סיבוכים של תכנון ושל ייצור להבי מניפה (Fan) גדולים יותר במנועים

(או: איך הופכים להבי המניפה במנועים להיות גדולים יותר ויותר – והשפעתם על המטוס?).

תקציר ועיבוד של מאמרו של בן הרגרייבס (Ben Hargreaves), שפורסם בתאריך 4 אוקטובר 2017, בגירסה האלקטרונית של Aviation Week: Understanding Complexities Of Bigger Fan Blades

חברת GE בונה ומנסה בימים אלה את מנוע הסילון הגדול ביותר עד כה, ה- GE9X, שאמור להניע את הדור הבא של מטוסי “בואינג 777″. יש לחברה כבר הזמנות ל-900 מנועים שכאלה. חלקים המרכיבים את המנוע הזה עוברים בדיקות וניסויים שהתחילו כבר לפני שש שנים. כמה מהם הינם ה”דור הרביעי” של להבי מניפה הבנויים מסיבי פחמן, מזרקי דלק שהודפסו בתלת-מימד (3D) ועוד רכיבים, העשויים מחומר קל משקל הידוע כ”תרכובת מטריקס קרמית”, או Ceramic matrix composites . הצירוף של חומרים אלה, לדברי החברה, “יקטין את משקל המנוע, יגביר את היעילות ויקטין את תצרוכת הדלק”.

מנועי הסילון הולכים וגדלים כל הזמן – ובמיוחד קוטר המניפה שלהם. עומסים אדירים מופעלים על כל להב, כשכמות אוויר ענקית חולפת דרך ה-Fan בכל שניה של פעולת המנוע. במהלך השנים השתנה תכנון הלהבים ממשטחים ישרים לצורות מורכבות, מעוגלות ותלת-מימדיות. שינוי הצורה התאפשר כתוצאה מהתקדמות בתכנון מודלים ממוחשבים של זרימה דינמית (Computational fluid dynamics (CFD) modeling). בעזרתם מנסים לבדוק את יעילות הזרימה האופטימלית סביב הלהב ולהקטין את מספר הלהבים שבמניפה. המהנדסים נעזרים ביכולת התכנון הגמישה של המערכת ליצור להבים חדישים, עם תכונות אווירודינמיות משובחות עוד יותר.

קוטר המנוע הלך וגדל עם הצורך ב- Bypass Ratio גדול יותר, להשגת דחף יעיל: בלב המנוע נמצא נמצאת “מכונת הטורבו” (מנוע סילון) שבעזרתה, תוך שימוש בחום רב ובלחץ גבוה, מסובבת המניפה. רוב האוויר עובר מחוץ ל”מנוע הסילון” הפנימי ביחס של 1:10 – וכך גם הסחב של המנוע: 90% ממנו מופק מהמניפה.

כדי להעביר כמות אוויר גדולה יש צורך בלהבים יעילים. שטח הפנים של הלהב הולך וגדל ככל שהוא מתרחק מבסיסו. (להב דמוי משוט) חברת “רולס-רויס” שיכללה את היעילות האווירודינמית של להבי הטיטניום שבמנועיה, כבר בשנות ה-80 והשיגה גם עמידות בפני פגיעות מ-FOD (Foreign Objects Digestion). עתה מנסה “רולס-רויס” לעבור מלהבי טיטניום לתרכובת של טיטניום וסיבי פחמן. החברה מנסה גם ייצור “סופר-פלסטי” שבו להבים חלולים בנויים משלוש שכבות של “סנדוויץ’ טיטניום” שמודבקות יחד בטכניקה מיוחדת בטמפרטורות גבוהות. לעומתה, חברת GE כבר מייצרת להבים מסיבי פחמן ועתה עברה לטכניקה של הדבקת שכבות חומרים מרוכבים, המעצבים את צורת הלהב – ולמעשה “אורגים” אותם בתלת-מימד.

שימוש בלהבים העשויים מחומרים מרוכבים מחייב שגם שהמעטפת של ה-Fan תהייה עשוייה מהם: כך גם כל המנוע נעשה קל יותר. להבים אלה יכולים להחזיק מעמד שנים ללא תחזוקה או תיקון – אלא אם נפגעו מ-FOD ובעיקר מציפורים. לכן יש מערכת מורכבת של בדיקות, המנסות לוודא כי לא נוצרים בהם סדקים ומידותיהם לא משתנות בעקבות פגיעה. במקרה הנדיר בו ניתק להב כתוצאה מפגיעת ציפור גדולה, חייבים היצרנים להדגים כי המנוע יכול להמשיך לפעול. לשיפור העמידות בפני ציפורים יש נטייה אצל היצרנים לעבור ליצירת קצוות דקים מטיטניום על חוד פרופיל הלהב, העשוי מחומרים מרוכבים וגם על הקצה שלו – המסתובב מהר יותר – כדי לשפר את חוזקו בעת פגיעה.

תרגום ועיבוד: אילן הייט