अक्षीय संपीडक

Further information: Axial fan design

एक अक्षीय कंप्रेसर का एक एनिमेटेड अनुकरण। स्थिर ब्लेड स्टेटर # द्रव उपकरण हैं।

एक अक्षीय कंप्रेसर एक गैस कंप्रेसर है जो लगातार गैसों पर दबाव डाल सकता है। यह एक घूर्णन, एयरफ़ॉइल-आधारित कंप्रेसर है जिसमें गैस या काम करने वाला द्रव मुख्य रूप से रोटेशन के अक्ष के समानांतर या अक्षीय रूप से प्रवाहित होता है। यह अन्य रोटेटिंग कंप्रेशर्स जैसे केन्द्रापसारक कंप्रेसर , एक्सी-सेंट्रीफ्यूगल कंप्रेसर और मिक्स्ड-फ्लो कंप्रेशर्स से अलग है, जहां फ्लुइड फ्लो में कंप्रेसर के जरिए एक रेडियल कंपोनेंट शामिल होगा। तरल पदार्थ का ऊर्जा स्तर बढ़ जाता है क्योंकि यह रोटर ब्लेड की क्रिया के कारण कंप्रेसर के माध्यम से बहता है जो द्रव पर एक टोक़ लगाता है। स्थिर ब्लेड द्रव को धीमा करते हैं, प्रवाह के परिधि घटक को दबाव में परिवर्तित करते हैं। कंप्रेशर्स आमतौर पर एक बिजली की मोटर या भाप या गैस टरबाइन द्वारा संचालित होते हैं।

अक्षीय प्रवाह कम्प्रेसर संपीड़ित गैस के निरंतर प्रवाह का उत्पादन करते हैं, और विशेष रूप से उनके आकार और क्रॉस-सेक्शन के संबंध में उच्च दक्षता और बड़े द्रव्यमान प्रवाह दर के लाभ हैं। हालांकि, उन्हें एक बड़े दबाव वृद्धि को प्राप्त करने के लिए एयरफॉइल्स की कई पंक्तियों की आवश्यकता होती है, जिससे वे अन्य डिजाइनों (जैसे केन्द्रापसारक कम्प्रेसर) के सापेक्ष जटिल और महंगे हो जाते हैं।

अक्षीय कम्प्रेसर बड़े गैस टरबाइन जैसे जेट इंजन , हाई स्पीड शिप इंजन और छोटे पैमाने के बिजली स्टेशनों के डिजाइन के अभिन्न अंग हैं। उनका उपयोग औद्योगिक अनुप्रयोगों में भी किया जाता है जैसे कि बड़ी मात्रा में वायु पृथक्करण संयंत्र, आग की भट्टी वायु, द्रव उत्प्रेरक क्रैकिंग वायु और प्रोपेन डिहाइड्रोजनीकरण । उड़ान लिफाफे के दौरान उच्च प्रदर्शन, उच्च विश्वसनीयता और लचीले संचालन के कारण, उनका उपयोग एयरोस्पेस रॉकेट इंजन ों में, ईंधन पंपों के रूप में और अन्य महत्वपूर्ण उच्च मात्रा अनुप्रयोगों में भी किया जाता है। रोटर ड्रम और केसिंग के बीच का क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र प्रवाह की दिशा में कम हो जाता है ताकि द्रव के संकुचित होने पर एक इष्टतम मच संख्या अक्षीय वेग बनाए रखा जा सके।

कार्य

जैसे ही द्रव अक्षीय दिशा में प्रवेश करता है और निकलता है, ऊर्जा समीकरण में केन्द्रापसारक घटक खेल में नहीं आता है। यहां संपीड़न पूरी तरह से मार्गों की फैलाने वाली क्रिया पर आधारित है। स्टेटर में विसारक क्रिया द्रव के पूर्ण गतिज सिर को दबाव में वृद्धि में परिवर्तित करती है। ऊर्जा समीकरण में सापेक्ष गतिज सिर एक शब्द है जो रोटर के घूर्णन के कारण ही मौजूद है। रोटर द्रव के सापेक्ष गतिज सिर को कम करता है और इसे द्रव के पूर्ण गतिज सिर में जोड़ता है अर्थात, तरल कणों पर रोटर के प्रभाव से उनका वेग (पूर्ण) बढ़ जाता है और इस तरह द्रव और रोटर के बीच सापेक्ष वेग कम हो जाता है। . संक्षेप में, रोटर द्रव के निरपेक्ष वेग को बढ़ाता है और स्टेटर इसे दबाव वृद्धि में परिवर्तित करता है। विसरित क्षमता के साथ रोटर मार्ग को डिजाइन करने से इसके सामान्य कामकाज के अलावा दबाव में वृद्धि हो सकती है। यह प्रति चरण अधिक दबाव वृद्धि पैदा करता है जो एक साथ स्टेटर और रोटर का गठन करता है। यह टर्बोमाचिन में प्रतिक्रिया सिद्धांत है। यदि एक चरण में 50% दबाव रोटर सेक्शन में प्राप्त होता है, तो इसे 50% प्रतिक्रिया कहा जाता है।

डिजाइन

एकल चरण द्वारा उत्पादित दबाव में वृद्धि रोटर और द्रव के बीच सापेक्ष वेग और एयरफॉइल्स की मोड़ और प्रसार क्षमताओं द्वारा सीमित होती है। एक वाणिज्यिक कंप्रेसर में एक विशिष्ट चरण 90-95% के क्षेत्र में एक बहुउष्णकटिबंधीय दक्षता के साथ डिजाइन स्थितियों में 15% और 60% (1.15-1.6 के दबाव अनुपात) के बीच दबाव में वृद्धि का उत्पादन करेगा। विभिन्न दबाव अनुपात प्राप्त करने के लिए, अक्षीय कंप्रेशर्स को विभिन्न चरणों और घूर्णी गति के साथ डिज़ाइन किया गया है। अंगूठे के एक नियम के रूप में हम मान सकते हैं कि दिए गए कंप्रेसर में प्रत्येक चरण में समान तापमान वृद्धि (डेल्टा टी) होती है। इसलिए, प्रवेश पर, प्रत्येक चरण के तापमान (Tstage) को कंप्रेसर के माध्यम से उत्तरोत्तर बढ़ाना चाहिए और अनुपात (Delta T)/(Tstage) प्रविष्टि को कम करना चाहिए, इस प्रकार इकाई के माध्यम से चरण दबाव अनुपात में एक प्रगतिशील कमी का अर्थ है। इसलिए पिछला चरण पहले चरण की तुलना में काफी कम दबाव अनुपात विकसित करता है। यदि द्रव और रोटार के बीच सापेक्ष वेग सुपरसोनिक है, तो उच्च चरण दबाव अनुपात भी संभव है, लेकिन यह दक्षता और संचालन क्षमता की कीमत पर हासिल किया जाता है। 2 से अधिक के चरण दबाव अनुपात वाले ऐसे कंप्रेशर्स का उपयोग केवल वहीं किया जाता है जहां कंप्रेसर के आकार, वजन या जटिलता को कम करना महत्वपूर्ण होता है, जैसे कि सैन्य जेट में।

विशिष्ट वेग और मोड़ के लिए एयरफॉइल प्रोफाइल को अनुकूलित और मिलान किया जाता है। हालांकि कंप्रेशर्स को अलग-अलग प्रवाह, गति, या दबाव अनुपात के साथ अन्य स्थितियों में चलाया जा सकता है, इसके परिणामस्वरूप दक्षता दंड या प्रवाह में आंशिक या पूर्ण ब्रेकडाउन भी हो सकता है (क्रमशः कंप्रेसर स्टाल और दबाव वृद्धि के रूप में जाना जाता है)। इस प्रकार, चरणों की संख्या पर एक व्यावहारिक सीमा, और समग्र दबाव अनुपात, विभिन्न चरणों की बातचीत से आता है जब डिजाइन की स्थिति से दूर काम करने की आवश्यकता होती है। कंप्रेसर में कुछ लचीलापन प्रदान करके इन "ऑफ-डिज़ाइन" स्थितियों को कुछ हद तक कम किया जा सकता है। यह सामान्य रूप से समायोज्य स्टेटर या वाल्व के उपयोग के माध्यम से प्राप्त किया जाता है जो चरणों (इंटर-स्टेज ब्लीड) के बीच मुख्य प्रवाह से तरल पदार्थ निकाल सकता है। आधुनिक जेट इंजन अलग-अलग गति से चलने वाले कम्प्रेसर की एक श्रृंखला का उपयोग करते हैं; सभी उड़ान स्थितियों के लिए पर्याप्त लचीलेपन के साथ दहन के लिए लगभग 40:1 दबाव अनुपात में हवा की आपूर्ति करने के लिए।

कैनेटीक्स और ऊर्जा समीकरण

रोटर ब्लेड में प्रवेश करने और बाहर निकलने वाले घूमने वाले द्रव का वेग त्रिकोण

कोणीय गति के नियम में कहा गया है कि एक तरल पदार्थ पर काम करने वाले बाहरी बलों के क्षणों का योग जो अस्थायी रूप से नियंत्रण मात्रा पर कब्जा कर रहा है, नियंत्रण मात्रा के माध्यम से कोणीय गति प्रवाह के शुद्ध परिवर्तन के बराबर है।

घूमता हुआ तरल त्रिज्या पर नियंत्रण आयतन में प्रवेश करता है, $r_{1}\,$, स्पर्शरेखा वेग के साथ, $V_{w1}\,$, और त्रिज्या पर छोड़ देता है, $r_{2}\,$, स्पर्शरेखा वेग के साथ, $V_{w2}\,$.

$V_{1}\,$ और $V_{2}\,$ इनलेट और आउटलेट पर क्रमशः पूर्ण वेग हैं।

$V_{f1}\,$ और $V_{f2}\,$ क्रमशः इनलेट और आउटलेट पर अक्षीय प्रवाह वेग हैं।

$V_{w1}\,$ और $V_{w2}\,$ इनलेट और आउटलेट पर क्रमशः भंवर वेग हैं।

$V_{r1}\,$ और $V_{r2}\,$ क्रमशः इनलेट और आउटलेट पर ब्लेड-रिश्तेदार वेग हैं।

$U\,$ ब्लेड का रैखिक वेग है।

$\alpha$ गाइड फलक कोण है और $\beta$ ब्लेड कोण है।

गति के परिवर्तन की दर, F समीकरण द्वारा दी गई है:

$F={\dot {m}}\left(V_{w2}-V_{w1}\right)={\dot {m}}\left(V_{f2}\tan \alpha _{2}-V_{f1}\tan \alpha _{1}\right)\,$ (वेग त्रिकोण से)

एक आदर्श गतिमान ब्लेड द्वारा खपत की गई शक्ति, P समीकरण द्वारा दी गई है:

$P={\dot {m}}U\left(V_{f2}\tan \alpha _{2}-V_{f1}\tan \alpha _{1}\right)\,$

गतिमान ब्लेडों में द्रव की एन्थैल्पी में परिवर्तन:

$P={\dot {m}}\left(h_{02}-h_{01}\right)={\dot {m}}c_{p}\left(T_{02}-T_{01}\right)\,$

इसलिए,

$P={\dot {m}}U\left(V_{f2}\tan \alpha _{2}-V_{f1}\tan \alpha _{1}\right)={\dot {m}}c_{p}\left(T_{02}-T_{01}\right)\,$

जो ये दर्शाता हे,

$\delta (T_{0})_{\text{isentropic}}={\frac {U}{c_{p}}}\left(V_{f2}\tan \alpha _{2}-V_{f1}\tan \alpha _{1}\right)\,$

रोटर ब्लेड में आइसेंट्रोपिक संपीड़न,

$p_{2}-p_{1}=p_{1}\left(\left[{\frac {T_{2}}{T_{1}}}\right]^{\frac {\gamma }{\gamma -1}}-1\right)\,$

इसलिए,

${\frac {(p_{02})_{\text{actual}}}{p_{01}}}=\left(1+{\frac {\eta _{\text{stage}}\delta (T_{0})_{\text{isentropic}}}{T_{01}}}\right)^{\frac {\gamma }{\gamma -1}}\,$

जो ये दर्शाता हे

${\frac {(p_{02})_{\text{actual}}}{p_{01}}}=\left(1+{\frac {\eta _{\text{stage}}U}{T_{01}c_{p}}}\left[V_{f2}\tan \alpha _{2}-V_{f1}\tan \alpha _{1}\right]\right)^{\frac {\gamma }{\gamma -1}}\,$

प्रतिक्रिया की डिग्री, रोटर ब्लेड के प्रवेश और निकास के बीच के दबाव के अंतर को प्रतिक्रिया दबाव कहा जाता है। प्रतिक्रिया की डिग्री के माध्यम से दबाव ऊर्जा में परिवर्तन की गणना की जाती है।

${\begin{aligned}R&={\frac {h_{2}-h_{1}}{h_{02}-h_{01}}}\\P&={\dot {m}}c_{p}\left(T_{2}+{\frac {V_{2}^{2}}{2c_{p}}}-\left[T_{1}+{\frac {V_{1}^{2}}{2c_{p}}}\right]\right)\\P&={\dot {m}}\left(h_{2}-h_{1}+\left[{\frac {V_{2}^{2}}{2}}-{\frac {V_{1}^{2}}{2}}\right]\right)\\h_{2}-h_{1}&={\frac {V_{r1}^{2}}{2}}-{\frac {V_{r2}^{2}}{2}}\\T_{2}-T_{1}&={\frac {V_{r1}^{2}}{2c_{p}}}-{\frac {V_{r2}^{2}}{2c_{p}}}\end{aligned}}$

इसलिए,

$R={\frac {V_{r1}^{2}-V_{r2}^{2}}{V_{r1}^{2}-V_{r2}^{2}+V_{1}^{2}-V_{2}^{2}}}\,$

प्रदर्शन विशेषताएं

एक अक्षीय कंप्रेसर में आदर्श और वास्तविक प्रदर्शन वक्र में अंतर बताते हुए कारण

अस्थिरता

ग्रीट्ज़र एक स्थिर ऑपरेटिंग स्थिति पर लगाए गए एक छोटे गड़बड़ी के बाद एक संपीड़न प्रणाली की क्षणिक प्रतिक्रिया की भविष्यवाणी करने के लिए एक हेल्महोल्ट्ज़ रेज़ोनेटर प्रकार के संपीड़न प्रणाली मॉडल का उपयोग किया। उन्होंने एक गैर-आयामी पैरामीटर पाया जो भविष्यवाणी करता है कि कंप्रेसर अस्थिरता, घूर्णन स्टाल या उछाल का कौन सा तरीका परिणाम होगा। पैरामीटर ने रोटर की गति, सिस्टम के हेल्महोल्ट्ज़ गुंजयमान आवृत्ति और कंप्रेसर वाहिनी की एक प्रभावी लंबाई का उपयोग किया। इसका एक महत्वपूर्ण मूल्य था जो या तो घूर्णन स्टाल या वृद्धि की भविष्यवाणी करता था जहां प्रवाह के खिलाफ दबाव अनुपात का ढलान नकारात्मक से सकारात्मक में बदल गया।

स्थिर-राज्य प्रदर्शन

अक्षीय कंप्रेसर प्रदर्शन एक कंप्रेसर मानचित्र पर दिखाया गया है, जिसे एक विशेषता के रूप में भी जाना जाता है, सही कंप्रेसर गति के विभिन्न मूल्यों पर सही द्रव्यमान प्रवाह के विरुद्ध दबाव अनुपात और दक्षता की साजिश रचकर।

अक्षीय कम्प्रेसर, विशेष रूप से उनके डिजाइन बिंदु के पास आमतौर पर विश्लेषणात्मक उपचार के लिए उत्तरदायी होते हैं, और उनके प्रदर्शन का एक अच्छा अनुमान इससे पहले लगाया जा सकता है कि वे पहले एक रिग पर चलते हैं। कंप्रेसर मानचित्र कंप्रेसर नक्शा पूरी रनिंग रेंज, यानी ऑफ-डिज़ाइन, ग्राउंड आइडल से इसकी उच्चतम सही रोटर गति को दर्शाता है, जो एक सिविल इंजन के लिए टॉप-ऑफ़-क्लाइम्ब या, एक सैन्य लड़ाकू इंजन के लिए, पर हो सकता है। एक ठंडे दिन पर उतरना। सामान्य जमीन और इन-फ्लाइट विंडमिल स्टार्ट व्यवहार के विश्लेषण के लिए आवश्यक उप-निष्क्रिय प्रदर्शन क्षेत्र नहीं दिखाया गया है।

एकल कंप्रेसर चरण का प्रदर्शन चरण लोडिंग गुणांक की साजिश करके दिखाया जा सकता है ($\psi \,$) प्रवाह गुणांक के एक समारोह के रूप में ($\phi \,$)

जैसा कि दिखाया गया है, प्रवाह दर के खिलाफ चरण दबाव अनुपात नो-लॉस चरण की तुलना में कम है। नुकसान ब्लेड घर्षण, प्रवाह पृथक्करण, अस्थिर प्रवाह और वेन-ब्लेड रिक्ति के कारण होते हैं।

ऑफ़-डिज़ाइन ऑपरेशन

एक अक्षीय कंप्रेसर की ऑफ डिज़ाइन विशेषताएँ वक्र। स्टेज लोडिंग गुणांक ($\psi \,$) प्रवाह गुणांक के कार्य के रूप में ($\phi \,$)

एक कंप्रेसर के प्रदर्शन को उसके डिजाइन के अनुसार परिभाषित किया गया है। लेकिन वास्तविक व्यवहार में, कंप्रेसर का ऑपरेटिंग पॉइंट डिज़ाइन-पॉइंट से विचलित हो जाता है जिसे ऑफ-डिज़ाइन ऑपरेशन के रूप में जाना जाता है।

$\psi =\phi (\tan \alpha _{2}-\tan \alpha _{1})\,$

(1)

$\tan \alpha _{2}={\frac {1}{\phi }}-\tan \beta _{2}\,$

(2)

समीकरण (1) और (2) से

$\psi =1-\phi (\tan \beta _{2}+\tan \alpha _{1})\,$

का मूल्य $(\tan \beta _{2}+\tan \alpha _{1})\,$ स्टालिंग तक ऑपरेटिंग पॉइंट्स की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए नहीं बदलता है। भी $\alpha _{1}=\alpha _{3}\,$ रोटर और स्टेटर पर हवा के कोण में मामूली परिवर्तन के कारण, जहाँ $\alpha _{3}\,$ विसारक ब्लेड कोण है।

$J=\tan \beta _{2}+\tan \alpha _{3})\,$ स्थिर है

(') के साथ डिजाइन मूल्यों का प्रतिनिधित्व

${\begin{aligned}\psi '&=1-J(\phi ')\,\\J&={\frac {1-\psi '}{\phi '}}\end{aligned}}$

(3)

ऑफ-डिज़ाइन संचालन के लिए (से eq. 3):

${\begin{aligned}\psi &=1-J(\phi )\,\\\psi &=1-\phi \left({\frac {1-\psi '}{\phi '}}\right)\,\end{aligned}}$

J के धनात्मक मानों के लिए, वक्र का ढाल ऋणात्मक होता है और इसके विपरीत।

बढ़ती

प्रवाह दर और दबाव अंतर के आधार पर प्रदर्शन वक्र पर विभिन्न बिंदु

दबाव-प्रवाह दर के प्लॉट में दो क्षेत्रों- अस्थिर और स्थिर के बीच ग्राफ को अलग करने वाली रेखा को सर्ज लाइन के रूप में जाना जाता है। यह लाइन अलग-अलग आरपीएम पर सर्ज पॉइंट्स को जोड़कर बनाई जाती है। प्रवाह के माध्यम से स्थिर के पूर्ण टूटने के कारण अक्षीय कंप्रेशर्स में अस्थिर प्रवाह को सर्जिंग कहा जाता है।यह घटना कंप्रेसर के प्रदर्शन को प्रभावित करती है और अवांछनीय है।

सर्ज चक्र

सर्जिंग के लिए निम्नलिखित स्पष्टीकरण एक रिग पर एक स्थिर गति से एक कंप्रेसर चलाने और एक वाल्व बंद करके धीरे-धीरे निकास क्षेत्र को कम करने के लिए संदर्भित करता है। क्या होता है, यानी सर्ज लाइन को पार करना, हवा देने की कोशिश करने वाले कंप्रेसर के कारण होता है, जो अभी भी उसी गति से चल रहा है, उच्च निकास दबाव के लिए। जब कंप्रेसर एक पूर्ण गैस टरबाइन इंजन के हिस्से के रूप में काम कर रहा होता है, जैसा कि एक परीक्षण रिग पर विरोध किया जाता है, तो एक विशेष गति पर एक उच्च वितरण दबाव ईंधन में बहुत अधिक स्टेप-जंप जलाने से क्षणिक रूप से उत्पन्न हो सकता है जो एक क्षणिक रुकावट का कारण बनता है। जब तक कंप्रेसर उस गति तक नहीं बढ़ जाता जो नए ईंधन प्रवाह के साथ जाता है और बढ़ना बंद हो जाता है।

मान लीजिए प्रारंभिक परिचालन बिंदु डी (${\dot {m}},P_{D}\,$) कुछ आरपीएम एन पर। वाल्व के आंशिक बंद होने से विशेषता वक्र के साथ समान आरपीएम पर प्रवाह-दर कम करने पर, पाइप में दबाव बढ़ जाता है जिसे कंप्रेसर पर इनपुट दबाव में वृद्धि से ध्यान रखा जाएगा। बिंदु P (सर्ज पॉइंट) तक दबाव में और वृद्धि, कंप्रेसर का दबाव बढ़ जाएगा। आरपीएम को स्थिर रखते हुए बायीं ओर आगे बढ़ने पर, पाइप में दबाव बढ़ जाएगा लेकिन कंप्रेसर का दबाव कम हो जाएगा, जिससे कंप्रेसर की ओर वायु-प्रवाह वापस आ जाएगा। इस बैक फ्लो के कारण पाइप में दबाव कम हो जाएगा क्योंकि यह असमान दबाव की स्थिति लंबे समय तक नहीं रह सकती है। हालांकि वाल्व की स्थिति कम प्रवाह दर के लिए निर्धारित है, बिंदु G कहते हैं, लेकिन कंप्रेसर सामान्य स्थिर संचालन बिंदु E के अनुसार काम करेगा, इसलिए पथ E-F-P-G-E का पालन किया जाएगा जिससे प्रवाह का टूटना होगा, इसलिए कंप्रेसर में दबाव बिंदु H तक गिर जाता है ($P_{H}\,$). पाइप में दबाव में यह वृद्धि और कमी ई-एफ-पी-जी-एच-ई चक्र के बाद पाइप और कंप्रेसर में बार-बार होगी, जिसे वृद्धि चक्र भी कहा जाता है।

यह घटना पूरी मशीन में कंपन पैदा करेगी और यांत्रिक विफलता का कारण बन सकती है। इसीलिए उछाल बिंदु से वक्र के बाएं हिस्से को अस्थिर क्षेत्र कहा जाता है और इससे मशीन को नुकसान हो सकता है। इसलिए अनुशंसित ऑपरेशन रेंज सर्ज लाइन के दाईं ओर है।

रुकना

स्टालिंग एक महत्वपूर्ण घटना है जो कंप्रेसर के प्रदर्शन को प्रभावित करती है। कई चरणों के कंप्रेशर्स में रोटेटिंग स्टॉल का विश्लेषण किया जाता है, ऐसी स्थितियों का पता लगाया जाता है जिसके तहत एक प्रवाह विरूपण हो सकता है जो एक यात्रा संदर्भ फ्रेम में स्थिर होता है, भले ही अपस्ट्रीम कुल और डाउनस्ट्रीम स्थिर दबाव स्थिर हो। कंप्रेसर में, एक दबाव-वृद्धि हिस्टैरिसीस ग्रहण किया जाता है। यह कंप्रेसर के एयरो-फॉयल ब्लेड पर हवा के प्रवाह को अलग करने की स्थिति है। ब्लेड-प्रोफाइल के आधार पर यह घटना इंजन की शक्ति में संपीड़न और गिरावट को कम करती है। पॉजिटिव स्टॉलिंग: ब्लेड के चूषण साइड पर फ्लो सेपरेशन होता है।

नेगेटिव स्टॉलिंग

ब्लेड के प्रेशर साइड पर फ्लो सेपरेशन होता है।

पॉजिटिव स्टॉल की तुलना में नेगेटिव स्टॉल नगण्य है क्योंकि ब्लेड के प्रेशर साइड पर फ्लो सेपरेशन कम से कम होने की संभावना है।

एक बहु-स्तरीय कंप्रेसर में, उच्च दबाव चरणों में, अक्षीय वेग बहुत छोटा होता है। डिजाइन बिंदु से एक छोटे से विचलन के साथ स्टालिंग वैल्यू घट जाती है, जिससे हब और टिप क्षेत्रों के पास स्टॉल होता है, जिसका आकार घटते प्रवाह दर के साथ बढ़ता है। वे बहुत कम प्रवाह दर पर बड़े होते हैं और पूरे ब्लेड की ऊंचाई को प्रभावित करते हैं। बड़े ठहराव के साथ डिलीवरी का दबाव काफी कम हो जाता है जिससे प्रवाह उलट सकता है। उच्च नुकसान के साथ मंच की दक्षता गिरती है।

रोटेटिंग स्टालिंग

See also: Compressor stall

रोटर ब्लेड में वायु प्रवाह की गैर-एकरूपता कंप्रेसर में बिना परेशान किए स्थानीय वायु प्रवाह को बाधित कर सकती है। कंप्रेसर सामान्य रूप से काम करना जारी रखता है लेकिन कम संपीड़न के साथ। इस प्रकार, स्टाल को घुमाने से कंप्रेसर की प्रभावशीलता कम हो जाती है।

ब्लेड के साथ एक रोटर में दाहिनी ओर बढ़ते हुए कहते हैं। कुछ ब्लेड को उच्च घटना पर प्रवाह प्राप्त करने दें, यह ब्लेड सकारात्मक रूप से रुक जाएगा। यह ब्लेड के बाईं ओर और खुद के बीच के मार्ग में रुकावट पैदा करता है। इस प्रकार बायां ब्लेड उच्च घटना पर प्रवाह प्राप्त करेगा और ब्लेड कम घटना के साथ दाईं ओर होगा। बाएं ब्लेड को अधिक स्टॉल का अनुभव होगा जबकि ब्लेड को इसके दाईं ओर कम स्टॉल का अनुभव होगा। दाहिनी ओर रुकना कम हो जाएगा जबकि यह बाईं ओर बढ़ जाएगा। रोटेटिंग स्टॉल की गति चयनित संदर्भ फ्रेम के आधार पर देखी जा सकती है।

प्रभाव

• इससे कंप्रेसर की दक्षता कम हो जाती है
• स्टाल कम्पार्टमेंट से गुजरने के कारण ब्लेड में जबरन कंपन ।
• ये मजबूर कंपन ब्लेड की प्राकृतिक आवृत्ति के साथ मेल खा सकते हैं जिससे अनुनाद होता है और इसलिए ब्लेड की विफलता होती है।

विकास

ऊर्जा विनिमय के दृष्टिकोण से अक्षीय कम्प्रेसर रिवर्स टर्बाइन हैं। उदाहरण के लिए, स्टीम-टरबाइन डिज़ाइनर चार्ल्स अल्गर्नन पार्सन्स ने माना कि एक टर्बाइन जो द्रव के स्थिर दबाव (यानी एक प्रतिक्रिया टरबाइन) के आधार पर काम करता है, उसकी क्रिया हवा कंप्रेसर के रूप में कार्य करने के लिए उलट हो सकती है, इसे टर्बो कंप्रेसर या पंप कहा जाता है। . उनके एक पेटेंट में उनके रोटर और स्टेटर ब्लेडिंग का वर्णन किया गया है कम या कोई ऊँट नहीं था, हालाँकि कुछ मामलों में ब्लेड का डिज़ाइन प्रोपेलर सिद्धांत पर आधारित था। भाप टर्बाइनों द्वारा संचालित मशीनों का उपयोग औद्योगिक उद्देश्यों के लिए किया जाता था जैसे ब्लास्ट फर्नेस में हवा की आपूर्ति करना। पार्सन्स ने 1901 में लीड स्मेल्टर में उपयोग के लिए पहले वाणिज्यिक अक्षीय प्रवाह कंप्रेसर की आपूर्ति की। पार्सन्स की मशीनों की क्षमता कम थी, जिसे बाद में ब्लेड स्टाल के लिए जिम्मेदार ठहराया गया था, और जल्द ही उन्हें अधिक कुशल केन्द्रापसारक कम्प्रेसर के साथ बदल दिया गया। ब्राउन बोवेरी एंड सी ने उल्टे टर्बाइन कंप्रेशर्स का उत्पादन किया, गैस टर्बाइनों द्वारा संचालित, वायुगतिकीय अनुसंधान से प्राप्त ब्लेडिंग के साथ जो 40,000 क्यू.एफटी की बड़ी प्रवाह दर पंप करते समय केन्द्रापसारक प्रकार से अधिक कुशल थे। 45 p.s.i. तक के दबाव पर प्रति मिनट

क्योंकि शुरुआती अक्षीय कम्प्रेसर पर्याप्त रूप से कुशल नहीं थे, 1920 के दशक की शुरुआत में कई कागजात ने दावा किया कि एक व्यावहारिक अक्षीय-प्रवाह टर्बोजेट इंजन  का निर्माण करना असंभव होगा। एलन अर्नोल्ड ग्रिफिथ के बाद चीजें बदल गईं|ए. ए. ग्रिफिथ ने 1926 में एक मौलिक पत्र प्रकाशित किया, जिसमें कहा गया कि खराब प्रदर्शन का कारण यह था कि मौजूदा कम्प्रेसर फ्लैट ब्लेड का इस्तेमाल करते थे और अनिवार्य रूप से वायुगतिकीय उड़ रहे थे। उन्होंने दिखाया कि फ्लैट ब्लेड के बजाय एयरफॉइल का उपयोग दक्षता को उस बिंदु तक बढ़ा देगा जहां एक व्यावहारिक जेट इंजन एक वास्तविक संभावना थी। उन्होंने ऐसे इंजन के मूल आरेख के साथ पेपर का समापन किया, जो टर्बोप्रॉप  है।

हालांकि ग्रिफ़िथ धातु की थकान और तनाव (भौतिकी) माप पर अपने पहले के काम के कारण अच्छी तरह से जाना जाता था, ऐसा लगता है कि उनके पेपर के प्रत्यक्ष परिणाम के रूप में बहुत कम काम शुरू हुआ है। एकमात्र स्पष्ट प्रयास रॉयल एयरक्राफ्ट प्रतिष्ठान में ग्रिफिथ के सहयोगी हेने कॉन्स्टेंट द्वारा निर्मित एक टेस्ट-बेड कंप्रेसर था। अन्य शुरुआती जेट प्रयास, विशेष रूप से फ्रैंक व्हिटेल और हंस वॉन ओहैन के, अधिक मजबूत और बेहतर समझ वाले केन्द्रापसारक कंप्रेसर पर आधारित थे जो सुपरचार्जर में व्यापक रूप से उपयोग किए गए थे। ग्रिफिथ ने 1929 में व्हिटल के काम को देखा था और इसे खारिज कर दिया था, एक गणितीय त्रुटि को ध्यान में रखते हुए, और यह दावा करते हुए कि इंजन का ललाट आकार इसे उच्च गति वाले विमान पर बेकार कर देगा।

1930 के दशक के अंत में अक्षीय-प्रवाह इंजनों पर वास्तविक कार्य कई प्रयासों में शुरू हुआ, जो सभी एक ही समय में शुरू हुए। इंग्लैंड में, हेने कॉन्स्टेंट ने 1937 में स्टीम टर्बाइन कंपनी महानगर-विकर्स (मेट्रोविक) के साथ एक समझौता किया, 1938 में ग्रिफ़िथ डिज़ाइन के आधार पर अपना टर्बोप्रॉप प्रयास शुरू किया। 1940 में, व्हिटल के केन्द्रापसारक-प्रवाह डिज़ाइन के सफल संचालन के बाद, उनका प्रयास शुद्ध जेट के रूप में फिर से डिजाइन किया गया था, मेट्रोविक F.2। जर्मनी में, वॉन ओहैन ने कई काम करने वाले केन्द्रापसारक इंजनों का उत्पादन किया था, जिनमें से कुछ दुनिया के पहले जेट विमान (हिंकेल हे 178 ) सहित उड़ाए गए थे, लेकिन विकास के प्रयास जंकर्स (विमान) (004 सहित ) और बीएमडब्ल्यू (बीएमडब्ल्यू 003 ) पर चले गए थे। , जिसने दुनिया के पहले जेट फाइटर (मैसर्सचमिट मी 262 ) और जेट बॉम्बर (वायु हल 234 ) में अक्षीय-प्रवाह डिजाइन का इस्तेमाल किया। संयुक्त राज्य अमेरिका में, लॉकहीड कॉर्पोरेशन और जनरल इलेक्ट्रिक दोनों को 1941 में अक्षीय-प्रवाह इंजन विकसित करने के लिए अनुबंध दिया गया था, पूर्व लॉकहीड J37 , बाद वाला एक टर्बोप्रॉप। नॉर्थ्रॉप कॉर्पोरेशन ने टर्बोप्रॉप विकसित करने के लिए अपनी परियोजना भी शुरू की, जिसे अमेरिकी नौसेना ने अंततः 1943 में अनुबंधित किया। वेस्टिंगहाउस इलेक्ट्रिक कॉर्पोरेशन ने भी 1942 में दौड़ में प्रवेश किया, उनकी परियोजना अमेरिकी प्रयासों में से एकमात्र सफल साबित हुई, बाद में वेस्टिंगहाउस J30 बन गई। .

जैसा कि ग्रिफ़िथ ने मूल रूप से 1929 में नोट किया था, केन्द्रापसारक कंप्रेसर के बड़े ललाट आकार के कारण यह संकरा अक्षीय-प्रवाह प्रकार की तुलना में अधिक खींचा गया था। इसके अतिरिक्त अक्षीय-प्रवाह डिजाइन केवल अतिरिक्त चरणों को जोड़कर और इंजन को थोड़ा लंबा बनाकर इसके संपीड़न अनुपात में सुधार कर सकता है। केन्द्रापसारक-प्रवाह डिजाइन में कंप्रेसर को ही व्यास में बड़ा होना था, जो एक पतले और वायुगतिकीय विमान धड़ में ठीक से फिट होना अधिक कठिन था (हालांकि पहले से व्यापक उपयोग में रेडियल इंजन के प्रोफाइल से भिन्न नहीं)। दूसरी ओर, केन्द्रापसारक-प्रवाह डिजाइन बहुत कम जटिल बने रहे (प्रमुख कारण वे उड़ान के उदाहरणों की दौड़ में जीते) और इसलिए उन जगहों पर उनकी भूमिका है जहां आकार और स्ट्रीमलाइनर इतने महत्वपूर्ण नहीं हैं।

अक्षीय-प्रवाह जेट इंजन

ओलंपस BOl.1 टर्बोजेट की निम्न-दबाव अक्षीय कंप्रेसर योजना।

जेट इंजन अनुप्रयोग में, कंप्रेसर को विभिन्न प्रकार की परिचालन स्थितियों का सामना करना पड़ता है। टेकऑफ़ के समय जमीन पर इनलेट दबाव अधिक होता है, इनलेट गति शून्य होती है, और शक्ति लागू होने पर कंप्रेसर कई प्रकार की गति से घूमता है। एक बार उड़ान भरने के बाद इनलेट दबाव गिर जाता है, लेकिन इस दबाव को ठीक करने के लिए इनलेट गति (विमान की आगे की गति के कारण) बढ़ जाती है, और कंप्रेसर स्टाल समय तक एक ही गति से चलता रहता है।

ऑपरेटिंग परिस्थितियों की इस विस्तृत श्रृंखला के लिए कोई सही कंप्रेसर नहीं है। फिक्स्ड ज्योमेट्री कंप्रेशर्स, जैसे कि शुरुआती जेट इंजनों में उपयोग किए जाते हैं, लगभग 4 या 5: 1 के डिज़ाइन दबाव अनुपात तक सीमित होते हैं। किसी भी ताप इंजन के साथ, ईंधन दक्षता दृढ़ता से संपीड़न अनुपात से संबंधित होती है, इसलिए इस प्रकार के अनुपातों से परे कंप्रेसर चरणों में सुधार करने के लिए बहुत मजबूत वित्तीय आवश्यकता होती है।

इसके अतिरिक्त, अगर इनलेट की स्थिति अचानक बदल जाती है, तो कंप्रेसर कंप्रेसर बंद कर सकता है, शुरुआती इंजनों पर एक आम समस्या है। कुछ मामलों में, यदि स्टाल इंजन के सामने के पास होता है, तो उस बिंदु से आगे के सभी चरण हवा को संपीड़ित करना बंद कर देंगे। इस स्थिति में कंप्रेसर को चलाने के लिए आवश्यक ऊर्जा अचानक कम हो जाती है, और इंजन के पिछले भाग में बची हुई गर्म हवा टर्बाइन को गति प्रदान करती है पूरे इंजन नाटकीय रूप से। यह स्थिति, जिसे सर्जिंग के रूप में जाना जाता है, शुरुआती इंजनों पर एक बड़ी समस्या थी और अक्सर टरबाइन या कंप्रेसर के टूटने और ब्लेड बहने का कारण बनती थी।

इन सभी कारणों से, आधुनिक जेट इंजनों पर अक्षीय कम्प्रेसर पहले के डिजाइनों की तुलना में काफी अधिक जटिल हैं।

स्पूल

सभी कंप्रेशर्स में घूर्णी गति और दबाव से संबंधित एक इष्टतम बिंदु होता है, जिसमें उच्च गति के लिए उच्च संपीड़न की आवश्यकता होती है। शुरुआती इंजनों को सरलता के लिए डिज़ाइन किया गया था, और एक ही गति से घूमने वाले एक बड़े कंप्रेसर का इस्तेमाल किया। बाद के डिजाइनों में एक दूसरा टर्बाइन जोड़ा गया और कंप्रेसर को निम्न-दबाव और उच्च-दबाव वर्गों में विभाजित किया गया, बाद वाला तेजी से घूमता रहा। रोल्स-रॉयस ओलंपस पर अग्रणी इस दो-स्पूल डिज़ाइन के परिणामस्वरूप दक्षता में वृद्धि हुई। तीसरे स्पूल को जोड़कर दक्षता में और वृद्धि की जा सकती है, लेकिन व्यवहार में अतिरिक्त जटिलता रखरखाव लागत को किसी भी आर्थिक लाभ को नकारने के बिंदु तक बढ़ा देती है। उस ने कहा, उपयोग में कई तीन-स्पूल इंजन हैं, शायद सबसे प्रसिद्ध रोल्स-रॉयस RB211 है, जो विभिन्न प्रकार के वाणिज्यिक विमानों में उपयोग किया जाता है।

ब्लीड एयर, वेरिएबल स्टेटर्स

See also: Bleed air

चूंकि एक विमान गति या ऊंचाई बदलता है, इनलेट पर कंप्रेसर में हवा का दबाव अलग-अलग होगा। इन बदलती परिस्थितियों के लिए कंप्रेसर को ट्यून करने के लिए, अंतिम चरणों में बहुत अधिक हवा को संपीड़ित करने की कोशिश से बचने के लिए, 1950 के दशक में शुरू होने वाले डिजाइन कंप्रेसर के बीच से हवा को बाहर निकालेंगे। इसका उपयोग इंजन को चालू करने में मदद करने के लिए भी किया गया था, जिससे जितना संभव हो उतना खून बहने से ज्यादा हवा को संपीड़ित किए बिना स्पिन किया जा सके। वैसे भी ब्लीड सिस्टम पहले से ही आम तौर पर उपयोग किए जाते थे, टर्बाइन चरण में एयरफ्लो प्रदान करने के लिए जहां इसका उपयोग टरबाइन ब्लेड को ठंडा करने के लिए किया जाता था, साथ ही विमान के अंदर एयर कंडीशनिंग सिस्टम के लिए दबाव वाली हवा प्रदान करता था।

एक अधिक उन्नत डिजाइन, वेरिएबल स्टेटर, इस्तेमाल किए गए ब्लेड जिन्हें इंजन के पावर अक्ष के विपरीत व्यक्तिगत रूप से अपनी धुरी के चारों ओर घुमाया जा सकता है। स्टार्टअप के लिए उन्हें बंद करने के लिए घुमाया जाता है, संपीड़न को कम किया जाता है, और फिर बाहरी परिस्थितियों की आवश्यकता के अनुसार वापस एयरफ्लो में घुमाया जाता है। जनरल इलेक्ट्रिक J79 एक चर स्टेटर डिज़ाइन का पहला प्रमुख उदाहरण था, और आज यह अधिकांश सैन्य इंजनों की एक सामान्य विशेषता है।

वेरिएबल स्टेटर्स को प्रगतिशील रूप से बंद करना, क्योंकि कंप्रेसर की गति गिरती है, ऑपरेटिंग विशेषता (या मानचित्र) पर सर्ज (या स्टॉल) लाइन की ढलान को कम करता है, स्थापित इकाई के सर्ज मार्जिन में सुधार करता है। पहले पांच चरणों में वेरिएबल स्टेटर्स को शामिल करके, जनरल इलेक्ट्रिक विमान इंजन ने एक दस-चरण अक्षीय कंप्रेसर विकसित किया है जो 23:1 डिजाइन दबाव अनुपात पर काम करने में सक्षम है।

डिज़ाइन नोट्स

रोटर और द्रव के बीच ऊर्जा विनिमय

द्रव में ब्लेड की सापेक्ष गति गति या दबाव या दोनों को द्रव में जोड़ती है क्योंकि यह रोटर से गुजरती है। रोटर के माध्यम से द्रव का वेग बढ़ाया जाता है, और स्टेटर गतिज ऊर्जा को दबाव ऊर्जा में परिवर्तित करता है। रोटर में अधिकांश व्यावहारिक डिजाइनों में कुछ प्रसार भी होता है।

द्रव के वेग में वृद्धि मुख्य रूप से स्पर्शरेखा दिशा (ज़ुल्फ़) में होती है और स्टेटर इस कोणीय गति को हटा देता है।

दबाव बढ़ने से स्थिर तापमान में वृद्धि होती है। किसी दिए गए ज्यामिति के लिए तापमान वृद्धि रोटर पंक्ति की स्पर्शरेखा मच संख्या के वर्ग पर निर्भर करती है। वर्तमान टर्बोफैन इंजन में पंखे होते हैं जो मैक 1.7 या उससे अधिक पर काम करते हैं, और ब्लेड हानि क्षति और शोर को कम करने के लिए महत्वपूर्ण रोकथाम और शोर दमन संरचनाओं की आवश्यकता होती है।

कंप्रेसर के नक्शे

एक नक्शा एक कंप्रेसर के प्रदर्शन को दर्शाता है और इष्टतम परिचालन स्थितियों के निर्धारण की अनुमति देता है। यह क्षैतिज अक्ष के साथ द्रव्यमान प्रवाह को दर्शाता है, आमतौर पर डिज़ाइन द्रव्यमान प्रवाह दर के प्रतिशत के रूप में या वास्तविक इकाइयों में। दबाव वृद्धि को ऊर्ध्वाधर अक्ष पर इनलेट और निकास ठहराव दबावों के बीच अनुपात के रूप में दर्शाया गया है।

एक सर्ज या स्टॉल लाइन बाईं ओर की सीमा की पहचान करती है जिसके कंप्रेसर का प्रदर्शन तेजी से घटता है और अधिकतम दबाव अनुपात की पहचान करता है जो किसी दिए गए द्रव्यमान प्रवाह के लिए प्राप्त किया जा सकता है। विशेष घूर्णी गति पर संचालन के लिए दक्षता की रूपरेखा और साथ ही प्रदर्शन रेखाएँ खींची जाती हैं।

संपीड़न स्थिरता

संचालन दक्षता स्टॉल लाइन के सबसे करीब है। यदि डाउनस्ट्रीम दबाव अधिकतम संभव से अधिक बढ़ जाता है तो कंप्रेसर ठप हो जाएगा और अस्थिर हो जाएगा।

आम तौर पर अस्थिरता सिस्टम के हेल्महोल्ट्ज़ अनुनाद पर होगी, डाउनस्ट्रीम प्लेनम को ध्यान में रखते हुए।

यह भी देखें

• Centrifugal compressor
• Axial fan design
• Axial-flow pump

ग्रन्थसूची

• Treager, Irwin E. 'Aircraft Gas Turbine Engine Technology' 3rd edn, McGraw-Hill Book Company, 1995, ISBN 978-0-02-8018287
• Hill, Philip and Carl Peterson. 'Mechanics and Thermodynamics of Propulsion,' 2nd edn, Prentice Hall, 1991. ISBN 0-201-14659-2.
• Kerrebrock, Jack L. 'Aircraft Engines and Gas Turbines,' 2nd edn, Cambridge, Massachusetts: The MIT Press, 1992. ISBN 0-262-11162-4.
• Rangwalla, Abdulla. S. 'Turbo-Machinery Dynamics: Design and Operation,' New York: McGraw-Hill: 2005. ISBN 0-07-145369-5.
• Wilson, David Gordon and Theodosios Korakianitis. 'The Design of High-Efficiency Turbomachinery and Turbines,' 2nd edn, Prentice Hall, 1998. ISBN 0-13-312000-7.