ضاغط محوري

الوصف

تتكون الضواغط المحورية من مكونات دوارة و أخرى ثابتة. يقود العمود الدوار أسطوانة مركزية، محمولة على محامل، و مثبت عليها بشكل حلقي مجموعة من صفوف الجنيحات،  و تكون في صفوف مزدوجة أحدها دوارة و هي المثبتة على الأسطوانة، و الأخرى ثابتة و تُثبت في غلاف أنبوبي ثابت.
تُعرف مرحلة الضاغط أنها زوج من الجنيحات الثابتة و المتحركة. و تُعرف الجنيحات الدوراة باسم الريش أو الأجزاء الدوارة، و تقوم بتسريع المائع و رفع طاقة حركته بتحويل الطاقة الميكانيكية إليه، فيما تقوم الريش الثابتة بتحويل طاقة الحركة الزائدة إلى ضغط ساكن عن طريق الانتشار و إعادة توجيه تدفق المائع للريش الدواره للمرحلة التالية.
تقل مساحة المقطع بين الأسطوانة الدوارة و الغلاف في اتجاه تدفق المائع للحصول على قيمة ماخ المثالية (لا يجب أن تزيد عن سرعة الصوت) عن طريق استخدام مساحة مقطع متغيرة أثناء انضغاط المائع.

طريقة العمل

بينما يدخل المائع إلى الضاغط و يغادر في الاتجاه المحوري، لا يكون هناك أي تأثير لمركبة الطرد المركزي أو المركبة الدورانية لحركة المائع في معادلة الطاقة.
يعتمد الانضغاط كليا على تأثير الانتشار نتيجة تباعد المسارات بين الريش الثابتة و بعضها، حيث يتم تحويل طاقة الحركة المطلقة للمائع إلى زيادة في الضغط، بينما تتواجد مركبة طاقة الحركة النسبية في معادلة الطاقة فقط بسبب دوران الريش الدوارة.
تعمل الريش الدوارة على خفض قيمة طاقة الحركة النسبية للمائع و إضافتها إلى طاقة الحركة المطلقة له، أي أن تأثير الريش الدوارة على جزيئات المائع، يؤدي إلى زيادة السرعة المطلقة للمائع، و خفض السرعة النسبية بين المائع و الريش الدوارة.
بإختصار، ترفع الريش الدوارة السرعة المطلقة للمائع، و تحول الريش الثابتة هذه الزيادة في السرعة إلى زيادة في الضغط .
إن تصميم مسارات الريش الدوارة مع قابلية الانتشار للمائع (تكون المسارات بين الريش على شكل ممر متباعد) يؤدي إلى إرتفاع في الضغط فضلا عن الوظيفة الأساسية للريش الدوارة (تحويل طاقة الحركة إلى المائع)، و يؤدي ذلك إلى إرتفاع كبير في الضغط في المرحلة الواحدة، حيث تساهم كل من الريش الدوارة و الثابتة في ذلك. و تُعرف النسبة بين الزيادة في الضغط نتيجة الريش الدوارة إلى الزيادة في الضغط في المرحلة كلها (الريش الدوارة و الثابتة) بمبدأ رد الفعل في الألات التوربينية.
إن كان 50% من زيادة الضغط في المرحلة تم بواسطة الريش الدوارة، فإن درجة رد الفعل تكون 50%.

التصميم

تتحدد قيمة الزيادة في الضغط الناتجة عن مرحلة واحدة من الضاغط بالسرعة النسبية بين الريش الدوارة و المائع، و قدرة الريش الدوارة على تقليب و انتشار المائع.
تستطيع المرحلة النموذجية في ضاغط تجاري أن تنتج زيادة في الضغط تتراوح بين 15% و 60% (نسبة ضغط من 1.15-1.16) عند ظروف التصميم بكفاءة عامة تتراوح بين 90-95%، و تصمم الضواغط المحورية بأعداد مختلفة من المراحل و السرعات الدورانية لكي تحقق نسب ضغوط مختلفة.
بناء على التجربة، يمكننا فرض أن كل مرحلة في الضاغط لها نفس مقدار الزيادة في درجة الحرارة، لذلك، يجب أن تزيد درجة حرارة الدخول لكل مرحلة من الضاغط تدريجيا، بينما تنخفض النسبة بين مقدار الزيادة في درجة الحرارة خلال المرحلة (الفرق بين درجة حرارة الخروج من المرحلة و الدخول لها) و درجة حرارة الدخول إلى المرحلة، و يؤدي ذلك إلى الإنخفاض التدريجي في نسبة الضغط للمرحلة خلال الضاغط، لذلك تنتج المرحلة الأخيرة نسبة ضغط منخفضة عن المرحلة الأولى.
يُمكن أيضا تحقيق نسب ضغط مرتفعة للمرحلة من الضاغط لو كانت السرعة النسبية بين المائع و الريش الدوارة أكبر من سرعة الصوت، لكن هذا سيكون على حساب الكفاءة و عمليات تشغيل الضاغط.
تُستخدم الضواغط التي تزيد نسب ضغط المرحلة فيها عن 2، عندما يكون من المهم جدا تقليل حجم أو وزن الضاغط مثل المستخدمة في الطائرات النفاثة العسكرية.
يتم ملائمة تصميم الجنيحات بحيث تتناسب مع سرعات معينة و تقليب المائع عند ظروف معينة.
بالرغم من أن الضواغط يُمكن ان تعمل عند ظروف أخرى غير الظروف التصميمية مع تدفقات و سرعات مختلفة للمائع أو نسب ضغط مختلفة، يُمكن أن يؤدي ذلك إلى إنخفاض في الكفاءة أو انفصال المائع عن الريش بشكل جزئي أو كلي (فيما يعرف بموجة التضاغط أو الاضطراب في المائع، و يكون نيجة زيادة الضغط عن قيمة معينة)، لذلك عمليا يكون هناك حدود لعدد المراحل و نسبة الضغط الكلية، يتم تحديدها عندما تعمل مراحل الضاغط بعيدا عن الظروف التصميمية.
يُمكن تخفيف الآثار الناتجة عن العمل في الظروف الخارجة عن التصميم عن طريق بعض المرونة التشغيلية في الضاغط، و يحدث هذا  باستخدام ريش ثابتة متغيرة (يمكن تغيير وضعها) أو استخدام صمامات استنزاف بعض المائع من التدفق الرئيسي له بين المراحل (يعرف باستنزاف بين المراحل).
تستخدم المحركات النفاثة الحديثة سلسلة من الضواغط تعمل عند سرعات مختلفة، لتزويد هواء بنسبة ضغط تقترب من 1:40 من أجل الاحتراق، مع مرونة كافية لجميع ظروف الطيران.

الاندفاع

في الرسم البياني للضغط و معدل التدفق، يُعرف الخط الذي يفصل بين منطقة الاستقرار و عدم الاستقرار بخط التوقف (بالإنجليزية: Stall line). تم رسم هذا الخط عن طريق توصيل نقاط التوقف عند سرعات دورانية مختلفة. كما يشار إلى التدفق غير المستقر في الضاغط المحوري نتيجة الإنهيار الكامل للتدفق المستمر (بالإنجليزية: Steady flow) خلاله، بالإندفاع (إندفاع المائع في الاتجاه المعاكس نتيجة زيادة الضغط عن قيمة معينة و انفصال المائع عن الريشة). 
تؤثر هذه الظاهرة على أداء الضاغط و تجعله غير مرغوب.

دورة الاندفاع

بفرض أن نقطة التشغيل الأولية D  هي ()  (الضغط، معدل تدفق الكتلة) عند سرعة دورانية مقدارها N دورة في الدقيقة. عند تقليل معدل تدفق المائع عند نفس السرعة الدورانية على مدى منحنى الخصائص، عن طريق الغلق الجزئي للصمام، يزداد الضغط في الأنبوب فيتم زيادة ضغط الدخول إلى الضاغط، و بزيادة ضغط الدخول أكثر حتى النقطة p (نقطة الإندفاع)، سيزداد ضغط الضاغط. بالتحرك أكثر نحو اليسار على منحنى الخصائص أي بتقليل معدل تدفق المائع مع ثبات السرعة الدورانية، سيزداد الضغط في الأنبوب لكن ضغط الضاغط سيقل مما يؤدي إلى تدفق عكسي للهواء في اتجاه الدخول للضاغط. نتيجة التدفق العكسي للهواء، يتخفض الضغط في الأنبوب، حيث لا يمكن أن تستمر حالة عدم تساوي الضغط على الطرفين لفترة طويلة، لذلك، يتم ضبط الصمام عند معدل تدفق منخفض، و ليكن عند النقطة G، لكن الضاغط سوف يعمل طبقا لنقطة التشغيل المستقر،  و لتكن النقطة E، لذلك بتتبع المسار E-F-P-G-E سيؤدي إلى انخفاض شديد في معدل التدفق، و ينخفض ضغط الضاغط إلى النقطة H و يعبر عنه بالرمز().

تحدث هذه الزيادة و الإنخفاض في الضغط خلال الأنبوب و الضاغط بشكل متكرار تبعا للدورة E-F-P-G-H-Eو تعرف باسم دورة الاندفاع (بالإنجليزية: Surging cycle) .
تؤدي هذه الظاهرة إلى الاهتزازات في الآلة الموجود بها الضاغط، و قد تؤدي إلى تعطلها الكامل، لذلك يسمى الجزء الأيسر من نقطة الاندفاع (بالإنجليزية: surge point) على  منحنى الخصائص بمنطقة عدم الإستقرار (بالإنجليزية: unstable region)، و قد يؤدي إلى تدمير الآلة، لذلك يوصى بتشغيل الآلة داخل نطاق المنطقة المستقرة(بالإنجليزية: Stable region) أي الجزء الأيمن من خط الاندفاع (بالإنجليزية: surge line).

التعطيل (انفصال المائع)

يعتبر التعطيل (بالإنجليزية: Stalling) (ظاهرة تحدث نتيجة إنخفاض معامل رفع المائع للريشة، بسبب زيادة زاوية السقوط، مما يؤدي لانفصال المائع عن الريشة) ظاهرة مهمة تؤثر على أداء الضاغط. و بعمل تحليل  لتعطيل الدوران في ضاغط متعدد المراحل، و جد أن هناك حالات يحدث عندها إنحراف لتدفق المائع الذي يتحرك بشكل مستقر، بالرغم من ثبات الضغط الكلي عكس التيار، و الضغط الساكن مع التيار. 
يتم فرض تخلفية (بالإنجليزية: hysteresis) زيادة الضغط (نزعة المائع لزيادة الضغط) في الضاغط،  و تعرف أنها حالة انفصال تدفق الهواء من على ريش الضاغط.
تؤدي هذه الظاهرة المعتمدة على شكل و تصميم الريشة إلى الانخفاض في الانضغاط و في قدرة المحرك.
1.التعطيل الايجابي (بالإنجليزية: Positive stalling)
يحدث انفصال المائع عند جانب الضغط المنخفض من الريشة.
2.التعطيل السلبي (بالإنجليزية: Negative stalling)
يحدث انفصال المائع عند جانب الضغط المرتفع من الريشة.
يتم تجاهل التوقف المفاجئ السلبي مقارنة بالتوقف المفاجئ الايجابي، لأن انفصال المائع يكون أقل احتمالا في حدوثه عند جانب الضغط المرتفع من الريشة.
عند مراحل الضغط المرتفع في الضاغط متعدد المراحل، تكون قيمة السرعة المحورية قليلة جدا. تنخفض قيمة التوقف المفاجئ مع الانحراف الطفيف عن نقطة التصميم مما يؤدي لحدوث ظاهرة التعطيل (انفصال المائع) عند مناطق المحور و الطرف التي يزيد حجمهما مع انخفاض معدلات التدفق، و تزداد بشكل أكبر عند معدلات التدفق المنخفضة جدان مما يؤثر على الارتفاع الكلي للريشة.
ينخفض ضغط الوصول بشكل ملحوظ مع الانفصال الكبير للمائع، مما قد يؤدي إلى حدوث تدفق عكسي للمائع. كما تنخفض أيضا كفاءة المرحلة مع ارتفاع المفاقيد.

تعطيل الدوران

يؤدي عدم إنتظام تدفق الهواء بين الريش الدوارة، إلى اضطراب تدفق الهواء في الضاغط، لكن دون التسبب في عكس مساره. يستمر الضاغط بالعمل لكن، ينخفض الانضغاط. لذلك يؤدي توقف الدوران أو تعطيل الدوران (بالإنجليزية: Rotating stalling)، إلى خفض فعالية الضاغط.
بفرض أن الريش الدوارة تتحرك تجاه اليمين، و أن بعض  هذه الريش تستقبل تدفق المائع بزاوية سقوط مرتفعة، سوف يحدث لهذه الريش توقف إيجابي، مما سيتسبب في تعطيلها و تعطيل للريش الموجودة على يسارها. لذلك سوف تستقبل الريش اليسرى تدفق المائع بزاوية سقوط أكبر، بينما ستسقبل الريش الموجودة على يمينها تدفق المائع بزاوية سقوط أقل. و يؤدي ذلك إلى تعرض الريش اليسرى إلى توقف أو تعطيل أكثر من الذي ستتعرض له الريش اليمنى. 
سيقل التوقف أو التعطيل في الاتجاه الأيمن بينما سيزداد نحو اليسار. و يمكن ملاحظة تحرك موضع التوقف بناء على الأطار المرجعي الذي تم إختياره.

التطوير

كانت الضواغط المحورية الأولية ذات كفاءة منخفضة جدا، لدرجة أنه في بداية عام 1920، زعمت بعض الأوراق البحثية، أنه من المستحيل تصنيع محرك نفاث عملي. لكن الوضع تغير عندما نشر ألان أرنولد جريفيث أوراقه المؤثرة في عام 1926، و ذكر أن سبب الأداء الضعيف للضواغط الموجودة، يرجع لاستخدامها ريش مسطحة، و كانت بالأساس تحلق مصابة بظاهرة التعطيل.
و أوضح  ألان أن استخدام جنيحات بدلا من الريش المسطحة، سيؤدي لزيادة الكفاءة إلى الحد الذي يصبح عنده تصنيع محرك نفاث عملي، ممكن فعليا.

كما تضمنت الأوراق الرسم التوضيحي الأساسي لمثل ذلك المحرك، الذي تضمن تربينة ثانية لإدارة المروحة الدافعة.
بالرغم من أن جريفيث كان معروفا بسبب أعماله السابقة على تمزق المعدن و قياس الإجهاد، القليل من عمله ظهر لكي يبدأ كنتيجة مباشرة لأبحاثه.
و كان المجهود الوحيد الواضح، هو ضاغط للاختبار، بُني بواسطة هايني كونستانت، زميل جريفيث في مؤسسة الطائرات الملكية.
من الجهود المبكرة أيضا في مجال المحركات النفاثة، ما فعله فرانك ويتل و هانز فون أوهاين، إعتمادا على ضواغط الطرد المركزي التي كانت شائعة الاستخدام في الشواحن التوربينية.
في عام 1929 رأى جريفيث أعمال وايت، و قام برفضها بعد أن لاحظ أن هناك خطأ ميكانيكي، و زعم أن حجم الواجهة الأمامي للمحرك ستجعله بلا فائدة عند السرعات المرتفعة للطائرة. 
بدأ العمل الفعلي على المحركات محورية السريان في أواخر الثلاثينات من عام 1930، حيث بدأت العديد من الجهود في نفس الوقت.
في إنجلترا، حصل هايني كونستانت على موافقة من شركة التربينات البخارية ميتروبوليتان فيكرز (ميتروفيك) في عام 1937، لبدأ سعيهم لتنفيذ محرك توربيني ذي مروحة دافعة إعتمادا على تصميم جريفيث في عام 1938.
و في عام 1940، بعد نجاح تصميم وايتل لضاغط الطرد المركزي، تم إعادة تصميمهم ليصبح محرك نفاث، ميتروفيك اف 2. 

و في ألمانيا، أنتج فون أوهاين العديد من المحركات ذات ضواغط الطرد المركزي، و نجحت بالعمل، و تم تركيب بعضها في أول طائرة نفاثة في العالم (هنكل 178)، لكن انتقلت مساعي التطوير شركة يونكرز (محرك جامبو 004) بي إم دبليو (بي إم دبليو 003)، حيث استخدما تصاميم محورية السريان في أول طائرة نفاثة مقاتلة في العالم (ميسرشميت مي 262) و قاذفة القنابل (أرادو أر 234).
و في الولايات المتحدة، مُنحت كل من لوكهيد و جينرال إليكتريك، جوائز في 1941، لتطوير محركات محورية السريان، سابقا المحرك النفاث التوربيني، و لاحقا المحرك  التوربيني ذو المروحة الدافعة.
كما بدأت أيضا نورثروب مشروعها الخاص لتطوير محرك توربيني  ذو مروحة دافعة، الذي في النهاية تعاقد عليه الأسطول الأمريكي في عام 1943. 
دخلت ويستنجهاوس إليكتريك أيضا السباق في عن 1942، و اعتبر مشروعها، المشروع الوحيد الناجح من الجهود الأمريكية، حيث أصبح فيما بعد محرك ويستنجهاوس جيه 30.
بحلول 1950، تحول كل تطوير رئيسي للمحركات النفاثة، إلى النوع محوري السريان. و كما لاحظ جريفيث بالفعل في عام 1929، فإن حجم الواجهة الأمامية الكبيرة لضاغط الطرد المركزي، تتسبب في سحب أكبر من الواجهة الأمامية الضيقة للضاغط محوري السريان. بالإضافة إلى أن الضاغط المحوري، يمكن تعديل نسبة الانضغاط فيه، بإضافة مراحل جديدة، ما سيزيد من طول المحرك قليلا.
في تصميم ضاغط الطرد المركزي، يجب أن يكون القطر كبير، مما سيصعب تركيبه بشكل مناسب في الطائرة. لكن على الجانب الآخر، ما زالت ضواغط الطرد المركزي أقل تعقيدا (السبب الرئيسي لفوزهم في سباق طيران نماذج الطائرات) و لذلك، يتم إستخدامها عندما يكون الحجم و الخصائص الديناميكية الهوائية غير مهمة.
لذلك السبب، بقيت ضواغط الطرد المركزي الحل الرئيسي لمحركات المروحيات، حيث يتتم تركيب المحرك بشكل مسطح، مما يسمح ببنائه بأي حجم دون التأثير على الخصائص الديناميكية الهوائية للمروحية بشكل كبير .

أعمدة الدوران

كل الضواغط يكون لديها نقطة مثالية متعلقة بسرعة الدوران و الضغط، و مع زيادة الانضغاط، يتطلب زيادة السرعة.
صُممت المحركات النفاثة الأولية بشكل مبسط، و استخدمت ضاغط وحيد كبير يدور عند سرعة معينة. بينما قامت التصاميم التالية بإضافة تربينة ثانية و تقسيم الضاغط  إلى قسمين، قسم الضغط المنخفض و قسم الضغط المرتفع، حيث يدور الأخير بسرعة أكبر. هذا التصميم ذو العمودين الدوارين (عمود دوار لكل قسم من أقسام الضاغط يصله بالقسم المقابل له في التربينه) أصبح شائع الاستخدام في محرك رولز رويس أوليمبس، و أدى إلى زيادة الكفاءة.
يمكن زيادة الكفاءة أكثر بإضافة عمود دوران ثالث، لكن عمليا هذا سيضيف تعقيد أكثر للمحرك و سيزيد من تكلفة الصيانة إلى الحد الذي يلغي أي فائدة إقتصادية.
يوجد العديد من المحركات المستخدمة ذات ثلاث أعمدة دوران، لعل أشهرها محرك رولز رويس أر بي 211، المستخدم في كثير من الطائرات التجارية.

إستنزاف الهواء 

عندما تغير الطائرة سرعتها أو إرتفاعها، سيتغير ضغط الهواء الداخل إلى الضاغط. و لملائمة الضاغط لمثل هذه الظروف المتغيرة، أرادت تصاميم بدأت في الخمسينات من 1950، إستنزاف الهواء للخارج من منتصف الضاغط لتجنب ضغط كمية كبيرة من الهواء في مراحل الضاغط الأخيرة. كما استخدم ذلك أيضا للمساعدة في بداية تشغيل المحرك، بالسماح له بزيادة سرعة دورانه بدون ضغط كمية كبير من الهواء عن طريق إستنزاف أكبر كمية ممكنة.
على أي حال، كانت أنظمة إستنزاف الهواء شائعة الاستخدام، لتزويد تدفق الهواء إلى مرحلة التربينة حيث يستخدم لتبريد ريش التربينة، بالإضافة إلى تزويد الهواء المضغوط إلى أنظمة تكييف الهواء داخل الطائرة.

الريش الثابتة المتغيرة

يعتبر تصميم الريش الثابتة المتغيرة (بالإنجليزية: Variable stators) تصميما أكثر تقدما، حيث يستخدم ريش ثابتة يمكن تدويرها بشكل منفرد حول محورها، عكس محور القدرة للمحرك (تدوير الريش الثابتة عكس اتجاه دوران المحرك).

للبدء، يتم تدوير الريش الثابتة حتى تغلق المسارات بينها، فينخفض الانضغاط، ثم يتم تدويرها عكسيا لتعود مرة أخرى داخل تدفق الهواء بالزاوية التي تتطلبها الظروف الخارجية.
يعتبر محرك جينرال إليكتريك جيه 79 أول مثال رئيسي لاستخدام تصميم الريش الثابتة المتغيرة، و اليوم أصبح ميزة شائعة في معظم المحركات النفاثة العسكرية.
بغلق الريش الثابتة المتغير تدريجيا، بينما تنخفض سرعة دوران الضاغط، يقل ميل خط الاندفاع (أو التوقف) على خريطة خصائص التشغيل، مما يؤدي لتحسين حدود ظاهرة الاندفاع (تزيد النقطة التي تحدث عندها) في وحدة الضاغط المركبة في المحرك. 
نجحت جنرال إليكتريك لمحركات الطائرات بتطوير ضاغط محوري مكون من 10 مراحل بإمكانه العمل على نسبة ضغط تصميمية تبلغ 1:23، و ذلك بعد أن قامت بدمج ريش ثابتة متغيرة في المراحل الخمس الأولى من الضاغط.

تبادل الطاقة بين العضو الدوار و المائع

تضيف الحركة النسبية للريش الدوراة سرعة أو ضغط للمائع أو تضيف كلاهما معا، أثناء مروره بين الريش الدوارة. تزداد سرعة المائع خلال تدفق بين الريش الدوارة، فترتفع طاقة حركته، و تعمل الريش الثابتة على تحويل طاقة الحركة هذه إلى طاقة ضغط، يساعد أيضا بعض الانتشار للمائع خلال المسارات بين الريش الدوارة (بالإنجليزية: Rotors) على زيادة الضغط و يتواجد ذلك في معظم التصاميم العملية.
تكون الزيادة في سرعة المائع في الاتجاه المماسي (الدوامي) بشكل رئيسي، و تعمل الريش الثابتة على إزالة كمية الحركة الزاوية. كما ينتج عن زيادة الضغط زيادة في درجة الحرارة الكلية. و تعتمد تلك الزيادة في درجة الحرارة على مربع رقم ماخ المماسي لصف الريش الدوارة.
تحتوي المحركات التوربينية المروحية الحالية على مراوح تعمل عند ماخ يساوي 1.7 أو أكثر، و تتطلب احتواء و إخماد للضوضاء الناتجة، لتقليل مخاطر تدمر الريش و تقليل الضوضاء.

خرائط الضاغط

خريطة الضاغط هي خريطة توضح أداء الضاغط، و تسمح بتحديد الظروف المثالية للتشغيل. يتم كتابة معدل تدفق الكتلة كنسبة من معدل تدفق الكتلة التصميمي، على المحور الأفقي للخريطة، أو كتابته بالوحدات الفعلية. بينما يتم توضيح الإرتفاع في الضغط على المحور الرأسي، كنسبة بين الضغط الكلي للدخول و الخروج.
يحدد خط الإندفاع أو التوقف، الحدود التي ينخفض أداء الضاغط عند تخطيها، كما يحدد أقصى نسبة ضغط يمكن تحقيقها بمعدل تدفق الكتلة المتاح.

تُرسم أيضا منحنيات الكفاءة على الخريطة بالإضافة إلى خطوط الأداء، للتشغيل عند سرعات دورانية معينة.

استقرار الانضغاط

تكون كفاءة التشغيل قريبة جدا من خط التوقف. و يتوقف الضاغط و يصبح غير مستقر إن زاد لضغط أسفل التيار (بالإنجليزية: Down stream) عن القيمة القصوى الممكنة (يحدث تدفق عكسي للمائع).
يتحقق الاستقرار عادة عند تردد هيلمهولتز للنظام، مع الأخذ في الاعتبار الظروف أسفل التيار (من حيث الضغط).