خصائص ضاغط الطرد المركزي في محركات التوربينات الغازية

إنّ أحد القيود المهمة على ضاغط دودج ذو التدفق المختلط هو الأهداف المعلنة التي تؤدي حتماً إلى سرعات تدفق الهواء عبر الصوت أو الأسرع من الصوت في الضاغط، كما تحدد معلمات التصميم غلاف المحرك ليكون قابلاً للمقارنة مع ضاغط التدفق المحوري، بينما هدف التصميم هو تحقيق نسبة الضغط الثابت والتكلفة ومقاومة المدخل لتلف الأجسام الغريبة لضاغط الطرد المركزي.

خصائص عمل ضاغط الطرد المركزي

تحتوي مرحلة التدفق المختلط على دوار مختلط قابل للدوران حول محور الضاغط المركزي مع مجموعة محيطية من شفرات التدفق المختلط بين محور التدفق المختلط وغلاف التدفق المختلط المصاحب، كما تحتوي مرحلة الطرد المركزي في اتجاه المصب على دوار طرد مركزي قابل للدوران حول نفس محور الضاغط، ولكن ليس بالضرورة على نفس العمود، ويحتوي دوار الطرد المركزي على مجموعة محيطية من شفرات تدفق الطرد المركزي الممتدة شعاعيًا بين محور التدفق الطرد المركزي وكفن تدفق الطرد المركزي المرتبط.

تحتوي القناة الوسيطة على جدار مجرى داخلي يحدد سطحًا انتقاليًا منحنيًا محوريًا للثورة بين طرف مخرج لمحور التدفق المختلط ونهاية مدخل محور تدفق الطرد المركزي، وجدار مجرى خارجي يحدد سطحًا انتقاليًا منحنيًا محوريًا للثورة بين مخرج لغطاء التدفق المختلط ونهاية مدخل كفن التدفق المركزي، كما يكون للقناة الوسيطة نصف قطر مدخل متوسط ​​أكبر من نصف قطر مخرج القناة الوسيطة، حيث يتم توجيه تدفق الهواء من الدوار المختلط شعاعيًا داخليًا ومحوريًا إلى الخلف باتجاه دوار الطرد المركزي.

كما يتميز ترتيب الضاغط بالعديد من المزايا مقارنة بالضواغط، وتتمثل الميزة في استبدال العديد من مراحل الضاغط المحوري بمرحلة تدفق مختلط واحدة، ويتم تحقيق وفورات كبيرة في تقليل تكاليف التصنيع والصيانة، وكذلك تقليل البعد المحوري للمحرك، ويتميز ضاغط التدفق المختلط دون الصوتي بميزة كونه أكثر كفاءة من مرحلة الضاغط الأسرع من الصوت.

كما إنّ إمكانية تصميم الشفرة القوية لضاغط التدفق المختلط يقلل من تكاليف المواد والتصنيع على عدة مراحل محورية، وهو يقلل من الإجهاد ويزيد من عمر القطعة مقارنة بدوار ضاغط الطرد المركزي، وعندما يكون استخدام مرحلتين من ضاغط الطرد المركزي أمرًا غير عملي وغير فعال بسبب عمل مجرى الهواء المعقد وفقد التدفق في القنوات فإنّ استخدام مرحلة ضاغط التدفق المختلط قبل مرحلة ضاغط الطرد المركزي يلغي عمل مجرى الهواء المعقد مع الحفاظ على ميزة العمل الإضافي في توفير شعاعي تدفق الهواء.

والقناة الوسيطة بين التدفق المختلط للمرحلة الأولى وتدفق الطرد المركزي للمرحلة الثانية تمكن المصمم من تقليل قطر مدخل مرحلة الطرد المركزي، ونتيجة لإعادة توجيه تدفق الهواء شعاعيًا إلى الداخل أثناء الانتشار وتقليل الدوامة، فإنه يمكن تقليل قطر دافع الطرد المركزي، وبالتالي تقليل الضغوط في مادة المكره، وقد تتضمن القناة المتداخلة صفًا واحدًا من ريش الجزء الثابت، وبالتالي تقليل التعقيد وتكاليف التصنيع، ولكن لا يقتصر نطاق الاختراع بالضرورة على صف واحد من الأجزاء الساكنة.

كيفية عمل ضاغط الطرد المركزي في المحركات التوربينات الغازية

يحتوي دوار التدفق المختلط على مجموعة محيطية من شفرات التدفق المختلط الممتدة بين المحور لدوار التدفق المختلط وغطاء التدفق المختلط المحيط به، كما تحتوي مرحلة التدفق المختلط على نسبة ضغط متزايدة مقارنة بمرحلة محورية واحدة، كما هو معترف به من قبل في الديناميكا الهوائية بسبب المكون الشعاعي لتدفق الهواء وشفرات التدفق المختلط الطويلة نسبيًا.

ومن وجهة نظر ميكانيكية، فإنّ الطول لشفرات التدفق المختلط يسمح للشفرات بعرض كبير؛ نظراً لطول الجنيح الأمثل والعرض متناسبان، ممّا ينتج عنه شفرات شديدة الصلابة وتوفر مقاومة فائقة لتلف الأجسام المتطايرة، بالإضافة إلى عمر أطول للشفرة ومحمل مقارنة بالشفرات المحورية وإجهاد أقل للشفرة نظرًا لفوائد سرعة الجزء مقارنة بدوارات ضاغط الطرد المركزي.

إن استبدال المراحل المحورية المتعددة بما في ذلك الدوارات والساكن بمرحلة تدفق مختلط له فائدة اقتصادية واضحة في تقليل تكاليف التصنيع والتجميع والصيانة، ولمجرد وجود عدد أقل بكثير من الأجزاء للتعامل معها، ويمكن تقليل الوزن الكلي للضاغط اعتمادًا على التصميم المحدد لمرحلة التدفق المختلط والقناة مقارنة ببدائل التدفق المحوري.

الميزة الأكثر دقة لمرحلة التدفق المختلط هي المقاومة المتزايدة لتلف الجسم المتطاير في قلب المحرك وشفرات الضاغط؛ بسبب المسافة الممتدة بين فاصل التدفق الالتفافي والحافة الأمامية للمركبة، حيث إن أول شفرات مرحلة الضاغط تكون مدمجة مع هيكل ريشة التدفق المختلط ذات العرض الكبير والممتد.

تطور عمل ضواغط الطرد المركزي

تتطلب دوارات التدفق المختلط نظراً لطول الشفرة ومكون تدفق الهواء الشعاعي سرعة دوران أقل بكثير مقارنة بدوار التدفق المحوري؛ وذلك لتحقيق نفس نسبة الضغط، كما تؤدي مزايا سرعة الجزء هذه إلى إطالة عمر التحمل وتقليل إجهاد المواد، ممّا يؤدي إلى إطالة عمر الشفرة وتقليل التآكل من الجسيمات الدقيقة المحمولة في الهواء، مثل الرمل المبتلع في محركات طائرات الهليكوبتر.

وعلى عكس ضواغط التدفق المختلط، تقتصر مرحلة التدفق المختلط للاختراع عن قصد على سرعات تدفق الهواء دون سرعة الصوت عند الخروج من دوار التدفق المختلط، كما تفرض التصميمات القائمة على سرعات تدفق الهواء فوق الصوتية عقوبات صارمة على الكفاءة، بسبب فقد الصدمات وزيادة المتطلبات الهيكلية على المحرك، ومن المحتمل أن تكون عيوب الفن السابق هي أسباب عدم تقدم ضواغط التدفق المختلط من المرحلة التجريبية إلى مرحلة محرك الإنتاج.

كما يتطلب اعتماد مرحلة ضاغط التدفق المختلط ذات الكفاءة العملية للاستخدام غير العسكري؛ أي مع الوقود القابل للتطبيق تجارياً ومتطلبات الاقتصاد والصيانة، الحفاظ على سرعات تدفق الهواء دون سرعة الصوت؛ وذلك لتجنب خسائر الصدمات العالية المرتبطة بالضاغطات الأسرع من الصوت، ووفقاً لذلك تحدد السرعة المطلقة لمخرج الغاز لمرحلة التدفق المختلط إلى ما بين (0.75 Mach) و(0.99 Mach).

ومع ذلك، فإنّ أساسيات التصميم الأساسية هي تحقيق أعلى نسبة ضغط ممكنة؛ لأنّ مرحلة التدفق المختلط هي عمومًا المرحلة النهائية، والتي تحل محل مرحلة الطرد المركزي مع غلاف المحرك ذو نصف القطر المنخفض والوزن وتحويل تدفق الهواء، أو تعمل كبديل عن أكبر عدد ممكن من مراحل التدفق المحوري المتعددة في ضاغط التدفق المحوري بالكامل ومع انخفاض طول المحرك والوزن والتعقيد الميكانيكي.

إنّ السعي لتحقيق أقصى نسبة ضغط قد يفرض حتمًا سرعات تدفق الهواء الأسرع من الصوت للفن، كما أعاقت الاستجابة بشكل كبير التبني التجاري لمراحل التدفق المختلط، وفي المقابل فهو يحد من مرحلة ضاغط التدفق المختلط إلى سرعات تدفق الهواء دون سرعة الصوت عند مخرج الدوار، وذلك لتحقيق كفاءة قابلة للحياة ولكن بتكلفة نسبة ضغط أقل بشكل ملحوظ، ومع ذلك فإنّ الجمع بين مرحلة التدفق المختلط ومرحلة الطرد المركزي الطرفي، يوفر نسبة ضغط مجمعة قابلة للتطبيق دون عقوبات الكفاءة لسرعات تدفق الهواء الأسرع من الصوت.

شاهد أيضاً

أنواع الصمامات على الطائرة

تظهر الصمامات على الطائرة باستخدامات مختلفة، حيث إنها تتحكم بمرور الهواء والسوائل، بالإضافة لمرور الوقود …