کمپرسور محوری چیست؟ نحوه عملکرد، اجزا و کاربردهای آن

کمپرسور محوری نوعی کمپرسور دینامیکی است که در آن سیال هوا به صورت موازی با محور چرخش شفت حرکت می‌ کند و با عبور پیاپی از میان ردیف‌ های پره‌ های متحرک و ثابت به تدریج فشرده می‌ شود و فشار آن افزایش می‌ یابد. در این تجهیز، پره‌ های روتور با چرخش سریع خود به سیال انرژی جنبشی می‌ دهند و سرعت آن را بالا می‌ برند.

ساختار کمپرسور محوری شامل اجزایی مانند روتور، استاتور، شفت، پوسته یا کیسینگ، یاتاقان‌ ها، دیفیوزر و در برخی طراحی‌ ها پره‌ های راهنمای ورودی است که هر کدام نقش مهمی در هدایت صحیح جریان، افزایش راندمان و حفظ پایداری عملکرد دارند. یکی از پدیده‌های مهم و بحرانی در بهره‌ برداری از این نوع کمپرسور، سرج در کمپرسور است که در اثر کاهش بیش از حد دبی یا افزایش نامناسب فشار خروجی رخ می‌ دهد.

اصل عملکرد کمپرسور محوری

کمپرسور محوری یکی از انواع کمپرسورهای دینامیکی است که در آن گازها (و در برخی کاربردها سیالات) در امتداد محور شفت حرکت کرده و به‌ صورت مرحله‌ ای فشرده می‌ شوند. در کمپرسور محوری، پره‌ های متحرک یا همان روتورها در ابتدای فرایند به هوا شتاب می‌ دهند و از این طریق انرژی جنبشی آن را افزایش می‌ کنند. سپس پره‌ های ثابت یا استاتورها با انجام عمل دیفیوز کردن (کاهش سرعت جریان)، انرژی جنبشی ایجاد شده را به فشار تبدیل می‌ کنند.

با عبور مداوم جریان از ردیف‌ های متوالی پره‌ های چرخشی و ثابت (روتور و استاتور)، فشار به‌ صورت تدریجی در طول مسیر کمپرسور افزایش می‌ یابد تا در نهایت به مقدار مورد نظر برسد.

اجزای کمپرسور محوری

ورودی (Inlet) و هدایت‌ کننده ورودی (Inlet Guide Vanes – IGV)

در بخش ورودی کمپرسور محوری، قبل از سایر مراحل، هوا منظم و یکنواخت شده و برای ادامه فرایند آماده می‌ شود. هدایت‌ کننده‌ های ورودی یا IGV (Inlet Guide Vanes) زاویه ورود هوا به پره‌ های روتور را تنظیم می‌ کنند تا گاز با زاویه‌ ای مناسب به پره‌ های متحرک برخورد کند و راندمان بالاتری دریافت شود.

این پره‌ ها ممکن است ثابت یا متغیر باشند. در مدل‌ های متغیر، زاویه پره‌ ها با توجه به شرایط کاری تغییر می‌ کند. این قابلیت کمک می‌ کند ظرفیت کمپرسور بهتر کنترل شود، عملکرد دستگاه در بارهای کم پایدارتر باشد و احتمال بروز سرج کاهش پیدا کند.

روتور

روتور از پره‌ های در حال چرخش تشکیل شده است که به شفت متصل هستند. انرژی جنبشی و مکانیکی از طریق روتور به گاز منتقل می‌ شود و سرعت آن را افزایش می‌ دهد. روتور یکی از اجزای اصلی کمپرسور محوری است که به‌ طور مستقیم بر عملکرد و پایداری آن تاثیر می‌ گذارد.

استاتور

در واقع استاتور و روتور دو بخش مکمل و همکار هستند. استاتور که بین مراحل روتور قرار می‌ گیرد، سرعت نسبی گاز را کاهش می‌ دهد و انرژی جنبشی آن را به فشار تبدیل می‌ کند. به این ترتیب، گاز با شرایط مناسب‌ تری برای ورود به روتور بعدی آماده می‌ شود.

هدایت کننده خروجی (Outlet Guide Vanes – OGV یا EGV)

پس از خروج گاز از روتور، هنوز مقداری حرکت چرخشی در آن باقی می‌ ماند. استاتور این پیچش را از بین می‌ برد و جریان را با مسیر خروجی هم‌ راستا می‌ کند. این کار باعث کاهش تلفات انرژی، بهبود فشار خروجی و افزایش راندمان کمپرسور می‌ شود.

شفت

شفت یک میله یا محور اصلی است که توان مکانیکی را از موتور به روتور منتقل می‌ کند. روتور باید در برابر فشارهای وارد شده مقاوم باشد و از لغزش آن جلوگیری شود.

پوسته یا کیسینگ (Casing)

کیستینگ نقش سازه یا بدنه برای کمپرسور دارد. این بدنه جریان را محدود می‌ کند و آب‌ بندی و ساخت مناسب این سازه از وقوع نشتی جلوگیری می کند.

کاربردهای کمپرسور محوری

• توربین‌ های گازی نیروگاهی: کمپرسور محوری حجم زیادی هوا را فشرده می‌ کند و این موضوع کمک می‌ کند تا نیروگاه توان خروجی بالایی داشته باشد.
• موتورهای جت هواپیما: هوا را با نسبت فشار مناسب فشرده می‌ کند تا شرایط لازم برای احتراق و تولید نیروی پیشران فراهم شود؛ عملکرد آن باید در برخاست، اوج‌ گیری و پرواز پایدار باشد.
• صنعت هوافضا: در موتورهای توربینی پیشرفته و سامانه‌ های پیشران، به دلیل وزن کم و توانایی کار در سرعت‌ های بالا، استفاده گسترده دارد.
• موتورهای دریایی پرسرعت: در کشتی‌ ها و شناورهای تندرو مجهز به توربین گازی، برای تامین هوای مورد نیاز احتراق با حجم زیاد و افزایش توان و بازده کاربرد دارد.
• کارخانه‌ های جداسازی هوا (Air Separation Units): برای فشرده‌ سازی حجم زیاد هوا قبل از فرآیند جداسازی اکسیژن، نیتروژن و سایر گازها به کار می‌ رود.
• هوای کوره بلند در صنایع فولاد: برای تامین هوای فشرده مورد نیاز فرآیند احتراق و تولید چدن در کوره‌ های بلند استفاده می‌ شود.
• واحدهای کراکینگ کاتالیزوری سیال (FCC): در تامین هوای پایدار و یکنواخت در فرآیندهای پالایشگاهی استفاده می‌ شود.
• فرآیند هیدروژن‌ زدایی پروپان (PDH): در صنایع پتروشیمی برای تامین جریان پایدار هوا یا گازهای فرآیندی با دبی بالا استفاده می‌ شود.

مشکلات رایج و پدیده های ناپایدار در کمپرسور محوری

• سرج (Surge)
  سرج، ناپایداری بسیار شدیدی است که در صورت وقوع، جریان و نوسان فشار به‌ صورت لحظه‌ ای معکوس می‌ شوند. وقوع سرج می‌ تواند به پره‌ ها و یاتاقان‌ ها آسیب برساند.
• استال (Stall):
  زمانی که جریان روی پره‌ ها به‌ صورت موضعی جدا می‌ شود، فشار افت کرده و راندمان کاهش می‌ یابد. اگر این وضعیت ادامه پیدا کند، می‌ تواند منجر به سرج شده و مشکلات جدی ایجاد کند.
• ارتعاشات و رزونانس:
  به‌ دلیل ناپایداری جریان یا عدم تعادل مکانیکی به وجود می‌ آید.

تفاوت کمپرسور محوری و سانتریفیوژ

جمع بندی

کمپرسور محوری برای متراکم کردن گاز با دبی بالا و راندمان مناسب طراحی شده است. عملکرد آن به تعامل روتور و استاتور وابسته بوده و شامل چندین مرحله است. این نوع کمپرسور نسبت به سایر انواع مزایای زیادی دارد، اما به دلیل حساسیت بالا به ناپایداری و احتمال وقوع سرج، نیازمند طراحی دقیق و هوشمندانه، تنظیم منظم و نگهداری با دقت است. ایران کمپرسور معتبرین فروشگاه برای خرید انواع کمپرسور و لوازم جانبی آن است.

حسین موسوی نیا

من متخصص و پژوهشگر در زمینه هوای فشرده و انواع کمپرسور باد هستم و سعی می کنم تا جدیدترین و کارامدترین اطلاعات را در خصوص صنعت هوای فشرده با شما به اشتراک بگذارم.