کمپرسور اسکرو ماشینی است که هوای سریع و پرفشار تولید میکند. در قلب این دستگاه ایرند Airend قرار دارد که مسئولیت تمام جادو بر عهدهی آن است و دو مارپیچ چرخان هوای ورودی را فشرده میکنند. ایرند کمپرسور قطعهی گرانی است و در صورت خرابی نوع بدون روغن آن، ایرند اویل فری، بایستی به قیمت دلاری ۱۰ میلیارد تومان خرج واردات یا به قیمت تومانی با جستجوی بسیار، بخت و اقبال نمونه سالمی را با نصف این قیمت خریداری کنید. خوب از آن مراقبت کنید.
سیلندر کمپرسور اسکرو؛ پوستهی ایرند
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؛ درون ایرند
روتور کمپرسور اسکرو – تعداد پرهها را در سطح مقطع برشخوردهی دو سوی روتور میتوان شمرد.
جریان هوای ورودی پس از ورود به سیلندر کمپرسور 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.
نقش استراتژیک روغن در کمپرسور روغنی
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.
پوسته ایرند کمپرسور نقش مهمی در مدیریت سروصدا و پالسهای فشار دارد. کوچکترین تغییرات در هندسه و پروفایل داخلی روی بازدهی، نشتی هوا، سروصدای کمپرسور و حجم هوادهی آن موثر است.
سیلندر کمپرسور اسکرو
سیلندر اسکرو در حقیقت محفظهای برای جاگیری روتورهاست و با مفهوم سیلندر در کمپرسور پیستونی هممعنا نیست.
مراحل ساخت سیلندر کمپرسور
دنبالهای از مراحل دقیق و مهندسی برای دستیابی به ساختار پیکرهی سیلندر ضروری است. قطعهی خام یا Blank ریخته گری شده، سوراخکاری یا Boring دقیق و سنگزنی داخلی دقیق یا Honing در پی آن می آید:
- قطعهی خام یا بلنک: از چدن با کیفیت بالا برای ریختهگری استفاده میکنند. در این مرحله ریختهگری سیلندر شکل کلی و اولیهی خود را میگیرد و استحکام ساختاری و میرایی ارتعاشات نائل میشود.
- ماشینکاری اولیه یا تراشکاری درشت: سطوح نصبی که نقشی محوری دارند بر روی قطعه ماشینکاری میشوند. سطوحی همچون درپوشهای انتهایی پیچ شده و ضمانت عمود و تراز ماندن قطعه به دست میآید.
- سوراخکاری دقیق یا بورینگ: با دو مرحله بورینگ اولیه و نهایی حفرهی سیلندر حاصل میشود. در این مرحله حفرهی مخصوص روتورها نیز شکل داده میشود.
- سنگزنی داخلی و دقیق یا هونینگ: کلیدیترین مرحلهی عملیات ساخت سیلندر کمپرسور اسکرو اینجاست. در این مرحله پرداخت با استفاده از سنگهای سایشی انجام میشود. سطح نهایی و آینهای داخلی با ابعاد دقیق و نهایی به دست آمده و هرگونه نقص جزئی مرحلهی سوراخکاری اصلاح میشود. گردی و راستی حفره در این مرحله تکمیل میشود.
- سختکاری: در کار مکرر تذکر داده میشود که کوچکترین ناترازی روتورها به سایش با یکدیگر و دیوارهی سیلندر انجامیده و تخریب جدی به همراه دارد. اگرچه این تذکر کاملا درست و به جاست، ولی سیلندر برای مقاومت در برابر سایش مکرر و لغزش مدام روتورها به خوبی سختکاری میشود. سختکاری پلاسما یا کوئنچ پلاسما از جمله مراحلی است که کیفیت کار سوراخ هونینگ شده را بالاتر میبرد. کوئنچ پلاسما عملیاتی حرارتی و دقیق است و سطح را تا عمق مشخصی سختکاری میکند. پس از سختکاری یک مرحله هونینگ دیگر برای دستیابی به سطحی فوقالعاده صیقلی انجام میشود.
فاصلهی روتورها و پوسته کسری از میلیمتر است و هوا به هنگام عبور از ایرند کمپرسور اسکرو به سرعت داغ میشود.
کوتینگ یا پوششدهی روتور کمپرسور اویل فری
کمپرسور اویل فری در دماهای بالاتری کار میکند و ایرند آن مجهز به ژاکت خنک کننده است.
در غیاب روغن لایهی روانکننده و محافظی در برابر خوردگی نداریم. روکش روتور کمپرسور این خلا را پر کرده و ۳ ویژگی مهم خواهد داشت:
- این روکشها اصطلاحا خودروانکار هستند تا از اصطکاک و سایش جلوگیری شود.
- روکش روتور اسکرو برای محافظت در مقابل رطوبت و گایزهای اسیدی موجود در هوای فشرده بهینه شده و در برابر خوردگی مقاوم است.
- این روکشها ضرورتا در دماهای بالاتر از ۲۰۰ و حتی ۲۷۰ درجه پایداری خود را حفظ میکنند.
چه روکشهایی بر روی روتور کمپرسور اویل فری کار میشود؟
تفلون یا پلی تترا فلوئورو اتیلن مادهای پلیمری است که کمترین ضریب اصطکاک را دارد. این ماده به صورت تصادفی و در سال ۱۹۳۸ در شرکت دوپونت آمریکا متولد شده است.
روکش پلی تترا فلوئورو اتیلن، PTFE یا تفلون
مزایای روکش تفلون برای روتورها در ۲ خاصیت اصلی آن، اصطکاک بسیار پایین و خودروانکاری عالی، نهفته است. روکشهایی که بر پایهی تفلون توسعه داده میشود کمترین ضریب اصطکاک را داشته و در وضعیت خشک این عدد در حدود ۰/۰۴ تا ۰/۰۴۷ محاسبه میشود.
روکش پلی اتر اتر کتون یا PEEK
پلی اتر اتر کتون ترموپلاستیکی مهندسی با عملکرد عالی است که استحکام مکانیکی و پایداری حرارتی آن ستوده میشود. تحمل بار مکانیکی PEEK به مراتب بالاتر از PTFE است و این روکش تا دمای ۲۵۰ درجه سانتیگراد پایداری حرارتی خود را حفظ کرده و برای کاربردهای سنگین و دماهای بالا مناسب است.
تولید روتور کمپرسور اویل فری و ماشینکاری
روکش روتور اسکرو چطور اعمال میشود؟
۱- اسپری حرارتی: خانوادهای از فرآیندهاست که انرژی جنبشی و انرژی حرارتی را برای اعمال روکش و پوششدهی ترکیب میکند. مجموعهی این روشها مشتمل بر اسپری پلاسما، اسپری با کمک قوس الکتریکی، اسپری شعله و HVOF یا اسپری سوخت اکسیژنهی سریع است. از میان این چهار روش پاشش یا اسپری دو روش HVOF و پلاسما برای روکشدهی روتور کمپرسور مناسبتر است. در تمامی این روشها مادهی روکش حرارت داده شده و با سرعت بالا روی سطح روتور پرتاب میشود. نتیجهی اسپری حرارتی روکشی بادوام و ضخیم است. در ایران شرکت پودرافشان در پاشش پلاسما و HVOF تجربهی صنعتی و تجاری دارد.
آوریل ۱۹۳۸ میلادی در ازمایشگاه جکسون ایالت نیوجرسی محل تولد تفلون است. روی جی پلانکت شیمیدان جوان شرکت دوپونت مشغول به طور اتفاقی پلیمری به نام تفلون را کشف کرد. حق امتیاز این پلیمر در سال ۱۹۴۱ به نام دوپونت خورد و در سال ۱۹۴۴ نام تفلون برای آن انتخاب شد. نخستین کاربرد تفلون کجا بود؟ در پروژهی منهتن برای ساخت بمب اتم.
۲. اسپری مرطوب یا Wet Paint Spray: این روش اسپری یا پاشش روشی سادهتر بوده و در دسترس است. مادهی پوشش در مایعی معلق شده و با تفنگ اسپری معمولی به روی روتور پاشیده میشود. پس از اسپری محلول روکش روتور اسکرو داخل کوره فرستاده شده و پخت میشود. اغلب روکشدهی تفلون با این روش انجام میشود.
معمای دقت: روتور کمپرسور چطور تا این حد دقیق ساخته میشود؟
این کمپرسورها تحمل لقی بالاتر از چند ۱۰ میکرومتر را ندارند. لقی به فاصلهی بسیار کوچک میان دو قطعه مکانیکی گویند. در منابع انگلیسی این کلمه تحت عنوان کلیرانس شناخته میشود. لقی پایین کمپرسورها محصول سمفونی هماهنگی از طراحی پیشرفته، ماشینکاری مدرن و بالانسکاری دقیق است.
سفر دقت نه در کارگاه که در کامپیوتر آغاز میشود.
شکلدهی روتور کمپرسور
انتخاب روش بهینه به تیراژ تولید، جنس قطعه و مواد آن، دقت نهایی و همچنین قدرت سرمایهگذاری و تکنولوژیک تولیدکننده بستگی دارد. با بکارگیری ترکیبی یکپارچه از CAD/CAM نقشهی روتور تهیه شده و ساخت فیزیکی آن آغاز میشود. شکلدهی روتور کمپرسور روشهای مختلفی دارد، رایجترین؟ ماشینکاری و فرزکاری
الف) ماشینکاری و فرزکاری
این روش چندین مرحله دارد که عبارتند از یک Roughing دو Flank Milling و سه Finishing. رافینگ یا خشنتراشی در ابتدا مواد اضافی را برداشته و شکلی نزدیک به طرح نهایی را ایجاد میکند. در این مرحله اغلب از ماشینکاری غلتکی یا دستگاههای ماشینکاری تخصصیتر استفاده میشود. ماشینکاری این مرحله با دقتی در حد ۴ تا ۵ میلیمتر پیش میرود.
هابینگ یک فرایند ماشینکاری برای برش دنده، برش اسپلاین و برش چرخ دنده بر روی دستگاه است که نوع خاصی از دستگاه فرز است.
در مرحلهی دوم فرزکاری جانبی انجام میشود. در این تکنیک دقت بسیار بالا میرود و طی آن بدنهی جانبی ابزاری مخروطی یا استوانهای برای ماشینکاری سطوح جانبی و پیچیدهی روتور استفاده میشود. تحقیق و توسعه کارخانجات بزرگ و پژوهشگران بر این مرحله بسیار تمرکز دارند. در اینجاست که الگوریتمهای پیشرفته برای یافتن بهترین مسیر ورود ابزار راهکار ارائه میدهند. سنگزنی برای دستیابی به کیفیت سطحی نهایی بخشی از این مرحله است.
ب) ماشینکاری تخلیه الکتریکی یا EDM
یکی از روشهای تولید پره در کمپرسور گریز از مرکز یا سانتریفیوژ استفاده از فناوری EDM است. الکترودی با قطبیت معکوس مواد را از دیسکی یکتا برش میدهد تا پره و حفرهها نمایان شود. مشابه با ماشینکاری CNC در این روش نیز ابتدا با خشنتراشی شروع شده و سپس مرحلهی پرداخت با ابزاری دقیقتر برای دستیابی به هندسهی نهایی و دقت بالا انجام میشود. مهمترین مزیت EDM توانایی ماشینکاری مواد بسیار سخت و ایجاد زوایایی است که ابزارهای برش سنتی به دشواری از پس آن برمیآیند.
ج) ریختهگری دقیق
برای برخی از طرحها ریختهگری دقیق نقطهی شروعی خیلی خوب و با شکلی نزدیک به قطعهی نهایی در اختیار قرار میدهد. قالبی سفالی از جنس سفال پلیمری تهیه شده و در کوره با دمای بالا پخته میشود. فلز مذاب به درون قالب تزریق شده و قطعه تدریجا سرد میشود. روتور حاصل از ریختهگری دقیق همچنان به عملیات تکمیلی بسیاری نیاز دارد. همچنان خشنتراشی، پرداخت قطر خارجی با دستگاه تراش و سنگزنی اصلاحی لازم است. ایجاد هندسهی پیچیده با این روش ریختهگری از مزایای آن است.
بالانس و پرداخت نهایی
ماشینکاری دقیق هندسی پایان کار یک روتور نیست. هرگونه ناهمگنی کوچک در توزیع جرم در سرعتهای بالا ارتعاشات مخربی ایجاد میکند و سرعت بهینهی روتور کمپرسور اسکرو در محدوده ۲ تا ۴ هزار دور بر دقیقه است. مراحل پایانی و تکمیلی بیشتر بر دستیابی به تعادل دینامیکی متمرکز میشود. این مرحله تکمیلی ماشینکاری شیمیایی نام دارد.
ماشینکاری شیمیایی برای بالانس فوق دقیق
پس از ساخت روتور و اندازهگیری عدم تعادلهای آن قطعه را در حمام اسید قرار میدهند. حمام اسیدی توانایی برداشت مواد ناهمگن را دارد. روتور درون حمام به گونهای جهتدهی میشود که نواحی نیازمند برداشت مواد برای تصحیح بالانس در معرض بخش فعالتری از اسید که سرعت قلمزنی بالاتری دارد قرار گیرد. با این روش برداشتی بسیار دقیق و تکرارپذیر از مواد در مقیاس میکرون انجام میشود.
ساخت روتور کمپرسور با چنین دقتی شاهدی بر پیشرفت ماشینکاری و تسلط بشر بر مواد سخت است. ریاضیات پیشرفته، علم مواد و مهندسی ابزار دقیق ترکیب میشوند تا قطعهای را ایجاد کنند که تحت تنش و سرعت بسیار بالا کار کرده و فاصله با شکست را در مرز تار مویی حفظ کند.
کدام ریزهکاریها ایرند کمپرسور اویل فری را خلق میکند؟
در کمپرسور اویل فری روغن غایب 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 اویل فری 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.
کمپرسور اویل فری در غیاب روغن مشکلات متعددی در بهینهسازی داشته و در دماهای به مراتب بالاتری کار میکند. برای حل این مسائل طراحی روتور کمپرسور اویلفری پیچیدهتر است. روتور سرد با لقی یا فاصلهی بیشتری طراحی میشود و به هنگامی که کمپرسور زیر بار میرود و به دمای عملیاتی خود میرسد قطعا منبسط شده و فاصلهی بهینه شکل خواهد گرفت. با انبساط حرارتی هر دو روتور و سیلندر این فاصله به حداقل کاهش یافته و پروفایل عملکرد کمپرسور و هدررفت هوای فشرده بهینهسازی میشود.