מנוע סילון – MW54

(מה זה ואיך בונים את זה)

אני נשאל הרבה על המנוע שאני בונה. מהרגע שהחלטתי לבנות שמעתי שאלות כגון: "איך זה עובד?", "איך בונים דבר כזה?" וכמובן "כמה זה עולה?". החלטתי לכתוב את המאמר הזה בניסיון לענות על השאלות האלו ועוד.

מנוע סילוןWren MW54

אז מה זה MW54?

ה54MW היא טורבינת גז קטנה (microturbine) שתוכננה ע"י מייק מרפי וג'ון רייט בעלי חברת Wren-Turbines.

ה54MW מול סרגל לשם המחשת הגודל

המנוע במימדיו הסופיים: אורך 15 ס"מ, קוטר 9 ס"מ. והוא מספק 54 ניוטון דחף (בערך 5.5 קילוגרם). המנוע עובד במהירות המטורפת של 160,000 סל"ד.

מבט מלפנים	מבט מאחור

רק לשם השוואה, BVM .96 (מנוע חייתי למניפה) מספק בערך 4-4.5 קילו דחף ושוקל יותר מהMW54.

54MW ומנוע Laser 70 אחד ליד השני לשם השוואה

המנוע קטן יותר מרוב מנועי הסילון המוצעים היום בשוק. הוא בנוי להטיס טיסנים שתוכננו עבור מנועי מניפה. כמובן שע"מ להטיס טיסנים כאלה יש צורך בחיזוק של הגוף יחד עם מיגון נגד החום.

אז איך זה עובד?

טורבינת גז מוגדרת כמנוע חום בדומה למנועי בעירה פנימית (ב"פ). במנוע כזה ע"מ שתתבצע עבודה צריך לדחוס את האוויר קודם שמחממים אותו. במנוע ב"פ נשאבת תערובת אוויר/דלק לתא הבעירה, נדחסת, מחוממת (נשרפת), ואז מתפשטת תו"כ ביצוע עבודה (דחיפת הבוכנה למטה). במנוע סילון קורה אותו דבר רק בצורה רציפה ולא בסדרה של פיצוצים.

האוויר נשאב מקדימה ע"י המדחס. המדחס הנ"ל הוא מדחס של מדגש טורבו ותפקידו לזרוק את האוויר הצידה במהירות גבוהה. אחרי המדחס האוויר עובר דרך חלק שנקרא דיפיוזר (diffuser) שבו האוויר מואט ונדחס (עבודת הדחיסה מתבצעת פה ולא במדחס). אחרי שהאוויר יוצא מהדיפיוזר הוא מגיע לתא הבעירה (combustor) שם מזריקים דלק. התהליך הוא תהליך מתמשך כלומר אין צורך להצית את התערובת כל פעם אלא נוצרת להבה קבועה בדומה למבער גז. הפלגים שרואים בתמונות משמשים רק ע"מ להדליק את הגז בהתנעה. תהליך הבעירה מחמם את הגזים וגורם להם להתפשט. הגזים החמים נפלטים דרך הפתח האחורי במהירות גבוהה. הפרש התנע בין האוויר שנכנס והאוויר שיוצא הוא זה שמספק את הדחף. בדרך החוצה הגזים מסובבים את הטורבינה שמסובבת את המדחס כדי שהתהליך ימשיך.

חלקי המנוע	חתך המנוע

אז מה ההבדל בין מנוע סילון למנוע רגיל/מניפה?

יש שני הבדלים עיקריים. מנוע סילון מחמם את האוויר ובכך "מייצר" דחף ומהירות הפליטה של הגזים.

מנוע מניפה דוחף אוויר אחורה, המשמעות היא שכונס האוויר צריך להיות חלק וגדול יחסית כדי שהיעילות לא תיפגם. מנוע סילון "מייצר" דחף, כלומר הוא לוקח אויר שנע לאט יחסית ו"מרחיב" אותו בכך שהוא מחמם אותו. התוצאה היא שמנוע סילון מסתדר עם כונס קטן בהרבה וברוב המקרים אפילו לא צריך תעלה שתוביל אליו אוויר.

המשמעות של מהירות פליטת הגזים (כמעט מהירות הקול ב54MW) היא שהדחף נשאר כמעט קבוע במהירויות הטיסה של הטיסן. טיסן פרופלור או מניפה מייצר את מרב הדחף במהירות אפס או במהירות נמוכה יחסית. ככל שהמהירות עולה כך יורד הדחף המסופק. מנוע סילון ממשיך לספק דחף גם במהירויות גבוהות ולכן מטוסי סילון הם מהירים מאוד.

הבדל נוסף הוא שבסרק מנוע הסילון מסתובב במהירות לא קטנה (45,000 סל"ד ל54MW). בסל"ד הזה יש בערך 0.5 קילו דחף. לטיסני סילון עם מעט גרר זה מהווה בעיה כשצריך להאט לנחיתה. זה למה שטיסני סילון מצוידים בבלמים.

איך שולטים על מנוע סילון?

למנועי סילון אין בעקרון גבול סל"ד. ככל שמזינים אותם ביותר דלק הם נותנים יותר דחף/סל"ד עד שמשהוא (בד"כ הטורבינה) מתפרק. השליטה לכן על המנוע מתבצעת באמצעות משאבת הדלק. בעקרון אפשר להשתמש במשאבה פשוטה וspeed control של מכונית. הבעיה היא שאין בקרה על המנוע והוא יכול להיהרס בקלות. לכן משתמשים בבקר ממוחשב שמודד סל"ד וטמפ' ומחליט כמה דלק לתת למנוע.

האצה והאטה של המנוע גם היא לא פשוטה. אם מעלים את מהירות המשאבה לפני שהמנוע מספיק להגיב מעלים את הטמפ' (עד כדי התכת הטורבינה) ואם מורידים את מהירות השאיבה מהר מדי אפשר בקלות לכבות את המנוע. הבקר מונע את הבעיות האלה ועוד בעיות אחרות שיכולות להיווצר.

בקר ממוחשב – ECU FADEC

באיזה דלק משתמשים?

כמו במנועי סילון אחרים גם כאן משתמשים בדס"ל. בעקרון אין בעיה להשתמש גם בדלקים אחרים אבל לדס"ל יש קיבולת חום גדולה במיוחד וקל מאוד לעבוד איתו.

איך מתניעים?

ע"מ שהדס"ל יוכל להישרף בתא הבעירה הוא צריך להתאדות. זה יקרה רק אם תא הבעירה יחומם מראש. בנוסף, צריך שיהיה לחץ בתא הבעירה לפני שהמנוע יוכל לעבוד ולכן צריך גם לסובב את המדחס לסל"ד מסוים.

תהליך ההתנעה הוא כדלקמן: מספקים למנוע זרם אוויר (מבלון אוויר דחוס או מנוע חשמלי שמסובב את המדחס). כאשר מגיעים לסל"ד מסוים מכניסים גז פרופן לתא הבעירה ומציתים אותו בעזרת הפלאגים. ברגע שהטמפ' ביציאה מגיעה לערך מסוים הבקר מתחיל להזרים דלק למנוע ולהעלות את הסל"ד בהדרגה. אחרי הגעה לסל"ד סרק (45,000 סל"ד) מפסיקים את זרם האוויר ומנתקים את הפלאגים.

זה לא מסוכן?

כן, אבל גם המנועים שאנחנו רגילים אליהם מסוכנים. המנוע מפעיל כוח יניקה חזק מאוד, מי שמנפנף את ידיו מול המנוע ימצא אותן נשאבות לתוכו ונקצצות. זה לא בריא והדם גורם לקורוזיה על המדחס.

אם במשך ניסיונות ההתנעה מצטבר דלק בתחתית המנוע הוא עלול להפוך לאדים בפתאומיות בעת הרצה ואז חלקים של המנוע מתחילים לנוע במהירויות שונות ובעיקר החוצה. (המנוע מתפוצץ)

מיותר לציין מה יקרה לגוף הנמצא מאחורי המנוע. להזכירכם טמפ' הפליטה יכולה להגיע ל°800.

איך אפשר להשיג מנוע כזה?

יש מספר אופציות. אפשר לקנות את התוכניות מWREN, ולייצר את כל החלקים לבד. עלות פרויקט כזה יכולה להיות בסדר גודל של 1000 שקל כולל עלות של חלק מהכלים. אפשר גם לקנות קיט של המנוע כולל בקר בעלות של 7500 שקל בערך (לא כולל מכס). הקיט כולל את כל החלקים כאשר כל העבודה המסובכת (חריטות, והלחמות) בוצעה עבורך. מה שנשאר לעשות זה מספר עבודות פשוטות כמו קדיחת חורים ומס' הברזות פשוטות.

קיט של 54MW

אני בחרתי לקנות את החלקים שלא יכולתי לייצר לבד ולייצר את השאר. זה לא ממש חסך לי כסף כי עלות הכלים היא גבוהה לא פחות. מה שרציתי להשיג בבניה עצמית זה היכולת לתקן ובעיקר להבין יותר טוב איך הדברים האלה עובדים. את הקיט אפשר לסיים ב20-30 שעות בערך. את המנוע שלי סיימתי תוך חצי שנה. אבל לדעתי זה חלק מהכיף.

למה זה עולה כ"כ הרבה?

מנוע סילון הוא אמנם מכונה פשוטה יחסית אך החומרים הדרושים ורמת הדיוק הם ברמה אחרת ממה שאנחנו מכירים ממנועי בעירה פנימית (ב"פ). למשל, המיסבים הם קראמיים ע"מ שיוכלו לעמוד במהירות ובחום. עלות כל מיסב כזה היא בסביבות 300₪. חלק מהרכיבים הם רכיבים מסובכים שדורשים ייצור בCNC. הטורבינה והNGV הם רכיבים שצריכים לעמוד בחום רב ולכן עשויים מסוג של פלדה הנקראת Inconel 713c. יציקה של הפלדה הזו נעשית תחת ואקום ונבדקת ע"י רנטגן לוודא שלא תתפרק בעומסים שתעמוד בהם אח"כ (על כל להב מופעל כוח של בערך 200 קילו בסל"ד מלא).

איזה כלים צריך ע"מ לבנות מנוע סילון?

בראש ובראשונה צריך מחרטה טובה שיכולה לעבוד בדיוק הדרוש, CNC הוא יתרון אבל לא חובה. צריך גם Pillar Drill ע"מ לקדוח חלק מהחורים. כדי לבנות את תא הבעירה ואת הגוף החיצוני יש צורך בSpot Welder. וע"מ לייצר את טבעת הדלק צריך מבער עם חמצן (Oxy Acetylene). מכשיר Dremel הוא, כמובן, חובה. מעבר לכך צריך את כל הכלים הרגילים לעבודה עם מתכת: מקדחים, מברזים, פצירות וכו...

סיכום

מנועי סילון לטיסנים הגיעו לשלב שהם אמינים מאוד ויחסית זולים. בהתחשב בבעיות האמינות, יעילות והרעש של מנועי מניפה אפשר להבין למה הם מוחלפים בתדירות הולכת וגדלה במנועי סילון. יש האומרים אפילו שמנועי מניפה הם סוס מת, אני נוטה להסכים איתם לאחר הניסיון שלי.

בהמשך יופיע מאמר שמתעד את תהליך (ותלאות) בניית ה54MW שלי.