ضواغط التدفق المحوري في محركات توربينات الغاز

يتكون ضاغط التدفق المحوري في محركات توربينات الغاز من عنصرين رئيسيين، هُما العنصر الدوار والجزء الثابت، حيث يحتوي العنصر الدوار على شفرات مثبتة على مغزل، كما تدفع هذه الشفرات الهواء للخلف بنفس طريقة المروحة بسبب الزاوية ومحيط الجنيح، والعنصر الذي يدور بسرعة عالية يأخذ الهواء عند مدخل الضاغط ويدفعه خلال سلسلة من المراحل من مدخل إلى مخرج، حيث يتدفق الهواء على طول مسار محوري ويتم ضغطه بنسبة (1.25: 1) تقريبًا لكل مرحلة.

كيفية عمل ضاغط التدفق المحوري

يزيد عمل العنصر الدوار من ضغط الهواء في كل مرحلة ويسرعه للخلف خلال عدة مراحل، وبهذه السرعة المتزايدة تنتقل الطاقة من الضاغط إلى الهواء على شكل طاقة سرعة، وتعمل شفرات الجزء الثابت كناشر في كل مرحلة، ممّا يؤدي جزئياً إلى تحويل السرعة العالية إلى ضغط، بحيث يشكل كل زوج متتالي من الشفرات الدوارة والجزء الثابت مرحلة ضغط، ويتم تحديد عدد صفوف الشفرات؛ أي المراحل بكمية الهواء والضغط الكلي المطلوب للارتفاع، بحيث تزداد نسبة ضغط الضاغط مع عدد مراحل الضغط وتستخدم معظم المحركات ما يصل إلى (16 مرحلة) وأكثر.

تتمثل وظيفة دوارات الجزء الثابت في استقبال الهواء من مجرى دخول الهواء أو من كل مرحلة سابقة وزيادة ضغط الهواء ونقله إلى المرحلة التالية بالسرعة والضغط الصحيحين، كما أنّها تتحكم في اتجاه الهواء لكل مرحلة من مراحل الدوار للحصول على أقصى كفاءة ممكنة لشفرة الضاغط، كما يمكن أن يسبق المرحلة الأولى من الشفرات الدوارة مجموعة من الريش والتي تعمل على توجيه المدخل التي يمكن أن تكون ثابتة أو متغيرة.

تقوم دوارات التوجيه بتوجيه تدفق الهواء إلى شفرات الجزء الدوار للمرحلة الأولى بالزاوية المناسبة وتحويل حركة دوامة إلى الهواء الداخل إلى الضاغط، بحيث تعمل هذه الدورة المسبقة في اتجاه دوران المحرك على تحسين الخصائص الديناميكية الهوائية للضاغط، عن طريق تقليل السحب على شفرات المرحلة الأولى من العنصر الدوار، كما أن دوارات توجيه المدخل هي عبارة عن دوارات فولاذية منحنية ملحومة عادةً بأغطية فولاذية داخلية وخارجية.

تطور عمل ضاغط التدفق المحوري

في نهاية التفريغ للضاغط يتم إنشاء دوارات الجزء الثابت لتقويم تدفق الهواء للقضاء على الاضطراب، بحيث تسمى هذه بريش التسوية أو مجموعة ريشة المخرج، كما أنّ أغلفة ضواغط التدفق المحوري لا تدعم فقط دوارات الجزء الثابت وتوفر الجدار الخارجي للمسار المحوري الذي يتبعه الهواء، ولكنّها توفر أيضًا وسائل لاستخراج هواء الضاغط لأغراض مختلفة، وعادة ما تكون دوارات الجزء الثابت مصنوعة من الفولاذ بخصائص مقاومة للتآكل.

في كثير من الأحيان يتم تغطيتها بشريط من مادة مناسبة لتبسيط مشكلة التثبيت، كما يتم لحام الريش في الكفوف، ويتم تثبيت الغطاء الخارجي بالجدار الداخلي لمبيت الضاغط بواسطة براغي تثبيت نصف قطرية، وعادة ما تكون الشفرات الدوارة مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ والمراحل الأخيرة مصنوعة من التيتانيوم.

تصميم ضاغط التدفق المحوري

يختلف تصميم مرفق الشفرة بحواف القرص الدوار، ولكن يتم تركيبها بشكل عام في الأقراص إمّا من خلال طرق من نوع اللمبة، بحيث تُثبَّت الشفرات في مكانها بطرق مختلفة، ويتم تقليل سمك أطراف شفرات الضاغط عن طريق القواطع والتي يشار إليها باسم ملامح الشفرة، كما تمنع هذه الملامح حدوث تلف خطير للشفرة أو الغلاف في حالة ملامسة الشفرات لمبيت الضاغط، ويمكن أن تحدث هذه الحالة إذا أصبحت ريشة العنصر الدوار مفكوكة بشكل مفرط أو إذا تم تقليل دعم الدوار بواسطة محمل معطل.

على الرغم من أنّ أشكال الشفرة تقلل إلى حد كبير من هذه الاحتمالات، فقد تنكسر الشفرة أحياناً تحت ضغط الاحتكاك وتسبب ضرراً كبيراً لشفرات الضاغط ومجموعات ريشة الجزء الثابت، بحيث تتنوع الشفرات في الطول من دخول إلى تفريغ؛ لأنّ مساحة العمل الحلقيّة أي الأسطوانة إلى الغلاف تتقلص تدريجيًا نحو الخلف من خلال انخفاض قطر الغلاف، كما توفر هذه الميزة سرعة ثابتة إلى حد ما عبر الضاغط، ممّا يساعد على الحفاظ على تدفق الهواء ثابتًا.

خصائص ضاغط التدفق المحوري

يتميز العنصر الدوار ببناء من نوع الأسطوانة أو نوع القرص، ويتكون من نوع الأسطوانة من حلقات ذات حواف لتلائم إحداها مع الأخرى، حيث يمكن بعد ذلك تجميع المجموعة بأكملها معًا من خلال البراغي، وهذا النوع من البناء مناسب للضواغط منخفضة السرعة، حيث تكون ضغوط الطرد المركزي منخفضة، ويتكون العنصر الدوار من نوع القرص من سلسلة من الأقراص المُشكلة من مطروقات الألمنيوم، ومنكمشة فوق عمود فولاذي مع شفرات دوارة متداخلة في حواف القرص.

هناك طريقة أخرى لبناء العضو الدوار، وهي تشغيل الأقراص والعمود من تشكيل الألمنيوم الفردي، ثم تثبيت أعمدة كعب الصلب في الجزء الأمامي والخلفي من التجميع؛ لتوفير أسطح دعم المحمل وشرائح للانضمام إلى عمود التوربين، ويتم توضيح الدوارات من نوع الأسطوانة والجمع بين مراحل الضاغط ومراحل التوربين على عمود مشترك، وهو محرك يشار إليه باسم بكرة المحرك، ويتم توفير العمود المشترك من خلال ربط أعمدة التوربين والضاغط بطريقة مناسبة، ويتم دعم بكرة المحرك بواسطة محامل مثبتة في حاويات محمل مناسبة.

تعمل فوهة الوقود التي تمتد إلى كل بطانة احتراق على تفتيت الوقود للاحتراق، يتم التحكم في هذه المتغيرات في علاقة مباشرة بكمية الطاقة التي يحتاجها المحرك لإنتاجها بواسطة موضع ذراع الطاقة، كما أن معظم المحركات المروحية هي من نوع ضاغط التخزين المؤقت المنفصل.

كما تستخدم معظم المحركات التوربينية الكبيرة مروحة كبيرة مع بضع مراحل من الضغط تسمى بكرة الضغط المنخفض، وتشتمل هذه المحركات التوربينية على ضاغطين مع التوربينات الخاصة بهما وأعمدة الربط، والتي تشكل نظامين دوارين مستقلين مادياً، وتحتوي العديد من أنظمة الدوار المزدوج على دوارات تدور في اتجاهين متعاكسين وبدون اتصال ميكانيكي ببعضها البعض، والبكرة الثانية التي يشار إليها باسم بكرة الضغط العالي، وهي ضاغط لمولد الغاز ولب المحرك وتزود الهواء إلى قسم الاحتراق بالمحرك.

أنواع تكوينات الضاغط المحوري

هناك نوعان من التكوينات للضاغط المحوري قيد الاستخدام حالياً هُما العنصر الدوار الفردي والبكرة المزدوجة، والتي يشار إليها أحيانًا باسم التخزين المؤقت الصلب والبكرة المنقسمة كملفان وبكرة مزدوجة، كما يستخدم إصدار واحد من ضاغط التخزين المؤقت الصلب دوارات توجيه متغيرة للمدخل والصفوف القليلة الأولى من دوارات الجزء الثابت متغيرة، ويتمثل الاختلاف الرئيسي بين ريشة دليل المدخل المتغير (VIGV) وريشة الجزء الثابت المتغير (VSV) في موضعهما بالنسبة إلى ريش الدوار.

يتم وضع (VIGV) أمام ريش الدوار و(VSV) خلف ريشة العنصر الدوار، ويمكن أن تكون زوايا دوارات توجيه المدخل والمراحل العديدة الأولى من دوارات الجزء الثابت متغيرة، وأثناء التشغيل يدخل الهواء إلى مقدمة المحرك، ويتم توجيهه إلى الضاغط بالزاوية المناسبة عن طريق دليل المدخل المتغير، ويتم توجيهه بواسطة (VSV)، ويتم ضغط الهواء ودفعه إلى قسم الاحتراق.