מאת: פרופסור אלון גני, הטכניון.הרעיון של הגברת הדחף של מנוע סילון מים waterjet ע”י הזרקה של בועות אויר לנחיר הפליטה ויצירת סילון דו-פאזי בועתי מהווה תפיסה חדשנית בהנעה-ימית, שאיננה מצויה עדיין באף כלי שייט בעולם. מבחינה רעיונית זוהי קפיצת דרך משמעותית, שעשויה להקנות שדרוג ויכולת האצה מוגברת לכלי שייט, בדומה לתפקיד שממלא מבער אחורי במנוע טורבו-סילון.
בפקולטה להנדסת אוירונוטיקה וחלל בטכניון אנו מקיימים זה שנים פעילות מחקרית ענפה בנושא של זרימות בועתיות ומערכות הנעה לכלי שייט על ותת ימיים, המבוססות על סילון דו-פאזי. בפעילות זו היו שותפים בין היתר סטודנטים לתוארי מגיסטר ודוקטור, והיא התבטאה גם בשני פטנטים ובמאמרים בכנסים ובכתבי-עת בינלאומיים.
הדחף שמפתח מנוע-סילון, בין אם ימי או תעופתי, מבוטא ע”י מכפלה של הספיקה העוברת דרך המנוע (מים במקרה של מנוע ימי, אויר במקרה של מנוע תעופתי) בהפרש בין מהירות סילון הפליטה ומהירות השיוט (או הטיסה) של הכלי.
ניתן לרשום זאת במשוואה הבאה:
F = ṁ (ue-u)
כאשר F הדחף, ṁ ספיקת הזורם דרך יחידת ההנעה, ue מהירות הפליטה של הסילון ו-u מהירות השיוט. מהירות סילון הפליטה ue חייבת להיות גבוהה ממהירות השיוט u, כדי לקבל דחף חיובי. במנוע סילון ימי המשאבה שואבת את המים דרך כונס (הנמצא בד”כ בתחתית כלי השייט) ובונה לחץ, שמאפשר פליטה של סילון המים במהירות גבוהה דרך נחיר הפליטה.
הרעיון המונח בבסיס ההנעה הדו-פאזית המוצגת כאן הוא, שעל ידי הזרקה של בועות אויר (או גז) אל תוך זרם המים במקטע (תא ערבוב) שבין המשאבה ונחיר הפליטה, ניתן להקנות לסילון הפליטה תוספת מהירות ע”י ניצול עבודת ההתפשטות של הבועות, (pdV∫ כידוע ממדע התרמודינמיקה) והפיכתה לאנרגיה קינטית של הסילון (איור 1), ללא שינוי הספק המנוע או הלחץ והעומס על המשאבה. הגדלת מהירות סילון הפליטה בדרך זו גורמת להגברת הדחף. האוויר הדרוש מסופק על ידי מדחס, המונע באמצעות מערכת עזר קטנה יחסית למערכת ההנעה הראשית, כי היא נועדה להוסיף דחף חלקי בלבד.
היתרונות של מערכת כזו עשויים להיות משמעותיים:
א. אפשרות הפקת דחף רב יותר מהדחף המתוכנן של מערכת סילון המים הבסיסית, כולל שדרוג של מערכת סילון מים waterjet קיימת, ללא פגיעה בפעולה הרגילה של המשאבה.
ב. אפשרות של האצה ניכרת לכלי השייט בעת הצורך.
ג. התגברות על “דבשת” (hump) של התנגדות, בין היתר לצורך יציאה לריחוף, תוך מניעת בעיות קוויטציה.
ד. הגדלת המהירות המרבית של הכלי.
ה. מיסוך החתימה האקוסטית.
כלי שייט מהירים, כדוגמת ספינות משמר, עם יכולת להגיע למהירויות גבוהות של 45-40 קשר למשל, משייטים במרבית משך חייהם במהירויות נמוכות בהרבה, למשל 25-20 קשר. הצורך המבצעי בהאצה פתאומית תוך התגברות על הגרר ההידרו דינמי, עלול לגרום למשאבה לפעול באזור קוויטציה, בו הפעולה לא יעילה ואף גורמת נזק למשאבה. השימוש במערכת הזרקת האוויר מאפשר קבלת תוספת הדחף הדרושה תוך הימנעות מבעית הקוויטציה.
רעיון הגברת הדחף ע”י הזרקת אויר נחקר בצורה ניסויית במערך הניסויים בטכניון. ניסויים סטטיים בבריכת ניסוי נעשו ביחידת ההנעה של אופנועי ים Yamaha עם הספק נומינלי של 50 קילוואט (איור 3). באזור שבין המשאבה לקונוס האצת הסילון של נחירי הפליטה הותקן מקטע קצר (תא ערבוב), שאליו ניתן היה להזריק אויר דרך 16 חורים בדפנות. דחף המנוע והלחץ אחרי המשאבה בסיבובי מנוע שונים (בין 2000 ל- 6000 סל”ד) כמו גם ספיקת האויר נמדדו באופן רציף.
החיזוי התאורטי לקח בחשבון, שמהירות סילון הפליטה כתוצאה מהזרקת האוויר תגדל על פי עבודת ההתפשטות של האוויר בנצילות של כ- 70%.
ספיקת האויר בניסויים שונתה בין 60 ל- 170 גרם לשנייה, כאשר נחיר הפליטה היה אופטימלי לספיקה הנמוכה ב-2000 סל”ד ולספיקה הגבוהה ב- 6000 סל”ד. ציור 4 מראה את תוצאות הניסויים וההתאמה לחיזוי התיאורטי.
תוצאות הניסויים מראות התאמה טובה לחיזוי התיאורטי, כאשר בסל”ד נמוך הגברת הדחף הגיעה לכ- 55% ובסל”ד גבוה לכ- 23%, כצפוי עבור ספיקות האוויר שנבדקו.
לסיכום, מערכת ההנעה הימית בסילון דו-פאזי בועתי, אשר הוצגה כאן, הינה פיתוח חדשני וייחודי, אשר לא נוסה בעולם בתנאי פעולה מעשיים מלבד הניסויים שנערכו בטכניון. ההתאמה הטובה בין החיזוי העיוני לתוצאות הניסויים מאפשרת בחינה של מערכת הנעה כזאת לכלי שייט, בעיקר כלים דוגמת ספינות משמר או כלי שייט צבאיים, הדורשים תוספת דחף לצורך האצה מהירה או הימנעות מבעיות קוויטציה. התקן של הזרקת בועות אויר, שהינו מקביל למבער אחורי במנועי סילון תעופתיים, מאפשר פעולה אופטימלית של מערכת סילון מים waterjet נומינלית בתנאים רגילים, ושידרוג והגברת דחף ניכרת בעת הצורך ללא הזדקקות להגדלת מערכת ה- waterjet עצמה.
המחקר שנערך בטכניון מעורר עניין בעולם. וגופים שונים בודקים אפשרות של שת”פ, כולל משרד המחקר של הצי-האמריקאי ONR, שיזם לאחרונה מענק מחקר לטכניון ללימוד התופעות הבסיסיות הקשורים לזרימה דו-פאזית.
