[تجهیزات دوار] - کمپرسور سانتریفوژ

[P O U R I A]

کمپرسورهای سانتریفوژ (centrifugal compressors) که گاهی کمپرسورهای شعاعی (radial compressors) نامیده می‌شوند، نوعی توربوماشین با تقارن محوری جذب‌کننده توان هستند.


یک کمپرسور سانتریفوژ با اضافه کردن انرژی جنبشی (سرعت) به یک جریان پیوسته سیال توسط روتور یا پروانه به افزایش فشار دست پیدا می‌کند؛ سپس با کاهش سرعت جریان در یک دیفیوزر (diffuser)، این انرژی جنبشی به افزایش انرژی پتانسیل (فشار استاتیک) تبدیل می‌شود. در بیش‌تر موارد، افزایش فشار در ایمپلر (impeller) با افزایش فشار در دیفیوزر برابر است.

 

[P O U R I A]

شباهت توربوماشین‌ها


آن‌چه در مورد توربوماشین‌ها قابل توجه است این است که اصول کاری آن‌ها تقریبا همگانی است. قطعا تفاوت بسیاری بین این دستگاه‌ها و بین انواع تحلیل‌هایی که معمولا برای موارد خاص استفاده شود، وجود دارد اما در واقع فیزیک پس زمینه دینامیک سیالات، دینامیک گاز، آیرودینامیک، هیدرودینامیک، و ترمودینامیک برای همه آن‌ها یکی است. تعدادی از این ماشین‌آلات دارای ویژگی‌های فیزیکی مشابه با کمپرسورهای سانتریفوژ هستند.

یک ایمپلر سانتریفوژ که برای افزایش راندمان پولیش شده​

 

[P O U R I A]

شباهت کمپرسور سانتریفوژ با کمپرسور محوری


کمپرسورهای سانتریفوژ از این نظر مشابه با کمپرسورهای محوری (axial compressors) هستند که هر دو کمپرسورهای با ایرفویل دوار هستند. این نباید عجیب باشد که بخش ابتدایی ایمپلر (impeller) سانتریفوژ بسیار شبیه به یک کمپرسور محوری به نظر برسد. بخش ابتدایی ایمپلر سانتریفوژ، ایندیوسر یا القاگر (inducer) نامیده می‌شود. کمپرسورهای سانتریفوژ از این نظر از کمپرسورهای محوری متفاوت هستند که تغییر بیش‌تری در شعاع جریان از ورودی به خروجی روتور/ایمپلر ایجاد می‌کنند.

کمپرسور چند مرحله‌ای محوری​

برش یک توربین گاز نشان دهنده یک کمپرسور ترکیبی محوری و سانتریفوژ​

 

[P O U R I A]

شباهت کمپرسور سانتریفوژ با فن سانتریفوژ

کمپرسورهای سانتریفوژ همچنین شبیه به فن‌های سانتریفوژ (centrifugal fans) هستند و هر دو انرژی جریان را از طریق افزایش شعاع افزایش می‌دهند. در مقابل فن‌های سانتریفوژ، کمپرسورها در سرعت‌های بالاتر کار می‌کنند تا افزایش فشار بیش‌تری تولید کنند. در بسیاری از موارد، روش‌های مهندسی استفاده شده برای طراحی یک فن سانتریفوژ همانند طراحی یک کمپرسور سانتریفوژ است. در نتیجه این دو گاهی می‌توانند بسیار مشابه باشند.
این رابطه در مقایسه با فن‌های قفس سنجابی (squirrel-cage fans) کم‌تر درست است.

به عنوان یک دسته‌بندی کلی می‌توان گفت که کمپرسورهای سانتریفوژ اغلب دارای بیش‌تر از 5 درصد افزایش دانسیته هستند. همچنین آن‌ها هنگامی که سیال هوا یا نیتروژن باشد، اغلب دارای سرعت سیال بالای عدد ماخ 0.3 هستند. در مقابل، فن‌ها و دمنده‌ها اغلب دارای افزایش دانسیته کم‌تر از پنج درصد و بیشینه سرعت سیال زیر 0.3 ماخ در نظر گرفته می‌شوند.

 

[P O U R I A]

شباهت کمپرسور سانتریفوژ با پمپ سانتریفوژ

کمپرسورهای سانتریفوژ نیز شبیه به پمپ‌های سانتریفوژ (centrifugal pumps) هستند. تفاوت کلیدی بین این کمپرسورها و پمپ‌ها این است که سیال عامل کمپرسور، گاز (تراکم‌پذیر) و سیال پمپ، مایع (تراکم‌ناپذیر) است. روش‌های مهندسی مورد استفاده برای طراحی پمپ سانتریفوژ همانند طراحی یک کمپرسور سانتریفوژ می‌باشند. با این حال یک تفاوت مهم وجود دارد: نیاز به مقابله با کاویتاسیون (cavitation) در پمپ‌ها.

 

[P O U R I A]

شباهت کمپرسور سانتریفوژ با توربین شعاعی


کمپرسورهای سانتریفوژ همچنین بسیار شبیه به همتای توربوماشین خود، توربین جریان شعاعی (radial-inflow turbine) هستند. در حالی که یک کمپرسور برای بالا بردن فشار، انرژی را به یک جریان انتقال می‌دهد، یک توربین در جهت معکوس و به وسیله استخراج انرژی از جریان و در نتیجه کاهش فشار آن کار می‌کند. به عبارت دیگر، توان به کمپرسور وارد و از توربین خارج می‌گردد.

 

[P O U R I A]

توربوماشین‌های استفاده کننده از کمپرسورهای سانتریفوژ


برخی از ماشین‌هایی که ممکن است از یک یا چند کمپرسور سانتریفوژ استفاده کنند در اینجا ذکر شده است.

• یونیت توان کمکی (auxiliary power unit)
• سوپر شارژرهای سانتریفوژ (centrifugal type supercharger)
• توربین گاز (gas turbine)
• توربوشارژر (turbocharger)
• توربوپراپ (turboprop)
• توربوشافت (turboshaft)

کمپرسور سانتریفوژ در یک موتور جت​

کمپرسور سانتریفوژ در یک موتور جت​

 

[P O U R I A]

اجزای یک کمپرسور سانتریفوژ ساده

یک کمپرسور سانتریفوژ ساده دارای چهار بخش است:

1. ورودی (inlet)
2. پروانه (impeller)/روتور (rotor)
3. دیفیوزر (diffuser)
4. کلکتور (collector).

جریان گاز به صورت محوری وارد ایمپلر سانتریفوژ می‌شود و در نتیجه چرخش پروانه، جریان از مخروط خروجی حلزونی (volute) عبور و از کمپرسور خارج می‌شود.


ورودی

ورودی به یک کمپرسور سانتریفوژ معمولا یک لوله ساده است و ممکن است شامل قطعاتی همچون ولو (valve)، تیغه‌ها/ایرفویل‌های ثابت (مورد استفاده برای کمک به چرخش جریان) و ابزار اندازه‌گیری فشار و دما شود. تمام این دستگاه‌های اضافی کاربردهای مهمی در کنترل کمپرسور سانتریفوژ دارند.


ایمپلر سانتریفوژ

بخش کلیدی که یک کمپرسور سانتریفوژ را می‌سازد، ایمپلر (impeller) سانتریفوژ است. چرخش مجموعه‌ای از پره‌ها یا تیغه‌های پروانه است که باعث می‌شود به تدریج انرژی گاز افزایش یابد. این اتفاق با کمپرسور محوری (axial compressor) یکسان است، با این تفاوت که در کمپرسور سانتریفوژ گازها به وسیله افزایش شعاع پروانه به سرعت‌ها و سطح انرژی بالاتری می‌رسند. در بسیاری از کمپرسورهای سانتریفوژ مدرن با راندمان بالا، گاز خروجی از پروانه در نزدیکی سرعت صوت حرکت می‌کند.



ایمپلرها دارای اشکال مختلفی هستند:

• ایمپلرهای باز (open Impellers) با پره‌های قابل مشاهده
• ایمپلرهای پوشیده (covered Impellers) یا ایمپلرهای شراد دار (shrouded Impellers)
• ایمپلرهای دارای اسپلیتر (splitter) و بدون اسپلیتر که تمام پره‌ها کامل یا ایندیوسر (inducer) هستند

بیش‌تر ایمپلرهای مدرن با راندمان بالا از پره‌های رو به عقب استفاده می‌کنند.

اسپلیتر و ایندیوسر در ایمپلرها​

دیفیوزر


بخش کلیدی بعدی یک کمپرسور سانتریفوژ ساده، دیفیوزر (diffuser) است که در مسیر جریان پایین دست پروانه قرار دارد. وظیفه دیفیوزر تبدیل انرژی جنبشی (سرعت بالا) گاز به فشار است که با کاهش تدریجی سرعت (انتشار) گاز انجام می‌شود. دیفیوزرها می‌توانند بدون پره، پره‌دار و یا به صورت ترکیب یک در میان باشند. نسخه‌های هایبریدی دیفیوزرهای پره‌دار عبارت‌اند از

• دیفیوزرهای باله‌ای (wedge diffusers)
• دیفیوزرهای کانالی (channel diffusers)
• دیفیوزر‌های لوله‌ای (pipe diffusers).

پره‌های ایمپلر و دیفیوزر​

توربوشارژرهایی (turbochargers) وجود دارند که از هیچ دیفیوزری استفاده نمی‌کنند.

کلکتور
کلکتور (collector) یک کمپرسور سانتریفوژ می‌تواند دارای اشکال و فرم‌های مختلفی باشد. زمانی که دیفیوزر به یک محفظه بزرگ خالی تخلیه می‌شود، ممکن است کلکتور به نام پلنیوم (Plenum) خوانده شود. زمانی که دیفیوزر به قطعه‌ای شبیه به حلزون یا شاخ گاو تخلیه می‌شود، به کلکتور حلزونی (volute) یا اسکرال (scroll) گفته می‌شود. هدف از کلکتور جمع‌آوری جریان از خروجی دیفیوزر و تحویل این جریان به یک لوله پایین‌دست است. کلکتور و لوله هر کدام می‌توانند دارای ولو (valves) و ابزار دقیق کنترل کمپرسور باشند.



برش یک توربوشارژر سانتریفوژ که کمپرسور سانتریفوژ به رنگ آبی در سمت راست و توربین به رنگ قرمز در سمت چپ مشخص هستند