מנוע טורבינה: עקרונות וסוגים

העיקרון: החוק השלישי של ניוטון

מנוע טורבינה מאיץ מסה גדולה של אוויר אחורה. לפי החוק השלישי של ניוטון, הכוח שדוחף את האוויר אחורה דוחף את המנוע קדימה. לפי החוק השני:

F = M × A – הדחף שווה למסת האוויר כפול התאוצה שלו.

נוסחת הדחף: F = Ms × (V2 − V1) / g, כאשר Ms – משקל האוויר שעובר בשנייה, V1 – מהירות בכניסה, V2 – מהירות ביציאה.

יש שתי דרכים לקבל דחף:

• להאיץ מעט אוויר הרבה (טורבו-סילון) – יעיל במהירויות גבוהות מאוד.
• להאיץ הרבה אוויר מעט (מנוע מניפה, מדחף) – יעיל יותר במהירויות נמוכות ובינוניות, ושקט יותר.

מחזור ברייטון (Brayton cycle)

ההבדל העיקרי מבוכנה: במחזור ברייטון כל השלבים מתרחשים ברציפות ובו-זמנית במקומות שונים, והבעירה היא בלחץ קבוע. במחזור אוטו הבעירה היא בנפח קבוע, ובאותו צילינדר אחד אחרי השני.

תחנות במנוע (Engine stations)

היצרנים ממספרים נקודות לאורך המנוע כדי לציין לחץ וטמפרטורה. למשל Pt2 – לחץ כולל בכניסה למדחס; Pt7 – לחץ כולל ביציאת הטורבינה. EPR מחושב בדרך כלל כ-Pt7 / Pt2.

חלקי המנוע

1. פתח כניסה (Inlet / Air inlet duct): מביא אוויר במהירות ובלחץ אחידים למדחס. בכניסה למדחס האוויר צריך להיות במהירות תת-קולית.
2. מדחס (Compressor): דוחס את האוויר.
3. מפזר (Diffuser): בין המדחס לתא הבעירה; מאט את האוויר ומעלה את הלחץ הסטטי – הלחץ הגבוה ביותר במנוע.
4. תא בעירה (Combustion chamber).
5. טורבינה: מפיקה עבודה מהגזים כדי להניע את המדחס ואת האביזרים (ובטורבו-פרופ – את המדחף).
6. צינור פליטה (Exhaust duct) ופייה (Nozzle).
7. תיבת אביזרים (Accessory gearbox): מניעה משאבות, גנרטור, ומחוברת למתנע.

סוגי מנועי טורבינה

יחס עקיפה (Bypass ratio)

היחס בין מסת האוויר שעוקפת את הליבה לבין המסה שעוברת דרכה.

• נמוך: עד כ-2:1.
• בינוני: 2:1 עד 4:1.
• גבוה: 5:1 ומעלה – מנועי נוסעים מודרניים, עד מעל 10:1.

ככל שיחס העקיפה גבוה יותר, המנוע חסכוני ושקט יותר במהירויות של מטוסי נוסעים.

מבנה צירים

• ציר יחיד (Single spool): מדחס אחד וטורבינה אחת על אותו ציר.
• שני צירים (Dual / Twin spool): מדחס לחץ נמוך (N1) מונע על ידי טורבינת לחץ נמוך; מדחס לחץ גבוה (N2) מונע על ידי טורבינת לחץ גבוה. הציר הנמוך עובר בתוך הציר הגבוה. כל ציר מסתובב במהירות האופטימלית שלו.
• שלושה צירים (Triple spool): מנועי Rolls-Royce גדולים.

טורבינה חופשית (Free turbine)

טורבינה שלא מחוברת מכנית למדחס, ומניעה רק את המדחף או את ציר ההספק. היתרונות: המדחס יכול להסתובב במהירות שלו, והתנעה קלה יותר כי המתנע מסובב רק את מחולל הגז, בלי המדחף. דוגמה: PT6A.

לעומת זאת, טורבינה קבועה (Fixed shaft) – המדחף מחובר דרך אותו ציר לכל הסיבובים (למשל Honeywell TPE331).

גורמים שמשפיעים על הדחף

פתח הכניסה (Inlet)

• מפזר תת-קולי (Divergent): מתרחב – מאט את האוויר ומעלה את הלחץ. מתאים למטוסים תת-קוליים.
• פתח על-קולי (Convergent-divergent): במטוסים על-קוליים, כדי להאט את האוויר למהירות תת-קולית לפני המדחס.
• פתח בצורת פעמון (Bellmouth): בטורבינות במסוקים ובבדיקות קרקע; יעיל מאוד במהירות נמוכה.

FOD: פתח הכניסה שואב כל דבר שקרוב אליו. רשתות (Screens) מותקנות במנועים מסוימים, והמנועים של PT6A ושל מסוקים כוללים לעיתים מפריד חלקיקים (Inertial separator).

ביצועי מנוע טורבינה

דחף ויעילות

תיקון לתנאים סטנדרטיים

ביצועים נמדדים בתנאים משתנים, ולכן מתקנים לטמפרטורה ולחץ סטנדרטיים:

• θ (תטא) – יחס טמפרטורות: T / 288.15K.
• δ (דלתא) – יחס לחצים: P / 29.92 inHg.
• N מתוקן: N / √θ; דחף מתוקן: F / δ.

דירוג שטוח (Flat rating)

מנוע שמוגבל להספק נמוך מהמקסימום התרמודינמי – וכך שומר על הספק מלא עד טמפרטורה או גובה מסוימים (למשל ISA+15). נפוץ בטורבו-פרופים (PT6A).

דירוגי הספק

• הספק המראה (Takeoff) – מוגבל בזמן (למשל 5 דקות).
• מקסימום רציף (Max continuous).
• טיפוס מקסימלי, שיוט.

נקודות למבחן

• מחזור ברייטון – בעירה בלחץ קבוע; כל השלבים בו-זמנית.
• הלחץ הסטטי הגבוה ביותר – ביציאת המפזר, לפני תא הבעירה.
• טורבו-פרופ – רוב הדחף מהמדחף.
• בשני צירים: N1 – לחץ נמוך; N2 – לחץ גבוה.
• טורבינה חופשית – לא מחוברת למדחס, התנעה קלה יותר.
• אוויר חם = פחות דחף.