کمپرسور صنعتی هیچ سنخیتی با مسابقات فرمول یک ندارد، اما به جز یک استثنا: کمپرسور سانتریفیوژ بدون روغن اطلس کوپکو مدل ZH 350 پلاس مورد خاصی است که درس جذابی برای توربوماشینها خواهد داشت. انقلاب مقررات فرمول یک از سال ۲۰۲۶ به بعد این ارتباط را پررنگتر هم خواهد کرد.
فیزیک مشترک، دنیاهای متفاوت
چه اشتراکی بین کمپرسور صنعتی ۳۵۰ کیلوواتی که هزاران مترمکعب هوای فشرده برای کارخانه تولید میکند با توربوشارژر خودرو فرمول یکی که از موتور ۱/۶ لیتری قدرتی باورنکردنی بیرون میکشد وجود دارد؟ و چرا در دنیای پروانههای فوق سریع، فشار، حرارت، جریان هوا و واماندگی ناگهان مرز بین کمپرسور صنعتی و مهندسی فرمول یک ناپدید میشود؟ بازدهی یا راندمان این ماشینها چطور ارتقا می یابد؟
هوا وارد پروانه چرخان میشود، سرعت میگیرد و هنگام عبور از بخشهای بعدی مقداری از سرعت خود را به فشار تبدیل میکند. کمپرسور صنعتی با کمپرسور توربوشارژر شبیه و متفاوت هستند. هندسهی قطعات دو دستگاه یکسان نیست، ولی درگیری مهندسان طراح یکی است.
هل دادن هوا با قوانین فیزیکی سر جنگ دارد
چگونگی عملکرد کمپرسور ZH350+
کمپرسور صنعتی و توربوشارژر فرمول یک در قلب خود با یک مشکل ذاتی درگیر هستند، جابجایی و فشردهسازی هوا با بازدهی بالا دشوار است؛ سرعت بسیار بالا و گرمای تولیدی زیاد نیز بر آن بیفزایید. دستگاه کمپرسور ZH350+ کمپرسور صنعتی سه مرحلهای و ۳۵۰ کیلووات است که برای صنایع نیازمند هوای فشرده بدون روغن طراحی شده است. از جمله این صنایع میتوان به خودروسازی، داروسازی و الکترونیک اشاره کرد. این کمپرسور فشاری بین ۶ تا ۱۱ بار تولید میکند که تقریبا همتراز با فشار بوست موتورهای F1 است.
بسیاری کمپرسور را با پیستونی بزرگ و کمپرسوری پیستونی میشناسند. اقسام پرکاربرد کمپرسور در صنعت پیستونی نیستند. برای تراکم در کمپرسور سانتریفیوژ یا گریز از مرکز که ریشهی مشترکی با توربوکمپرسورها دارد قطعهی چرخان و کوچک حجم بسیار زیادی هوا را پردازش میکند. سرعت چرخش بسیار مهم است.
هرچه پروانه سریعت بچرخد، انرژی بیشتری به هوا منتقل خواهد شد. افزایش سرعت اما بیهزینه نیست: بالانس دقیق، یاتاقانها، تلفات آیرودینامیکی، حرارت، ارتعاشات، استحکام مواد و دقت ساخت همگی وسط کار هستند.
در سرعت بالا کوچکترین نقص بزرگترین خرابیها را به بار میاورد.
حذف اصطکاک و تلفات
رادیکالترین تصمیم در طراحی ZH 350 پلاس حذف جعبه دنده است. این کمپرسور با الکتروموتور سنکرون مغناطیس دائمی پرسرعت و بدون هیچگونه واسطه کار میکند تا از تلفات انتقال نیرو در گیربوکس که حدود ۱۰ درصد خواهد بود جلوگیری شود. اصلی مشابه در طراحی توربوشارژرهای فرمول یک هم برقرار است. اندی کاول رئیس پیشین موتورهای مرسدس در سال ۲۰۱۶ گفته است بازدهی توربوشارژر مستقیما بر عملکرد کلی موتور موثر است. اگر ۱۰۰ کیلووات در توربین تولید کنید ولی فقط ۵۰ کیلووات آن به میللنگ برسد شما بازندهاید.
مزیت تیتانیوم چیست؟
پره تیتانیومی، مشکل گشا.
هم ZH350 اطلس کوپکو و هم توربوشارژر مدرن فرمول یک از پروانههای تیتانیومی بهره میبرند. تیتانیوم خواص خستگی برتری دارد که امکان بارگذاری مکرر، تخلیهی سریعتر، کاهش مصرف انرژی و عملکرد خوب در تقاضای نوسانی مصرف را فراهم میکند. در F1 نسبت استحکام به وزن بسیار اهمیت داشته و تحمل نیروهای گریز از مرکز شدید در سرعتهای فراتر از ۱۰۰ هزار دور بر دقیقه تیتانیوم را قهرمان ماجرا ساخته است.
خستگی (به انگلیسی: Fatigue) یا فرسودگی، به شکست ماده در اثر اعمال نیروهای متناوب و تکراریِ کمتر از استحکام نهایی و کمتر از حد تسلیم گفته میشود. ویکیپدیا
بازدهی سه مرحله ای
هوای داغ چگالی کمتری دارد. در حجم یکسانی از هوای داغ اکسیژن کمتری وجود خواهد داشت، بنابراین مشکلی جدید در پیش است:
چقدر بوست میتوان تولید کرد؟ قبل از حرارت افراطی چقدر هوای فشرده و مفید میتوان تحویل موتور داد؟
فشار بیشتر لزوما مساوی با عملکرد بهتر نیست. هدف تولید بالاترین فشار نیست، هدف تولید فشار مناسب، در دبی مناسب، با بهترین بازدهی عملیاتی است.
طراحی سه مرحلهای فشردهسازی در کمپرسورهای سانتریفیوژ ضروری است. برخلاف کمپرسور اسکرو این کمپرسورها نسبت تراکم کوچکی داشته و بکارگیری پیکربندی چندمرحلهای اجتنابناپذیر است. سه مرحله فشردهسازی در ZH350پلاس نیز کارآمدترین پیکربندی برای دستیابی به فشار ۷ تا ۱۱ بار است و جریان هوادهی در مقایسه با طراحی دومرحله ۴ تا ۹ درصد به ازای هر کیلووات بهبود می یابد.
مشابه این بهینهسازی ترمودینامیکی را مهندسان سازنده خودروی فرمول یک هم لحاظ میکنند. تعادل بین نسبت فشار و جریان جرمی برای جلوگیری از واماندگی کمپرسور یا خفگی نیازمند دقت بر نقشههای کمپرسور است. واماندگی در اینجا به شکل جریان معکوسی که به پرهها آسیب میزند و خفگی به شکل گرمایش بیش از حد و فروپاشی بازدهی نمود پیدا میکند.
چه تغییری در فرمول یک و قوانین آن برای سال ۲۰۲۶ در راه است؟
هرچه دور موتور بالاتر، صدای سوت توربین گوشخراشتر
مهندس فرمول یک نمیگوید بیاید بوست را بیشتر کنیم. افزایش بوست توربوشارژ یعنی افزایش دمای هوا، بار مکانیکی بیشتر، تلفات مکانیکی بیشتر، فشار بیشتر به توربوکمپرسور و دشواری در دریافت پاسخ از سیستم. هوای فشرده را باید به شکلی مطمئن و در محدودهی وسیعی از شرایط کاری تولید کرد.
مقررات جدید قسمت تولید قدرت در سال ۲۰۲۶ بر حذف سیستم MGU-H تاکید دارد. سیستم MGU-H پیش از این مدیریت پاسخ توربوشارژر را بر عهده داشت. MGU-H مخفف Motor Generator Unit Heat است که معرف موتور-ژنراتور متصل به قسمت حرارتی بود.
چرا MGU-H اهمیت داشت؟
سیستم MGU-H موتور-ژنراتوری بر روی محور توربوشارژر بود که انرژی گرمایی خروجی اگزوز را بازیابی کرده و از آن برای چرخاندن توربو در دورهای پایین موتور استفاده میکرد. عملکرد MGU-H به طور موثری تاخیر توربو را از بین میبرد. این سیستم توان دستیابی به بازدهی حرارتی قابل توجه ۵۰ درصدی و بازیابی انرژی ۱۶۰ اسب بخار را داشت. چرخهی دوستداشتنی MGU-H یعنی روشن ماندن توربو در لحظاتی که راننده پدال گاز را نمیفشارد و به محض تقاضای راننده بیدرنگ توان زیادی تحویل میداد.
بازگشت تاخیر توربو با تغییرات ۲۰۲۶؟
با حذف MGU-H در سال ۲۰۲۶ توربوشارژر دیگر تنها به انرژي گازهای اگزوز متکی خواهد بود. رئیس بخش موتورهای هوندا در فرمول یک میگوید در پیستهای مرتفعی چون رینگ ردبول توربوشارژر نسبت به سایر پیستها سختتر کار میکند. این کار سخت به دلیل آن است که هوای رقیق به فشردهسازی بیشتری نیاز دارد. مشابه این را در کار کمپرسورها هم میبینیم. در غیبت MGU-H مدیریت توربوشارژر و موتور به شکل همزمان دشوار خواهد بود.
در ساخت تلهکابین توچال ماشینآلات کمپرسور مورد استفاده در تولید هوای فشرده کافی با مشکل روبرو شدند. این مشکل دو شاخه داشت: اول آنکه در فشار پایین هوا اکسیژن کمتری برای موتور تامین شده و توان موتور افت میکند. دوم آنکه کمپرسور برای فشار اتمسفریک بهینه شده است، این بدین معناست که در فشار هوای پایین ارتفاعات ماشین بایستی زحمت بکشد تا تازه به خط شروع برسد و فشار را به یک اتمسفر برساند. چنین اشکالی مشابه آن است که در مسابقه دو میدانی نقطه آغاز شما ۱۰ متر عقبتر باشد و در نتیجه حجم هوای فشرده هم افت خواهد کرد. ابتکار مهندسان حاضر آن بود که گونهای تنظیم کردند که کمپرسور خلاص نکند و پیوسته با دور ماکسیمم موتور دیزلی کار کند.
بهمن باتمانقلیچ کارآفرین ایرانی بود که چندین پروژه بزرگ در ایران از جمله تلهکابین توچال را احداث کرد. کار ساخت تلهکابین، در سال ۱۳۵۳ با همکاری شرکتهای فرانسوی «پوما» و اتریشی «دوپل مایر» آغاز شد و در سال پاییز ۱۳۵۶ پایان یافت.
برای مثال کمپرسور اسکرو اگر برای تولید هوای ۷ بار کار میکند و موتور آن ماکسیمم ۲۳۰۰ دور و نرمال ۱۲۰۰ دور بر دقیقه میزند، در فاصلهای که به ۷/۵ بار رسانده خلاص میکند و دور موتور دیزلی پایین آمده روی ۱۲۰۰ کار میکند تا دوباره که فشار تولیدی به ۷ بار رسید دور را افزایش داده و فشار تولید کند. مهندسان اعزامی اطلس کوپکو به محل پروژه تلهکابین توچال خلاصی کمپرسور را حذف کرده و تنظیم کردند که پیوسته با دور ۲۳۰۰ دور بر دقیقه کار کند تا کمبود ناشی از ارتفاع، افت فشار و غلظت ناکافی اکسیژن را جبران کند.
بازگشت تاخیر توربو باعث خواهد شد که رانندگان در خط شروع دور موتور را بالاتر نگاه دارند. کمپرسورهای کوچک هم در صنعت از پیش روشن میشوند تا از همان ابتدا بوست کامل داشته باشند.
صنعتهای موازی؛ نقشههای کمپرسور و پنجرهی عملکردی
راننده گاز میدهد. توربو وارد نمیشود. بعد ناگهان وارد میشود و میکوبد. این تاخیر توربوشارژر کمپرسور فرمول یک است.
کدام قطعه در توربوشارژر وجود دارد که در کمپرسور ZH350 غایب است؟
توربین متصل به گازهای خروجی موتور
کمپرسور صنعتی ZH350 پلاس اطلس کوپکو و توربوشارژرهای فرمول حول بهینهسازی محدودهی عملیاتی خود طراحی میشوند. ZH350 این کار را چطور انجام میدهد؟
کمینهسازی افت فشار: کولرهای میانی یا اینترکولرهای قوی افت فشار بین مراحل را کاهش میدهد. این کولرها با اندازهی بهینه ساخته میشود.
خنککاری داخلی پایدار و پیوسته: سیستم خنککاری کمپرسور مدار بسته و آبی است. این سیستم عمر قطعات را افزایش داده و عملکرد با ثبات را تضمین میکند.
قابلیت تنظیم سرعت: در منطقهی چرخش پایین یا بار جزئی کمپرسور سرعت موتور به گونهای قابل تنظیم است که عملکرد کارآمد در نوسانات تقاضا هم حفظ شود.
نقشهی کمپرسور در طراحی مهندسان F1 نیز اصول مشابهی را پیروی میکند. پارامترهای حائز اهمیت عبارت است از جزیرههای بازدهی، محدودهی واماندگی و منقطهی خفگی کمپرسور
سیستم MGU-H به مهندسان اجازه میداد که تقلب کنند: کمپرسور با بکارگیری الکتروموتور در زمانی که گاز اگزوز کافی موجود نبود نقطهی اوج بازدهی خود را تامین میکرد. با حذف این سیستم در سال ۲۰۲۶ میلادی بازطراحی کمپرسور ضروری است. تیم طراحی فرمول یک پروانههای کمپرسور را برای پنجرهی عملیاتی کوتاهتر اما کارآمدتری طراحی خواهند کرد و مدیریت بوست تهاجمیتری را پیش خواهند گرفت. برای حفظ سرعت توربو میتوان کل توربین را نیز مجدد طراحی کرد.
موتور گازهای خروجی داغ و پرانرژی تولید میکند و توربین بخشی از انرژی موردنیاز خود را از گازهای خروجی گرفته و کمپرسور را میچرخاند. سیستم MGU-H با شافت توربوشارژر تعامل داشت و از انرژی موجود در سیستم توربو برای بازیابی انرژی و کنترل سرعت آن استفاده میکرد. از ۲۰۱۴ تا ۲۰۲۵ این سیستم جادو کرده و تاخیر توربو را حذف میکرد.
بازدهی؛ شاخص نهایی
کمپرسور ZH 350+ دارای گواهینامهی ایزو ۸۵۷۳-۱ یعنی کلاس صفر هوای فشرده است. تحت این استاندارد کمپرسور هوای کاملا پاک و بدون روغن تولید میکند. این کمپرسور ۴ درصد صرفهجویی انرژی بهتر در مقایسه با مدلهای پیشینی، که خود هم شاهکار بازدهی کمپرسور بودند، ارائه میدهد. دستاورد حاضر ۴ ستون دارد:
۱- حذف تلفات انتقال نیرو و ۹ درصد صرفهجویی
۲. خنککاری بهینهی بینمرحلهای با اینترکولر
۳. تنظیم دقیق سرعت
۴. کمینهسازی تلفات تخلیهی اضافی یا بلو آف (BlowOff)
مقررات ۲۰۲۶ فرمول یک به شکل مشابهی بر اهمیت بازدهی تاکید دارد. MGU-H شاهکاری در بازیابی حرارتی بود ولی حذف آن مجموعه تولید قدرت را سادهتر و هزینهها را کمتر میکند. این مسئله در سبک سنگینهای تولیدکنندگان کمپرسور صنعتی نیز جای خود را دارد؛ آنها بایستی بین پیچیدگی و ساخت کمپرسور مطمئن به تعادلی دست یابند.
DNA مشترک
کمپرسور اطلس کوپکو مدل ZH350 پلاس و توربوشارژر خودروی F1 هر دو از شاخهی مشترک و اکوسیستم یکسانی در مهندسی ریشه گرفتهاند. هر دو دستگاه فشردهسازی گریز از مرکز را بهینه میکنند، با تلفات مکانیکی در جنگند و بازدهی ترمودینامیکی را با سختگیری در جزئیات پی میگیرند. کاهش تلفات انتقال نیرو، ارزش پروانههای تیتانیومی و بهینهسازی کلیدی محدودهی عملیاتی در غیاب MGU-H، اهمیتی دو چندان یافتهاند.
