ضاغط محوري

الضاغط المحوري هو نوع من ضواغط الغاز التي تضغط سائل التشغيل باستمرار. وهو جهاز دوار ذو تصميم انسيابي، يتدفق فيه السائل بشكل أساسي في اتجاه واحد موازٍ لمحور الدوران. وهذا ما يميز الضواغط المحورية عن أنواع الضواغط الدوارة الأخرى، مثل الضواغط الطاردة المركزية ، والضواغط المحورية الطاردة المركزية، وضواغط التدفق المختلط ، حيث يتضمن تدفق السائل فيها مركبة شعاعية كبيرة موجهة للخارج من محور الدوران.

تُؤثر شفرات الدوّار بعزم دوران على السائل، مما يزيد من طاقته أثناء مروره عبر الضاغط. أما الشفرات الثابتة، أو الأجزاء الثابتة ، فتُبطئ السائل، محولةً المركبة المحيطية للتدفق إلى ضغط. ^{[ 1 ]} تُدار الضواغط عادةً بواسطة محرك كهربائي ، أو توربين بخاري ، أو توربين غازي . ^{[ 2 ]}

تُنتج ضواغط التدفق المحوري تدفقًا مستمرًا للغاز المضغوط. وتتميز بكفاءة عالية ومعدل تدفق كتلي كبير مقارنةً بحجم مقطعها العرضي. وهي أكثر تعقيدًا وتكلفةً من التصاميم الأخرى، إذ تتطلب عدة صفوف من الأجنحة الهوائية لتحقيق ارتفاع كبير في الضغط.

تُعدّ الضواغط المحورية عنصراً أساسياً في تصميم التوربينات الغازية الكبيرة، مثل محركات الطائرات النفاثة ، ومحركات السفن عالية السرعة ، ومحطات توليد الطاقة الصغيرة . كما تُستخدم في تطبيقات صناعية، مثل محطات فصل الهواء ذات الأحجام الكبيرة، وهواء أفران الصهر ، وهواء التكسير التحفيزي للسوائل ، ونزع الهيدروجين من البروبان . إضافةً إلى ذلك، ونظراً لأدائها المتميز وقدرتها على العمل ضمن نطاق التشغيل الآمن للطائرة، فإنها تُستخدم على نطاق واسع في تطبيقات الفضاء.

تتكون الضواغط المحورية من صفوف متناوبة من الشفرات الدوارة والثابتة. تُركّب الشفرات الدوارة، أو الدوّارات، على أسطوانة دوّارة تُدار بواسطة عمود مركزي. أما الشفرات الثابتة، المعروفة بالريش أو الأجزاء الثابتة، فتُركّب على غلاف أنبوبي. يشكّل صف واحد من الدوّارات وصف واحد من الأجزاء الثابتة معًا مرحلة واحدة. تُزوّد ​​الدوّارات سائل التشغيل بالطاقة الحركية، مما يزيد من سرعته في الاتجاهين المحوري والمحيطي. تُحوّل الأجزاء الثابتة الطاقة الحركية المتزايدة إلى ضغط ثابت من خلال الانتشار ، وتُعيد توجيه اتجاه تدفق السائل لتهيئته لشفرات الدوّار في المرحلة التالية. ^{[ 3 ]} تقلّ المساحة بين أسطوانة الدوّار والغلاف على طول اتجاه التدفق للحفاظ على رقم ماخ الأمثل أثناء ضغط السائل.

يمكن تصميم ممرات الدوار لتحقيق ارتفاع ضغط انتشاري، مما يؤدي إلى ارتفاع ضغط أكبر لكل مرحلة. وتُعرف نسبة ارتفاع الضغط في الدوار إلى إجمالي ارتفاع الضغط في المرحلة بدرجة التفاعل .

يُحدَّد الارتفاع في الضغط الناتج عن مرحلة واحدة بالسرعة النسبية بين الدوّار والسائل، وقدرات الدوران والانتشار للأجنحة الهوائية. تُنتج المرحلة النموذجية في الضاغط التجاري ارتفاعًا في الضغط يتراوح بين 15% و60% (نسب ضغط من 1.15 إلى 1.6) في ظروف التصميم، بكفاءة متعددة المراحل تتراوح بين 90% و95%. ولتحقيق نسب ضغط مختلفة، تُصمَّم الضواغط المحورية بأعداد مختلفة من المراحل وسرعات دوران متفاوتة. وكقاعدة عامة، يُفترض أن لكل مرحلة في ضاغط معين نفس الارتفاع في درجة الحرارة (ΔT). لذلك، عند المدخل، يجب أن ترتفع درجة الحرارة (Tstage) لكل مرحلة تدريجيًا عبر الضاغط، وأن تنخفض النسبة (ΔT)/(Tstage) المدخلة، مما يعني انخفاضًا تدريجيًا في نسبة ضغط المرحلة عبر الوحدة. ومن ثم، تُنتج المرحلة الخلفية نسبة ضغط أقل بكثير من المرحلة الأولى. يمكن تحقيق نسب ضغط أعلى في المراحل إذا كانت السرعة النسبية بين السائل والدوارات تفوق سرعة الصوت، ولكن ذلك يأتي على حساب الكفاءة وسهولة التشغيل. ولا تُستخدم هذه الضواغط، التي تتجاوز نسب ضغط مراحلها 2، إلا في الحالات التي يكون فيها تقليل حجم الضاغط أو وزنه أو تعقيده أمرًا بالغ الأهمية، كما هو الحال في الطائرات النفاثة العسكرية.

تُصمَّم مقاطع الأجنحة وتُطابق مع سرعات ودوران محددين. ورغم إمكانية تشغيل الضواغط في ظروف أخرى بتدفقات أو سرعات أو نسب ضغط مختلفة، إلا أن ذلك قد يؤدي إلى انخفاض الكفاءة أو حتى انهيار جزئي أو كلي في التدفق (يُعرف بتوقف الضاغط وارتفاع الضغط المفاجئ على التوالي). لذا، ينشأ حد عملي لعدد المراحل، ونسبة الضغط الإجمالية، من تفاعل المراحل المختلفة عند الحاجة إلى العمل خارج ظروف التصميم. ويمكن التخفيف من آثار هذه الظروف "خارج التصميم" إلى حد ما من خلال توفير بعض المرونة في الضاغط. ويتحقق ذلك عادةً باستخدام أجزاء ثابتة قابلة للتعديل أو صمامات قادرة على سحب السائل من التدفق الرئيسي بين المراحل (سحب السائل بين المراحل). تستخدم محركات الطائرات النفاثة الحديثة سلسلة من الضواغط، تعمل بسرعات مختلفة، لتزويد الهواء بنسبة ضغط تبلغ حوالي 40:1 للاحتراق، مع مرونة كافية لجميع ظروف الطيران.

ينص قانون عزم الزخم على أن مجموع عزوم القوى الخارجية المؤثرة على سائل يشغل مؤقتًا حجم التحكم يساوي التغير الصافي في تدفق الزخم الزاوي عبر حجم التحكم.

يدخل السائل المتدفق إلى حجم التحكم عند نصف القطر،${\displaystyle r_{1}\,}$بسرعة مماسية،${\displaystyle V_{w1}\,}$، ويترك أوراقاً عند نصف القطر،${\displaystyle r_{2}\,}$بسرعة مماسية،${\displaystyle V_{w2}\,}$.

${\displaystyle V_{1}\,}$و${\displaystyle V_{2}\,}$تمثل السرعات المطلقة عند المدخل والمخرج على التوالي.

${\displaystyle V_{f1}\,}$و${\displaystyle V_{f2}\,}$تمثل هذه القيم سرعات التدفق المحوري عند المدخل والمخرج على التوالي.

${\displaystyle V_{w1}\,}$و${\displaystyle V_{w2}\,}$تمثل هذه القيم سرعات الدوران عند المدخل والمخرج على التوالي.

${\displaystyle V_{r1}\,}$و${\displaystyle V_{r2}\,}$تمثل هذه السرعات النسبية للشفرة عند المدخل والمخرج على التوالي.

${\displaystyle U\,}$هي السرعة الخطية للشفرة.

${\displaystyle \alpha }$زاوية ريشة التوجيه و${\displaystyle \beta }$زاوية الشفرة.

معدل تغير الزخم،${\displaystyle F}$، ويتم الحصول عليها من خلال:

${\displaystyle F={\dot {m}}\left(V_{w2}-V_{w1}\right)={\dot {m}}\left(V_{f2}\tan \alpha _{2}-V_{f1}\tan \alpha _{1}\right)\,}$(من مثلث السرعة)

الطاقة التي تستهلكها شفرة متحركة مثالية، P، تُعطى بالمعادلة التالية:

${\displaystyle P={\dot {m}}U\left(V_{f2}\tan \alpha _{2}-V_{f1}\tan \alpha _{1}\right)\,}$

التغير في المحتوى الحراري للسائل في الشفرات المتحركة:

${\displaystyle P={\dot {m}}\left(h_{02}-h_{01}\right)={\dot {m}}c_{p}\left(T_{02}-T_{01}\right)\,}$

لذلك،

${\displaystyle P={\dot {m}}U\left(V_{f2}\tan \alpha _{2}-V_{f1}\tan \alpha _{1}\right)={\dot {m}}c_{p}\left(T_{02}-T_{01}\right)\,}$

وهذا يعني،

${\displaystyle \delta (T_{0})_{\text{isentropic}}={\frac {U}{c_{p}}}\left(V_{f2}\tan \alpha _{2}-V_{f1}\tan \alpha _{1}\right)\,}$

الانضغاط المتساوي الإنتروبيا في شفرة الدوار ،

${\displaystyle p_{2}-p_{1}=p_{1}\left(\left[{\frac {T_{2}}{T_{1}}}\right]^{\frac {\gamma }{\gamma -1}}-1\right)\,}$

لذلك،

${\displaystyle {\frac {(p_{02})_{\text{actual}}}{p_{01}}}=\left(1+{\frac {\eta _{\text{stage}}\delta (T_{0})_{\text{isentropic}}}{T_{01}}}\right)^{\frac {\gamma }{\gamma -1}}\,}$

وهذا يعني

${\displaystyle {\frac {(p_{02})_{\text{actual}}}{p_{01}}}=\left(1+{\frac {\eta _{\text{stage}}U}{T_{01}c_{p}}}\left[V_{f2}\tan \alpha _{2}-V_{f1}\tan \alpha _{1}\right]\right)^{\frac {\gamma }{\gamma -1}}\,}$

درجة رد الفعل : يُطلق على فرق الضغط بين مدخل ومخرج شفرة الدوار اسم ضغط رد الفعل . ويتم حساب التغير في طاقة الضغط من خلال درجة رد الفعل .

${\displaystyle {\begin{aligned}R&={\frac {h_{2}-h_{1}}{h_{02}-h_{01}}}\\P&={\dot {m}}c_{p}\left(T_{2}+{\frac {V_{2}^{2}}{2c_{p}}}-\left[T_{1}+{\frac {V_{1}^{2}}{2c_{p}}}\right]\right)\\P&={\dot {m}}\left(h_{2}-h_{1}+\left[{\frac {V_{2}^{2}}{2}}-{\frac {V_{1}^{2}}{2}}\right]\right)\\h_{2}-h_{1}&={\frac {V_{r1}^{2}}{2}}-{\frac {V_{r2}^{2}}{2}}\\T_{2}-T_{1}&={\frac {V_{r1}^{2}}{2c_{p}}}-{\frac {V_{r2}^{2}}{2c_{p}}}\end{aligned}}}$

لذلك،

${\displaystyle R={\frac {V_{r1}^{2}-V_{r2}^{2}}{V_{r1}^{2}-V_{r2}^{2}+V_{1}^{2}-V_{2}^{2}}}\,}$

توجد أنماط متعددة من عدم الاستقرار التي قد يتعرض لها الضاغط المحوري. استخدم إدوارد غريتزر ^{[ 5 ]} نموذجًا لنظام ضغط من نوع رنان هيلمهولتز للتنبؤ بالاستجابة العابرة لنظام الضغط بعد حدوث اضطراب طفيف في حالة التشغيل المستقرة. وقد وجد مُعاملًا لا بُعديًا يتنبأ بنمط عدم استقرار الضاغط، سواء كان توقفًا دورانيًا أو اندفاعًا مفاجئًا. يعتمد هذا المُعامل على سرعة الدوار، وتردد رنان هيلمهولتز للنظام، و"الطول الفعال" لقناة الضاغط. وقد أنتجت هذه العوامل قيمة حرجة تتنبأ إما بالتوقف الدوراني أو الاندفاع المفاجئ عند تغير ميل نسبة الضغط مقابل التدفق من سالب إلى موجب.

طفرة

في مخطط العلاقة بين الضغط ومعدل التدفق، يُعرف الخط الفاصل بين منطقتين - غير مستقرة ومستقرة - بخط التذبذب . ويتشكل هذا الخط بوصل نقاط التذبذب عند سرعات دوران مختلفة. التذبذب هو تدفق غير مستقر في الضواغط المحورية نتيجةً لانهيار التدفق المستقر تمامًا. ^{[ 2 ]} تؤثر هذه الظاهرة سلبًا على أداء الضاغط، وهي غير مرغوب فيها.  

من منظور تبادل الطاقة، تُعتبر الضواغط المحورية توربينات معكوسة. فعلى سبيل المثال، أدرك مصمم التوربينات البخارية تشارلز ألجيرنون بارسونز أن التوربين الذي يُنتج شغلاً بفضل الضغط الساكن للسائل (أي توربين رد الفعل) يُمكن عكس عمله ليعمل كضاغط هواء، وأطلق عليه اسم الضاغط التوربيني أو المضخة. كانت شفرات الدوار والثابت التي وصفها في إحدى براءات اختراعه ^{[ 7 ]} ذات انحناء طفيف أو معدوم، على الرغم من أن تصميم الشفرات في بعض الحالات كان قائماً على نظرية المروحة. ^{[ 8 ]} استُخدمت هذه الآلات، التي تُدار بواسطة التوربينات البخارية، لأغراض صناعية مثل تزويد أفران الصهر بالهواء. قدّم بارسونز أول ضاغط تدفق محوري تجاري للاستخدام في مصهر رصاص عام 1901. ^{[ 9 ]} كانت كفاءة آلات بارسونز منخفضة، وعُزيت لاحقاً إلى توقف الشفرات، وسرعان ما استُبدلت بضواغط طرد مركزي أكثر كفاءة. أنتجت شركة براون بوفيري وشركاه ضواغط "التوربينات المعكوسة"، التي تعمل بواسطة توربينات الغاز، بشفرات مستمدة من أبحاث الديناميكا الهوائية، والتي كانت أكثر كفاءة من الأنواع الطاردة المركزية عند ضخ معدلات تدفق كبيرة تبلغ 40000 قدم ^مكعب / دقيقة (19 متر ^مكعب / ثانية) عند ضغوط تصل إلى 45 رطل لكل بوصة مربعة (310 كيلو باسكال) . ^{[ 9 ]}    

نظرًا لعدم كفاءة ضواغط المحورية المبكرة، زعمت العديد من الأبحاث في أوائل عشرينيات القرن الماضي استحالة بناء محرك نفاث توربيني عملي ذي تدفق محوري. تغير الوضع بعد أن نشر أ. أ. غريفيث بحثًا رائدًا عام ١٩٢٦، مشيرًا إلى أن سبب ضعف الأداء يكمن في استخدام الضواغط الموجودة آنذاك لشفرات مسطحة، ما أدى إلى توقفها أثناء الطيران . وأظهر غريفيث أن استخدام الأجنحة الهوائية بدلًا من الشفرات المسطحة سيرفع الكفاءة إلى درجة تجعل بناء محرك نفاث عملي أمرًا ممكنًا. واختتم بحثه برسم تخطيطي أساسي لهذا المحرك، والذي تضمن توربينًا ثانيًا يُستخدم لتشغيل مروحة دافعة .

على الرغم من شهرة غريفيث بفضل أعماله السابقة في مجال إجهاد المعادن وقياس الإجهاد ، إلا أن القليل من الأبحاث انطلق كنتيجة مباشرة لبحثه. الجهد الواضح الوحيد كان عبارة عن ضاغط تجريبي بناه هاين كونستانت ، زميل غريفيث في المؤسسة الملكية للطائرات . أما الجهود المبكرة الأخرى في مجال الطائرات النفاثة، ولا سيما جهود فرانك ويتل وهانز فون أوهين ، فقد استندت إلى الضاغط الطارد المركزي الأكثر متانة والأكثر فهمًا ، والذي كان يُستخدم على نطاق واسع في الشواحن التوربينية . كان غريفيث قد اطلع على عمل ويتل عام ١٩٢٩ ورفضه، مشيرًا إلى خطأ رياضي، ثم ادعى أن الحجم الأمامي للمحرك سيجعله غير عملي في الطائرات عالية السرعة.

بدأ العمل الفعلي على محركات التدفق المحوري في أواخر ثلاثينيات القرن العشرين، ضمن عدة جهود انطلقت جميعها في نفس الوقت تقريبًا. في إنجلترا، توصلت شركة هاين كونستانت إلى اتفاق مع شركة توربينات البخار متروبوليتان-فيكرز (ميتروفيك) عام 1937، وبدأت جهودها في تطوير محرك توربيني مروحي استنادًا إلى تصميم غريفيث عام 1938. وفي عام 1940، وبعد النجاح الذي حققه تصميم ويتل للتدفق الطارد المركزي، أُعيد تصميم محركهم ليصبح محركًا نفاثًا بالكامل، وهو ميتروفيك إف.2 . في ألمانيا، أنتجت شركة فون أوهاين عدة محركات طاردة مركزية عاملة، حلّق بعضها في الجو، بما في ذلك أول طائرة نفاثة في العالم ( هي 178 )، لكن جهود التطوير انتقلت إلى شركتي يونكرز ( جومو 004 ) وبي إم دبليو ( بي إم دبليو 003 )، اللتين استخدمتا تصاميم التدفق المحوري في أول طائرة مقاتلة نفاثة في العالم ( ميسرشميت مي 262 ) وأول قاذفة قنابل نفاثة ( أرادو آر 234 ). في الولايات المتحدة، مُنحت كل من لوكهيد وجنرال إلكتريك عقودًا في عام 1941 لتطوير محركات التدفق المحوري، الأولى محرك نفاث بحت ، والثانية محرك توربيني مروحي. كما بدأت نورثروب مشروعها الخاص لتطوير محرك توربيني مروحي، والذي تعاقدت عليه البحرية الأمريكية في نهاية المطاف عام 1943. ودخلت ويستنجهاوس المنافسة أيضًا عام 1942، وكان مشروعها هو المشروع الأمريكي الوحيد الناجح، والذي أصبح فيما بعد محرك J30 .

كما أشار غريفيث في عام 1929، فإن الحجم الأمامي الكبير للضاغط الطارد المركزي تسبب في زيادة مقاومة الهواء مقارنةً بالضاغط المحوري الأضيق. إضافةً إلى ذلك، يمكن تحسين نسبة الضغط في التصميم المحوري ببساطة عن طريق إضافة مراحل إضافية وزيادة طول المحرك قليلاً. أما في التصميم الطارد المركزي، فكان لا بد من أن يكون قطر الضاغط أكبر، مما كان أكثر صعوبة في تركيبه بشكل صحيح في هيكل طائرة رقيق وانسيابي (مع أنه لا يختلف كثيراً عن تصميم المحركات الشعاعية الشائعة الاستخدام آنذاك). من ناحية أخرى، ظلت تصاميم الطارد المركزي أقل تعقيداً (وهو السبب الرئيسي لتفوقها في سباق إنتاج نماذج الطيران)، وبالتالي فهي مناسبة للاستخدام في التطبيقات التي لا يُعد فيها الحجم والانسيابية عاملين حاسمين.

في تطبيقات المحركات النفاثة، يواجه الضاغط ظروف تشغيل متنوعة. على الأرض، عند مستويات الطاقة العالية، يكون ضغط المدخل مرتفعًا، وسرعة المدخل صفرًا، ويدور الضاغط بسرعات مختلفة مع زيادة الطاقة. أما أثناء الطيران، فينخفض ​​ضغط المدخل، لكن سرعة المدخل تزداد (بسبب حركة الطائرة للأمام) لاستعادة جزء من هذا الضغط، ويميل الضاغط إلى العمل بسرعة ثابتة لفترات طويلة.

لا يوجد ببساطة ضاغط "مثالي" يناسب هذا النطاق الواسع من ظروف التشغيل. فالضواغط ذات الهندسة الثابتة، كتلك المستخدمة في محركات الطائرات النفاثة القديمة، تقتصر على نسبة ضغط تصميمية تبلغ حوالي 4:1 أو 5:1. وكما هو الحال في أي محرك حراري ، ترتبط كفاءة استهلاك الوقود ارتباطًا وثيقًا بنسبة الضغط ، لذا ثمة حاجة ماسة إلى تحسين مراحل الضاغط بما يتجاوز هذه النسب.

بالإضافة إلى ذلك، قد يتوقف الضاغط عن العمل إذا تغيرت ظروف المدخل فجأة، وهي مشكلة شائعة في المحركات القديمة. في بعض الحالات، إذا حدث التوقف بالقرب من مقدمة المحرك، فإن جميع مراحل الضاغط من تلك النقطة فصاعدًا ستتوقف عن ضغط الهواء. في هذه الحالة، تنخفض الطاقة اللازمة لتشغيل الضاغط فجأة، ويسمح الهواء الساخن المتبقي في مؤخرة المحرك للتوربين بتسريع المحرك بأكمله بشكل كبير. تُعرف هذه الحالة باسم "التذبذب"، وكانت مشكلة رئيسية في المحركات القديمة، وغالبًا ما تؤدي إلى كسر التوربين أو الضاغط وسقوط شفراته.

لهذه الأسباب جميعها، فإن الضواغط المحورية في محركات الطائرات النفاثة الحديثة أكثر تعقيدًا بكثير من تلك الموجودة في التصاميم السابقة.

بكرات

لكل ضاغط نقطة مثلى تربط بين سرعة الدوران والضغط، حيث تتطلب الضغوط العالية سرعات أعلى. صُممت المحركات الأولى ببساطة، واستخدمت ضاغطًا كبيرًا واحدًا يدور بسرعة ثابتة. أضافت التصاميم اللاحقة توربينًا ثانيًا وقسمت الضاغط إلى قسمين: قسم الضغط المنخفض وقسم الضغط العالي، حيث يدور الأخير بسرعة أكبر. أدى هذا التصميم ثنائي المحور ، الذي طُبق لأول مرة في طائرة بريستول أوليمبوس ، إلى زيادة الكفاءة. يمكن تحقيق المزيد من الزيادة في الكفاءة بإضافة محور ثالث، ولكن عمليًا، تزيد هذه التعقيدات الإضافية من تكاليف الصيانة إلى درجة تلغي أي فائدة اقتصادية. مع ذلك، هناك العديد من المحركات ثلاثية المحاور قيد الاستخدام، ولعل أشهرها محرك رولز رويس RB211 (وخليفته، رولز رويس ترينت )، المستخدم في مجموعة واسعة من الطائرات التجارية.

• الضاغط الطارد المركزي – فئة فرعية من الآلات التوربينية 
• مكونات المحركات النفاثة – وصف موجز للمكونات اللازمة للمحركات النفاثة 
• تصميم المروحة المحورية - مروحة تحفز تدفق الغاز بشكل موازٍ للمحور في الغالب 
• مضخة التدفق المحوري – نوع من المضخات يتكون من مروحة داخل أنبوب 
• مضخة توربينية – مضخة تعمل بواسطة توربين غازي 

• تريجر، إيروين إي. "تكنولوجيا محركات التوربينات الغازية للطائرات"، الطبعة الثالثة، شركة ماكجرو هيل للنشر، 1995، رقم ISBN 978-0-02-8018287
• هيل، فيليب وكارل بيترسون. "ميكانيكا وديناميكا حرارية الدفع"، الطبعة الثانية، برنتيس هول، 1991. ISBN 0-201-14659-2.
• كيربروك، جاك ل. "محركات الطائرات والتوربينات الغازية"، الطبعة الثانية، كامبريدج، ماساتشوستس: مطبعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، 1992. ISBN 0-262-11162-4.
• رانغوالا، عبد الله س. "ديناميكيات الآلات التوربينية: التصميم والتشغيل"، نيويورك: ماكجرو هيل: 2005. ISBN 0-07-145369-5.
• ويلسون، ديفيد جوردون، وثيودوسيوس كوراكيانيتيس. "تصميم الآلات التوربينية والتوربينات عالية الكفاءة"، الطبعة الثانية، برنتيس هول، 1998. ISBN 0-13-312000-7.