ایرند کمپرسور اسکرو از دقیقترین قطعات مهندسیشده است. شرکتهای سازنده کمپرسور از طرحهای اختصاصی، ماشینکاری پیشرفتهی CNC و ریختهگریهای مخصوص برای ساخت دقیق روتور این کمپرسورها بهره میبرند. طراحی و پروفایل روتور کمپرسور اسکرو بر بازدهی و عملکرد آن موثر است و ضروری است که در تانگوی دونفرهی روتورهای نر و ماده، هیچگاه، هیچگونه تماسی میان این دو قطعهی مهندسی رخ ندهد.
المنت کمپرسور اسکرو با اسامی مختلفی شناخته میشود، المنت اصطلاحی است که کمپانی اطلس کوپکو جا انداخته است. ایرند (airend) عنوانی عمومی تر است؛ همچنین محفظهی تراکم، استیج فشردهسازی، مرحله فشرده سازی و امثالهم اصطلاحاتی است که عموما به المنت کمپرسور اسکرو اشاره دارد. باید توجه داشت که یک استیج یا مرحله فشردهسازی جوانب دیگری نیز دارد اما مهمترین بخش هر مرحلهی تراکم هوا در کمپرسور اسکرو در محفظهی تراکم رخ میدهد. محفظهی تراکم متشکل از پوسته یا سیلندر بوده و روتورهای نر و ماده در درون آن در یکدیگر تنیده اند. روتورهای نر و ماده نامتقارن هستند و تعداد برجستگی (lobe) متفاوتی دارند.
طراحی محفظهی تراکم انواع مختلفی دارد که بسیار شبیه یکدیگرند. کمپانیها و طراحان مختلف از ریزهکاریهایی برای افزایش بهرهوری و بهبود عملکرد کمپرسور استفاده میکنند، اما در بررسی باید به خاطر داشته باشیم دو دستهبندی وجود دارد که با یکدیگر تفاوت اساسی دارند: روغنی (Oil Inject/Oil Flooded) و بدون روغن (Oil-free یا هوای خشک).
کمپرسور روغنی و کمپرسور اویل فری
در کمپرسور اسکرو روغنی همانطور که پیشتر بررسی شده است، روغن به درون محفظهی تراکم ورود میکند و بر روی قطعات متحرک و جریان هوای گذری تزریق میشود. چنین تزریقی مزایای متعددی دارد: روانکاری قطعات، خنک کنندگی و پاکسازی ذرات به جا مانده از قبل. همچنین فیلم روغن فضای میان روتور و پوسته را پر میکند و در نتیجه فضای کمتری برای جریان برگشتی وجود دارد؛ کاهش فضای برگشتی از هدررفت هوای فشرده کاسته و بهرهوری را افزایش میدهد.
در کمپرسور اسکرو اویل فری همانطور که پیشتر بررسی شده است، غیاب روغن با پارامترهای طراحی پر میشود. این پارامترها عبارتند از روکش مخصوص روتور، کولر میانی، چرخدندههای زمانبندی، افزایش تعداد مراحل فشردهسازی، ژاکت خنککنندهی دور ایرند، بلبرینگهای سریعتر و دقیقتر و آببندی بهتر و در نتیجه، تعمیر ایرند کمپرسور اسکرو اویل فری دشوارتر و پیچیدهتر است. این دو مسئله اهمیت نگهداری آن را برجستهتر مینماید، زیرا جبران آسیب به مراتب گرانتر از کمپرسور اسکرو روغنی است.
سیلندر کمپرسور اسکرو
سیلندر محفظهی تراکم کمپرسور اسکرو بسته به فشاری که تحمل خواهد کرد از جنسهای مختلفی ساخته میشود؛ عموما آلیاژهای مختلف فولاد و در بیشتر موارد چدن. استاندارد طراحی این سیلندرها API619 است که بنا بر آن استفاده از پوسته چدنی برای فشارهای بیش از ۲۷ بار یا ۴۰۰ psig، دماهای بیش از ۲۶۰ درجه سانتیگراد یا ۵۰۰ درجه فارنهایت و گازهای سمی و اشتعالپذیر مجاز نیست.
سیلندر محفظه تراکم کمپرسور اویل فری مجهز به ژاکتی است که در آن آب یا روغن خنک کننده جاری بوده و با انتقال حرارت وظیفهی خنکسازی استیج فشرده سازی را بر عهده دارد. برای تحمل بارهای محوری و شعاعی از یاطاقانهای متناظر کروی، بلبرینگ کمپرسور، و استوانهای در کمپرسور اسکرو استفاده میشود.
روتور کمپرسور اسکرو
جریان هوای ورودی پس از ورود به سیلندر و محفظهی تراکم و به واسطهی ساختار و ماشینکاری مخصوص روتورهای درهمتنیدهی کمپرسور اسکرو، همزمان با فشردگی و افزایش فشار به جلو و در راستای محوری هدایت میشود. جفت دندههای کمپرسور اسکرو که یکی بر سر شافت سمت موتور، خواه الکتروموتور و خواه موتور دیزلی، نصب شده و دیگری بر سر شافت سمت کمپرسور، تعداد دندانههایی متفاوت دارند. در نتیجهی این تفاوت، هر دور موتور چندین دور روتورها را میچرخاند.
تاریخچه: کمپرسور اسکرو بدون روغن اختراعی جدید نیست. اولین کمپرسور اسکرو اویل فری یا بدون روغن در سال ۱۹۵۲ در شرکت GHH که بعدتر توسط اینگرسولرند خریداری شد ساخته شد.
روتور کمپرسور اسکرو معمولا از فولاد و آلیاژهای آن تراشیده یا ریختهگری میشود. همچنین در کمپرسورهای اویل فری از روکشهای مخصوصی برای جبران ضعفهای ناشی از غیبت روغن استفاده میشود که عموما بر دو نوع است: پلی تترا فلوئورو اتیلن یا تفلون و مولیبدنوم دی سولفید. تفلون برای درجات حرارت معمول و پایین و روکش نوع دوم برای درجات حرارت بالاتر و کمپرسورهای فعال در فشار و دمای بالا استفاده میشود.
ساخت روتور کمپرسور اسکرو
روتورهای کمپرسور اسکرو با دو روش آهنگری و ریختهگری شکل داده میشود. هرچند ریختهگری نیز روشی پذیرفته و استاندارد تحت استانداردهای ASME و ASTM است، اما کیفیت روتورهای آهنگری و تراشکاری شده بالاتر است. روتورهای محصول ریختهگری معمولا ضعفهایی چون تخلخل یا عمر مفید کوتاهتر دارند. آهنگری استحکام و عمر مفید قطعه را بالاتر میبرد.
در برخی از مدلهای روتور کمپرسور اویل فری، روتورها توخالی ساخته میشود تا امکان جریان سیال خنک کننده در درون آن فراهم شود. همچنین ضخامت روکشهای تفلون و دی سولفید مولیبدنوم به عوامل متعددی بستگی دارد.
همانطور که پیشتر گفته شد سرعت دورانی روتورهای کمپرسور اسکرو تا چندین برابر دور موتور خواهد بود. در چنان سرعت دورانی اطمینان از بالانس مکانیکی و کنترل لرزش ضروری است. بازبینی دورهای روتورها از نظر دینامیکی توصیه میشود. این مسئله در کمپرسورهای اسکرو اویل فری از اهمیت بیشتری برخوردار است، زیرا المنت یا محفظهی تراکم این کمپرسورها طراحی پیچیدهتر و تعمیرات دشوارتری دارد.
یاطاقان کمپرسور اسکرو
در اغلب کمپرسورهای اویل فری بزرگ، یاطاقانهای شعاعی از نوع غلافی (sleeve) و یا tilting pad به کار گرفته میشود. در این مدلها، لایهای از بابیت (آلیاژ قلع) بر روی پوستهی فولادی ریختهگری میشود. بر اساس دستورالعمل استاندارد API619 که پیشتر بدان اشاره شد، یاطاقانها باید طوری طراحی و ساخته شود که برای تعویض آنها نیازی به خارج کردن روتورها نباشد.
طراحیهای جدید ایرند کمپرسور اسکرو، برای مثال طراحی پروفایل سیگما از کمپرسور کایزر، مصرف انرژی را به طور جدی کاهش داده و دمای کاری را پایین آوردهاند.
یاطاقانهایی که بار محوری داخل المنت کمپرسور اسکرو را تحمل میکنند، عموما از نوع Tilting pad بوده و نباید متقارن باشند. در کمپرسورهای فشار معمولی از بلبرینگ و یا رولربرینگ استفاده میشود. مهمترین بار وارده بر روی قطعات مذکور فشار هوا و وزن روتورهاست. بار در قسمت خروجی هوای فشرده بیشتر است، زیرا همانطور که گفته شد بار وارده حاصل جمع وزن روتورها و فشار هوا بوده و در قسمت خروجی فشار هوا افزایش یافته است.
طراحی یاطاقان: هنر تحمل فشار
در کمپرسورهای اسکرو اویل فری، یاطاقانهای Tilting Pad و Sleeve Bearing به گونهای طراحی شدهاند که بارهای محوری و شعاعی را به طور موثر تحمل کنند. این یاطاقانها با استفاده از آلیاژ بابیت، که دارای مقاومت بالا در برابر سایش است، ساخته میشود. طراحی غیرمتقارن یاطاقانها به ویژه در کمپرسورهای فشار بالا باعث میشود که نیروهای وارد بر قطعات به طور یکنواخت توزیع شود. این تکنولوژی نه تنها طول عمر دستگاه را افزایش میدهد، بلکه هزینههای تعمیر و نگهداری را نیز به طور چشمگیری کاهش میدهند.
نقش استراتژیک روغن در کمپرسورهای اویل اینجکت
روغن در کمپرسورهای اسکرو اویل اینجکت، نقشی فراتر از یک روانکننده ساده ایفا میکند. روغن به عنوان یک واسطه حرارتی عمل میکند و حرارت تولید شده در فرآیند تراکم را جذب و دفع میکند. علاوه بر این، روغن به عنوان یک مهر و موم طبیعی بین روتورها و پوسته عمل کرده و نشت هوا را به حداقل میرساند. این ویژگیها باعث میشود که کمپرسورهای اویل اینجکت گزینهای ایدهآل برای کاربردهایی باشند که به فشارهای بالا و عملکرد مداوم نیاز دارند. انتخاب روغن با گرانروی مناسب و مقاوم در برابر اکسیداسیون، نه تنها عمر کمپرسور را افزایش میدهد بلکه هزینههای نگهداری را نیز کاهش میدهد.
هنر مهندسی روتور: ظرافت در طراحی و دقت در اجرا
روتورهای کمپرسور اسکرو قلب تپنده این دستگاهها هستند و طراحی آنها بر اساس اصول دقیق دینامیک سیالات انجام میشود. تفاوت در تعداد برجستگیها (Lobes) بین روتور نر و ماده به گونهای است که فشار هوا به طور یکنواخت افزایش یابد. علاوه بر این، پوششهای خاصی مانند تفلون و دیسولفید مولیبدنوم در کمپرسورهای اویل فری نه تنها از خوردگی جلوگیری میکنند، بلکه باعث کاهش اصطکاک میشوند. این تکنولوژیها به کمپرسور اجازه میدهند که در دماها و فشارهای بالا با بهرهوری فوقالعاده کار کند. روتورهای ساخته شده با روش آهنگری و ماشینکاری دقیق، به دلیل ساختار مستحکم و عمر طولانی، انتخاب ایدهآلی برای کاربردهای حساس و پر فشار هستند.
بسیاری از کمپرسورهای جدید و بازدهی بالا از دو استیج یا مرحله استفاده میکنند. این طراحی زحمت فشردهسازی را میان دو مرحله تقسیم کرده و هوا در بین دو مرحله با کولر خنک میشود. در برخی از مدلهای جدید حتی هر کدام از مراحل در محفظهای جمع و جور و جداگانه تعبیه میشود.
تاثیر دقت ماشینکاری بر عملکرد روتورها
کیفیت و دقت ماشینکاری روتورهای کمپرسور اسکرو تاثیر مستقیمی بر عملکرد و بازده دستگاه دارد. در کمپرسورهای اویل فری، فاصله بسیار کم بین روتورها و پوسته، نیازمند دقت بالایی در ماشینکاری است تا از هرگونه تماس فیزیکی و آسیب احتمالی جلوگیری شود. در کمپرسورهای روغنی هم، هرچند روغن بخشی از فاصله را پر میکند، اما دقت ساخت و کیفیت سطح روتورها نقش مهمی در کاهش اصطکاک و افزایش طول عمر دستگاه دارد. به همین دلیل، استفاده از تجهیزات دقیق CNC برای تولید این قطعات امری ضروری است. توجه داشته باشید که در طراحی کمپرسور اسکرو و سایر کمپرسورهای هوا همواره بازدهی کمپرسور از کلیدیترین نکات حائز اهمیت است. همانطور که سرمد عزیز، از همراهان سایت، در کامنتهای پُست هوادهی کمپرسور اسکرو متذکر شدند، بازدهی تفاوت میان ظرفیت جابجایی و ظرفیت هوادهی واقعی کمپرسور اسکروست.
در کمپرسورهای اسکرو، روتورها نقشی اساسی در فرآیند فشردهسازی ایفا میکنند. این روتورها معمولاً از یک جفت مارپیچ نر و ماده تشکیل شدهاند که با چرخش هماهنگ، هوا را به دام انداخته و آن را به تدریج فشرده میکنند. طراحی دقیق این مارپیچها، که شامل زاویه پیچش، فاصله بین روتورها و دقت ماشینکاری است، مستقیماً بر راندمان کمپرسور تأثیر میگذارد. روتورهای باکیفیت از آلیاژهای مستحکم و مقاوم در برابر سایش ساخته میشوند تا در برابر فشارهای بالا و دمای زیاد عملکردی پایدار و طولانیمدت داشته باشند.
یکی از نکات مهم در نگهداری روتورهای کمپرسور اسکرو، اطمینان از روانکاری مناسب و بررسی منظم فاصله بین روتورها است. هرگونه اختلال در فاصله دقیق بین این مارپیچها میتواند منجر به کاهش راندمان، افزایش اصطکاک و استهلاک زودرس شود. همچنین استفاده از روغنهای مخصوص کمپرسور اسکرو که ویژگیهای خنککنندگی و روانکاری بهینه دارند، برای حفظ عملکرد ایدهآل دستگاه ضروری است. نظافت دورهای و جلوگیری از ورود ذرات آلوده نیز از عواملی هستند که طول عمر و بهرهوری روتورها را افزایش میدهند.
کدام ریزهکاریها ایرند کمپرسور اویل فری را خلق میکند؟
در کمپرسور اویل فری روغن غایب بود و اهمیت روغن در کمپرسور اسکرو غیرقابل انکار است. جای خالی آن را چطور پر کرده اند؟
- چرخدندههای زمانبندی
در کمپرسور روغنی لایهی روغن شناور است که حرکت را از روتور نر به روتور ماده منتقل میکند. در غیاب روغن دو چرخدنده بر روی محور هرکدام از روتورها و در بیرون سیلندر نصب میشود تا حرکت آنها در هماهنگی کامل قفل شود. ضمانت عدم برخورد روتورها در سرعتهای بسیار بالا بر عهدهی همین دندههاست.
- پوششدهی پیشرفته
روتور کمپرسور اویل فری با روکشهای خاصی پوششدهی میشود. مواد مورد نظر عبارتند از PTFE یا تفلون، PEEK یا پلی اتر اتر کتون، اولتراکوت و مولیبدنوم دی سولفید. هرکدام از این روکشها مزیت و ضعف خود را دارد، اما همگی آنها در اصطکاک کم و مقاومت در برابر ساییدگی مشترک هستند و فاصلهی میان دو روتور را بسیار کم و کمتر از مدلهای روغنی میکند. کاهش فاصله یعنی کاهش نشتی داخلی هوای فشرده و افزایش بازدهی حجمی.
- بهینهسازی آیرودینامیکی
پروفایل روتورهای اویل فری نامتقارن و فوقبازده و به طور ویژه بر حذف و کاهش مسیرهای نشت متمرکز هستند. بزرگترین نشتی کمپرسور به صورت جریان برگشتی رخ میدهد که با این تدابیر کاسته میشود.
- تزریق آب و دیگر مایعات خنککننده در برخی از طراحیها
در برخی از طراحیهای کمپرسور بدون روغن، مقدار کمی از آب خنک کننده به درون ایرند کمپرسور تزریق میشود. این فرآیند حرارت هوای فشرده را گرفته و آب تزریقی پس از عملیات به راحتی جدا میشود.
- تراکم چندمرحلهای و کولر میانی
در کمپرسورهای اویل فری، برای کیلووات و هوادهی مشابه با کمپرسور روغنی، از دو استیج به جای یک استیج استفاده میشود. تقسیم کار و خنککاری بینمرحلهای مصرف انرژی را کاهش داده، فشردهسازی را به فرآیند ایدهال ایزوترمال نزدیک میکند و از آسیب ناشی از انبساط حرارتی جلوگیری میکند.
- سیلندر فولاد یا چدن ضدزنگ و ژاکت آبخنک دور آن
بدنهی ایرند کمپرسور اویل فری مجهز به ژاکتهای خنککننده است و آب در اطراف سیلندر جریان دارد.
- بلبرینگهای مخروطی و مغناطیسی سرعت بالا و دقیق
بلبرینگ کمپرسور اویل فری سنگینتر و فوق دقیق است و بدون نیاز به روانکاری روغنی کار میکند. در کمپرسورهای پیشرفتهتر از بلبرینگهای مغناطیسی استفاده میشود. این بلبرینگها با بهرهگیری از میادین مغناطیسی شناور میماند و اصطکاک مکانیکی از آن حذف میشود. حذف تماس افت نیرو را نیز کاهش میدهد.
- آببندی و مهر و موم میکرونی با سیلهای لابیرنت و کربنی
سیلهای لابیرنت با مسیرهای زیگزاگی یا رینگ کربنی که بر روی شافت روتور نصب میشود جای آببندی روغنی را میگیرد. نشت هوای فشرده به بیرون و نشت هوای محیط به داخل بدون نیاز به هرگونه روانکاری روغنی حذف میشود.
- بهینهسازی هندسهی دریچههای ورود و خروج کمپرسور
با بهرهگیری از دینامیک سیالات محاسباتی یا CFD شکل، زوایا و اندازههای دهانه ورودی و خروجی ایرند طراحی میشود. طراحی دقیقتر افت فشار و آشفتگی هوا به هنگام ورود و خروج را به حداقل رسانده و در غیاب اصطکاک آیرودینامیکی جریانی آرام با کمترین هدررفت انرژی پدید می آید.
- تطابق بهتر با تکنولوژی سرعت متغیر VSD و VFD
ایرند اویل فری برای کارکرد با گستره وسیعی از دورهای موتور طراحی میشود. اتصال به درایو سرعت متغیر امکان تولید هوا مطابق با نیاز را فرآهم آورده و تلفات را کاهش میدهد.
