كتب performance characteristics

تم تطوير نموذج غير خطي للتنبأ باستجابة نظام الانضغاط للاضطراب من ظروف التشغيل المستقرة. و قد وجد أنه بالنسبة للنظام محل الدراسة، فإنه هناك متغير غير بُعدي، تعتمد عليه هذه الاستجابة. سواء كان هذا المتغير أكبر أو أقل من القيمة الحرجة، فإنه يحدد أي حالة من عدم الاستقرار يكون عليها الضاغط، دوران أو توقف أو اندفاع، سوف تتم مواجهتها على خط التوقف. و يمكن تمثيل أداء الضاغط المحوري من خلال المتغيرات التالية:

• الضغط (P)
• معدل التدفق (Q)
• معدل تدفق غير بُعدي ( )
• معامل تدفق ( )
• معامل حمل المرحلة ( )

الرسوم البيانية

تكون الضواغط المحورية، بالقرب من ظروف التصميم خصوصا، قابلة للتحليل والتعديل و تقدير أدائها قبل أن تعمل. لكن بعيدا عن نقاط التصميم، يُنظر للأداء بدلالة الخصائص الكلية من ارتفاعات الضغط و ارتفاعات درجة الحرارة، و الرسومات البيانية للكفاءات مقابل تدفقات الكتلة.

برسم الرسومات البيانية للمغيرات التالية، يمكننا تحديد أداء الضاغط المحوري:

• الضغط (P) كدالة في معدل التدفق (Q)
• نسبة الضغط ( ) كدالة في معدل التدفق الغير بُعدي.
• معامل حمل المرحلة(بالإنجليزية: Stage loading coefficient)‏ ( ) كدالة في معامل التدفق ( )

ينتج الفرق بين المنحنى النظري المثالي والمنحنى الفعلي للمتغيرات السابقة، نتيجة المفاقيد في المرحلة من الضاغط. و تكون مفاقيد المراحل في الضاغط  بشكل أساسي ناتجة عن احتكاك المائع مع الريش، انفصال التدفق، عدم إستقرار التدفق و المسافة غير المناسبة بين الريش الثابتة والمتحركة.

التشغيل خارج ظروف التصميم

يُعرف أداء الضاغط طبقا لتصميمه، لكن عمليا، تحيد نقطة التشغيل للضاغط عن نقطة التصميم، فيما يعرف بالتشغيل الخارج عن التصميم(بالإنجليزية: Off design operation)‏ (الظروف الغير مثالية).

و يمكن إستنتاج معادلة لتعبر عن معامل حمل المرحلة كالتالي:

(2)

من المعادلة (1) و المعادلة (2) ينتج:

تظل قيمة المقدار ثابتة خلال مدى كبير من نقاط التشغيل، حتى التوقف. كما تتساوى  بسبب التغيير الطفيف في زاوية الهواء للربش الدوارة و الريش الثابتة، حيث هي زاوية ريش الناشر (بالإنجليزية: Diffuser blade angle)‏، لذلك ينتج أن:

و تظل قيمة هذا المقدار ثابتة.

يتم تمثيل قيم نقاط التصميم (بالإنجليزية: design values)‏ كالتالي:

(3)

بينما يتم تمثيل النقاط الخارجة عن التصميم باستخدام المعادلات التالية:

يكون ميل المنحنى سالبا إن كانت قيمة j موجبة، والعكس صحيح.

الاندفاع

في الرسم البياني للضغط و معدل التدفق، يُعرف الخط الذي يفصل بين منطقة الاستقرار وعدم 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 الانهيار الكامل للتدفق المستمر (بالإنجليزية: Steady flow)‏ خلاله، بالاندفاع (اندفاع 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 الاندفاع)، 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، وليكن 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 والانخفاض 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 انخفاض 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، وجد أن هناك حالات يحدث عندها انحراف 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 وتصميم الريشة إلى الانخفاض في الانضغاط و في قدرة المحرك. 1.التعطيل الإيجابي (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 الإيجابي، 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 والطرف 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 انتظام 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، وأن بعض  هذه الريش تستقبل تدفق المائع بزاوية سقوط مرتفعة، سوف يحدث لهذه الريش توقف إيجابي، مما سيتسبب في تعطيلها وتعطيل 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 اختياره.

الآثار الناتجة

• انخفاض كفاءة الضاغط.
• التسبب بإهتزازات في الريش.
• قد تتساوى هذه الاهتزازات القسرية مع التردد الطبيعي للريش، مما يؤدي إلى حدوث ظاهرة الصدى ومن ثم تنهار الريشة.