کمپرسور محوری
کمپرسورهای محوری، (Axial compressor) کمپرسورهایی هستند که در آنها، گاز به موازات محور گردنده جریان دارد. کمپرسور از چندین ردیف آبشاری تشکیل شده که برخی از این ردیف ها روتور نام دارد که به شفت مرکزی متصل شده و با سرعت بالا گردش می کند. باقی ردیف ها استاتور است که در جای خود ثابت است و گردش نمی‌کند. وظیفه استاتور افزایش فشار و بازگرداندن جریان از حالت مارپیچ به موازات محور است.
گاز از درون کمپرسور عبور کرده سرعت آن متناوباً زیاد و کم شده. با هر افزایش سرعت انرژی جنبشی گاز زیاد شده و با هر کاهشی ، انرژی جنبشی آن تبدیل به افزایش فشار می شود. این کمپرسورها جریان پیوسته دارند و در حجم زیاد، گاز متراکم ایجاد می کنند و راندمان بالایی دارند.
یک کمپرسور محوری (Axial compressors) دارای جریان محوری است، هوا یا گاز از میان ردیف‌هایی از پره‌های ثابت و متحرک در امتداد محور گردان کمپرسور عبور می‌کنند. بدین ترتیب سرعت هوا بتدریج همزمان با اینکه پره‌های ثابت انرژی جنبشی را به فشار تبدیل می‌کنند، افزایش می‌یابد. پایین‌ترین میزان جریان حجمی در چنین کمپرسوری حدود ۱۵/s است. معمولاً یک استوانه متعادل کننده‌ای در کمپرسور تعبیه می‌شود، تا نیروی فشار محوری را متعادل سازد. کمپرسورهای محوری بطور کلی از کمپرسورهای گریز از مرکز کوچکتر هستند و بطور معمول سرعت آنها ٪ ۲۵ بالاتر است و این کمپرسورها برای میزان جریان حجمی بالا در فشار نسبتاً متوسط مورد استفاده قرار می‌گیرند. به استثنای کاربردهای توربین گازی، نسبت فشار به ندرت بالاتر از ۶ است. جریان معمول تقریباً / s ۶۵ و فشار مؤثر تقریباً ۱۴ بار است.
کمپرسور محوری یک کمپرسور گازی است که می تواند به طور مداوم گازها را تحت فشار قرار دهد. این یک کمپرسور دوار و بر پایه ایرفویل است که در آن گاز یا سیال کار عمدتاً موازی با محور چرخش یا بصورت محوری جریان دارد. این تفاوت با سایر کمپرسورهای دوار مانند کمپرسور گریز از مرکز ، کمپرسورهای محوری گریز از مرکز و کمپرسورهای جریان مختلط دارد که در آن جریان سیال شامل “جزء شعاعی” از طریق کمپرسور است. سطح انرژی سیال با عبور از کمپرسور به دلیل عمل پره های روتور که گشتاور بر سیال وارد می کند ، افزایش می یابد. تیغه های ثابت سیال را کند می کنند و جزء محیطی جریان را به فشار تبدیل می کنند. کمپرسورها معمولاً توسط موتور الکتریکی یا بخار یا توربین گازی هدایت می شوند.
کمپرسورهای جریان محوری:
یک جریان مداوم گاز فشرده تولید می کنند و از مزایای بهره وری بالا و سرعت جریان جرمی بالا ، به ویژه در رابطه با اندازه و سطح مقطع آنها برخوردار هستند. با این حال آنها نیاز به چندین ردیف ایرفویل برای رسیدن به فشار زیاد دارند ، که آنها را نسبت به سایر طرح ها (به عنوان مثال کمپرسورهای گریز از مرکز) پیچیده و گران قیمت می کند.
کمپرسورهای محوری در طراحی توربین های گازی بزرگ مانند موتورهای جت ، موتورهای کشتی با سرعت بالا و نیروگاه های مقیاس کوچک جزء لاینفک هستند. آنها همچنین در کاربردهای صنعتی مانند کارخانه های جداسازی هوا با حجم زیاد ، هوای کوره بلند ، هوای ترک خورده کاتالیزوری سیال و دهیدروژن زدایی پروپان استفاده می شوند. به دلیل عملکرد بالا ، قابلیت اطمینان بالا و عملکرد انعطاف پذیر در طول پرواز ، آنها همچنین در موتورهای موشکی هوافضا ، به عنوان پمپ های سوخت و سایر کاربردهای مهم با حجم بالا استفاده می شوند.
شرح کلی:
کمپرسورهای محوری از اجزای دوار و ثابت تشکیل شده اند. یک شفت یک درام مرکزی را هدایت می کند که توسط یاتاقان ها در داخل یک لوله لوله ای ثابت نگه داشته می شود. بین طبل و بدنه ردیف های ایرفویل وجود دارد که هر ردیف به صورت متناوب به درام یا بدنه متصل می شود. یک جفت از یک ردیف ایرفویل های چرخان و ردیف بعدی ایرفویل های ثابت را مرحله می نامند.
ایرفویل های دوار که به پره یا روتور نیز معروف هستند ، سیال را در دو جهت محوری و محیطی تسریع می کنند. ایرفویل های ثابت ، که به آنها پره یا استاتور نیز گفته می شود ، افزایش انرژی جنبشی را از طریق انتشار به فشار ساکن تبدیل می کنند و جهت جریان سیال را تغییر می دهند تا برای تیغه های روتور مرحله بعدی آماده شود.سطح مقطع بین درام روتور و پوسته در جهت جریان کاهش می یابد تا سرعت محوری عدد ماخ مطلوب با فشرده شدن سیال حفظ شود.
کار کردن:
با ورود و خروج سیال در جهت محوری ، جزء گریز از مرکز در معادله انرژی نقش مهمی را ایفا نمی کند. در اینجا فشرده سازی به طور کامل بر اساس عملکرد انتشار معابر است. عمل انتشار در استاتور سر جنبشی مطلق سیال را به افزایش فشار تبدیل می کند. سر جنبشی نسبی در معادله انرژی اصطلاحی است که فقط به دلیل چرخش روتور وجود دارد. روتور سر جنبشی نسبی سیال را کاهش می دهد و آن را به سر جنبشی مطلق سیال اضافه می کند ، یعنی برخورد روتور بر ذرات سیال باعث افزایش سرعت آنها (مطلق) و در نتیجه کاهش سرعت نسبی بین سیال و روتور می شود. به به طور خلاصه ، روتور سرعت مطلق سیال را افزایش می دهد و استاتور آن را به افزایش فشار تبدیل می کند. طراحی گذر روتور با قابلیت انتشار می تواند علاوه بر عملکرد طبیعی ، افزایش فشار را نیز ایجاد کند. این باعث افزایش فشار بیشتر در هر مرحله می شود که یک استاتور و یک روتور را با هم تشکیل می دهد. این اصل واکنش در موتورهای توربو است. اگر 50٪ افزایش فشار در یک مرحله در قسمت روتور بدست آید ، گفته می شود که 50٪ واکنش دارد.
طراحی:
افزایش فشار تولید شده در یک مرحله با سرعت نسبی بین روتور و سیال و قابلیت چرخش و انتشار ایرفویل ها محدود می شود. یک مرحله معمولی در کمپرسور تجاری باعث افزایش فشار بین 15 تا 60 درصد (نسبت فشار 1.15-1.6) در شرایط طراحی با راندمان پلی تروپیک در منطقه 90-95 می شود. برای دستیابی به نسبت های مختلف فشار ، کمپرسورهای محوری با تعداد مراحل مختلف و سرعت چرخشی طراحی شده اند.
به عنوان یک قاعده کلی می توان فرض کرد که هر مرحله در یک کمپرسور معین افزایش دما یکسانی دارد (Delta T). بنابراین ، در ورودی ، درجه حرارت (Tstage) به هر مرحله باید به طور تدریجی از طریق کمپرسور افزایش یابد و نسبت (Delta T)/(Tstage) ورود باید کاهش یابد ، بنابراین کاهش تدریجی نسبت فشار مرحله از طریق واحد را نشان می دهد.
بنابراین مرحله عقب نسبت فشار کمتری نسبت به مرحله اول ایجاد می کند. اگر سرعت نسبی بین سیال و روتورها مافوق صوت باشد ، نسبت فشار بالاتر نیز ممکن است ، اما این امر با هزینه بهره وری و کارایی بدست می آید. چنین کمپرسورهایی با نسبت فشار مرحله بیش از 2 ، تنها در مواردی استفاده می شوند که به حداقل رساندن اندازه ، وزن یا پیچیدگی کمپرسور ، مانند جت های نظامی ، بسیار مهم است.
پروفیل های ایرفویل بهینه شده و برای سرعتهای خاص و چرخش مطابقت دارند. اگرچه کمپرسورها می توانند در شرایط دیگر با جریان ، سرعت یا نسبت فشار متفاوت کار کنند ، اما این می تواند منجر به جریمه کارایی یا حتی خرابی جزئی یا کامل جریان شود (به ترتیب به عنوان ایست کمپرسور و افزایش فشار شناخته می شود).
بنابراین ، یک محدودیت عملی در تعداد مراحل ، و نسبت فشار کلی ، از برهم کنش مراحل مختلف ناشی می شود که برای کار دور از شرایط طراحی مورد نیاز است. این شرایط “خارج از طراحی” را می توان با ایجاد انعطاف پذیری در کمپرسور تا حدودی کاهش داد.
این امر به طور معمول با استفاده از استاتورهای قابل تنظیم یا با دریچه هایی که می توانند مایع را از جریان اصلی بین مراحل خونریزی کنند (خونریزی بین مرحله ای) به دست می آید. موتورهای جت مدرن از مجموعه ای از کمپرسورها استفاده می کنند که با سرعت های مختلف کار می کنند.
برای تأمین هوا در حدود 40: 1 نسبت فشار برای احتراق با انعطاف پذیری کافی برای همه شرایط پرواز.
