نشت بند در کمپرسورهای سینگل شفت

مقدمه

در کمپرسورهای سینگل شفت، نشت‌بندها (Seals) به‌عنوان یکی از اجزای کلیدی، نقش مهمی در عملکرد بهینه سیستم ایفا می‌کنند. این نشت‌بندها به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند: نشت‌بندهای خارجی که وظیفه جلوگیری از خروج سیال کاری از کمپرسور را دارند و نشت‌بندهای داخلی که برای کنترل جریان سیال درون کمپرسور و بهینه‌سازی عملکرد آیرودینامیکی طراحی شده‌اند. انتخاب نوع مناسب نشت‌بند و طراحی دقیق آن‌ها تأثیر مستقیمی بر بازدهی کلی کمپرسور و میزان مصرف انرژی دارد. در کمپرسورهای گریز از مرکز، نشت‌بندهای خارجی معمولاً در قسمت ورودی و خروجی شفت قرار گرفته و مانع از نشت سیال به بیرون محفظه کمپرسور می‌شوند. این نشت‌بندها شامل انواع مختلفی مانند نشت‌بندهای مکانیکی، نشت‌بندهای گازی خشک و نشت‌بندهای لابیرینتی هستند که بسته به شرایط عملیاتی و نوع سیال مورد استفاده قرار می‌گیرند. عملکرد صحیح این نشت‌بندها به کاهش تلفات انرژی، جلوگیری از آلودگی محیط و افزایش طول عمر قطعات کمک می‌کند. در کنار نشت‌بندهای خارجی، نشت‌بندهای داخلی نیز نقش مهمی در کاهش افت راندمان کمپرسور دارند. این نشت‌بندها در بین استیج‌های مختلف کمپرسور نصب شده و از ایجاد جریان‌های نشتی ناخواسته جلوگیری می‌کنند. دو نمونه مهم از این نشت‌بندها Shroud Cavity Leakage Seal و Hub Cavity Leakage Seal هستند که به ترتیب مانع از برگشت جریان پرفشار از خروجی ایمپلر به ورودی استیج و جلوگیری از نشتی از کانال برگشتی به خروج ایمپلر می‌شوند. عملکرد بهینه این نشت‌بندها باعث کاهش تلاطم جریان، افزایش کارایی و کاهش سایش قطعات داخلی کمپرسور می‌شود. با توجه به اهمیت نشت‌بندهای داخلی و خارجی در افزایش بازده کمپرسورها، طراحی و نگهداری مناسب آن‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است. انتخاب مواد مقاوم، بهینه‌سازی هندسه نشت‌بندها با استفاده از شبیه‌سازی‌های CFD و تعمیر و نگهداری منظم از جمله راهکارهایی هستند که می‌توانند به بهبود عملکرد این قطعات کمک کنند. در این گزارش، انواع نشت‌بندهای داخلی و خارجی، نحوه عملکرد، چالش‌های طراحی و روش‌های بهینه‌سازی آن‌ها مورد بررسی قرار خواهند گرفت.

نشت‌بندهای خارجی در کمپرسورهای سینگل شفت

در کمپرسورهای سینگل شفت، نشت‌بندهای خارجی نقش حیاتی در جلوگیری از نشت سیال کاری (هوا، گاز یا بخار) به خارج از محفظه کمپرسور دارند. این نشت‌بندها در نقاطی که شفت کمپرسور از بدنه خارج می‌شود نصب شده و مانع از خروج سیال تحت فشار به محیط اطراف می‌شوند. از آنجا که در این نقاط اختلاف فشار قابل‌توجهی وجود دارد، نشت سیال می‌تواند منجر به کاهش بازدهی کمپرسور، افزایش تلفات انرژی و حتی مشکلات زیست‌محیطی و ایمنی شود. بنابراین، طراحی نشت‌بندهای خارجی باید به گونه‌ای باشد که علاوه بر جلوگیری از نشت، اصطکاک و سایش را به حداقل برساند و عمر مفید کمپرسور را افزایش دهد. شکل زیر محل قرار گیری این نوع نشت‌بند ها را در یک کمپرسور Single Shaft  نشان می‌دهد.

شکل 1: نشت بند های خارجی در کمپرسور

انواع نشت‌بندهای خارجی و مکانیزم عملکرد آن‌ها

1. نشت‌بندهای گازی خشک (Dry Gas Seals)

این نوع نشت‌بند یکی از فناوری‌های پیشرفته در کمپرسورهای سینگل شفت است که با استفاده از یک لایه گاز (مانند نیتروژن یا هوای فشرده) بین سطوح آب‌بندی، مانع از تماس مستقیم آن‌ها شده و نشت سیال را کنترل می‌کند. این مکانیزم باعث کاهش چشمگیر اصطکاک و افزایش عمر نشت‌بند نسبت به نشت‌بندهای مکانیکی سنتی می‌شود. نشت‌بندهای گازی خشک معمولاً در کمپرسورهای با فشار بالا و سرعت زیاد مورد استفاده قرار می‌گیرند. این نوع نشت‌بندها دارای مزایای متعددی از جمله کاهش هزینه‌های نگهداری، کاهش مصرف روانکار، و کاهش میزان سایش هستند. با این حال، یکی از چالش‌های آن‌ها حساسیت بالا به تغییرات فشار و دما است که نیاز به کنترل دقیق شرایط عملیاتی دارد. همچنین، در صورت ورود آلاینده‌ها به فضای آب‌بندی، عملکرد این نشت‌بندها ممکن است مختل شود. شکل زیر یک نمونه از این نوع نشت بند ها را نشان می‌دهد:

شکل 2: Dry Gas Seal

۳. نشت‌بندهای لابیرینتی  (Labyrinth Seals)

نشت‌بندهای لابیرینتی از یک سری دندانه‌های پیچیده و مارپیچی تشکیل شده‌اند که مسیر عبور جریان نشتی را طولانی کرده و باعث کاهش نرخ نشتی می‌شوند. این نشت‌بندها معمولاً در شرایطی که نشتی جزئی قابل قبول باشد، مورد استفاده قرار می‌گیرند و مزیت اصلی آن‌ها، عدم تماس مستقیم بین قطعات و در نتیجه نبود سایش مکانیکی است. این نوع نشت‌بندها به‌طور خاص در کمپرسورهایی با سرعت چرخش بالا و دمای عملیاتی زیاد به کار می‌روند، زیرا عملکرد آن‌ها تحت تأثیر تغییرات دمایی قرار نمی‌گیرد. از سوی دیگر، میزان کارایی آن‌ها بستگی به فاصله‌ای دارد که بین دندانه‌ها و شفت وجود دارد. اگر این فاصله بیش از حد باشد، میزان نشت افزایش می‌یابد، و اگر بسیار کم باشد، ممکن است تماس مستقیم و سایش رخ دهد. به همین دلیل، طراحی دقیق و انتخاب متریال مناسب برای این نوع نشت‌بندها بسیار حائز اهمیت است.

چالش‌های طراحی و نگهداری نشت‌بندهای خارجی

طراحی و انتخاب نشت‌بندهای خارجی برای کمپرسورهای سینگل شفت با چالش‌های متعددی همراه است که شامل موارد زیر می‌شود:

1.     سایش و خوردگی: نشت‌بندها به دلیل قرار گرفتن در معرض سیالات تحت فشار، ذرات معلق و شرایط دمایی بالا، ممکن است دچار سایش و خوردگی شوند. استفاده از مواد مقاوم مانند آلیاژهای نیکل و سرامیک‌های صنعتی می‌تواند این مشکل را کاهش دهد.

2.     تغییرات دمایی و فشارهای ناگهانی: در کمپرسورهایی که در شرایط عملیاتی متغیر کار می‌کنند، نشت‌بندها ممکن است تحت تأثیر انبساط و انقباض حرارتی قرار بگیرند. طراحی مناسب و انتخاب مواد با ضرایب انبساط حرارتی کم، می‌تواند عملکرد نشت‌بندها را پایدارتر کند.

3.     حساسیت به آلاینده‌ها: در نشت‌بندهای گازی خشک، ورود آلاینده‌ها می‌تواند باعث کاهش کارایی و افزایش میزان نشتی شود. استفاده از فیلترهای مناسب و کنترل کیفیت هوای ورودی، می‌تواند از این مشکل جلوگیری کند.

4.     نگهداری و هزینه‌های عملیاتی: نشت‌بندهای مکانیکی و گازی خشک معمولاً نیاز به بررسی‌های دوره‌ای دارند تا از عملکرد صحیح آن‌ها اطمینان حاصل شود. انجام نگهداری منظم و جایگزینی قطعات فرسوده می‌تواند از خرابی‌های ناگهانی جلوگیری کند.

راهکارهای بهبود عملکرد نشت‌بندهای خارجی

برای افزایش بازدهی و کاهش هزینه‌های عملیاتی کمپرسورهای سینگل شفت، اقدامات زیر پیشنهاد می‌شود:

1.     بهینه‌سازی طراحی نشت‌بندها با استفاده از شبیه‌سازی‌های CFD و FEA

2.     استفاده از مواد مقاوم در برابر سایش و خوردگی، مانند کامپوزیت‌های پیشرفته و آلیاژهای ضد زنگ

3.     پیاده‌سازی سیستم‌های کنترل فشار و دما برای افزایش پایداری نشت‌بندها

نشت‌بندهای داخلی در کمپرسورهای سینگل شفت

در کمپرسورهای سینگل شفت، نشت‌بندهای داخلی نقشی اساسی در کنترل جریان و جلوگیری از افت راندمان دارند. برخلاف نشت‌بندهای خارجی که وظیفه آن‌ها جلوگیری از نشت سیال به بیرون کمپرسور است، نشت‌بندهای داخلی در میان استیج‌های مختلف قرار گرفته و به کنترل بهینه مسیر سیال کمک می‌کنند. هدف اصلی این نشت‌بندها کاهش اثرات منفی ناشی از نشتی‌های داخلی است که می‌تواند موجب افت فشار، افزایش مصرف انرژی و کاهش بازدهی آیرودینامیکی سیستم شود. در صورت عدم وجود این نشت‌بندها، جریان‌های نشتی می‌توانند در مسیرهای نامطلوبی حرکت کنند، موجب تلاطم‌های ناخواسته شده و عملکرد کلی کمپرسور را تحت تأثیر قرار دهند.

یکی از مهم‌ترین نشت‌بندهای داخلی، Shroud Cavity Leakage Seal  است که در ناحیه بین پوشش (Casing) و ایمپلر قرار دارد. این نشت‌بند از برگشت جریان پرفشار از خروجی ایمپلر به ورودی استیج جلوگیری می‌کند. در کمپرسورهای گریز از مرکز، سیال پس از ورود به ایمپلر انرژی دریافت کرده و فشار آن افزایش می‌یابد. در نبود این نشت‌بند، بخشی از سیال پرفشار می‌تواند به سمت ورودی استیج بازگردد که باعث ایجاد افت فشار و کاهش کارایی کمپرسور می‌شود. علاوه بر این، برگشت جریان می‌تواند باعث افزایش تلاطم و ناپایداری در مسیر حرکت سیال شود که این امر بر عملکرد کمپرسور تأثیر منفی دارد، عملکرد بهینه‌ی این نشت‌بند باعث می‌شود که انرژی تولید شده در هر استیج به درستی حفظ شود و سیال با بیشترین بازدهی ممکن به مراحل بعدی کمپرسور هدایت شود.

شکل 3: نشت بند های لابیرنتی داخلی در کمپرسور Single شفت

Hub Seal یکی دیگر از نشت‌بندهای داخلی است که در ناحیه‌ی بین ایمپلر و کانال برگشتی قرار دارد. پس از عبور سیال از ایمپلر، جریان از طریق کانال برگشتی به مرحله بعدی کمپرسور منتقل می‌شود. در این فرآیند، به دلیل اختلاف فشار بین خروجی ایمپلر و کانال برگشتی، امکان برگشت بخشی از سیال به ایمپلر وجود دارد که این مسئله موجب افت انرژی و کاهش بازدهی می‌شود. عملکرد Hub Seal به‌گونه‌ای است که از این برگشت جریان جلوگیری کرده و مانع از ورود سیال اضافی به ناحیه ایمپلر می‌شود. این امر به کاهش آشفتگی‌های ناخواسته در جریان و بهبود عملکرد آیرودینامیکی کمپرسور کمک می‌کند.

طراحی نشت‌بندهای داخلی با چالش‌های متعددی همراه است. از آنجا که این قطعات در معرض سیالات پرفشار و پرسرعت قرار دارند، سایش و خوردگی از مهم‌ترین مشکلاتی است که می‌تواند عملکرد آن‌ها را تحت تأثیر قرار دهد. همچنین، تغییرات دمایی و فشارهای ناگهانی می‌توانند باعث تغییر شکل این نشت‌بندها شده و موجب کاهش کارایی آن‌ها شوند. به همین دلیل، انتخاب مواد مقاوم و روش‌های ساخت پیشرفته برای این قطعات از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. استفاده از آلیاژهای مقاوم در برابر سایش، سرامیک‌های صنعتی و پوشش‌های ضد خوردگی می‌تواند به افزایش طول عمر این نشت‌بندها کمک کند. علاوه بر این، طراحی بهینه‌ی این نشت‌بندها با استفاده از شبیه‌سازی‌های دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) می‌تواند به کاهش افت فشار و بهبود راندمان کمپرسور کمک کند.

یکی دیگر از جنبه‌های مهم در بهینه‌سازی عملکرد نشت‌بندهای داخلی، کنترل میزان فاصله بین آن‌ها و اجزای متحرک کمپرسور است. در طراحی این نشت‌بندها، فاصله‌ی بین سطوح باید به گونه‌ای تنظیم شود که ضمن جلوگیری از نشتی، اصطکاک و سایش بیش‌ازحد ایجاد نشود. در برخی موارد، از نشت‌بندهای ترکیبی مانند لابیرینتی-برسی استفاده می‌شود که عملکرد بهتری در جلوگیری از نشتی‌های داخلی و کاهش افت انرژی دارند. این نوع طراحی باعث می‌شود که میزان جریان نشتی به حداقل برسد و در عین حال، اصطکاک اضافی که ممکن است موجب سایش قطعات شود، کاهش یابد. عملکرد بهینه‌ی نشت‌بندهای داخلی تأثیر مستقیمی بر افزایش بازدهی کمپرسور، کاهش مصرف انرژی و افزایش طول عمر قطعات دارد. به همین دلیل، در سال‌های اخیر، تحقیقات گسترده‌ای برای بهینه‌سازی طراحی این نشت‌بندها انجام شده است. استفاده از فناوری‌های مدرن مانند تولید دقیق با ماشین‌کاری CNC و فناوری چاپ سه‌بعدی امکان ساخت قطعات با دقت بالا را فراهم کرده است. این پیشرفت‌ها باعث شده است که عملکرد نشت‌بندهای داخلی بهبود یابد و اثرات منفی نشتی‌های داخلی به حداقل برسد. در نهایت، نشت‌بندهای داخلی یکی از عوامل کلیدی در بهینه‌سازی عملکرد کمپرسورهای سینگل شفت محسوب می‌شوند. عملکرد صحیح آن‌ها به حفظ انرژی سیال، کاهش افت راندمان و جلوگیری از تلاطم‌های ناخواسته در مسیر جریان کمک می‌کند. با توجه به اهمیت این نشت‌بندها، طراحی، ساخت و نگهداری مناسب آن‌ها می‌تواند تأثیر بسزایی در افزایش کارایی و طول عمر کمپرسور داشته باشد. استفاده از مواد پیشرفته، طراحی‌های بهینه و فناوری‌های تولید مدرن، گام‌های مهمی در جهت بهبود عملکرد این نشت‌بندها هستند که می‌توانند منجر به کاهش هزینه‌های نگهداری و افزایش بهره‌وری سیستم‌های کمپرسور شوند.

جمع بندی

نشت‌بندهای داخلی و خارجی در کمپرسورهای سینگل شفت نقش اساسی در بهینه‌سازی عملکرد و افزایش بازدهی این تجهیزات دارند. نشت‌بندهای خارجی، که در نواحی ورودی و خروجی شفت قرار می‌گیرند، مانع از نشت سیال کاری به محیط اطراف شده و از کاهش فشار و هدررفت انرژی جلوگیری می‌کنند. طراحی این نشت‌بندها بسته به نوع سیال و شرایط عملیاتی شامل انواع مکانیکی، گازی خشک و لابیرینتی است که هر یک مزایا و محدودیت‌های خاص خود را دارند. در مقابل، نشت‌بندهای داخلی مانند Shroud Cavity Leakage Seal و Hub Cavity Leakage Seal  به کنترل جریان‌های نشتی درون کمپرسور کمک کرده و مانع از بازگشت جریان‌های پرفشار به نواحی کم‌فشار می‌شوند. این نشت‌بندها نه‌تنها باعث کاهش افت راندمان و جلوگیری از آشفتگی‌های جریان می‌شوند، بلکه عملکرد آیرودینامیکی کمپرسور را نیز بهبود می‌بخشند. چالش‌های مرتبط با طراحی و نگهداری نشت‌بندها شامل سایش و خوردگی، تغییرات دمایی، فشارهای ناگهانی و نیاز به کنترل دقیق فاصله بین سطوح آب‌بندی است. استفاده از مواد مقاوم مانند آلیاژهای نیکل و پوشش‌های سرامیکی، به‌کارگیری فناوری‌های پیشرفته در ساخت و انجام شبیه‌سازی‌های CFD برای بهینه‌سازی طراحی از جمله راهکارهایی هستند که می‌توانند عملکرد این نشت‌بندها را بهبود بخشند. با پیشرفت فناوری‌های تولید و توسعه‌ی روش‌های تحلیل پیشرفته، امروزه امکان طراحی نشت‌بندهایی با دقت بالا و کارایی بیشتر فراهم شده است که می‌توانند تأثیر قابل‌توجهی در افزایش طول عمر کمپرسورها و کاهش هزینه‌های نگهداری و تعمیرات داشته باشند. به‌طور کلی، انتخاب صحیح و طراحی بهینه نشت‌بندهای داخلی و خارجی از اهمیت بالایی در عملکرد کمپرسورهای سینگل شفت برخوردار است. این نشت‌بندها نه‌تنها بر میزان بازدهی و مصرف انرژی تأثیر می‌گذارند، بلکه در کاهش استهلاک و افزایش طول عمر تجهیزات نیز نقش دارند. بنابراین، رویکردهای نوین در طراحی و استفاده از فناوری‌های پیشرفته در تولید این قطعات می‌تواند بهبود قابل‌توجهی در عملکرد کلی کمپرسورهای صنعتی ایجاد کند و هزینه‌های عملیاتی را کاهش دهد.

 تهیه شده توسط دپارتمان تحقیق و توسعه