کمپرسور توربین

کمپرسور توربین:

اکثر هواپیماهای مسافربری و نظامی مدرن از موتورهای توربین گازی استفاده می‌کنند که موتورهای جت نیز نامیده می‌شوند. انواع مختلفی از موتورهای توربین گازی وجود دارد اما دارای برخی از قطعات مشترک نیز هستند. تمام موتورهای توربین دارای یک کمپرسور برای افزایش فشار هوای ورودی قبل از ورود به محفظه احتراق هستند.
عملکرد کمپرسور تأثیر زیادی بر عملکرد کل موتور دارد. عملکرد کمپرسور برای افزایش فشار هوا برای ایجاد شرایط مساعد احتراق و انبساط گازهای داغ از طریق توربین می باشد.
در نگاه اول ممکن است تعجب کنید که اصلا چرا یک موتور به کمپرسور نیاز دارد. با این حال، بدون کمپرسور، موتور هرگز نمی تواند نیروی رانش استاتیک ایجاد کند. موتورهایی که از کمپرسور (یا توربین) استفاده نمی‌کنند، موتورهای رم جت نامیده می‌شوند. این دستگاه‌ها باید تنها بر فشرده‌سازی هوا از ورودی تکیه کنند و تا زمانی که به سرعت فراصوتی نرسند، نمی‌توان آنها را راه‌اندازی کرد. به همین دلیل، یک موتور کمپرسور در شرایط بسیار وسیع تری قابل استفاده است. راندمان کمپرسور بر حسب تلفات انرژی (به دلیل اصطکاک و جداسازی جریان) که در طی فرآیند فشرده سازی هوا رخ می‌دهد اندازه‌گیری می‌شود.

یک کمپرسور از یک قسمت متحرک (پروانه (Impeller) یا روتور(Rotor)) و یک قسمت ثابت (دیفیوزر(diffuser) یا استاتور(Stator)) تشکیل شده است. در اکثر دستگاه‌ها، افزایش فشار در هر دو بخش از کمپرسور اتفاق می‌افتد.

موتورهای توربین نیروی بسیاری از هواپیماهای امروزی را تامین می‌کنند. نیروی تولید شده توسط این موتورها متکی به گاز در حال انبساط است که حاصل احتراق در بخش محفظه احتراق می باشد و برای تأمین این امر، نیاز به هوای پرفشار برای مخلوط شدن با سوخت است. بخش کمپرسور موتور وظیفه مهم تامین مقدار کافی هوای فشرده برای برآوردن نیازهای احتراق را بر عهده دارد. فشار توده هوایی که در ورودی دریافت می‌شود را افزایش داده و با فشار مورد نیاز، در اختیار قسمت احتراق قرار می‌دهد. یکی دیگر از اهداف بخش کمپرسور تامین هوای تخلیه برای سیستم‌های مختلف است. این مقاله، بر اساس AC65-12A، نگاهی کوتاه به ساخت و عملکرد اولیه بخش‌های کمپرسور موتور توربین معمولی خواهد داشت.

انواع کمپرسور

دو نوع اصلی کمپرسور وجود دارد:
• جریان محوری
• جریان گریز از مرکز
که تفاوت آنها در نحوه عبور هوا از کمپرسور است.

۱. جریان محوری:

در یک کمپرسور جریان محوری، هوا در حالی که جهت اصلی جریان خود را ادامه می‌دهد، فشرده می‌شود. از ورودی تا خروجی هوا در امتداد یک مسیر محوری جریان دارد و با نسبت تقریباً ۱.۲۵ به ۱ فشرده می‌شود.
یک کمپرسور جریان محوری دارای دو عنصر اساسی است: یک روتور و یک استاتور.
روتور دارای پره‌هایی است که روی یک دوک ثابت می‌شوند. این پره‌ها هوا را به همان روشی که یک پروانه انجام می‌دهد، به سمت عقب هدایت می‌کند. آنها اساسا ایرفویل‌های کوچک هستند. روتور با سرعت بالایی می‌چرخد و هوا را از طریق یک سری مراحل به حرکت در می‌آورد. جریان هوا با سرعت بالا تولید می‌شود. پس از اینکه هوا توسط پره‌های روتور به حرکت در می‌آید، از میان پره‌های استاتور عبور می‌کند. تیغه‌های استاتور ثابت هستند و در هر مرحله به عنوان دیفیوزر عمل می‌کنند. آنها تا حدی هوای با سرعت بالا را به فشار بالا تبدیل می‌کنند.
هر جفت روتور/استاتور یک مرحله کمپرسور است. هر مرحله متوالی کمپرسور هوا را حتی بیشتر فشرده می‌کند. تعداد مراحل بر اساس مقدار هوا و افزایش فشار کل مورد نیاز تعیین می‌شود. هرچه تعداد مراحل بیشتر باشد، نسبت تراکم بالاتر است. در حالی که کمپرسورهای محوری می‌توانند جریان هوای بیشتری را نسبت به طراحی گریز از مرکز با همان اندازه داشته باشند، یک مرحله روتور/استاتور معمولاً برای اکثر کاربردها، فشرده‌سازی کافی را فراهم نمی‌کند. به همین دلیل معمولاً از دستگاه‌های چند مرحله‌ای استفاده می‌شود.
موتورهای مدرن می‌توانند از ۱۰-۱۵ مرحله کمپرسور استفاده کنند. مزایای کمپرسور محوری، دبی بیشتر و نسبت فشار بیشتر آن است که منجر به رانش و راندمان سوخت بالاتر می‌شود. این باعث می‌شود که برای کاربردهایی که نیروی رانش موتور خود نیروی محرکه هواپیما است مناسب‌تر باشد.

۲. جریان گریز از مرکز:

در کمپرسور های گریز از مرکز یا حلقوی، پروانه (Impeller) با پرتاب کردن جریان به بیرون، آن را تسریع می‌کند و این نیز فشار را افزایش می‌دهد. هنگامی که جریان با پخش کننده‌هایی که به پروانه(Impeller) حلقه می‌زنند برخورد می‌کند، فشار بیشتر افزایش می‌یابد و جریان کند می‌شود.
از مزایای کمپرسور گریز از مرکز این است که طراحی و ساخت آن آسان‌تر است و اغلب می‌تواند فشار را به اندازه کافی برای احتراق کارآمد، تنها با یک مرحله افزایش دهد. با این حال، جریان هوا برای یک کمپرسور گریز از مرکز بسیار کمتر از یک کمپرسور محوری است و نسبت فشار آن به طور کلی کمتر است. به این معنی که برای ایجاد نیروی رانش بسیار کمتر موثر است و مصرف سوخت کمتری دارد.
از این رو، بیشتر در موتورهای کوچک دیده میشود؛ در جایی که مزایای تولید بیشتر از معایب عملکرد است و در موتورهای شفت، که در آن فشار محوری یا ضربه کمتر نگران کننده است. همچنین در کاربردهای صنعتی، جایی که رانش اصلاً نگران کننده نیست از کمپرسورهای گریز از مرکز استفاده می شود. (توربوشارژر در بسیاری از خودروهای اسپرت از یک کمپرسور گریز از مرکز و توربین تشکیل شده است.)
در موتورهای جریان گریز از مرکز، کمپرسور کار خود را با برداشتن هوای ورودی و شتاب دادن آن به خارج، از طریق عمل گریز از مرکز انجام می‌دهد. کمپرسور اساساً از یک پروانه (روتور)، یک دیفیوزر (استاتور) و یک منیفولد تشکیل شده است که دو عنصر اصلی آن، پروانه (Impeller) و دیفیوزر (Diffuser) هستند.
عملکرد پروانه (Impeller) این است که هوا را به سمت بیرون (به سمت دیفیوزر (Diffuser)) جریان داده و شتاب دهد. ممکن است یک ورودی یا دو ورودی داشته باشد که هر دو از نظر ساخت شبیه به پروانه سوپرشارژر موتور پیستونی هستند. پروانه دوبل شبیه دو پروانه پشت به پشت است. با این حال، به دلیل نیاز به هوای احتراق بسیار بیشتر در موتورهای توربوجت، پروانه‌ها (Impeller) بزرگتر از پروانه‌های (Impeller) سوپرشارژر هستند.

تفاوت اصلی بین این دو نوع پروانه در اندازه و آرایش کانال است. نوع دو ورودی قطر کمتری دارند، اما معمولاً برای اطمینان از جریان هوای کافی، با سرعت چرخشی بالاتری کار می‌کنند. پروانه تک ورودی اجازه می‌دهد تا مجرای مناسب مستقیماً به چشم پروانه (پره‌های القاء‌کننده) در مقابل مجرای پیچیده تر لازم برای رسیدن به سمت عقب نوع دو ورودی وجود داشته باشد. اگرچه پروانه‌های تک ورودی در دریافت، کارایی بیشتری دارند، اما پروانه‌های تک ورودی باید قطر زیادی داشته باشند تا همان مقدار هوا را با نوع دو ورودی تحویل دهند. البته این باعث افزایش قطر کلی موتور می‌شود.
یک محفظه پلنوم (Plenum) در مجرای موتورهای کمپرسور دو ورودی گنجانده شده است. این محفظه ضروری است زیرا هوا باید تقریباً با زاویه مستقیم نسبت به محور، وارد موتور شود. بنابراین برای ایجاد جریان مثبت، هوا باید قبل از ورود به کمپرسور، کمپرسور موتور را با فشار مثبت احاطه کند.

برخی از بخش‌های کمپرسور جریان گریز از مرکز همچنین شامل درب‌های ورودی هوای کمکی (درهای دمشی) به عنوان بخشی از محفظه پلنوم هستند. این درها هوا را به محفظه موتور در طول عملیات زمینی هنگامی که هوای مورد نیاز موتور بیشتر از جریان هوا از طریق مجاری ورودی است، تامین می‌کند. هنگامی که موتور کار نمی‌کند، درها با عمل فنر بسته می‌شوند. در حین کار هر زمان که فشار محفظه موتور کمتر از فشار اتمسفر شود، درها به طور خودکار باز می‌شوند. در هنگام برخاستن و پرواز فشار هوا در محفظه موتور، به فنرها در بسته نگه داشتن درها کمک می‌کند.

دیفیوزر (Diffuser) یک بخش کمپرسور جریان گریز از مرکز، یک محفظه حلقوی است که با تعدادی پره ارائه می‌شود که مجموعه‌ای از گذرگاه‌های واگرا را به داخل منیفولد تشکیل می‌دهند. پره‌های (Blade) پخش کننده، جریان هوا را از پروانه به منیفولد با زاویه‌ای که برای حفظ حداکثر انرژی تولید شده توسط پروانه طراحی شده است هدایت می‌کند. آنها همچنین هوا را با سرعت و فشار رضایت بخش برای استفاده در محفظه‌های احتراق به منیفولد می‌رسانند.
منیفولد کمپرسور، جریان هوا را از دیفیوزر که بخشی جدایی ناپذیر منیفولد است به داخل محفظه‌های احتراق منحرف می‌کند. منیفولد دارای یک درگاه خروجی برای هر محفظه است تا هوا به طور مساوی تقسیم شود. یک زانویی خروجی کمپرسور به هر یک از درگاه‌های خروجی پیچ می‌شود. این خروجی‌های هوا به صورت مجرا ساخته می‌شوند و با نام‌های مختلفی مانند مجرای خروجی هوا، زانویی خروجی یا مجرای ورودی محفظه احتراق شناخته می‌شوند. این مجراها بخش بسیار مهمی از فرآیند انتشار را انجام می‌دهند .جهت شعاعی جریان هوا را به جهت محوری تغییر می‌دهند، جایی که فرآیند انتشار پس از چرخش کامل می‌شود. برای کمک به آرنج‌ها در انجام کارآمد این عملکرد، گاهی اوقات پره‌های چرخشی (پره های آبشاری) در داخل زانوها نصب می‌شوند.
این پره‌ها با ارائه یک سطح صاف و چرخشی تلفات فشار هوا را کاهش می‌دهند.

هر نوع کمپرسور مزایا و معایبی دارد. با دانستن این موضوع، برخی از تولیدکنندگان موتور، امروزه با استفاده از ترکیبی از هر دو در بخش کمپرسور خود، از مزایای هر نوع استفاده می‌کنند. در اینجا به برخی از مزایا و معایب هر نوع کمپرسور اشاره می‌کنیم.