کاهش یابد که این یک کاهش تدریجی نسبت فشار را هر مرحله در طول دستگاه یادآوری میکند. از این رو مراحل عقبی، نسبت فشار به طور قابل توجه پایین‌تری را نسبت به مرحله اول ایجاد می‌کنند.

اگر سرعت نسبی بین سیال و روتور مافوق صوت باشد، نسبت فشار بالاتر در مراحل نیز امکان‌پذیر است، اما این کار به قیمت از دست دادن راندمان و قابلیت عملیاتی کمپرسور به دست می‌آید. چنین کمپرسورهایی با نسبت فشار مرحله‌ای بیش از 2، تنها در جایی همانند جت‌های نظامی که کاهش اندازه، وزن و یا پیچیدگی کمپرسور بسیار مهم است استفاده می‌شوند.

 

Single-vs-Twin-Spool-Compressor.jpg

 

پروفایل و پیچش ایرفویل‌ها برای سرعت‌های ویژه بهینه‌سازی و مطابقت داده می‌شوند. اگر چه کمپرسورها می‌توانند در سایر شرایط با جریان، سرعت و یا نسبت‌های فشار مختلف کار کنند، این کار می‌تواند ما را از نظر راندمان و یا حتی یک شکست نسبی یا کامل در جریان (که به ترتیب به عنوان استال و سرج کمپرسور شناخته می‌شود) مجازات کند. بنابراین، یک محدودیت عملی در تعداد مراحل و نسبت فشار کلی، از تعامل بین مراحل مختلف در زمانی که نیاز به کار در شرایط خارج از طراحی باشد به دست می‌آید.

این شرایط "خارج از طراحی" را می‌توان با فراهم کردن اندکی انعطاف‌پذیری در کمپرسور، تا حدی کاهش داد. این کار به طور معمول با استفاده از پره‌های ثابت قابل تنظیم و یا به کمک ولو‌هایی که می‌توانند سیال را از جریان اصلی بین مراحل خارج کنند (inter-stage bleed valves) انجام می‌شود. موتورهای جت مدرن از یک مجموعه کمپرسور استفاده می‌کنند که در سرعت‌های مختلف کار می‌کنند و می‌توانند هوای احتراق را در نسبت فشار حدود 40:1 با انعطاف‌پذیری کافی برای همه شرایط پرواز تامین کنند.

 

Axial-Compressor-Cutoff3.jpg

logo-samandehi

آگهی‌های مرتبط با تجهیزات دوار