كيفية استهلاك الوقود في ضواغط الطرد المركزي في الطائرات

تعمل وظائف الضاغط على زيادة ضغط الهواء لتوفير الظروف الملائمة لاحتراق وتمدد الغازات الساخنة عبر التوربين، ومع ذلك بدون ضاغط لا يمكن للمحرك أن يطور قوة دفع ثابتة، والمحركات التي لا تستخدم ضواغط أو توربينات تسمى محركات نفاث، كما يجب أن تعتمد هذه الأجهزة على ضغط الهواء من المدخل وحده، ولا يمكن بدء تشغيلها حتى تصل إلى سرعات ترانسونيك.

أساسيات استهلاك الوقود في ضواغط الطرد المركزي

يمكن استخدام المحرك الذي يعمل بضاغط في نطاق واسع من الظروف، كما يتم قياس كفاءة الضاغط من حيث فقد الطاقة وبسبب الاحتكاك وفصل التدفق الذي يحدث أثناء عملية ضغط الهواء، وتنقسم الضواغط إلى فئتين رئيسيتين، والنوع الأول من الضاغط هو ضاغط الطرد المركزي أو الضاغط الحلقي، بحيث يتم تسريع التدفق عن طريق دفعها للخارج، وهذا يؤدي إلى زيادة الضغط وتباطؤ التدفق، عندما يلتقي التدفق بالناشرات التي تدق المروحة.

تتمثل مزايا ضاغط الطرد المركزي في سهولة تصميمه وتصنيعه ويمكنه في كثير من الأحيان زيادة الضغط بما يكفي للاحتراق الفعال بمرحلة واحدة فقط، ومع ذلك فإنّ تدفق الهواء لضاغط الطرد المركزي أقل بكثير من تدفق الهواء المحوري ونسبة ضغطه أقل بشكل عام، ممّا يعني أنه أقل فاعلية في خلق قوة دفع وأقل كفاءة في استهلاك الوقود.

وبالتالي غالباً ما يُرى في المحركات الصغيرة، حيث تفوق مزايا الشركة المصنعة على عيوب الأداء وفي محركات العمود، حيث يكون الدفع أقل إثارة للقلق وفي التطبيقات الصناعية، حيث لا يمثل الدفع أي قلق على الإطلاق، والنوع الآخر من الضاغط هو ضاغط التدفق المحوري، وفي حين أنّ الضواغط المحورية يمكن أن تستوعب تدفق هواء أكبر من تصميم الطرد المركزي من نفس الحجم، فإنّ مرحلة الدوار أو الجزء الثابت عمومًا لا توفر ضغطًا كافيًا لمعظم التطبيقات.

لهذا السبب يتم استخدام الأجهزة متعددة المراحل بشكل عام، كما يمكن للمحركات الحديثة أن تستخدم 10-15 مرحلة من مراحل الضاغط، وتتمثل مزايا الضاغط المحوري في معدل تدفق أعلى ونسبة ضغط أعلى، ممّا يؤدي إلى زيادة قوة الدفع وكفاءة استهلاك الوقود، وهذا يجعلها أكثر ملاءمة للتطبيقات، حيث يكون دفع المحرك نفسه هو القوة الدافعة للطائرة.

كيفية استهلاك الوقود في ضواغط الطرد المركزي

يحتوي دوار الطرد المركزي على مجموعة محيطية من شفرات تدفق الطرد المركزي الممتدة شعاعيًا بين محور تدفق الطرد المركزي وغطاء تدفق الطرد المركزي المرتبط، كما تحتوي القناة الوسيطة على جدار مجرى داخلي.

على الرغم من أنّ الضواغط ذات التدفق المختلط أو التدفق القطري معروفة جيدًا لأولئك المهرة في فن تصميم محرك التوربينات الغازية، إلّا أنّ الاعتماد التجاري لضواغط التدفق المختلط ولا سيما في محركات الطائرات كان محدودًا، كما تستخدم معظم محركات الطائرات حتى الآن ضواغط التدفق المحوري أو ضواغط الطرد المركزي أو كليهما.

تكوين وتصميم ضواغط التدفق المحوري

يعتبر تكوين وتصميم ضواغط التدفق المحوري وضاغطات التدفق بالطرد المركزي معروفة جيدًا في المجال، كما يتم إنشاء محركات توربينات الغاز ذات القطر الكبير بشكل عام بمراحل محورية متعددة، ويتم ترتيبها بشكل عام في اتجاه مجرى مروحة السحب والقناة الجانبية.

من المفهوم أنّ هذه الضواغط المحورية متعددة المراحل هي آلات كبيرة ومعقدة، بحيث يمكن تبريرها لكفاءتها العالية في إنشاءات المحرك عالية الدفع، ويتم إنشاء المحركات الأصغر في بعض الأحيان بضاغط طرد مركزي كمرحلة ضغط مرتفع طرفي، مع سلسلة من مراحل الضغط المنخفض المحوري في اتجاه المنبع، ويزيد دوار الطرد المركزي جنباً إلى جنب مع قنوات الناشر المحيطة.

ومع ذلك وخاصة في تصميمات المحركات الأصغر يوفر ضاغط الطرد المركزي كفاءة عالية ويقلل من الطول المحوري للمحرك على حساب زيادة البعد الشعاعي، كما يشتمل الهيكل الثالث للضاغط المشترك على اثنين من ضاغطات الطرد المركزي، ومع ذلك فإنّ الاستخدام التجاري لتصميم الضاغط محدود للغاية.

خصائص استهلاك الوقود في ضواغط الطرد المركزي

مجرى الهواء

إنّ عمل مجرى الهواء المطلوب لنقل الهواء المضغوط من ضاغط الطرد المركزي للمرحلة الأولى إلى المرحلة الثانية من ضاغط الطرد المركزي معقد للغاية ويصعب تصنيعه وتجميعه بدقة، كما تعرض مراحل الطرد المركزي المتعددة المحرك لوزن كبير وعقوبة سحب الهواء بقطر متزايد بشكل مانع، مما أدى إلى زيادة حجم غلاف المحرك وفقدان كفاءة الضاغط، ومن خلال الأنابيب المعقدة المطلوبة بين المرحلتين الأولى والثانية كان لا بد من الحد بشدة من استخدام ضاغط الطرد المركزي ذي المرحلتين.

التركيبة الشائعة

إنّ التركيبة الشائعة لضاغط الطرد المركزي مع مرحلة الضغط المنخفض المحوري تعاني من العديد من العيوب التي يقبلها المصممون بشكل عام على أنها حتمية، كما يتم تحديد قطر غلاف المحرك بواسطة ضاغط الطرد المركزي والناشر المحيط، وغالبًا ما يتم إنشاء الضاغط المحوري من دورين محوريين أو أكثر مع تجميعات ريش الجزء الثابت بين كل مرحلة محورية.

ونتيجة لذلك فإنّ عدد الشفرات والدوارات يزيد بشكل كبير من تكلفة المحرك والتعقيد الميكانيكي، ولذلك وعلى الرغم من أن تصميم وبناء الضواغط المحورية معروفان جيدًا، إلّا أنّ الزيادات في تكاليف المواد والقلق بشأن التكلفة العالية لتصميم هذه الضواغط، أدى إلى الرغبة في تصميم ضاغط أقل تعقيدًا وفعالية من الناحية الاقتصادية.

بشكل عام كلما قل عدد مراحل الدوار ومراحل الجزء الثابت المطلوبة في الضاغط كان ذلك أفضل، كما تعمل المراحل المتعددة والهندسة المعقدة للغاية على زيادة تكاليف الضواغط بشكل كبير، لكن لم تكن التجارب في اعتماد التدفق المائل أو شفرات ضاغط التدفق المختلط حاسمة، ولا يتوفر محرك توربيني غازي للإنتاج مزود بضاغط تدفق مختلط على الرغم من أن النتائج التجريبية موثقة جيدًا.

التدفق المختلط

يُعرف التدفق المختلط أيضاً باسم التدفق القطري، حيث تم التعرف على مراحل الضاغط في الفن السابق على أنّها توفر مزايا على كل من ضواغط التدفق المحوري وضاغطات التدفق المركز، وعلى سبيل المثال يتميز ضاغط التدفق المختلط بتصميم أكثر صلابة، وهو متفوق في مقاومة تلف الأجسام الغريبة لضاغط التدفق المحوري، كما أنّ طول الشفرات يتيح للمصممين زيادة عرض الشفرة بشكل كبير لتقوية شفرات التدفق المختلط مقارنةً بشفرات التدفق المحوري.

بالإضافة إلى ذلك، فإنّ فوائد السرعة الجزئية لضاغط التدفق المختلط مع تغيير كبير في نصف القطر يقلل من الإجهاد ويزيد من عمر الجزء والحمل عند مقارنته بدوار ضاغط طرد مركزي بقطر كبير، كما يتم تبسيط تصنيع الجزء الدوار لضاغط التدفق المختلط إلى حد ما بالمقارنة مع ضاغط الطرد المركزي وتقليل الزيادة في القطر بشكل كبير.