سوء تفاهمی به نام سهولت ساخت ایرند کمپرسور
درون کمپرسور اسکرو دو قطعه فولادی هزاران بار در دقیقه به دور یکدیگر میچرخند. این دو قطعه تنها چند میکرون با یکدیگر فاصله دارند اما هیچگاه با هم برخورد ندارند. تفاوت شاهکار بازدهی کمپرسور و خرابی بسیار گرانقیمت آن از قطر یک تار موی انسان هم باریکتر است.
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.
روتور قطعهای مارپیچی است که در بسیاری از ماشینهای توربینی کاربرد دارد. در کمپرسور اسکرو نحوهی درگیری دو روتور نر و ماده بازدهی، سطح نویز و پایداری عملکردی را تعیین میکند. در کمپرسور گریز از مرکز یا محوری عملکرد آیرودینامیکی کمپرسور اهمیت بالاتری داشته و هندسه و میزان انحنای پرهها قابلیت اطمینان آن را مشخص خواهد کرد. این کمپرسورها تحمل لقی بالاتر از چند ۱۰ میکرومتر را ندارند.
ساخت روتور کمپرسور با قطعه فولادی باکیفیت آغاز میشود. فولاد بایستی ترکیب مناسبی از استحکام، پایداری ابعادی، قابلیت ماشینکاری، مقاومت خستگی و مقاومت در برابر سایش داشته باشد. آلیاژ دقیق و روش عملیات حرارتی به طراحی کمپرسور و فناوری در اختیار سازنده بستگی دارد. از این قطعهی بیریخت فولادی، مارپیچی تراشیده میشود که نشتی، بازدهی، لرزش، صدا، دما و عمر کمپرسور وابستهی آن است. روشهای ساخت روتور اسکرو در این مطلب آمده است.
آیا طراحی کمپرسور روغنی با کمپرسور بدون روغن متفاوت است؟
وظایف روغن کمپرسور عبارت است از روانکاری و جداسازی سطوح فلزی متحرک، انتقال حرارت به بیرون، حفاظت در برابر خوردگی و زنگ زدگی، جذب آلودگیها و معلق نگهداشتن مواد خارجی و ترکیبات شیمیایی مخرب، کاهش نشتی داخلی و آببندی، کاهش انرژی مصرفی، کاهش سر و صدا، اطلاع از وضعیت با بهرهگیری از آنالیز روغن، انتقال قدرت از روتور نر به ماده در کمپرسور اسکرو روغنی و در غیاب آن طراحی روتورها و قطعات جانبی جای خالی آن را پر میکند.
روتور کمپرسور روغنی با کمپرسور بدون روغن چه فرقی دارد؟
۱. دمای کاری بالاتر: در غیبت روغن که حرارت را جذب میکند، دمای فشردهسازی در دستگاههای بدون روغن از ۱۸۰ درجه سانتیگراد عبور کرده و در سمت خروجی کمپرسور به ۳۰۰ درجه سانتیگراد میرسد. در طراحی ماشینآلات صنعتی بار حرارتی متفاوت طراحی را از اساس تغییر خواهد داد.
۲. چرخدندههای تایمینگ: در کمپرسور اسکرو روغنی روتورهای نر و ماده کاملا با یکدیگر میچرخند. این چرخش به خاطر نعمتی به نام لایهی روغن است که میان آنها جریان دارد و حرکت را از روتور محرک به روتور متحرک منتقل میکند. روتورهای بدون روغن از این نعمت محروم بوده و به جای آن به چرخدندههای گرانقیمتی خارج از سیلندر محتاجند. این چرخدندهها تضمین میکند که هیچگاه دو روتور با یکدیگر برخورد فیزیکی نداشته باشد.
۳. قیمت کمپرسور: کمپرسور اسکرو خشک یا بدون روغن ۴ تا ۶ برابر از کمپرسور روغنی با سایز مشابه گرانتر است.
کلیرانس چیست؟
در طراحی ماشینآلات صنعتی از فلزات استفاده میکنیم و این فلزات با یکدیگر فاصله دارند. گاه چرخدندهای در نزدیکی سیلندری میچرخد، گاه شافتی از کنار بلبرینگی میگذرد و فواصلی میان این قطعات وجود دارد. هرجا این فواصل یا در حقیقت ریز فواصل از اهمیت برخوردار باشد و بر عملکرد ماشین موثر باشد آن را کلیرانس مینامیم. کلیرانس به فاصلهی بسیار کوچک میان دو قطعه فلزی گفته میشود. در فارسی به این فاصله «لقی» گفته میشود.
در میان کمپرسورهای اویل فری و روغنی، لقی کدامیک بیشتر است؟
پاسخ بستگی دارد. به زمان اندازهگیری لقی بستگی دارد. در دمای اتاق و مطابق با جدولی که در بالا آمده فاصلهی روتورهای بدون روغن از فاصلهی روتورهای روغنی بیشتر است. در دمای عملیاتی کمپرسور پدیدهای به نام انبساط حرارتی مواجه است.
کمپرسور اسکرو روغنی تغییر شکل حرارتی کمی را در حین کار تجربه میکند. دمای عملیاتی کمپرسور روغنی حتی در مدلهای فشار قوی ماکسیمم ۵۰ درجه سانتیگراد افزایش دارد و فاصلهی میان دو روتور را میتوان در محدودهی ۳۰ میکرومتر یا کمتر حفظ نمود. اما دمای تخلیه در کمپرسور بدون روغن به ۱۸۰ تا ۳۰۰ درجه سانتیگراد میرسد که منجر به انبساط حرارتی قابل توجه روتورها و همچنین سیلندر میشود.
طراحی این کمپرسورها در اینجا پیچیده میشود. 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.
فاصلهی روتورهای کمپرسور بدون روغن در حالت سرد و حالت عملیاتی حدود ۵۰ درصد تفاوت داشته و کمتر میشود و در صورتی که از ابتدا فاصلهی آنها کم میبود در نتیجهی انبساط حرارتی برخورد و قفلشدگی رخ میداد.
چه روکشهایی بر روی روتور کمپرسور اویل فری کار میشود؟
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. PTFE در تستهای سایش خشک از PEEK عملکرد بهتری دارد.
روکشهای تفلونی اگرچه به هنگام پوششدهی عملکرد سایشی خوبی دارد، اما در حالت توده و قبل از عملیات مقاومت سایشی پایینی داشته و با موادی همچون دی سولفید مولیبدنوم یا گرافیت تقویت میشود. مشهورترین ضعف روکش تفلون دمای کاری آن است و این روکش تا حوالی ۲۵۰ درجه سانتیگراد پایداری مناسبی داشته و برای بسیاری از کمپرسورهای فشار معمولی ایدهال محسوب 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.
در تستهای انجام شده روکشهایی که بر پایهی پلی اتر اتر کتون اعمال میشوند تا ۲ برابر اصطکاک بالاتری را در مقایسه با پلی تترا فلوئورو اتیلن نشان داده است که این مورد نقطهی ضعف آن در مقایسه با تفلون محسوب میشود. در تستهای مختلف اصطکاک و سایش ضریب اصطکاک برای PEEK بین ۰/۰۷۹ تا ۰/۰۹۲ محاسبه شده است و ضریب اصطکاک PTFE در حدود ۰/۰۴۵ است. تفلون در مسئله اصطکاک تقریبا سوپرمن است.
پلیاتر-اتر-کتون برخلاف تفلون در وضعیت روکش نیز پولکهای درشتتری است که در بلندمدت باعث سایش بیشتر میشود. ذرات تفلون ریز و صیقلی است. اگرچه این این ترموپلاستیک به صورت تزریقی هم تولید میشود، اما اجرای روکش PEEK بر روی روتور نیازمند اسپری حرارتی تخصصی و یا روشهای کامپوزیتی است.
روکش مولیبدنوم دی سولفید یا دی سولفید مولیبدن: MoS2
MoS2 روانکاری جامد با ساختار کریستالی ورقهای است که به راحتی برش خورده و عملکرد خوبی دارد. دی سولفید مولیبدن مشابه با گرافیت رفتار کرده و لایهای با اصطکاک کم میان سطوح ایجاد میکند.
تنش برشی عبارت است از مؤلفهای از تنش که بر سطح مقطع یک جسم اعمال میشود. تنش برشی از بردار نیروی عمود بر بردار نرمال سطح مقطع ناشی میشود. از سوی دیگر، تنش نرمال نیز از بردار نیروی موازی یا ناموازی نرمال سطح مقطع جسم به وجود میآید. تنش برشی را به اختصار با τ نمایش میدهند. ویکیپدیا
در صورتی که دی سولفید مولیبدن با روکش تفلون ترکیب شود مقاومت سایشی آن به شکلی معجزهآسا افزایش یافته و نرخ سایش آن فقط ۳۷۶ نانومتر مکعب بر نیوتنمتر و یک درجه مقاومتر از تمامی باقی گزینه هاست.
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.
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.
۳. فرآیند تخصصی و پیشرفته: رسوبگذاری فیزیکی از فاز بخار یا PVD و رسوبگذاری شیمیایی از فاز بخار یا CVD از جمله روشهای پوششدهی است که برای ایجاد روکشهایی بسیار سخت، نازک و یکنواخت همچون کربن الماسگونه به کار میرود. این دو روش بسیار گران و پیشرفته است. در ایران این روشها تنها در پژوهشگاه پلیمر و در ابعاد آزمایشگاهی وجود دارد.
چرا تولید روتور اسکرو اویل فری از روتور روغنی دشوارتر است؟
تولید روتور کمپرسور اویل فری به مراتب از روتور کمپرسور روغنی دشوارتر است و این دشواری یک دلیل واضح و مبرهن دارد: تلورانس مهندسی؛ در کمپرسور روغنی فیلمی از روغن کمپرسور فواصل را پوشانده و فرآیند ساخت با دقت پایینتر هم قابل تحمل است. در ساخت ماشینهای مدرن تلورانس مهندسی برای ساخت روتور در محدودهی مثبت و منفی ۵ میکرومتر بوده و چالش دشواری است.
