מנוע סילון הוא שם כולל לסוג מנוע המייצר כוח על ידי סיבוב טורבינה על ידי דחף אוויר המשמש להנעת כלי רכב, ובעיקר כמנוע תעופתי בכלי טיס.
מנוע סילון משתמש לרוב בטורבינות כדי לדחוס אוויר בשלב כניסתו למנוע, וכן כדי להניע ולהמשיך את פעולת המנוע על ידי טורבינה ביציאתו מהמנוע. המנוע מייצר סילון של אוויר על ידי הגדלת הלחץ שלו, הבערתו והזרמתו. האוויר זורם מאזור שנפחו קטן, מהירותו נמוכה, והלחץ שלו גבוה לאזור טורבינת היציאה, ובו האוויר הופך למהיר ובלחץ נמוך. במנועי טורבו-סילון וטורבו-מניפה האוויר המהיר הנפלט מהמנוע גורם לדחף כתוצאה מהחוק השלישי של ניוטון.
מנועי סילון מצטיינים ביעילות בתנאי טיסה בגובה רב ובמהירות גבוהה יחסית. לעומתם מנועי בוכנה מצטיינים בביצועים במהירות וגבהים נמוכים. שילוב יתרונות מנוע הסילון ועיצוב בית מנוע מתקדם מאפשר טיסה יעילה במהירויות על קוליות.
ישנם כמה סוגי מנועי סילון עיקריים: "טורבו־סילון", "טורבו־מניפה", "טורבו־פרופ" ו"טורבו־ציר". קיימים מנועי סילון, כדוגמת מגח־סילון ועל־מגח סילוני, המשתמשים במערך גלי הלם לדחיסת האוויר במהירויות על קוליות, בלי שימוש ברכיבים מסתובבים (מדחסים וטורבינות) כלל.
היסטוריה
ניסיונות הנעה סילונית מוקדמים
בשנת 1903 ייצר הממציא הנורווגי אגידיוס אלין (אנ') מנוע טורבינת גז שהשתמש בטורבינה צנטריפוגלית בשביל לדחוס את האוויר החיצוני לפני בערתו. זה היה מנוע הסילון הראשון שעבד בכוחות עצמו.
בשנת 1906 רשם המהנדס הרוסי ו"ו קראבודין (В.В. Караводин) פטנט על מנוע הבערה פעימתית הראשון, ובשנת 1907 ייצר אותו לראשונה.
הנעה סילונית הוצעה כמקור כוח בתעופה כבר ב־1908 כאשר המהנדס הצרפתי רנה לאורין (אנ') המציא מנוע מגח סילון פשוט. הפטנט שנרשם אומנם הקדים את זמנו בכמה עשורים, אך הנדסת החומרים בזמנו לא אפשרו ליצור מנוע מעשי שהיה שורד את טמפרטורות הדליקה הגבוהות. כמו כן המנוע דרש תנועה קדמית התחלתית מהירה כדי שהמנוע יוכל לעבוד.
בשנת 1910 הציג הממציא הרומני אנרי קואנדה את מטוס הקואנדה 1910. המטוס שלו כלל מנוע בוכנה שהניע מניפה בתוך צינור, ונחשב למנוע דמוי־הסילון המוקדם ביותר שטס. המטוס התרסק ונשרף בטיסת הבכורה שלו, אך נחשב ציון דרך חשוב בהתפתחות מנוע הסילון.
בשנת 1915 רשם אלברט פונו (אנ') פטנט על פגז תותח שכלל מבנה של מנוע מגח־סילון. הפטנט הבטיח מהירויות פגז גבוהה גם אם מהירות הלוע הייתה נמוכה ביציאה מהתותח. תאורטית ההמצאה אפשרה ירי פגזים כבדים מתותחים קטנים יחסית.
בשנת 1920 המהנדס הבריטי ו"ג סטרן (W. J. Stern) פרסם מאמר לטובת חיל האוויר המלכותי הבריטי, ובו טען שטורבינות אינן יכולות לשמש להנעת מטוסים בשל חוסר יעילותן. מאמר זה ומאמר נוסף מ-1923 גרמו למיעוט העניין במנועי סילון בבריטניה.
בשנת 1921 רשם הממציא הצרפתי מקסים גילום (אנ') פטנט למנוע טורבו־סילון מוקדם שכלל מדחס בעל כמה שלבים, תא בערה גדול וטורבינה ביציאה מהמנוע. העיצוב הקדים את זמנו ודמה מאוד למנועי סילון מאוחרים יותר, אך הטכנולוגיה לא אפשרה ייצור של מנוע מעשי מהתכנון.
בשנת 1926 פרסם הממציא הבריטי אלן גריפית (אנ') מאמר בשם "Aerodynamic Theory of Turbine Design",[1] במאמר הוא טען שבשל עיצוב הטורבינות המצויות הן עובדות בתנאים של הזדקרות להבים, ושיש לשפר אותן ולעצב ללהבים פרופיל אווירודינמי טוב יותר. לגרסתו, מנועי טורבינה יכולים להשתוות ואף להתעלות על מנועי הבוכנה. במאמר הוא הציע מנוע שמאוחר יותר הפך למנוע טורבו־פרופ.
בשנת 1928 הגיש אלברט פטנט לכמה צורות של מנועי מגח סילון. הפטנט אושר ב-1932 אך תכנוניו לא יושמו. בשנת 1929 פרסם המדען הרוסי בוריס סטצ'קין (Борис Стечкин) מאמר על מנועי מגח־סילון לכלי רכב חלליים, ובו הציג את תובנותיו במחקר תאורטי. בשנת 1933 רשם רנה לדוק (René Leduc) פטנט על מנוע מגח־סילון, התכנון שלו יושם בשנת 1936. הוא הדגים את פעולת המנוע, וממשלת צרפת הזמינה מטוס ניסוי בעל מנוע המגח של רנה בשנת 1937. בתחילת מלחמת העולם השנייה הופסק הפיתוח, אך המטוס הראשון בעל מנוע מגח סילון של רנה המריא בשנת 1949.
מנועי טורבו סילון מוקדמים
בשנת 1929 פרסם פרנק ויטל מאמר על טכנולוגיה עתידית בתעופה בתזה שלו בסיום קורס הקצינים של חיל האוויר הבריטי, ובו הציג את דעותיו לגבי מנועי סילון. זה היה בעצם מנוע תרמו סילון שכלל מנוע בוכנה הדוחס את האוויר ומחמם אותו לפני פליטתו מצינור באחורי המטוס. בשנת 1930 הוא שינה את העיצוב שלו למנוע עם מדחס צנטריפוגלי וטורבינה בשלב העבודה ורשם על זה פטנט. באותה שנה הוא הציג את העיצוב למשרד האווירייה (אנ') הבריטי שדחה אותו לאחר התייעצות עם אלן גריפית. בשנת 1933 תיאר הנס פון אוהיין הגרמני בתזה שלו מנוע סילון בעל טורבינות מדחס ועבודה צנטריפוגליות.
פיתוח נוסף באותה תקופה היה הפטנט של סקונדו קמפיני (אנ') האיטלקי בשנת 1931 למנוע תרמו־סילון שהשתמש במנוע בוכנה כדי לסובב את המדחס בכניסה למנוע, המטוס, קפרוני קמפיני C.1, טס בהצלחה לראשונה בשנת 1940. באותה שנה ביצעו המדענים הרוסים יורי פובדונוסצב (Ю́рий Победоно́сцев) ואיגור מרקולוב (Игорь Меркулов) ניסויים מוצלחים במנועי מגח־סילון. הם גם ביצעו ניסויים בתנאי טיסה על קולית על ידי שיגור מתותח.
פון אוהיין התחיל להרכיב את מנוע הסילון שלו במוסך של שותפו לפיתוח בשנת 1934. בשנת 1935 הקים פרנק ויטל את חברת פאוור ג'טס (אנ') במטרה לפתח את מנוע הסילון שלו. בשנת 1936 נפגש פון אוהיין עם ארנסט היינקל שבחן את העיצוב שלו, ולאחר מכן גייס אותו לשורותיו.
בשנת 1937 ביצעו העיצובים של פרנק ויטל ("פאוור ג'טס WU") ופון אוהיין ("היינקל HeS 1") את ההרצות הראשונות שלהם. חברת היינקל השלימו את המנוע הראשון שלהם לניסויי טיסה בשנת 1938 ומטוס הסילון הראשון בעולם, ההיינקל He 178 (אנ'), המריא לראשונה בחשאי בשנת 1939 בשל החשאיות של הטיסה המטוס של קמפיני שהמריא שנה אחר כך זכה במשך זמן ארוך לתואר מטוס הסילון הראשון. באותה תקופה העיצובים של פרנק ויטל התמקדו במדחס צנטריפוגלי וטורבינה צירית, בעוד מגוון העיצובים הגרמנים התמקדו במדחסים ציריים, כאשר אלה יכלו לספק יחסי דחיסה טובים יותר אך היו יותר מסובכים לתכנון וייצור ודרשו חומרים מתקדמים יותר לאורך חייהם.
בשנת 1937 הורץ לראשונה מנוע הטורבו־פרופ ה"יינדראסיק Cs-1" של הממציא ההונגרי גאורג ינדראשיק (אנ') שהפיק 1,000 כוחות סוס (750 קילו־וואט), אך סבל מבעיות בזרימת האוויר במנוע ועל כן הוגבל ל־400 כוחות סוס.
מטוס הסילון הראשון של גלוסטר המונע במנוע "פאוור ג'טס W.1" המריא לראשונה ב־1941 ודרבן את כל תעשיית המנועים הבריטית להתחיל בפיתוחים משלהם למנועי סילון, באותה שנה משרד האווירייה הזמין פיתוח של מטוס קרב סילוני שהפך לגלוסטר מטאור. בגרמניה באותו הזמן חברת מסרשמיט כבר החלה בפיתוח של מטוס קרב המונע בשני מנועי סילון שהפך למסרשמיט Me-262.
בשנת 1942 המריא המסרשמיט Me-262 לטיסת הבכורה שלו. באותה שנה ה־V-1 המונע במנוע בערה פעימתית המריא לראשונה. באותה תקופה בבריטניה חברת פאוור ג'טס עבדה בשיתוף עם חברת רובר, אבל סכסוך שהתפתח ביניהן איים להפסיק את ייצור מנועי הסילון. חברת רולס־רויס ניגשה לרובר בהצעה להחלפת מפעל מנועי הסילון של רובר עם מפעל מנועי הטנקים של רולס־רויס, לאחר שזו ענתה בחיוב רולס־רויס השתלטה על השותפות עם פאוור ג'טס והאיצה את תהליך הפיתוח.
בשנת 1943 המריא מטוס ניסוי של הגלוסטר מטאור בכוח מנוע ה"רולס־רויס ולנד".
באפריל 1944 נכנס המסרשמיט Me 262 לראשונה לשירות מבצעי והביס את הגלוסטר מטאור, שנכנס לשירות ביולי אותה שנה, לתואר מטוס הסילון המבצעי הראשון בחודשיים.
אחרי מלחמת העולם השנייה
עם תום מלחמת העולם השנייה פיתוח מנועי הסילון שהיה טכנולוגיה חשאית ואקזוטית הפך לידיעת הכלל. הבשלת דגמי מנועים שהחלו את דרכם עוד בימי המלחמה החלו להופיע בשוק ועל גבי מטוסים צבאיים ואזרחיים. בשנת 1949 היה מטוס ויקרס VC.1 ויקינג למטוס הנוסעים הראשון שהונע על ידי דחף ממנוע סילון ה"רולס־רויס נאן". בשנת 1950 הפך ה"רולס רויס קונוויי" למנוע טורבו־מניפה הסדרתי הראשון, ב־1952 הפך הדה הבילנד קומט למטוס הנוסעים הסילוני הראשון. מטוסי הנוסעים הסילוניים המוקדמים חוו מספר בעיות שהקשו על תפעולם, ובשנים 1956–1958 היה הטופולב Tu-104 למטוס הנוסעים הסילוני הפעיל היחיד, זאת עד אשר מטוס הבואינג 707 נכנס לשירות בשנת 1958. המטוס הזה ניחן באורך חיים ובעיות מועטות יחסית שהביאו להצלחה גדולה במכירות למטוס זה.
מטוסי סילון צבאיים גם הראו את עליונותם במלחמת קוריאה במהלכה מטוסי הבוכנה היו נחותים לכל מטוס סילון בזירה. בנוסף מנועי הסילון לשימוש צבאי חוו פיתוחים מהירים מאוד. בשנת 1953 בעוד מטוס ה־F-86 סייבר מסיים את השירות שלו במלחמת קוריאה טס לראשונה מטוס ה־F-100 סופר סייבר שהיה למטוס הקרב הראשון שמסוגל להגיע לטיסה על קולית בטיסה ישרה ואופקית.
בשנת 1955 המריא לראשונה מסוק האלואט II שהיה למסוק הסדרתי הראשון שהשתמש במנוע טורבו־ציר. מנועי טורבו־ציר הביאו למהפכה של ממש במסוקים שכן אלה הוגבלו על ידי מנועי בוכנה כבדים ומסובכים שלא אפשרו לנצל את יתרונותיו של המסוק במלואם. מנועי טורבו ציר נמצאים בשימוש בתעשייה כמנועי משאבות גז או נפט בקווי הובלה שלהם. מנועי טורבו־ציר מצאו שימוש גם כמנועים של טנקים כגון ה־T-80 שנכנס לשירות בשנת 1976 ומאוחר יותר גם הטנק M1 אברמס. כמו כן מנועי טורבו־ציר משמשים כמנועים של רחפות.
בשנת 1968 נכנס לשימוש מנוע ה"ג'נרל אלקטריק TF39", שהיה למנוע הטורבו־מניפה בעל המעקף הגבוה הראשון בעולם שנכנס לשירות מבצעי עם ה־C-5 גלקסי והחל את עידן מנועי טורבו מניפה היעילים והשקטים יחסית בתעופה האזרחית.
מנועי סילון עשו מהפכה בתעופה האזרחית מכיוון שזאת עתה יכלה לטוס ביעילות בגבהים ומרחקים שלפני כן לא היו זמינים למטוסי נוסעים. כמו כן מנועי סילון הם פחות מורכבים, ופחות מקשים על מבנה גוף המטוס בגלל החוסר ברעידות, זה אפשר להגדיל את המרווח בין ביקורות תקופתיות למטוסים ומנועיהם ועל ידי כך להביא לזמינות גדולה יותר של מטוסים ולמחירי אחזקה נמוכים הרבה יותר לכל שעת טיסה, מה שעזר בהוזלת כרטיסי טיסה לנוסעים והפך את מטוסי הנוסעים לאמצעי התחבורה העיקרי בעולם.
סוגי מנועי סילון
מנוע טורבו־סילון
| תמונות מנועי סילון |
|---|
|
מנוע טורבו־סילון (אנ') (באנגלית: Turbojet) היה לראשון מבין מנועי הסילון שהפך למעשי, המיוחד בו לעומת מנועי סילון אחרים בני התקופה שלו הוא השימוש הבלעדי בדחף אוויר ישיר מפעולת הבערה של המנוע להנעת המטוס והשימוש בטורבינת מדחס המונעת בטורבינת דרגת יציאה מהמנוע. המבנה הבסיסי שלו זהה לכלל מנועי הסילון וכולל מדחס, תא בערה ויציאת אוויר. מנועי טורבו סילון היו נפוצים בכלל המטוסים הסילוניים בתחילת עידן הסילון עד להמצאת מנוע הטורבו־מניפה. מנוע זה מתאפיין בביצועים עדיפים במהירויות וגבהים גדולים ועל כן היה לסוג מנוע המועדף במטוסי סילון על-קוליים.[2] חסרונותיו הם נצילות הדלק הנמוכה יחסית בגבהים ומהירויות נמוכות ועל כן הוא יצא משימוש במרבית מטוסי הנוסעים. מאוחר יותר גם מטוסי הקרב העל-קוליים החלו להשתמש במנועי טורבו־מניפה מותאמים.
מנוע טורבו־מניפה
| תמונות מנועי סילון |
|---|
|
מנועי טורבו־מניפה (באנגלית: Turbofan) מגשר בין הביצועים של דחף ממדחפים שמייצרים זרימה איטית בלחץ גבוה ועל כן דחף גבוה במהירויות וגבהים נמוכים, לבין מנועי טורבו־סילון שמייצרים זרימה מהירה בלחץ נמוך שמייצרת דחף גבוה במהירויות וגבהים גדולים. מנועי טורבו-מניפה כוללים מניפה גדולה לפני מדחס המנוע שחלקה הגדול בולט מעבר לליבה של המנוע והדוחפת את האוויר סביב למנוע עצמו וישירות ליציאה שלו. למעשה מרבית הדחף של מנועי טורבו-מניפה נובע מפעולת המניפה ומיעוטה מדחף הליבה. ליבת המנוע זהה למנוע טורבו-סילון פרט לאזור טורבינת לחץ נמוך גדולה שחלקה מניע את המניפה בעזרת ציר נוסף בשביל התאמת מהירות המניפה. כאמור מנוע טורבו-מניפה מגשר בין ביצועי מנועי טורבו־סילון ומדחפים ועל כן מתאפיין בביצועי שיוט מיטביים במהירויות וגבהים בינוניים (מהירות תת-קולית גבוהה).
ישנם שני סוגים עיקריים של מנועי טורבו-מניפה: "מעקף גבוה" המשתמש במניפה גדולה המייצרת את מרבית הדחף, ו"מעקף נמוך" המשתמש במניפה קטנה יחסית.[2] סוג נוסף הוא מנוע פרופ־פאן או מנוע מעקף אולטרה־גבוה. סוג מנועים זה כולל מניפה חיצונית המונעת ישירות על ידי הטורבינה ללא תמסורת מנחיתה. הלהבים (אנ') של מנועי פרופ־פאן הם ארוכים, רחבים אבל דקים הרבה יותר ממנועי טורבו־פרופ. המנוע הזה מקנה ביצועים דומים לאלה של מנועי טורבו־פרופ במהירויות נמוכות ונצילות דלק דומה לזאת של מנועי טורבו־פרופ בכל מעטפת הביצועים.
שיפור מתמיד בהנדסת מנועים הביאו לכך שמנועי טורבו-מניפה בעלי מעקף נמוך מודרניים משתווים ואף מתעלים על מנועי טורבו־סילון בביצועים בכלל המהירויות ועל כן נכנסו לשימוש גם במטוסי קרב על-קוליים. המניפה של מנועים אלה היא קטנה יחסית למנועים של מטוסי נוסעים אך היא מאפשרת הוספה של דחף אוויר נוסף במנוע, קירור של ליבת המנוע ויותר אוויר באזור המבער.
מנועי טורבו-ציר וטורבו־פרופ
מנועי טורבו-פרופ וטורבו-ציר, בניגוד למנועי סילון אחרים מתמקדים בשימוש במרבית הכוח המופק במנוע ביצור פיתול במקום ביצור דחף. מנועים אלו לא כוללים את אותן הדרישות לזרימת אוויר בתוך המנוע לטובת הפקת כוח ולכן מסוגלים להיות מיוצרים בתצורות וסדר רכיבים לא סטנדרטיים.
| תמונות מנועי טורבו-ציר |
|---|
|
_left_front_view_at_Maizuru_Air_Station_July_29,_2017.jpg)
מנוע טורבו־ציר (אנ') כולל טורבינת לחץ נמוך חופשית מהציר הראשי של המנוע המייצרת פיתול הישר לרכיבים חיצוניים למנוע. מנועי טורבו-ציר משמשים בעיקר במסוקים בהם יש צורך בפיתול רב בציר היוצא מהמנוע לתמסורות המסובבת רוטור גדול שהוא בעצמו מתנגד לפיתול בצורה משתנה בשל הפעולה הקולקטיבית והמחזורית של הלהבים המשנה את התנגדות האוויר לסיבוב של התמסורת הראשית. העומס הגדול על הטורבינה החופשית לא משפיע על פעולת המנוע ועל כן הוא מסוגל לפעול גם כאשר הציר החופשי מאט. עם זאת, האטה או עצירה של הציר החופשי מסוגלת לגרום לעלייה מסוכנת בטמפרטורות באזור הפליטה בעקבות עצירת אוויר בטורבינה החופשית ועקב כך לירידה בביצועים ולנזק למנוע.
במנועי טורבו-ציר משתמשים גם כמקור כוח לספינות, טנקים וכן בתעשייה כמנועי משאבה לקווי גז ודלק.
| תמונות מנועי טורבו-פרופ |
|---|
|
.jpg)
מנוע טורבו־פרופ (אנ') הוא מנוע שהדחף שהוא מייצר משמש לסיבוב הציר הראשי שבתורו משמש בנוסף להמשך הפעולה של המנוע גם להנעת מדחף דרך תמסורת הפחתה, ישנם גם מנועי טורבו־פרופ עם טורבינה חופשית (לא קשורה לשאר הטורבינות במנוע) המניעה את ציר הנעה למדחף. מנועים אלה משמשים למטוסי משא ונוסעים המנמיכים טוס ומהירות נמוכה ומיועדים להחליף מנועי בוכנה גדולים ומורכבים מכנית. אף על פי שהמבנה הבסיסי של מנוע טורבו־פרופ דומה לשאר מנועי הסילון, הוא מנצל את כל זרימת האוויר בדרגת היציאה מהמנוע ליצירת פיתול לציר המניע את המדחף וזוכה ליעילות עבודה גבוהה יחסית למנועי טורבו־סילון או טורבו-מניפה במהירויות נמוכות. במהירויות נמוכות המנוע מייצר הרבה יותר דחף לכל ליטר של דלק מכל מנוע סילון אחר ויכול ליצור דחף המראה גדול מאוד, מה שיכול לקצר את מרחק ההמראה.
עם זאת, במהירויות גבוהות (בסביבות מאך 0.7) להבי המנוע חווים תופעות של גלי הלם והיפרדות זרימה שמקטינים בצורה דרמטית את יעילות הלהבים.[3]
מנוע מגח סילון ועל־מגח סילוני
ערכים מורחבים – מנוע מגח סילון, מנוע על-מגח סילוני
| תמונות מנועי סילון |
|---|
|
(באנגלית: Ramjet, Scramjet) מנועי סילון המסוגלים עקרונית לבצע דחיסה ובערה ללא חלקים נעים בתוך המנוע אבל זה מתאפשר רק במהירויות גבוהות ממהירות הקול כאשר האוויר הפוגש את החרוט של כונס האוויר יוצר גלי הדף, שדוחסים ומאטים את האוויר. מנוע מגח סילון מאט את האוויר למהירות תת־קולית, מזריק בו דלק ואז מצית אותו לטובת האצה. מנוע על־מגח סילון משתמש באוויר על קולי לאורך כל הפעולה של המנוע. כלומר בשלב ההזרקה והבערה של הדלק האוויר הוא על קולי.
סוגי מנוע סילון נוספים
| תמונות מנועי סילון נוספים |
|---|
|
מנוע טרמו־סילון
מנוע זה מכונה בלועזית לרוב מוטור־ג'ט (Motorjet) בגלל ההסתמכות על מנוע בוכנה לעבודת המנוע. מנוע זה משתמש בכוח מנוע בוכנה בשביל לייצר דחיסה, ולעיתים גם בשביל חימום האוויר הדחוס. חלק ממנועי טרמו־סילון משתמשים במשאבות אוויר לדחיסה, בעוד אחרים משתמשים במדחסים תקניים; חלקם משתמשים בהזרקת דלק והצתתו בתא הבערה ואחרים משתמשים בחום מהמנוע בשביל לחמם את האוויר. סוג מנועים זה היה לחלופה פשוטה יותר למנועי סילון כאשר מנועי טורבו־סילון היו מאוד קשים לייצור ולא אמינים.
בשנים הראשונות לאחר מלחמת העולם הראשונה עשו שימוש במנועי טרמו־סילון משולבים שהשתמשו במנועי הבוכנה לסיבוב של מדחף לטובת דחף נוסף במיוחד במהירויות וגבהים נמוכים בהן מנועי סילון מוקדמים היו מגיבים לאט יחסית.
מנוע בעירה פעימתית – סילון־דופק
מנוע סילון פעימתי הוא סוג מנוע פשוט המשתמש באוויר ליצירת דחף סילון על ידי בעירה פעימתית. כאשר האוויר נכנס לכונס מכוח היניקה של המנוע, מוזרק לו דלק בכונס, לאחר מכן הוא חודר דרך תריסים חד כיווניים לתא הבערה. ברגע ההצתה האוויר מתפשט, סוגר את התריסים ובשל שאין לו לאן לברוח האוויר נדחף לאזור הפליטה. בשל הבערה הפתאומית והיציאה המהירה של האוויר נוצר ואקום באזור תא הבערה שפותח את התריסים ויונק אוויר לתא הבערה וחוזר חלילה.
סוג מנוע זה מתאפיין בפשטות טכנולוגית אך גם בבערה לא יעילה וברעש עבודה גדול מאוד.[4]
מנוע טורבו־מגח
מנוע טורבו־מגח זה שילוב של מנוע טורבו־סילון ומנוע מגח־סילון. מנוע הטורבו־מגח בנוי מליבה של טורבו־סילון או מבנה הדומה לו ומבער גדול במיוחד. תפקיד הליבה במהירות נמוכה היא להביא את המטוס לגובה ומהירות על קולית מתאימה בה דלתות במבנה המנוע סוגרות את הכונס של המדחס של הליבה ופותחות דלתות המאפשרות זרימת אוויר ישירות למבער. באותו שלב ליבת המנוע משמשת תפקיד הדומה למדחס של מנוע מגח־סילון - פוגש אוויר על-קולי ומאט אותו לאוויר תת־קולי בשביל פעולת המבער.[5]
רכיבי מנוע סילון
מנועי סילון פועלים על פי אותם עקרונות של שאר מנועי בעירה פנימית המשתמשים באוויר חיצוני לעבודה. על כן תהליך העבודה של המנוע כולל ארבעה שלבים עיקריים: דחיסה, הזרקת דלק, בערה ועבודה. מנוע סילון נחשב למנוע בערה מתמשכת, כאשר שלב ההזרקה והבערה מתקיימים בתא הבערה.
הפרקים הבאים מתייחסים למנועי סילון המשתמשים בטורבינות להנעה, במנועי מגח ועל־מגח סילון בהן אין חלקים נעים כלל אין חלק מהרכיבים הרשומים מטה.
מדחס
| תמונות רכיבי מדחס |
|---|
|
.JPG)
.jpg)
תפקיד המדחס הוא לבצע את השלב הראשון של עבודת המנוע ולדחוס אוויר חיצוני לרמה שתתאים להזרקה ובערה יעילים. המדחס שואב אוויר על ידי טורבינה ייעודית. ישנם שני סוגי מדחס: מדחס צנטריפוגלי המשתמש בטורבינה צנטריפוגלית לטובת דחיסה, ומדחס צירי המשתמש בטורבינה רבת דרגות.
מדחס זרימה צנטריפוגלית המכונה גם אימפלר הוא פשוט מאוד ומסוגל להשתמש באוויר המגיע בזוויות לא ישרות למנוע ולכן מנועי זרימה לעיתים כוללים כניסות למדחס בצידי המנוע. אך על כן סוג מדחסים זה מוגבל ביכולת הדחיסה, כאשר מדחסי זרימה צירית מסוגלים להגיע ליחסי דחיסה גדולים בהרבה. ישנם מדחסים הכוללים שתי טורבינות צנטריפוגליות בטור לטובת יחס דחיסה טוב יותר, אך עיצוב זה הוא נדיר וקיים בעיקר במנועי טורבו־פרופ מוקדמים.
המדחס הצירי משתמש במספר שורות (המכונות דרגות) של להבים סובבים בשביל להניע את האוויר לאורך המדחס, בין הלהבים סובבים והמניעים את האוויר (מכונה רוטור), המנוע כולל שורות של להבים קבועות שתפקידם ליישר את הזרימה כדי למנוע עצירת אוויר בתוך המדחס (מכונה גם סטטור). ישנם מדחסים בעלי להבי סטטור קבועים המשנים את זווית הפסיעה שלהן בהתאם לתנאי הטיסה בשביל לייצר תנאי זרימה אופטימלית. לעיתים ישנם שלבי מדחס בעלי שניים או שלושה חלקים הסובבים במהירויות שונות וכוללות קטרים שונים בין חלק לחלק, בעיקר במנועי טורבו־מניפה.
ישנם מדחסים המשלבים מדחס זרימה צירית עם טורבינה צנטריפוגלית כאשר הטורבינה הצנטריפוגלית מסוגלת להחליף שלוש דרגות להבים אך חייבת להיות הדרגה האחרונה במדחס.
חלק מהאוויר במדחס, מועבר למעקף לשימוש לקירור המנוע ורכיביו בהמשך העבודה של המנוע, בחלק מהמנועים האוויר למעקף מנותב עוד בשלב המניפה.[6]
תא בערה
| תמונות רכיבי תא בערה |
|---|
|
.jpg)
.jpg)
תא הבערה משתמש באוויר דחוס מהמדחס לבערה של דלק, מניע אותו ודוחף אותו לשלב הטורבינה. בתא הבערה מתבצעת ההזרקה וההצתה של הדלק כאשר הזרימה התמידית של האוויר מאפשרת בערה תמידית הגורמת להצתה של הדלק, על כן המנוע צריך לספק הצתה ראשונית בלבד. במנועי סילון יש שלוש תצורות עיקריות של תאי בערה: מספר תאי בערה בהיקף של המנוע, כאשר כל אחד כולל ליבה משלו; תא בערה אחיד בהיקף של המנוע בעל מספר ליבות בהן מתבצעת בערה; תא אחיד בהיקף של המנוע הכולל ליבה אחת בהיקף של המנוע ומספר להבות בערה.
תאי הבערה כוללים ליבה בתוך התא בו מתבצעת הבערה, החלק החיצוני של התא משמש להפניית חלק מהאוויר שיכנס בהמשך של תא הבערה ולא מיד בתחילתו על כן הליבה של התא כוללת מספר פתחי כניסת אוויר. זה קיים בשביל שהלהבה תישאר במרכז ליבת תא הבערה ולא תיגע בדפנות. זה מייצר בערה יציבה יותר בגלל זמינות חמצן וזרימת אוויר ישירה יותר לאורך התא, בתא אחיד ואטום הבערה יכולה לגרום להיחנקות הלהבה (מה שמכונה באנגלית Flameout) עקב שרפת מרבית החמצן בתא; כמו כן זה מאפשר לשמור על אורך חיי תא הבערה וזה מאפשר לקרר את האוויר בתוך תא הבערה המגיע לטורבינת לחץ גבוה ועל ידי כך להגדיל את אורך חיי הטורבינה.[7]
חלק מתאי הבערה משלבים חומרים קרמיים בשביל להגדיל את הסיבולת של התא לטמפרטורות קיצוניות.
טורבינה
| תמונות רכיבי שלב הטורבינה |
|---|
|
הטורבינה היא שלב העבודה של המנוע. השלב הזה כולל מספר דרגות של להבים המתחלקים לטורבינת לחץ גבוה (בראשי תיבות: טל"ג) וטורבינת לחץ נמוך (טל"נ). בטורבינת לחץ גבוה האוויר החם מהמנוע נכנס בלחץ גבוה ומתחיל את תהליך ההמרה מאוויר איטי בלחץ גבוה לאוויר מהיר בלחץ נמוך. בגלל הטמפרטורות הקיצוניות בטורבינה משתמשים גם כאן בחומרים קרמיים, וכן משתמשים באוויר קר ממעקף הנכנס לתוך הלהבים הסטטיים ויוצא דרך חרירים, האוויר הקר יוצר מעין שכבת מגן צמודה ללהב.[8]
הן טורבינת לחץ גבוה והן טורבינת לחץ נמוך מסובבות מתנועת האוויר ומניעות בתורן את הציר הראשי כאשר הציר הראשי מניע את המדחס ששואב את האוויר ודוחס אותו לטובת בערה, ככה נוצרת העבודה המתמשכת של מנוע הסילון. בסוגי מנועים שונים משתמשים בטל"ג ובטל"נ בשביל להניע צירים שונים לטובת צרכני כוח שונים. לדוגמה אם תוכנן מדחס בעל מהירות סיבוב להבים שונה בין דרגות המדחס, המניפה במנועי טורבו מניפה הדורש מהירות סיבוב שונה מזאת של המדחס וכדומה.
מנועי סילון מסוימים משתמשים במרבית האוויר בטורבינה בשביל לייצר כוח סיבובי לעבודת המנוע (בעיקר מנועי טורבו־ציר וטורבו־פרופ) ושאר המנועים משתמשים במיעוט מהכוח המופק בטורבינה בשביל המשך העבודה ומאפשרים למרבית האוויר לצאת במהירות מהמנוע בשביל ליצור דחף (במנועי טורבו־סילון וטורבו־מניפה).[9]
מבער אחורי
- ערך מורחב – מבער אחורי
| תמונות רכיבי מבער אחורי |
|---|
|
.jpg)
בגלל אופן הפעולה של תא הבערה בו לא משתמשים בכל החמצן בשביל לא לגרום להיחנקות הלהבה, ביציאה של המנוע נשאר עודף של חמצן שניתן לשרוף לטובת דחף נוסף. מבער אחורי משתמש באוויר זה על ידי הזרקה של דלק והצתתו בתוך הצינור. הבערה גורמת לגידול מהיר ודרמטי של הדחף מהמנוע אך גם להגדלה דרמטית של צריכת הדלק ועל כן בדרך כלל משתמשים במבער במשורה, פרט למטוסים המתוכננים לטיסה על־קולית בצורה מתמשכת דוגמת ה־SR-71, מיג-25 ודומיהם. המבער האחורי הוא בעל קוטר גדול בדרך כלל ולכן האוויר היוצא ממנו כאשר לא משתמשים במבער יכול להקטין את הדחף של המנוע, לכן משתמשים לרוב בנחירי פליטה מתכווננים שעל ידי שינוי קוטר פתח הפליטה מאפשרים התאמה של לחץ האוויר הנפלט בצורה אופטימלית.[10]
היפוך דחף
- ערך מורחב – היפוך דחף
| תמונות רכיבי היפוך דחף |
|---|
|
.jpg)
.jpg)
פונקציית היפוך דחף קיימת בחלק ממנועי הסילון מסוגי טורבו־סילון וטורבו־מניפה בשביל להטות את הדחף של המנוע אחורנית ולגרום להאטה של כלי הטיס במהלך נחיתה. היפוך הדחף מתבצע על ידי כפות הסוגרות את צינור הפליטה של המנוע ודוחפות את האוויר כנגד לכיוון הטיסה, במנועי טורבו־מניפה בעל יחס עקיפה גבוה מטים רק את הדחף של המניפה כיוון שהמניפה מייצרת את מרבית הדחף.[11]
שליטה ובקרה
מנועי סילון נבדלים ממנועים אחרים ברגישותם לתנאי הסביבה ותפעול הטייס. אוויר בזווית התקפה גבוהה מדי, מעבר חד בין גבהים, זרימת אוויר לא סדירה בגלל תנאי מזג אוויר, האצה מהירה מדי, העלאת מצערת מהירה מדי כל אלה יכולים לגרום להזדקרויות מדחס, לכיבוי הלהבה במנוע והפסקת עבודתו. לכן נדרשת בקרה מוגברת על מערכות המנוע השונות. ישנן מספר מערכות מכניות השולטות על ביצועי המנוע. מערכות הדלק מתאמות אוטומטית את זרימת הדלק בעזרת שיטות שונות בהתאם לפקודת טייס וצורכי המנוע, לצורכי בטיחות מותקן במנועים גם מגבל מהירות שמונע תאוצת יתר של המנוע על ידי בקרה נפרדת על קצב זרימת הדלק.
מערכת הבקרה האלקטרונית התקנית במנועי סילון מכונה Full Authority Digital Engine Control[12] (FADEC) מסוגלת להקנות למנוע פקודות המפצות על שגיאות או שינויי תנאים בשביל למנוע הזדקרות ונזק למנוע.[13]
התנעה
| תמונות רכיבי התנעה |
|---|
|
.jpg)
_of_sectioned_Atar_turbojet.jpg)
,_used_in_Mirage_IIIC_at_Flugausstellung_Hermeskeil,_pic1.JPG)
_with_KM-3_Starter_Track(Toyota_DYNA_200)_right_rear_view_at_Komaki_Air_Base_March_13,_2016.jpg)
מנועי סילון תקניים לא מסוגלים להניע את עצמם ממצב דומם בגלל הדרישה לזרימת אוויר בתא הבערה בשביל לדחוף את האוויר לטורבינה והתנע הגדול שהטורבינה דורשת בשביל להניע את המדחס. על כן המנוע דורש מהירות סיבוב ראשונית בשביל לאפשר התנעה ועלייה למהירות סרק.
חלק ממנועי הסילון עושים שימוש בלחץ פנאומטי ממקור חיצוני או יחידת כח עזר פנימית (APU - Auxilery Power Unit). יחידת כח העזר הפנימית היא למעשה מנוע סילון קטן המחובר למחולל. לצורך הנעת המנועים הראשיים, מועבר לחץ אוויר מדרגת המדחס של מנוע יחידת העזר הפנימית אל טורבינה קטנה המחוברת לחטיבת האביזרים של המנוע אותו נדרש להניע. הטורבינה הקטנה תגרום לסיבוב המנוע הראשי עד להגעה למהירות המאפשרת התנעה. לעיתים, יחידת כח העזר הפנימית מחוברת ישירות לציר הראשי של המנוע. שיטה נוספת היא התנעה על ידי חיבור מכני ישיר של מתנע דלק סילוני (JFS - Jet Fuel Starter) לחטיבת האביזרים, כאשר ה־JFS מסוגל להניע עצמאית, להאיץ את המנוע, להתנתק ממנו ולהיכבות אוטומטית. ה־JFS מורכב בדרך כלל על מטוסי קרב משום שהוא לא דורש תנאים מיוחדים כמו לחץ אוויר חיצוני להתנעה. התנעת ה-JFS עצמו מתבצעת על ידי זרם חשמלי ממצבר או לחץ הדראולי ממצבר הדראולי. קיימים גם מנועים בעלי מתנעים חשמליים המבצעים עבודה דומה ל־JFS.
במנועי סילון צבאיים מסוימים עשו שימוש במתנע תרמיל היוצר לחץ גז פתאומי המאיץ במהירות את המנוע ומאפשר התנעה, לעיתים על ידי שימוש בתרמיל רובי ציד ללא הכדוריות. ישנן גם מערכות התנעה המשתמשות בלחץ הידראולי להקניית סיבובי ראשוני בעיקר במנועי סילון קטנים.[14]
חטיבת אביזרים
מנועי סילון נדרשים לספק כוח ליחידות אחרות בכלי הרכב כגון גנרטורים, משאבות דלק, משאבות הידראוליות ומשאבות שמן. חטיבת אביזרים היא בעצם קופסת ממסר הכוללת ממשקים לרכיבי הקצה הנ"ל. חטיבות אביזרים אלה מונעות על ידי תמסורת העברת תנועה המחוברת לציר הראשי של המנוע.[15]
בטיחות
רעש
טכנאים מתקינים מיקרופונים בסמוך למנוע סילון לפני ניסוי.
דוגמה למבנה משונן בבית המנוע של הרול־רויס טרנט.
.jpg)
מנועי סילון מייצרים הרבה רעש כתוצאה מהחלקים הנעים פנימיים, הרעש שנוצר עקב הבערה, הזרימה של האוויר על גבי להבי המנוע וכן מהאוויר הנדחף במהירות גבוה מצינור הפליטה שיוצר מערבולות גלי הדף ואזורי לחץ משתנים שבזמן קריסתם יוצרים רעש רב.[16]
רמות הרעש סביב המנועים משתנות ממנוע למנוע ובין רמת כוח מופעל על ידי המנוע אך נע בין 89–150 דציבל (הסף הגבוה נכון למנועים בעלי מבער אחורי) במרחק של 30 מטר.[17] רעש גבוה זה מייצר סביבת עבודה קשה שבה אפילו עם הגנה כפולה (אטמי אוזניים ואוזניות רעש) המקנה הורדת עוצמת הרעש ב־30 דציבל בלבד,[18] ישנה הגנה חלקית בלבד מנזקי רעש (הגדרות בטיחות וגהות מגדירות סביבת עבודה הנחשבת לרועשת מעל 80 דציבל).
בנוסף על כך הרעש גורם לנזק סביבתי שמקשה על המתגוררים בסמוך לשדות תעופה או לנתיבי התעבורה. בשנות ה־1970 ה־FAA נדרש לספק הגדרות והגבלות רעש כדי להקטין את הנזק הסביבתי של מטוסי סילון והוא בתורו נתן הגדרות לרמות פעילות כיווני גישה ובנייה של שדות כדי להרחיק מוקדי הרעש הרחק מאזורי מגורים. הפריצה הגדולה בהקטנת רעשים סביבתיים ממנועי סילון הייתה בהמצאה והטמעת מנועי טורבו מניפה בעלי מעקף גבוה, האוויר העוקף הקר משתלב עם הסילון החם מהמנוע ומקטין את ההשפעה של המערבולות, גלי ההדף ואזורי הלחץ המשתנים. בחלק ממנועי הטורבו־מניפה גם משתמשים בשפת זרימה משוננת הן בכיסוי בית המנוע וגם באזור הפליטה בשביל להרחיק את גלי הקול הנוצרים באזור זה מהציר האנכי.
במנועי סילון מסוימים המתוכננים לחמקנות מזריקים חלק מהאוויר העוקף לאזור הפליטה של המנוע בשביל להקטין את המהירות של האוויר הנפלט ולהקטין את הרעש.
שאיבה והדף
מטוס F-16 בבדיקות לפני יציאה לגיחה, ניתן לראות את מערבולת האוויר הנכנסת לכונס ומדגימה את יכולת השאיבה של מנוע הסילון העוצמתי שלו.
מטוס C-17 משתמש בהיפוך דחף במהלך נחיתה, ניתן לראות את מערבולת האוויר הנכנסת לכונס ומדגימה את יכולת השאיבה של מנוע הסילון העוצמתי שלו.
מנועי סילון מייצרים דחף גבוה על ידי יניקת אוויר על ידי המדחס. בכוח מלא מנועי סילון מסוגלים לייצר כוח יניקה מרשים המסוגל לשאוב חלקיקים, רכיבים ואף אנשים לאזור הכונס ולתוך המדחס. תכונה זאת מהווה סיכון בטיחותי גדול הן למנוע עצמו שיכול להינזק משאיבת גופים זרים (ראה פרק נזקי גופים זרים) והן לאנשים שיכולים להיפצע ואף להיהרג משאיבה לתוך מדחס של מנוע סילון. ישנן הגדרות בטיחות נרחבות לגבי בטיחות בקרבת מנועי סילון הנכונות למטוסים ספציפיים.
סיכון נוסף מפעולת המנוע הוא ההדף הנוצר בגלל הדחף הגבוה של המנוע שהוא מרשים לא פחות מיכולת היניקה שלו. מהירות האוויר מהמנוע יכולה להגיע ל־185 קמ"ש במרחק של 60 מטר.[19] בדחף מלא ההדף ממנוע סילון יכול להפוך ולדחוף כלי רכב ואף לקרוע את האספלט מהקרקע. סיכונים אלה מונעים הרצה של מנוע סילון באזור שלא הותאם לו מראש ולא מפנה את ההדף הרחק מהקרקע והגבלת השימוש בכוח מנוע במהלך הסעה ופניות והרחקת גדר שדות התעופה מקצות מסלולי טיסה בהם המטוסים מעלים את כוח המנועים בהכנה לריצת המראה.
נזקי גופים זרים
- ערך מורחב – נזקי גוף זר
תמונה הממחישה את הנזק במדחס של מנוע טורבו ציר מגופים זרים.
רעידות ותהודה
מנוע סילון מתאפיין במסה גדולה הסובבת במהירות גבוהה הכוללת את המדחס, את הציר הראשי ואת הטורבינה. המסה הסובבת הזאת מוחזקת במקומה על ידי מיסבים, כמו כן מחוברת אליה תמסורת המעבירה תנועה לחטיבת האביזרים. תקלה באחד המיסבים, בתמסורת או אף במדחס או בטורבינה (בצורת להבים חסרים לדוגמה) מסוגלים ליצור סיבוב לא מאוזן שיגרום לרעידות במנוע שעלולות לגרום לכשל מבני במנוע ובגוף המטוס.
סיבוב לא מאוזן יכול לגרום לתהודה בה המנוע ורכיביו מיטלטלים בחוזקה ומוציאים את עצמם מאיזון, עד לכשל שיכול לבוא לידי ביטוי בהתפרקות הרכיבים. מכיוון שהמסה סובבת במהירות גבוהה כל כך חלקיה יכולים לעוף בעוצמה ולפגוע במטוס עליו מורכב המנוע ובסביבתו.
כשלים קטסטרופליים
תמונה של תוצאות התפרקות חלקים מהמנוע שעפו לתוך תא הנוסעים, שנת 1996.
דיסק של המניפה של מנוע טורבו סילון של טיסה UAL 232 שהתפרק במהלך טיסה וגרם לכשל במערכת בקרת טיסה בזנב של מטוס DC-10 בשנת 1989. בתאונה זאת נהרגו 111 מתוך 296 מנוסעי המטוס.
כשלים קטסטרופליים במנועי סילון הגורמים לכיבוי מנוע ללא תפעול, עליה באש והתפרקות רכיבים פנימיים וחיצוניים. מבחינת הכשלים הללו ישנן שתי קטגוריות, כשלים מוכלים, כאשר נזקי הכשל נשארים בתוך המנוע (חלק שנשבר ונשאר בתוך המנוע או נפלט אחורנית מצינור הפליטה או שרפה שנשארת כלואה במנוע) ובלתי מוכלים בהם הכשל מתפשט או מתפזר בשאר המטוס (התפרקות, רכיבים שמועפים לתוך המטוס, או דליקה שמתפשטת לתוך הכנפיים).
במנועי סילון מודרניים משתמשים בהרבה מקדמי בטיחות בעיצוב מנועים וביקורות מחמירות המקטינות את הסיכויים לכשל קטסטרופלי של מנועים. בתי המנועים כוללים יחידות כיבוי אש עצמאיות ומערכות הדלק כוללת שסתומי בטיחות לניתוק אספקת דלק למנוע. בעשורים האחרונים האמינות של המנועים עלתה לכדי כך שניתן להשתמש במטוסים דו מנועיים לטיסות ברוב העולם ומעל האוקיינוסים, כאשר לפני כן על פי הגדרות הבטיחות נדרשו לפחות שלושה מנועים לחציית אוקיינוס. מנועי טורבו מניפה חדשים מתוכננים להמשיך לתפקד לאחר פגיעת ציפור ואובדן מספר להבים במניפה ובמדחס.
ראו גם
לקריאה נוספת
- The Jet Engine, by Rolls-Royce Technical Publications Department, 1996. ISBN 0902121 235
- Aircraft Propulsion and Gas Turbine Engines, by El-Sayed Ahmed, 2008. ISBN 978-0-8493-9196-5
קישורים חיצוניים
בטיחות ואסונות
- חוברת של ה-FAA לגבי רעש בתעופה(הקישור אינו פעיל, 28 בדצמבר 2017)
- דו"ח של הצי האמריקאי לגבי תוכנית הקטנת/הגנה מנזקי רעש(הקישור אינו פעיל)
- הגדרה של כשלי מנוע לא מוכלים
- רשימת כשלים לא מוכלים של מנועי סילון שגרמו לתאונות
- Mixed-mode, high-cycle fatigue-crack growth thresholds מתוך International Journal of Fatigue.
- מנוע סילון, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
כיצד פועלים מנועי סילון?, סרטון באתר יוטיוב, 4 בנובמבר 2019
הערות שוליים
Wikiwand in your browser!
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
