ضاغط محوري

معامل حمل المرحلة كدالة في معامل التدفق

من جهة ثانية، و تكون مفاقيد المراحل في الضاغط  بشكل أساسي ناتجة عن احتكاك المائع مع الريش، انفصال التدفق، عدم إستقرار التدفق والمسافة غير المناسبة بين الريش الثابتة والمتحركة.

وفي هذا الصدد، ينتج الفرق بين المنحنى النظري المثالي والمنحنى الفعلي للمتغيرات السابقة، نتيجة المفاقيد في المرحلة من الضاغط.

المحركات النفاثة محورية السريان

وفي هذا الصدد، على الأرض عند الإقلاع: يكون ضغط الدخول للضاغط مرتفع و سرعة الدخول تساوي صفر، ويدور الضاغط عند سرعات مختلفة طبقا للقدرة التي يستمدها.

ومن جهة أخرى، تُسمى هذه الحالة بالاندفاع ، و كانت أحد المشاكل الرئيسية في المحركات النفاثة الأولية، ودائما ما كانت تؤدي إلى انهيار التربينة أو الضاغط و تحطم الريش.

وفي هذا الصدد، في المحرك النفاث، يعمل الضاغط على مدى متنوع من ظروف التشغيل.

إضافةً إلى ذلك، عند الطيران: ينخفض ضغط الدخول للضاغط، بينما ترتفع سرعة الدخول (نتيجة الحركة الأمامية للطائرة) لتعويض بعض من الضغط المفقود، ويدور الضاغط على سرعة واحدة لفترات زمنية طويلة.

ومن جهة أخرى، .يمكننا القول بوضوح أنه لا يوجد ضاغط مثالي يعمل على مدى واسع من ظروف التشغيل. و تكون الضواغط ثابتة التكوين (لا يمكن زيادة عدد المراحل فيها)، مثل تلك التي استعملت في المحركات النفاثة الأولية، تكون محدودة بنسبة انضغاط قرابة 4 أو 1:5. كما بالنسبة لأي محرك حراري، تعتمد كفاءة الوقود إلى حدّ كبير على نسبة الانضغاط، لذلك تدفعنا الحاجة الاقتصادية بشدة، لتحسين مراحل الضاغط الذي يعمل على نسب انضغاط تتعدى تلك النسب.

وفي هذا الصدد، لكل هذه الأسباب السابقة، تعتبر الضواغط المحورية في المحركات النفاثة الحديثة، أكثر تعقيدا من تلك التي كانت موجودة في التصاميم الأولية.

وفي هذا الصدد، يمكن كذلك أن يتوقف الضاغط نتيجة تغيير ظروف دخول المائع بشكل مفاجئ، وكانت هذه أحد المشاكل الشائعة في المحركات النفاثة الأولية.

علاوةً على ذلك، في بعض الحالات، لو حدث التوقف بالقرب من مقدمة المحرك، ستتوقف كل المراحل بداية من تلك النقطة عن ضغط الهواء. في هذه الحالة، تنخفض القدرة اللازمة لتشغيل الضاغط بشكل مفاجئ، ويسمح الهواء الساخن المتبقي في نهاية المحرك للتربينة، بزيادة سرعة المحرك كله. [بحاجة لمصدر]

تعطيل الدوران

إضافةً إلى ذلك، 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.

من جانب آخر، 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 ، إلى خفض فعالية الضاغط.

إضافةً إلى ذلك، سيقل التوقف أو التعطيل في الاتجاه الأيمن بينما سيزداد نحو اليسار. و يمكن ملاحظة تحرك موضع التوقف بناء على الأطار المرجعي الذي تم اختياره.

استقرار الانضغاط

كذلك، يتحقق الاستقرار عادة عند تردد هيلمهولتز للنظام، مع الأخذ في الاعتبار الظروف أسفل التيار (من حيث الضغط).

ومن ناحية أخرى، تكون كفاءة التشغيل قريبة جدا من خط التوقف. و يتوقف الضاغط و يصبح غير مستقر إن زاد لضغط أسفل التيار عن القيمة القصوى الممكنة (يحدث تدفق عكسي للمائع).

• انظر كذلك
• ضاغط غاز
• مضخة محورية
• ضاغط متردد
• ضاغط الدفق المختلط
• مضخة توربينية
• مضخة محورية التدفق
• ضاغط هيدروليكي

دورة الاندفاع

وفي السياق ذاته، تؤدي هذه الظاهرة إلى الاهتزازات في الآلة الموجود بها الضاغط، و قد تؤدي إلى تعطلها الكامل، لذلك يسمى الجزء الأيسر من نقطة الاندفاع على  منحنى الخصائص بمنطقة عدم الإستقرار ، و قد يؤدي إلى تدمير الآلة، لذلك يوصى بتشغيل الآلة داخل نطاق المنطقة المستقرة أي الجزء الأيمن من خط الاندفاع .

وفي السياق ذاته، يتم فرض تخلفية زيادة الضغط (نزعة المائع لزيادة الضغط) في الضاغط، و تعرف أنها حالة انفصال تدفق الهواء من على ريش الضاغط.

التعطيل (انفصال المائع)

ومن جهة أخرى، يعتبر التعطيل (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.

وفي هذا الصدد، 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.

ومن ناحية أخرى، تحدث هذه الزيادة والانخفاض في الضغط خلال الأنبوب و الضاغط بشكل متكرار تبعا للدورة E-F-P-G-H-Eو تعرف باسم دورة الاندفاع .

ومن جهة أخرى، تؤدي هذه الظاهرة المعتمدة على شكل وتصميم الريشة إلى الانخفاض في الانضغاط و في قدرة المحرك.

خرائط الضاغط

كذلك، 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 الارتفاع في الضغط على المحور الرأسي، كنسبة بين الضغط الكلي للدخول والخروج.

ومن ناحية أخرى، تُرسم كذلك منحنيات الكفاءة على الخريطة إلى جانب خطوط الأداء، للتشغيل عند سرعات دورانية معينة.

كذلك، يحدد خط الاندفاع أو التوقف، الحدود التي ينخفض أداء الضاغط عند تخطيها، كما يحدد أقصى نسبة ضغط يمكن تحقيقها بمعدل تدفق الكتلة المتاح.

أعمدة الدوران

ومن جهة أخرى، كل الضواغط يكون لديها نقطة مثالية متعلقة بسرعة الدوران والضغط، و مع زيادة الانضغاط، يتطلب زيادة السرعة.

كذلك، يوجد الكثير من المحركات المستعملة ذات ثلاث أعمدة دوران، لعل أشهرها محرك رولز رويس أر بي 211، المستعمل في كثير من الطائرات التجارية.

علاوةً على ذلك، 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 اقتصادية.

وفي هذا السياق، صُممت المحركات النفاثة الأولية بشكل مبسط، واستعملت ضاغط وحيد كبير يدور عند سرعة معينة. بينما قامت التصاميم التالية بإضافة تربينة ثانية وتقسيم الضاغط  إلى قسمين، قسم الضغط المنخفض وقسم 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.

درجة رد الفعل

من جانب آخر، تعرف درجة رد الفعل أنها (النسبة بين التغير في الضغط (أو التغير في المحتوى الحراري) خلال المرحلة الواحدة إلى التغير الكلي خلال الضاغط (أو التغير الكلي في المحتوى الحراري)  خلال الضاغط بأكمله، و  يُعرف الفرق بين ضغط الدخول والخروج من الريش الدوارة باسم ضغط رد الفعل، و يمكن حساب مقدار التغير في الضغط من خلال درجة رد الفعل و يرمز لها R و فيما يلي المعادلات الموضحة لذلك:

و من المعادلات السابقة تصبح درجة رد الفعل تساوي:

إستنزاف الهواء

كذلك، على أي حال، كانت أنظمة إستنزاف الهواء شائعة الاستخدام، لتزويد تدفق الهواء إلى مرحلة التربينة حيث يستعمل لتبريد ريش التربينة، إلى جانب تزويد الهواء المضغوط إلى أنظمة تكييف الهواء داخل الطائرة.

في هذا الإطار، عندما تغير الطائرة سرعتها أو ارتفاعها، 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 استعمل ذلك كذلك للمساعدة في بداية تشغيل المحرك، بالسماح له بزيادة سرعة دورانه بدون ضغط كمية كبير من الهواء عن طريق إستنزاف أكبر كمية ممكنة.

: معدل تدفق المائع

• حيث:
• : المحتوى الحراري الكلي عند الدخول والخروج من الريش الدوارة.
• : درجة الحرارة الكلية عند الدخول والخروج من الريش الدوراة على الترتيب.
• لذلك تصبح معادلة حساب القدرة النظرية للضاغط كالتالي:
• حيث:
• : كمية الحرارة النوعية للمائع عند ثبوت الضغط.
• و منها ينتج  التغير الأيزنتروبي (النظري)  في درجة  الحرارة كالتالي :
• و حيث أن التغير الأيزنتروبي (النظري) في الضغط خلال الريش الدوارة يساوي:
• لذلك، تصبح نسبة الضغط الفعلية كالتالي:
• و منها ينتج أن:
• حيث:
• : الضغط الكلي عند الدخول والخروج من مرحلة الضاغط، على الترتيب.
• : كفاءة المرحلة.
• : درجة الحرارة الكلية عند الدخول (درجة الحرارة + طاقة الحركة).

من جانب آخر، و يمكن حسابها كذلك بدلالة التغير في المحتوى الحراري للمائع بعد المرور من الريش الدوارة، من المعادلة التالية:

التصميم

من جهة ثانية، 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).

وفي هذا السياق، تتحدد قيمة الزيادة في الضغط الناتجة عن مرحلة واحدة من الضاغط بالسرعة النسبية بين الريش الدوارة و المائع، و قدرة الريش الدوارة على تقليب وانتشار المائع.

من جانب آخر، 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.

إضافةً إلى ذلك، بالرغم من أن الضواغط يُمكن ان تعمل عند ظروف أخرى غير الظروف التصميمية مع تدفقات وسرعات مختلفة للمائع أو نسب ضغط مختلفة، يُمكن أن يؤدي ذلك إلى انخفاض 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.

كذلك، يتم ملائمة تصميم الجنيحات بحيث تتناسب مع سرعات معينة وتقليب المائع عند ظروف معينة.

في هذا الإطار، تستعمل 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.

وفي السياق ذاته، تُستعمل الضواغط التي تزيد نسب ضغط المرحلة فيها عن 2، عندما يكون من المهم جدا تقليل حجم أو وزن الضاغط مثل المستعملة في الطائرات النفاثة العسكرية.

وفي هذا الصدد، 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 والدخول لها) و درجة حرارة الدخول إلى المرحلة، ويؤدي ذلك إلى الانخفاض التدريجي في نسبة الضغط للمرحلة خلال الضاغط، لذلك تنتج المرحلة الأخيرة نسبة ضغط منخفضة عن المرحلة الأولى.

إضافةً إلى ذلك، يُمكن كذلك تحقيق نسب ضغط مرتفعة للمرحلة من الضاغط لو كانت السرعة النسبية بين المائع والريش الدوارة أكبر من سرعة الصوت، لكن هذا سيكون على حساب الكفاءة و عمليات تشغيل الضاغط.

التشغيل خارج ظروف التصميم

وفي السياق ذاته، يُعرف أداء الضاغط طبقا لتصميمه، لكن عمليا، تحيد نقطة التشغيل للضاغط عن نقطة التصميم، فيما يعرف بالتشغيل الخارج عن التصميم (الظروف الغير مثالية).

• و تظل قيمة هذا المقدار ثابتة.
• يتم تمثيل قيم نقاط التصميم كالتالي:
• بينما يتم تمثيل النقاط الخارجة عن التصميم باستخدام المعادلات التالية:
• يكون ميل المنحنى سالبا إن كانت قيمة j موجبة، والعكس صحيح.

و يمكن إستنتاج معادلة لتعبر عن معامل حمل المرحلة كالتالي:

من المعادلة (1) و المعادلة (2) ينتج:

وعلى صعيد آخر، 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 ، لذلك ينتج أن:

تبادل الطاقة بين العضو الدوار والمائع

وفي هذا السياق، 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 كذلك بعض الانتشار للمائع خلال المسارات بين الريش الدوارة على زيادة الضغط و يتواجد ذلك في أغلب التصاميم العملية.

وفي السياق ذاته، تحتوي المحركات التوربينية المروحية الحالية على مراوح تعمل عند ماخ يساوي 1.7 أو أكثر، وتتطلب احتواء وإخماد للضوضاء الناتجة، لتقليل مخاطر تدمر الريش و تقليل الضوضاء.

في هذا الإطار، تكون الزيادة في سرعة المائع في الاتجاه المماسي (الدوامي) بشكل رئيسي، وتعمل 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.

1.التعطيل الإيجابي

يحدث انفصال المائع عند جانب الضغط المنخفض من الريشة.

طريقة العمل

من جهة ثانية، 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.

من جانب آخر، 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 والريش الدوارة.

من جهة ثانية، إن كان 50% من زيادة الضغط في المرحلة تم بواسطة الريش الدوارة، فإن درجة رد الفعل تكون 50%.

ومن ناحية أخرى، يعتمد الانضغاط كليا على تأثير الانتشار نتيجة تباعد المسارات بين الريش الثابتة وبعضها، 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.

وفي هذا السياق، إن تصميم مسارات الريش الدوارة مع قابلية الانتشار للمائع (تكون المسارات بين الريش على شكل ممر متباعد) يؤدي إلى ارتفاع في الضغط فضلا عن الوظيفة الأساسية للريش الدوارة (تحويل طاقة الحركة إلى المائع)، و يؤدي ذلك إلى ارتفاع كبير في الضغط في المرحلة الواحدة، حيث تساهم كل من الريش الدوارة والثابتة في ذلك. و تُعرف النسبة بين الزيادة في الضغط نتيجة الريش الدوارة إلى الزيادة في الضغط في المرحلة كلها (الريش الدوارة والثابتة) بمبدأ رد الفعل في الألات التوربينية.

من جانب آخر، باختصار، ترفع الريش الدوارة السرعة المطلقة للمائع، و تحول الريش الثابتة هذه الزيادة في السرعة إلى زيادة في الضغط .

خصائص الأداء

ومن جهة أخرى، 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

الحركية ومعادلات الطاقة

وفي السياق ذاته، تدخل دوامات المائع إلى الحجم المحدد عند نصف قطر  و بسرعة مماسية ، و يغادر عند نصف قطر ، و بسرعة مماسية .

وفي السياق ذاته، كما يمكن حساب القدرة النظرية التي يستهلكها الضاغط و يرمز لها P من المعادلة التالية:

وفي هذا السياق، و في الصورة المقابلة توضيح لمثلث السرعة للمائع عند الدخول والخروج من الريش، حيث:

• و : السرعة المطلقة عند الدخول والخروج على الترتيب.
• و :  السرعة المحورية لتدفق المائع عند الدخول والخروج على الترتيب.
• و :  السرعة الزاوية للمائع عند الدخول والخروج على الترتيب.
• و :  السرعة النسبية للريش عند دخول وخروج المائع على الترتيب.
• :  السرعة الخطية للريش.
• : زاوية ريشة التوجيه (زاوية المائع).
• :  زاوية الريش.
• ويمكن حساب معدل التغير في كمية الحركة و يرمز له F  من المعادلة التالية:
• (من مثلث السرعة)

علاوةً على ذلك، ينص قانون عزم كمية الحركة أن مجموع عزوم القوى الخارجية المؤثرة على مائع موجود في حجم محدد تساوي التغير الصافي في كمية الحركة الزاوية لتدفق المائع خلال الحجم المحدد.

حيث:

الاندفاع

في هذا الإطار، في الرسم البياني للضغط ومعدل التدفق، يُعرف الخط الذي يفصل بين منطقة الاستقرار وعدم الاستقرار بخط التوقف . 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 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.

التطوير

في هذا الإطار، بالرغم من أن جريفيث كان معروفا بسبب أعماله السابقة على تمزق المعدن و قياس الإجهاد، القليل من عمله ظهر لكي يبدأ كنتيجة مباشرة لأبحاثه.

من جانب آخر، 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 سنة 1926، وذكر أن سبب الأداء الضعيف للضواغط الموجودة، يرجع لاستخدامها ريش مسطحة، وكانت بالأساس تحلق مصابة بظاهرة التعطيل.

ومن ناحية أخرى، 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. فضلًا عن أن الضاغط المحوري، يمكن تعديل نسبة الانضغاط فيه، بإضافة مراحل جديدة، ما سيزيد من طول المحرك قليلا.

إضافةً إلى ذلك، و في الولايات المتحدة، مُنحت كل من لوكهيد وجينرال إليكتريك، جوائز في 1941، لتطوير محركات محورية السريان، سابقا المحرك النفاث التوربيني، و لاحقا المحرك  التوربيني ذو المروحة الدافعة.

وعلى صعيد آخر، و أوضح  ألان أن استخدام جنيحات بدلا من الريش المسطحة، سيؤدي لزيادة الكفاءة إلى الحد الذي يصبح عنده تصنيع محرك نفاث عملي، ممكن فعليا.

إضافةً إلى ذلك، كما تضمنت الأوراق الرسم التوضيحي الأساسي لمثل ذلك المحرك، الذي تضمن تربينة ثانية لإدارة المروحة الدافعة.

علاوةً على ذلك، من الجهود المبكرة كذلك في مجال المحركات النفاثة، ما فعله فرانك ويتل وهانز فون أوهاين، اعتمادا على ضواغط الطرد المركزي التي كانت شائعة الاستخدام في الشواحن التوربينية.

من جهة ثانية، في عام 1929 رأى جريفيث أعمال وايت، وقام برفضها بعد أن لاحظ أن هناك خطأ ميكانيكي، وزعم أن حجم الواجهة الأمامي للمحرك ستجعله بلا فائدة عند السرعات المرتفعة للطائرة.

إضافةً إلى ذلك، و في عام 1940، بعد نجاح تصميم وايتل لضاغط الطرد المركزي، تم إعادة تصميمهم ليصبح محرك نفاث، ميتروفيك اف 2.

علاوةً على ذلك، في إنجلترا، حصل هايني كونستانت على موافقة من شركة التربينات البخارية ميتروبوليتان فيكرز (ميتروفيك) في سنة 1937، لبدأ سعيهم لتنفيذ محرك توربيني ذي مروحة دافعة اعتمادا على تصميم جريفيث في سنة 1938.

كذلك، 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 إلى حدّ كبير .

كذلك، دخلت ويستنجهاوس إليكتريك كذلك السباق في عن 1942، واعتبر مشروعها، المشروع الوحيد الناجح من الجهود الأمريكية، حيث أصبح فيما بعد محرك ويستنجهاوس جيه 30.

وعلى صعيد آخر، بدأ العمل الفعلي على المحركات محورية السريان في أواخر الثلاثينات من عام 1930، حيث بدأت الكثير من الجهود في نفس الوقت.

وفي هذا السياق، و في ألمانيا، أنتج فون أوهاين الكثير من المحركات ذات ضواغط الطرد المركزي، و نجحت بالعمل، وتم 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 استعملا تصاميم محورية السريان في أول طائرة نفاثة مقاتلة في العالم (ميسرشميت مي 262) و قاذفة القنابل (أرادو أر 234).

كذلك، كما بدأت كذلك نورثروب مشروعها الخاص لتطوير محرك توربيني  ذو مروحة دافعة، الذي في النهاية تعاقد عليه الأسطول الأمريكي في سنة 1943.

من جانب آخر، 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.

من جهة ثانية، و كان المجهود الوحيد الواضح، هو ضاغط للاختبار، بُني بواسطة هايني كونستانت، زميل جريفيث في مؤسسة الطائرات الملكية.

الريش الثابتة المتغيرة

وفي هذا السياق، يعتبر تصميم الريش الثابتة المتغيرة تصميما أكثر تقدما، حيث يستعمل ريش ثابتة يمكن تدويرها بشكل منفرد حول محورها، عكس محور القدرة للمحرك (تدوير الريش الثابتة عكس اتجاه دوران المحرك).

وفي هذا السياق، نجحت جنرال إليكتريك لمحركات الطائرات بتطوير ضاغط محوري مكون من 10 مراحل بإمكانه العمل على نسبة ضغط تصميمية تبلغ 1:23، وذلك بعد أن قامت بدمج ريش ثابتة متغيرة في المراحل الخمس الأولى من الضاغط.

في هذا الإطار، 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.

ملاحظات التصميم

علاوةً على ذلك، يعتبر محرك جينرال إليكتريك جيه 79 أول مثال رئيسي لاستخدام تصميم الريش الثابتة المتغيرة، واليوم أصبح ميزة شائعة في أغلب المحركات النفاثة العسكرية.

وفي السياق ذاته، 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.

2.التعطيل السلبي

وفي هذا الصدد، يتم تجاهل التوقف المفاجئ السلبي مقارنة بالتوقف المفاجئ الإيجابي، لأن انفصال المائع يكون أقل احتمالا في حدوثه عند جانب الضغط المرتفع من الريشة.

كذلك، 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.

يحدث انفصال المائع عند جانب الضغط المرتفع من الريشة.

إضافةً إلى ذلك، ينخفض ضغط الوصول بشكل ملحوظ مع الانفصال الكبير للمائع، مما قد يؤدي إلى حدوث تدفق عكسي للمائع. كما تنخفض كذلك كفاءة المرحلة مع ارتفاع المفاقيد.

الآثار الناتجة

التسبب بإهتزازات في الريش.

وفي السياق ذاته، قد تتساوى هذه الاهتزازات القسرية مع التردد الطبيعي للريش، مما يؤدي إلى حدوث ظاهرة الصدى ومن ثم تنهار الريشة.

انخفاض كفاءة الضاغط.

الرسوم البيانية

• 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.

وعلى صعيد آخر، تكون الضواغط المحورية، بالقرب من ظروف التصميم خصوصا، قابلة للتحليل والتعديل و تقدير أدائها قبل أن تعمل.

إضافةً إلى ذلك، لكن بعيدا عن نقاط التصميم، يُنظر للأداء بدلالة الخصائص الكلية من ارتفاعات الضغط و ارتفاعات درجة الحرارة، و الرسومات البيانية للكفاءات مقابل تدفقات الكتلة.

الوصف

ومن جهة أخرى، تتكون الضواغط المحورية من مكونات دوارة وأخرى 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 وهي المثبتة على الأسطوانة، و الأخرى ثابتة وتُثبت في غلاف أنبوبي ثابت.

ومن ناحية أخرى، تُعرف مرحلة الضاغط أنها زوج من الجنيحات الثابتة والمتحركة. و تُعرف الجنيحات الدوراة باسم الريش أو الأجزاء الدوارة، وتقوم 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 الدوارة للمرحلة التالية.

كذلك، تقل مساحة المقطع بين الأسطوانة الدوارة والغلاف 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.