מנוע סילון

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
מנוע F-100 במהלך הרצה בעמדה קרקעית. ניתן לראות את הלהבה היוצאת מהמבער ואת הרשת המונעת כניסת גופים זרים לתוך המנוע.

מנוע סילון הוא שם כולל ליחידת הנעה המייצרת דחף אוויר בשביל להניע את המטוס ורכיביו, ונפוץ בתעופה. מנוע סילון משתמש לרוב בטורבינות בשביל לייצר דחיסה בשלב כניסת האוויר למנוע, וכן כדי להניע ולהמשיך את פעולת המנוע על ידי טורבינה ביציאת האוויר מהמנוע.

המנוע מייצר סילון אוויר על ידי הגדלת הלחץ שלו, הבערתו והזרמתו מאזור בנפח קטן לנפח נמוך באזור טורבינת היציאה בו האוויר הופך מאוויר איטי בלחץ גבוה לאוויר מהיר בלחץ נמוך. האוויר המהיר הנפלט מהמנוע גורם לדחף כתוצאה מהחוק השלישי של ניוטון.

מנועי סילון מצטיינים ביעילות בתנאי טיסה בגובה רב ובמהירות גבוהה יחסית למנועי בוכנה שמצטיינים בביצועים במהירות וגבהים נמוכים. שילוב יתרונות מנוע הסילון עם עיצוב בית מנוע מתקדם מאפשר טיסה יעילה במהירויות על קוליות.

ישנם מספר סוגי מנועי סילון עיקריים: מנוע טורבו-סילון, טורבו מניפה, מנוע טורבו-פרופ וטורבו-ציר. ישנם גם מנועי סילון המשתמשים בדחיסה הנגרמת מכניסת אוויר מהירה מאוד (במהירויות על קוליות) והבערתו ללא שימוש בטורבינות כלל ואלה מנועי מגח-סילון ועל-מגח סילוני.

היסטוריה[עריכת קוד מקור | עריכה]

נסיונות הנעה סילונית מוקדמים[עריכת קוד מקור | עריכה]

מטוס Coanda 1910 של הנרי קונאדה.
פגז המגח-סילון של אלברט פונו.
רמון קזנובה עם מנוע הבערה הפעימתית שהוא רשם פטנט עליו בשנת 1915 בנפרד מקראבודין הרוסי שרשם פטנט דומה עוד בשנת 1906.

בשנת 1903 הממציא הנורווגי אגידיוס אלינג (Ægidius Elling) ייצר מנוע טורבינת גז שהשתמש בטורבינה צינטריפוגלית בשביל לדחוס את האוויר החיצוני לפני בערתו, המנוע היה למנוע הסילון הראשון שעבד בכוחות עצמו.

בשנת 1907 המהנדס הרוסי וי. וי. קראבודין (V.V. Karavodin) ייצר את מנוע הסילון בערה פעימתית הראשון עליו הוא רשם פטנט בשנת 1906.

הנעה סילונית הוצעה כמקור כוח בתעופה החל מ-1908 כאשר מהנדס צרפתי בשם רנה לורין (Rene Lorin) המציא מנוע מגח סילון פשוט. הפטנט שנרשם אמנם 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 ראשונית בשביל שהמנוע יוכל לעבוד.

בשנת 1910 הממציא הרומני הנרי קונאדה הציג את מטוס ה-Coanda 1910. המטוס שלו כלל מנוע בוכנה שהניע מניפה בתוך צינור, זה נחשב למנוע דמוי-סילון המוקדם ביותר שטס, המטוס התרסק ונשרף בטיסת הבכורה שלו אך ציין את תחילת העניין במנועי סילון.

בשנת 1915 אלברט פונו רשם פטנט על פגז תותח שכלל מבנה של מנוע מגח-סילון, מה שהבטיח מהירויות פגז גבוהה גם עם מהירות לוע נמוכה ביציאה מהתותח, מה שתאורטית אפשר ירי של פגזים כבדים מתותחים קטנים יחסית.

בשנת 1920 המהנדס הבריטי דבליו.ג'י. סטרן (W. J. Stern) פרסם מאמר לטובת חיל האוויר המלכותי הבריטי בו טען שטורבינות לא יכולות לשמש להנעת מטוסים בגלל חוסר היעילות שלהם, מאמר זה ומאמר נוסף בשנת 1923 גרמו למיעוט העיניין במנועי סילון בבריטניה.

בשנת 1921 הממציא הצרפתי מקסים גיליום (Maxime Guillaume) רשם פטנט למנוע טורבו-סילון מוקדם שכלל מדחס בעל מספר דרגות, תא בערה גדול וטורבינה ביציאה מהמנוע, העיצוב דומה מאוד למנועי סילון מאוחרים יותר והקדים מאוד את זמנו, אך הטכנולוגיה בזמנו לא אפשרה ייצור של מנוע מעשי מתכנונים אלה.

בשנת 1926 הממציא הבריטי אלן גריפית פרסם מאמר "Aerodynamic Theory of Turbine Design", במאמר זה הוא טען שהטורבינות עובדות בתנאי הזדקרות בגלל עיצוב הלהבים שיש לשפר אותו ולהתאים ללהבים פרופיל אוירודינמי. לגרסתו מנועי טורבינה יכולים להשתוות ואף להתעלות על מנועי הבוכנה. במאמר הוא הציע מנוע שמאוחר יותר הפך למנוע טורבו-פרופ.

בשנת 1928 אלברט הגיש פטנט למספר תצורות של מנועי מגח סילון, הפטנט אושר בשנת 1932 אך תכנוניו לא יושמו. בשנת 1929 המדען הרוסי בוריס סטצ'קין פרסם מאמר על מנועי מגח-סילון לכלי רכב חלליים בה הציג את תבונותיו במחקר תאורטי. בשנת 1933 רנה לדוק (René Leduc) רשם פטנט על מנוע מגח-סילון, התכנון שלו יושם בשנת 1936 בה הוא הדגים את פעולת המנוע, אף על פי שהממשלה הצרפתית הזמינה מטוס ניסוי בעל מנוע המגח של רנה בשנת 1937, תחילת מלחמת העולם השנייה הפסיקה את הפיתוח, המטוס הראשון בעל מנוע מגח סילון של רנה המריא בשנת 1949.

מנועי טורבו סילון מוקדמים[עריכת קוד מקור | עריכה]

מטוס הנקל He 178, מטסו מונע סילון הראשון בעולם.

בשנת 1929 פרנק ויטל הציג בתזה שלו בסיום קורס הקצינים של חיל האוויר הבריטי מאמר על טכנולוגיה עתידית בתעופה בה הציג את דעותיו לגבי מנועי סילון שהיה בעצם מנוע טרמו סילון שכלל מנוע בוכנה הדוחס ומחמם את האוויר 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 האוויריה שדחתה אותו עקב התייעצות עם אלן גריפית. בשנת 1933 הנס פון אוהיין הגרמני תיאר בתזה שלו מנוע סילון בעל טורבינות מדחס ועבודה צנטריפוגליות. מנועים בעלי טורבינות עבודה צנטריפוגליות לא היו יעילים ולא נבנו מעולם.

פיתוחים נוספים באותה תקופה היה הפטנט של סקונדו קמפיני האיטלקי בשנת 1931 למנוע תרמו-סילון שמשתמש במנוע בוכנה בשביל לסובב את המדחס בכניסה למנוע, המטוס שלו שכונה קפרונו קמפיני C.1 טס בהצלחה לראשונה בשנת 1940; ניסויים מוצלחים במנועי מגח-סילון על ידי המדענים הרוסים יורי פובדונוסצב ואיגור מרקולוב שבאותה שנה 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 פרנק ויטל הקים את חברת פאוור ג'טס במטרה לפתח את מנוע הסילון שלו. בשנת 1936 פון אוהיין נפגש עם ארנסט היינקל שבחן את העיצוב שלו, ולאחר מכן גייס אותו לשורותיו.

בשנת 1937 העיצוב של פרנק ויטל (מנוע פאוור ג'טס W.U) ופון אוהיין (מנוע היינקל HeS 1) ביצעו את ההרצות הראשונות שלהם. חברת היינקל השלימו את המנוע הראשון שלהם לניסויי טיסה בשנת 1938 ומטוס הסילון הראשון בעולם, ה-היינקל He 178 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 גאורגי יינדראסיק 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 האוויריה 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 המסרשמיט Me-262 המריא 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 עתה בחיוב רולס-רויס השתלטה על השותפות עם פאוור ג'טס והאיצה את תהליך הפיתוח.

בשנת 1943 מטוס ניסוי של הגלוסטר מטאור ממריא בכוח מנוע ה-רולס-רויס וילנד.

באפריל 1944 המסרשמיט Me 262 נכנס לראשונה לשירות מבצעי ומביס את הגלוסטר מטאור, שנכנס לשירות ביולי אותה שנה, לתואר מטוס הסילון המבצעי הראשון בחודשיים.

אחרי מלחמת העולם השנייה[עריכת קוד מקור | עריכה]

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 מטוס ויקרס VC.1 ויקינג היה למטוס הנוסעים הראשון שהונע על ידי דחף ממנוע סילון ה-רולס-רויס נאנה. בשנת 1950 הרולס רויס קונווי הפך למנוע טורבו-מניפה הסדרתי הראשון, ב-1952 הדה הבילנד קומט הפך למטוס הנוסעים הסילוני הראשון. מטוסי הנוסעים הסילוניים המוקדמים חוו מספר בעיות שהקשו על תפעולם, ובשנים 1956–1958 הטופולב Tu-104 היה 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 מנוע 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. כמוכן מנועי טורבו-ציר משמשים כמנועים של רחפות.

בשנת 1968 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[עריכת קוד מקור | עריכה]

הקטנה (14 תמונות)

מנוע טורבו-סילון[עריכת קוד מקור | עריכה]

מנוע טורבו-סילון 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.[1] 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[עריכת קוד מקור | עריכה]

מנועי טורבו-מניפה מגשר בין הביצועים של דחף ממדחפים שמייצרים זרימה איטית בלחץ גבוה ועל כן לדחף 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 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.

מנוע טורבו-פרופ[עריכת קוד מקור | עריכה]

מנוע טורבו-פרופ הוא מנוע שהדחף שהוא מייצר משמש לסיבוב הציר הראשי שבתורו משמש בנוסף להמשך הפעולה של המנוע גם להנעת מדחף דרך תמסורת מנחיתה, 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. למרות 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 גבוה יחסית למנועי טורבו-סילון או טורבו מניפה במהירויות נמוכות. המנוע במהירויות נמוכות 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 חוות תופעות של גלי הלם והיפרדות זרימה שמקטינים בצורה דרמטית את יעילות הלהבים.[3]

מנוע טורבו-ציר[עריכת קוד מקור | עריכה]

מנוע טורבו-ציר כולל טורבינת דחף 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.

מנוע מגח סילון ועל-מגח סילוני[עריכת קוד מקור | עריכה]

Postscript-viewer-shaded.png ערכים מורחבים – מנוע מגח סילון, מנוע על-מגח סילוני

מנועי סילון מסוגלים 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[עריכת קוד מקור | עריכה]

מנוע טרמו-סילון[עריכת קוד מקור | עריכה]

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, ולעתים גם בשביל חימום האוויר הדחוס. חלק ממנועי טרמו-סילון משתמשים במשאבות אוויר לדחיסה, בעוד אחרים משתמשים במדחסים סטנדרטיים; חלקם משתמשים בהזרקת דלק והצתתו בתא הבערה ואחרים משתמשים בחום מהמנוע בשביל לחמם את האוויר. סוג מנועים זה היה לאלטרנטיבה 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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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 תריסים 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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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[עריכת קוד מקור | עריכה]

הקטנה (16 תמונות)

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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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 הוא פשוט מאוד ומסוגל להשתמש באוויר המגיע בזוויות לא ישרות למנוע ולכן מנועי זרימה לעתים 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 הסובבים המנוע כולל שורות של להבים קבועות שתפקידם ליישר את הזרימה כדי למנוע עצירת אוויר בתוך המדחס. ישנם מדחסים בעלי להבים קבועים המשנים את זווית הפסיעה שלהן בהתאם לתנאי הטיסה בשביל לייצר תנאי זרימה אופטימלית. לעתים ישנם שלבי מדחס בעלי שניים או שלושה חלקים הסובבים במהירויות שונות וכוללות קוטרים 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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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 פליימאוט, 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 הסיבולת של התא לטמפרטורות קיצוניות.

טורבינה[עריכת קוד מקור | עריכה]

הטורבינה היא שלב העבודה של המנוע. השלב הזה כולל מספר דרגות של להבים המתחלקים לטורבינת לחץ גבוהה (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 גבוהה 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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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, קונקורד 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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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 הסטנדרטית במנועי סילון מכונה Full Authority Digital Engine Control (בראשי תיבות: FADEC) מסוגלת להקנות למנוע פקודות המפצות על שגיאות או שינויי תנאים בשביל למנוע הזדקרות ונזק למנוע.[12]

התנעה[עריכת קוד מקור | עריכה]

מנועי סילון סטנדרטיים 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 סילון משתמשים בלחץ פנאומטי ממקור חיצוני לכלי הרכב, או ממנוע עזר (APU-Auxilery Power Unit), שיסובב טורבינה קטנה המחוברת לחטיבת האביזרים או ישירות לציר הראשי של המנוע עד שהמנוע עולה למהירות סיבוב מתאימה. שיטה נוספת היא התנעה על ידי חיבור מכני ישיר של מנוע עזר (JFS- Jet Fuel Starter) לחטיבת אביזרים, כאשר ה-JFS מסוגל להניע עצמאית, להאיץ את המנוע, להתנתק ממנו ולהיכבות אוטומטית. ה-JFS מורכב בדרך כלל על מטוסי קרב בגלל שהוא לא דורש תנאים מיוחדים כמו לחץ אוויר חיצוני להתנעה. 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, לעתים על ידי שימוש בתרמיל רובי ציד ללא הכדוריות. ישנן גם מערכות התנעה המשתמשות בלחץ הידראולי להקניית סיבובי ראשוני בעיקר במנועי סילון קטנים.[13]

חטיבת אביזרים[עריכת קוד מקור | עריכה]

מנועי סילון נדרשים לספק כוח ליחידות אחרות בכלי הרכב כמו גנרטורים, משאבות דלק, משאבות הידראוליות ומשאבות שמן. זה מתבצע על ידי חטיבת אביזרים שהיא בעצם קופסת ממסר הכוללת ממשקים לרכיבי קצה. חטיבות אביזרים אלה מנועות על ידי תמסורת העברת תנועה המחוברת לציר הראשי של המנוע.[14]

בטיחות[עריכת קוד מקור | עריכה]

הקטנה (7 תמונות)

רעש[עריכת קוד מקור | עריכה]

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.[15]

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.[16] רעש גבוה זה מייצר סביבת עבודה קשה שבה אפילו עם הגנה כפולה (אטמי אוזניים ואוזניות רעש) המקנה הורדת עוצמת הרעש ב 30 דציבל בלבד,[17] 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 באוזר 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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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 קילומטר לשעה במרחק של 60 מטר.[18] 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[עריכת קוד מקור | עריכה]

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – נזקי גוף זר

מנועי סילון מסתמכים על תנועה סדירה של אוויר בתוך במנוע בשביל הפעולה שלו, לכן שלמות רכיביו וחוסר בגורמים שיחסמו אפילו חלקית את זרימת האוויר היא קריטית. שאיבה של אבן, בורג או כל גוף אחר מהקרקע עלול לגרום לנזק ללהבים העדינים של המנוע שנזק אפילו הקטן ביותר בהם עלול לגרום לירידה בביצועים ואף לכשל קטסטרופלי ולכן ישנה חשיבות גדולה מאוד לנושא גו"ז ולמשמעת מקצועית למניעת נזקים.

רעידות ותהודה[עריכת קוד מקור | עריכה]

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. בגלל שהמסה סובבת במהירות גבוהה כל כך חלקיה יכולים לעוף בעוצמה ולפגוע במטוס עליו מורכב המנוע ובסביבתו.

כשלים קטסטרופליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

כשלים קטסטרופליים במנועי סילון הגורמים לכיבוי מנוע ללא תפעול, עליה באש, התפרקות 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 שריפה שנשארת כלואה במנוע) ובלתי מוכלים בהם הכשל מתפשט או מתפזר בשאר המטוס (התפרקו, רכיבים שמועפים לתוך המטוס, או דליקה שמתפשטת לתוך הכנפיים).

במנועי סילון מודרניים משתמשים בהרבה מקדמי בטיחות בעיצוב מנועים וביקורות מחמירות שהמקטינות 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 ואבדן מספר להבים במניפה ובמדחס.

המשך קריאה[עריכת קוד מקור | עריכה]

  • .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

ראו גם[עריכת קוד מקור | עריכה]

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]

בטיחות ואסונות[עריכת קוד מקור | עריכה]

הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. ^ The Jet Engine by Rolls-Royce, עמוד 7.
  2. ^ The Jet Engine by Rolls-Royce, עמוד 7.
  3. ^ Aircraft Propulsion and Gas Turbine Engines, by El-Sayed Ahmed, עמודים 307-310.
  4. ^ The Jet Engine by Rolls-Royce, עמודים 3-4.
  5. ^ The Jet Engine by Rolls-Royce, עמוד 8.
  6. ^ The Jet Engine by Rolls-Royce, עמודים 19-26.
  7. ^ The Jet Engine by Rolls-Royce, עמודים 35-43.
  8. ^ The Jet Engine by Rolls-Royce, עמודים 87-88.
  9. ^ The Jet Engine by Rolls-Royce, עמודים 45-57.
  10. ^ The Jet Engine by Rolls-Royce, עמודים 179-169.
  11. ^ The Jet Engine by Rolls-Royce, עמודים 159-167.
  12. ^ The Jet Engine by Rolls-Royce, עמודים 99-112.
  13. ^ The Jet Engine by Rolls-Royce, עמודים 122-127.
  14. ^ The Jet Engine by Rolls-Royce, עמודים 65-71.
  15. ^ דו"ח של הצי האמריקאי לגבי תוכנית הקטנת/הגנה מנזקי רעש, עמוד 6.
  16. ^ חוברת של ה-FAA לגבי רעש בתעופה
  17. ^ דו"ח של הצי האמריקאי לגבי תוכנית הקטנת/הגנה מנזקי רעש, עמוד 4.
  18. ^ הסבר על סיכוני הדף במנועי סילון באתר נאס"א