टर्बोमशीनरी

टर्बोमशीनरी यांत्रिक इंजीनियरी में, उन मशीनों का वर्णन करती है जो रोटर(टरबाइन) और तरल पदार्थ के बीच ऊर्जा स्थानांतरित करती हैं। जिसमें टर्बाइन और संपीड़क दोनों सम्मिलित हैं। जब एक टर्बाइन द्रव पदार्थ से रोटर में ऊर्जा स्थानांतरित करता है,तब  एक संपीड़क रोटर से द्रव पदार्थ में ऊर्जा स्थानांतरित करता है। इन दो प्रकार की मशीनों को न्यूटन के गति के दूसरे नियम और संपीड़ित द्रव पदार्थों के लिए ऑयलर के पंप और टर्बाइन समीकरण सहित समान मूल तत्व संबंधों द्वारा नियंत्रित किया जाता है। केन्द्रापसारक पम्प भी टर्बोमशीन हैं जो एक रोटर से द्रव पदार्थ में ऊर्जा स्थानांतरित करते हैं जो सामान्यतः एक तरल पदार्थ होती है, जबकि टर्बाइन और संपीड़क सामान्यतः गैस के साथ काम करते हैं।

इतिहास
पहली टर्बोमशीन को पानी के पहियों के रूप में पहचाना जा सकता है, जो भूमध्यसागरीय क्षेत्र में तीसरी और पहली शताब्दी ईसा पूर्व के बीच दिखाई दिया। ये पूरे मध्ययुगीन काल में उपयोग किए गए और पहली औद्योगिक क्रांति आरम्भ हो गई थी। जब भाप की शक्ति  का उपयोग पारस्परिक इंजन के रूप में किया जाने लगा, तो अक्षय प्राकृतिक ऊर्जा स्रोतों के अपेक्षाकृत ईंधन के दहन द्वारा संचालित पहली शक्ति स्रोत के रूप में था । उनके लिए प्राचीन टर्बाइन और वैचारिक डिजाइन,जैसे कि स्मोक जैक, आंतरायिकता से दिखाई दिए लेकिन व्यावहारिक रूप से प्रभावशाली टरबाइन के लिए आवश्यक तापमान और दबाव उस समय की निर्माण तकनीक से अधिक थे। गैस टर्बाइन के लिए पहला विवृत वर्ष 1791 में जॉन बार्बर के द्वारा दायर किया गया था। वर्ष 1880 के दशक तक व्यावहारिक जलविद्युत टर्बाइन और भाप टर्बाइन दिखाई नहीं दिए। वर्ष 1930 के दशक में गैस टर्बाइन दिखाई दिए।

पहला आवेग प्रकार टर्बाइन 1883 में कार्ल गुस्ताफ डी लावल द्वारा बनाया गया था। इसके बाद 1884 में पहली व्यावहारिक प्रतिक्रिया प्रकार टर्बाइन चार्ल्स अल्गर्नन पार्सन्स  द्वारा निर्मित किया गया था। पार्सन्स का पहला डिज़ाइन एक मल्टी-स्टेज एक्सियल-फ्लो यूनिट था, जिसे  जॉर्ज वेस्टिंगहाउस  ने अधिग्रहित किया और 1895 में निर्माण शुरू किया, जबकि  जनरल इलेक्ट्रिक  ने 1897 में डे लावल के डिज़ाइनों का अधिग्रहण किया। तब से, पार्सन्स के प्राचीन डिज़ाइन से विकास आसमान छू गया है, जो 1500 मेगावाट से अधिक उत्पादन करने वाली आधुनिक परमाणु भाप टर्बाइनों के लिए 0.746 kW का उत्पादन करता है।आज, संयुक्त राज्य अमेरिका में उत्पन्न विद्युत शक्ति का प्रायः 90% भाप टर्बाइन का हैं।  फिर 1890 के दशक के अंत में बिजली सड़क का दीपक (मेहर-होमजी, 2000) में पहली कामकाजी औद्योगिक गैस टर्बाइन का उपयोग किया गया था।

वर्गीकरण
सामान्यतः, व्यवहार में आने वाली दो प्रकार की टर्बोमाचिन, खुली और बंद टर्बोमाचिन हैं। खुली मशीनें जैसे प्रोपेलर, और बिना ढके हुए पंखे अनंत मात्रा में द्रव पर काम करते हैं, जबकि बंद मशीनें द्रव की एक सीमित मात्रा पर काम करती हैं क्योंकि यह एक आवास या आवरण से पारित होती है।

टर्बोमाचिन को प्रवाह के प्रकार के अनुसार भी वर्गीकृत किया जाता है। जब प्रवाह परिक्रमण की धुरी के समानांतर होता है, तो उन्हें अक्षीय प्रवाह मशीन कहा जाता है, और जब प्रवाह परिक्रमण की धुरी के लंबवत होता है, तो उन्हें रेडियल (या केन्द्रापसारक) प्रवाह मशीन कहा जाता है। एक तीसरी श्रेणी भी है, जिसे मिश्रित प्रवाह मशीन कहा जाता है, जहां रेडियल और अक्षीय प्रवाह वेग दोनों घटक उपस्थित होते हैं।

टर्बोमाचिन को दो अतिरिक्त श्रेणियों में वर्गीकृत किया जा सकता है: वे जो द्रव पदार्थ के दबाव को बढ़ाने के लिए ऊर्जा को अवशोषित करती हैं, जैसे पंप, जैसे पंप, पंखे, संपीड़क, और वे जो न्यूनतम दबाव में प्रवाह का विस्तार करके टर्बाइन जैसी ऊर्जा का उत्पादन करती हैं। विशेष अनुप्रयोग पंप, पंखे, संपीड़क और टर्बाइन हैं। ये घटक सामान्यतः सभी यांत्रिक उपकरण प्रणालियों, जैसे विद्युत और प्रशीतन चक्र में आवश्यक हैं।

परिभाषा
कोई भी उपकरण जो द्रव पदार्थ की निरंतर गतिमान धारा से ऊर्जा निकालता है या ऊर्जा प्रदान करता है, उसे टर्बो मशीन कहा जा सकता है। विस्तारपूर्वक, टर्बोमाचिन एक ऊर्जा या प्रमुख उत्पादक मशीन है जो एक घूर्णन तत्व, रोटर की गतिशील क्रिया को नियोजित करती है; रोटर की क्रिया मशीन के माध्यम से निरंतर प्रवाही द्रव के ऊर्जा स्तर को परिवर्तित करती हैं। टर्बाइन, संपीड़क और पंखे सभी मशीनों के इस परिवार के सदस्य हैं।

सकारात्मक विस्थापन मशीनों के विपरीत (विशेष रूप से पारस्परिक प्रकार के जो यांत्रिक और आयतनमितीय या वॉल्यूमेट्रिक दक्षता विचारों के आधार पर न्यून गति वाली मशीनें), अधिकांश टर्बोमाचिन तुलनात्मक रूप से उच्च गति पर बिना किसी यांत्रिक समस्या और आयतनमितीय दक्षता के सौ प्रतिशत के आसपास चलती हैं।

ऊर्जा रूपांतरण
टर्बोमाचिन को ऊर्जा रूपांतरण की दिशा के आधार पर वर्गीकृत किया जा सकता है:


 * द्रव के दबाव या स्रोत (डक्टेड पंखे, संपीड़क और पंप) को बढ़ाने के लिए अवशोषित शक्ति।
 * तरल पदार्थ को कम दबाव या सिर (द्रव चालित या हाइड्रोलिक, भाप और गैस टर्बाइन) में विस्तारित करके शक्ति का उत्पादन करें।

द्रव प्रवाह
टर्बोमाचिन को रोटर के माध्यम से प्रवाह पथ की प्रकृति के आधार पर वर्गीकृत किया जा सकता है:

अक्षीय प्रवाह - जब प्रवाह का मार्ग पूरी तरह से या मुख्य रूप से परिक्रमण की धुरी के समानांतर होता है, तो उपकरण को अक्षीय प्रवाह टर्बोमाचिन कहा जाता है। द्रव वेग का त्रिज्य (रेडियल) घटक नगण्य है। चूंकि द्रव की दिशा में कोई परिवर्तन नहीं होता है, इसलिए विद्युत उत्पादन बढ़ाने के लिए कई अक्षीय अवस्थाओ का उपयोग किया जाता है।

कापलान टर्बाइन अक्षीय प्रवाह टर्बाइन का एक उदाहरण है।

आकृति में: रेडियल टर्बाइन - जब अधः प्रवाह का मार्ग पूरी तरह से या मुख्य रूप से परिक्रमण अक्ष के लंबवत विमान में होता है, तो उपकरण को त्रिज्य प्रवाह टर्बोमाचीन कहा जाता है। इसलिए, प्रवेश और निकास के बीच त्रिज्या का परिवर्तन परिमित है। एक त्रिज्य टर्बोमाचिन आवक या जावक प्रवाह प्रकार का हो सकता है जो सहायता करने की आवश्यकता के उद्देश्य पर निर्भर करता है। विलोमतः बाहरी प्रवाह प्रकार द्रव के ऊर्जा स्तर को बढ़ाता है। दिशा में निरंतर परिवर्तन के कारण, कई त्रिज्य अवस्थाओं का सामान्यतः उपयोग नहीं किया जाता है।
 * यू = ब्लेड वेग,
 * विf = प्रवाह वेग,
 * वी = निरपेक्ष वेग,
 * विr = सापेक्ष वेग,
 * विw = वेग का स्पर्शरेखा या भँवर घटक।

केन्द्रापसारक पम्प त्रिज्य प्रवाह टर्बोमाचिन का एक उदाहरण है।

मिश्रित प्रवाह कंप्रेसर- जब अक्षीय और त्रिज्य प्रवाह दोनों उपस्थित होते हैं और नगण्य नहीं होते हैं, तो उपकरण को मिश्रित प्रवाह टर्बोमाचिन कहा जाता है। यह त्रिज्य और अक्षीय दोनों प्रकार के प्रवाह और बल घटकों को जोड़ती है।

फ्रांसिस टर्बाइन मिश्रित-प्रवाह टर्बाइन का एक उदाहरण है।

शारीरिक क्रिया
टर्बोमाचिन को अंततः एक अवस्था में होने वाले दबाव परिवर्तनों के सापेक्ष परिमाण पर वर्गीकृत किया जा सकता है:

आवेग टर्बोमाचिन रोटर ब्लेड पर एक स्थिर चंचु या नोजल (स्टेटर ब्लेड)के माध्यम से द्रव के प्रवाह की दिशा में तेजी लाने और परिवर्तन करने से संचालित होता है। चंचु आने वाले दबाव को वेग में परिवर्तन करने का काम करता है, वेग बढ़ने पर द्रव की तापीय धारिता कम हो जाती है। रोटर ब्लेड पर दबाव और ऊष्मा मे गिरावट न्यूनतम हो जाती हैं। रोटर पर वेग कम हो जाएगा।

न्यूटन का दूसरा नियम ऊर्जा के हस्तांतरण का वर्णन करता है। आवेग टर्बोमाचिन मे रोटर के चारों ओर एक दबाव आवरण की आवश्यकता नहीं होती है क्योंकि रोटर पर ब्लेडिंग तक पहुंचने से पूर्व चंचु द्वारा द्रव जेट बनाया जाता है।

पेल्टन व्हील एक आवेग डिजाइन है।

रिएक्शन टर्बोमाचिन एयरोफिल आकार के रोटर और स्टेटर ब्लेड के माध्यम से तरल पदार्थ के प्रवाह पर प्रतिक्रिया करके काम करते हैं। ब्लेड के समुच्चय के माध्यम से द्रव का वेग कुछ बढ़ जाता है (जैसा कि एक चंचु के साथ)जब यह रोटर से स्टेटर और इसके विपरीत से पारित होता है। एक बार अंतराल के बीच से पारित होने पर द्रव का वेग पुनः कम हो जाता है। ब्लेड के समुच्चय के माध्यम से दबाव और ऊष्मा सुसंगततः कम होती जाती है।

न्यूटन का तीसरा नियम रिएक्शन टर्बाइन के लिए ऊर्जा के हस्तांतरण का वर्णन करता है। कार्यकारी द्रव को समाविष्ट करने के लिए एक दबाव आवरण की आवश्यकता होती है। संपीड़ित कार्यकारी द्रव के लिए, कई टरबाइन अवस्थाओं का उपयोग सामान्यतः विस्तारित गैस को कुशलता से प्रयुक्त करने के लिए किया जाता है।

अधिकांश टर्बोमाचिन अपने डिजाइन में आवेग और प्रतिक्रिया के संयोजन का उपयोग करते हैं, प्रायः एक ही ब्लेड पर आवेग और प्रतिक्रिया के भागों के साथ।

टर्बोमशीनरी का वर्णन करने के लिए आयाम रहित अनुपात
द्रव मशीनों के लक्षण वर्णन के लिए प्रायः निम्न आयाम रहित अनुपात का उपयोग किया जाता है। वे विभिन्न आयामों और सीमा स्थितियों के साथ प्रवाह मशीनों की तुलना करने की अनुमति देते हैं।
 * 1) दबाव सीमा ψ
 * 2) प्रवाह गुणांक φ (वितरण या संख्या सहित आयतन)
 * 3) प्रदर्शन संख्या λ
 * 4) रन संख्या σ
 * 5) व्यास संख्या δ

बिजली उत्पादन
जलविद्युत् (हाइड्रो-इलेक्ट्रिक) - जलविद्युत् टर्बोमशीनरी एक जनित्र (जनरेटर) को चालू करने के लिए एक विवृत प्रणोदक से प्रवाहित होती है जो जल में संग्रहीत स्थिजित ऊर्जा का उपयोग करके विद्युत बनाती है।

स्टीम टर्बाइन- विद्युत उत्पादन में उपयोग होने वाली स्टीम टर्बाइन कई विभिन्न रूपों में आती हैं। समग्र सिद्धांत यह है कि उच्च दबाव वाली भाप को शाफ्ट से जुड़े ब्लेड पर बलपूर्वक प्रसारित किया जाता है, जो एक जनित्र को घुमाता है। जैसे ही भाप टरबाइन के माध्यम से संचारित होती है,यह छोटे ब्लेड से पारित होते हुए शाफ्ट को तेजी से घुमाती है, जिससे अधिक विद्युत उत्पन्न होती है।

गैस टर्बाइन- गैस टर्बाइन अधिकतम भाप टर्बाइन की तरह काम करते हैं। शाफ्ट को घुमाने वाले ब्लेड की एक श्रृंखला के माध्यम से हवा को बलपूर्वक प्रसारित किया जाता है। तब ईंधन के साथ हवा का मिश्रण किया जाता है और दहन प्रतिक्रिया का कारण बनता है, जिससे ऊर्जा बढ़ती है। इसी कारण यह शाफ्ट को तेजी से घुमाती है जिससे अधिक विद्युत उत्पन्न होती है।

पवन चक्कियां- पवन का कुशलतापूर्वक उपयोग करके विद्युत उत्पन्न करने की क्षमता के लिए पवन चक्कियां, जो पवन टरबाइन के रूप में भी जानी जाती हैं,की लोकप्रियता अधिक हो रही हैं। यद्यपि वे कई आकृतियों और आकारों में आते हैं, जो अत्यन्त साधारण है वह विशाल तीन ब्लेड वाले है। ब्लेड हवाई जहाज के पंख के समान सिद्धांत पर काम करते हैं। जैसे ही हवा ब्लेड से पारित होती है, यह न्यून और उच्च दबाव का क्षेत्र बनाता है, जिससे ब्लेड हिलता है, एक शाफ्ट घूमता है और विद्युत उत्पन्न होती है। यह सामान्यतः एक स्टीम टर्बाइन के समान है, किंतु हवा की अनंत आपूर्ति के साथ काम करता है।

समुद्री
स्टीम टर्बाइन- समुद्री अनुप्रयोगों में स्टीम टर्बाइन उनके अधिक समान है जो ऊर्जा उत्पादन में हैं। उनके मध्य कुछ अंतर आकार और ऊर्जा निर्गम (पावर आउटपुट) का हैं।  जहाजों पर स्टीम टर्बाइन बहुत छोटे होते हैं क्योंकि उन्हें समस्त नगर को विद्युत प्रदान करने की आवश्यकता नहीं होती है। वे अपनी उच्च प्रारंभिक लागत, उच्च विशिष्ट ईंधन खपत और इसके साथ जाने वाली बहुमूल्य मशीनरी के कारण अधिक साधारण नहीं हैं।

गैस टर्बाइन- समुद्री अनुप्रयोगों में गैस टर्बाइन अपने छोटे आकार, वर्धित दक्षता और स्वच्छ ईंधन को जलाने की क्षमता के कारण अधिक लोकप्रिय हो रहे हैं। वे विद्युत उत्पादन के लिए गैस टर्बाइन के समान ही चलते हैं, किंतु अधिक छोटे होते हैं और प्रणोदन के लिए अधिक मशीनरी की आवश्यकता होती है। वे नौसैनिक जहाजों में सबसे लोकप्रिय हैं क्योंकि वे मिनटों में एक मृत पड़ाव से पूर्ण शक्ति पर हो सकते हैं (कायाडेलन, 2013), और दी गई ऊर्जा की मात्रा के लिए बहुत छोटे होते हैं।

जल जेट - अनिवार्य रूप से एक जलजेट ड्राइव एक विमान टर्बोजेट के समान है, जिसमें अंतर यह है कि हवा के स्थान में परिचालन द्रव जल है। जल जेट तेज जहाजों के लिए अधिक उपयुक्त हैं और इसलिए प्रायः सेना द्वारा उपयोग किए जाते हैं। जल जेट प्रणोदन के समुद्री प्रणोदन के अन्य रूपों, जैसे स्टर्न ड्राइव, बाह्य इंजनी (आउटबोर्ड) मोटर, शाफ्ट प्रेरक (प्रोपेलर) और सतह ड्राइव पर कई लाभ हैं।

ऑटो
टर्बोचार्जर- टर्बोचार्जर अधिक लोकप्रिय टर्बो मशीनों में से एक हैं। वे मुख्य रूप से अधिक हवा जोड़कर इंजनों में ऊर्जा जोड़ने के लिए उपयोग किए जाते हैं। इसमें टर्बोमाचिन के दोनों रूप संयुक्त है।सटीक टर्बाइन की तरह, इंजन से निकास गैस ब्लेड वाले पहिये को घुमाती हैं। वह पहिया फिर एक और ब्लेड वाले पहिये को घुमाता है, इंजन में बाहर की हवा को चूसता और संपीड़ित करता है।

अतिभरक(सुपरचार्जर)- अतिभरक का उपयोग इंजन की ऊर्जा वृद्धि के लिए भी किया जाता है, किंतु केवल संपीड़न के सिद्धांत से परे काम करता है। वे किसी तरह इंजन में हवा को चूसने और संपीड़ित करने के लिए, इंजन से यांत्रिक शक्ति का उपयोग एक पेंच या फलक को घुमाने के लिए करते हैं।

सामान्य
पंप- पंप एक और अधिक लोकप्रिय टर्बो मशीन है। यद्यपि बहुत सारे विभिन्न प्रकार के पंप हैं, वे सभी एक ही काम करते हैं। पंपों का उपयोग विद्युत मोटर से पूर्ण आकार के डीजल इंजनों तक किसी प्रकार की यांत्रिक शक्ति का उपयोग करके द्रव को स्थानांतरित करने के लिए किया जाता है। पंपों के हजारों उपयोग हैं, और टर्बोमशीनरी के लिए सही आधार हैं (स्कोर्पिक, 2017)।

वायु संपीडक(एयर कंप्रेसर) - वायु संपीडक एक और अधिक लोकप्रिय टर्बो मशीन हैं। वे धारण टैंक में हवा को खींचकर और संपीड़ित करके संपीड़न के सिद्धांत पर काम करते हैं। वायु संपीडक सबसे मूलभूत टर्बोमाचिनों में से एक हैं।

पंखा- पंखे सबसे सामान्य प्रकार की टर्बो मशीनें हैं।

अंतरिक्ष प्रौद्योगिकी
गैस टर्बाइन- अंतरिक्ष प्रौद्योगिकी गैस टर्बाइन, जिसे सामान्यतः जेट इंजन के रूप में जाना जाता है, सबसे सामान्य गैस टर्बाइन हैं।

टर्बोपंप- रॉकेट इंजनों को बहुत अधिक प्रणोदक दबाव और द्रव्यमान प्रवाह दर की आवश्यकता होती है, जिसका अर्थ है कि उनके पंप को अत्यधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है। इस समस्या के सामान्य समाधानों में से एक टर्बोपंप का उपयोग करना है जो एक ऊर्जावान द्रव प्रवाह से ऊर्जा निष्काषित करता है। इस ऊर्जावान द्रव प्रवाह का स्रोत एक या कई चीजों का संयोजन हो सकता है जिसमें हाइड्रोजन पेरोक्साइड का अपघटन, प्रणोदक के एक हिस्से का दहन या दहन कक्ष की दीवारों में शीतलक आवरण के माध्यम से चलने वाले निम्नतापीय (क्रायोजेनिक) प्रणोदक का ताप भी सम्मिलित है।

टर्बो मशीन विषयों की आंशिक सूची
कई प्रकार के गतिशील सतत प्रवाह टर्बोमशीनरी उपस्थित हैं। इन प्रकारों की आंशिक सूची नीचे दी गई है। इन टर्बोमशीनों के विषय में उल्लेखनीय बात यह है कि सभी पर समान मूलतत्व सिद्धांत लागू होते हैं। निश्चित रूप से इन मशीनों के मध्य और विशेष रूप से विशिष्ट स्थितियों में अनुप्रयुक्त होने वाले विश्लेषण के प्रकारों के मध्य महत्वपूर्ण अंतर हैं। यह इस तथ्य का खंडन नहीं करता है कि वे द्रव गतिकी, गैस गतिकी, वायुगतिकी, जलगतिकी और ऊष्मप्रवैगिकी के समान अंतर्निहित भौतिकी द्वारा एकीकृत हैं।


 * अक्षीय संपीडित्र
 * अक्षीय पंखा
 * अपकेंद्रीय संपीडित्र
 * अपकेंद्रीय पंखा
 * अपकेंद्रीय पम्प
 * अपकेंद्रीय प्रकार सुपरचार्जर
 * एक्सोस्केलेटल इंजन
 * फ्रांसिस टरबाइन
 * गैस टर्बाइन
 * औद्योगिक पंखे
 * जेट इंजिन
 * यांत्रिक पंखा
 * मिश्रित प्रवाह संपीडित्र
 * रेडियल टरबाइन
 * वाष्प टरबाइन
 * टर्बोचार्जर
 * टर्बोविस्तारक
 * टर्बो फ़ैन इंजन
 * टर्बो जेट इंजन
 * टर्बोप्रौप इंजन
 * टर्बोपंप
 * टर्बोशाफ्ट
 * टर्बाइन
 * जल टर्बाइन

यह भी देखें

 * ब्लेड की मजबूती
 * टर्बोमशीनरी में द्वितीयक प्रवाह
 * स्खलन अवयव
 * टर्बोमशीनरी में त्रि-आयामी हानि और सहसंबंध

स्रोत

 * एस एम याह्या। टर्बाइन कंप्रेशर्स और पंखे। 1987. मैकग्रा हिल।
 * नागपुरवाला, क्यू। (एनडी)। भाप टर्बाइन। 10 अप्रैल, 2017 को http://164.100.133.129:81/eCONTENT/Uploads/13-Steam%20Turbines%20%5BCompatibility%20Mode%5D.pdf से लिया गया
 * सोरेस, सी। एम। (एनडी)। सरल चक्र और संयुक्त चक्र अनुप्रयोगों में गैस टर्बाइन। 1-72। https://www.netl.doe.gov/File%20Library/Research/Coal/energy%20systems/turbines/handbook/1-1.pdf से 10 अप्रैल, 2017 को लिया गया
 * पर्लमैन, यू.एच. (2016, 2 दिसंबर)। हाइड्रोइलेक्ट्रिक पावर: यह कैसे काम करता है। 10 अप्रैल, 2017 को https://water.usgs.gov/edu/hyhowworks.html से लिया गया
 * स्कोर्पिक, जे। (2017, 1 जनवरी)। लोपटकोवी स्ट्रोज-अंग्रेजी संस्करण। 9 अप्रैल, 2017 को http://www.transformacni-technologie.cz/en_11.html से लिया गया
 * कयाडेलन, एच। (2013)। समुद्री गैस टर्बाइन। 7 वीं अंतर्राष्ट्रीय उन्नत प्रौद्योगिकी संगोष्ठी। 15 अप्रैल, 2017 को पुनःप्राप्त।
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बाहरी कड़ियाँ

 * Hydrodynamics of Pumps
 * Ctrend website to calculate the head of centrifugal compressor online