טורביניה

"טורביניה" (באנגלית: Turbinia) היא ספינה בריטית חלוצה ופורצת דרך, הראשונה בעולם שהונעה על ידי טורבינת קיטור. היא נבנתה ב-1894 ככלי שיט ניסיוני על ידי צ'ארלס פארסונס , ממציא טורבינת הקיטור המודרנית. הופעתה הדרמטית של "טורביניה" במִסְקַר הצי  בספיטהד ב-1897 , אז הגיחה ושטה בין שורות האוניות במהירות שיא של 34.5 קשרים, מציינת את ראשיתו של דור חדש בהנעת אוניות. ב-1899 נבנתה אוניית המלחמה הראשונה המונעת על ידי טורבינות של פארסונס – המשחתת "וייפר" , וב-1901 הושקה אוניית הטורבינה המסחרית הראשונה – אוניית הנוסעים "קינג אדוארד", בת 650 טון.

"טורביניה" השתמרה לימינו והיא מוצגת במוזיאון "דיסקברי"  בניוקאסל, בצפון-מזרח אנגליה. הטורבינה המקורית והראשונה שלה מוצגת במוזיאון המדע בלונדון.

רקע היסטורי
צ'ארלס אלג'רנון פארסונס (1854–1931), ממציא טורבינת הקיטור המודרנית, היה בן למשפחת אצולה בריטית ממוצא אירי. אביו, ויליאם פארסונס, הרוזן רוֹס , היה אסטרונום מפורסם. את חינוכו קיבל בביתו, מפי מורים פרטיים, והצטיין במדעים. הוא למד מתמטיקה בטריניטי קולג' בדבלין ובסנט ג'ון קולג' בקיימברידג', וב-1877 סיים בהצטיינות את לימודיו. אחר כך עבד ארבע שנים כחניך (apprentice) בחברת ההנדסה Elswick Works בניוקאסל, לימים "ארמסטרונג-וִיטווֹרת'" . בשנים 1881–1883 עבד בחברת קיטסון ושות'  מלידס שבנתה קטרי קיטור. באותה תקופה המציא ורשם פטנט על מנוע קיטור 4 צילינדרים אפיציקלואידי מהיר.

ב-1884 הצטרף פארסונס כשותף זוטר לחברת קלארק, צ'פמן ושות'  בגייסטהד ליד ניוקאסל, שייצרה מכונות עזר לאוניות, והתמנה למנהל מחלקת החשמל החדשה שלה. אספקת החשמל לתאורה באוניות נעשתה אז על ידי גנרטור לזרם ישר (דינמו) , שהונע על ידי רצועות מגלגל התנופה של מנוע קיטור. הספק הדינמו היה קטן, ומהירות הסיבוב שלו 1000–1500 סל"ד. כדי להגדיל את ההספק הגה פארסונס את הרעיון לבנות דינמו שיונע ישירות על ידי טורבינת קיטור, שמהירות הסיבוב שלה גדולה פי כמה. תחילה פיתח את הדינמו ואחר כך את הטורבינה וב-1884 רשם פטנט על שניהם. הטורבינה הייתה טורבינת ריאקציה  רב-דרגתית שהקיטור זרם בה במקביל לציר (parallel-flow reaction multi-stage turbine). הטורבו-גנרטור הראשון שבנה עוד באותה שנה היה בהספק של 7.5 קילוואט, מהירותו 18,000 סיבובים לדקה ולחץ הקיטור להפעלתו – 60 ליברות לאינץ' מרובע. הוא נחל מיד הצלחה מסחרית, ועד 1888 יוצרו כ-200 טורבו-גנרטורים, גדולים ומשוכללים יותר ויותר, מרביתם לתאורת חשמל באוניות.

ב-1889 נפרד פארסונס מחברת קלארק-צ'פמן והקים עם כמה שותפים את C. A. Parsons and Company, חברה לבניית טורבו-גנרטורים למאור ולתעשייה. המשמעות של צעד זה הייתה אובדן זכויות הפטנט על טורבינת הקיטור שפיתח ותחילתו של מאבק משפטי להשבת זכויותיו שנמשך חמש שנים. על כן נאלץ לפתח טורבינה אחרת, שאינה מפרה את זכויות הפטנט. הטורבינה שפיתח הייתה טורבינת ריאקציה עם זרימת קיטור רדיאלית (radial flow turbine), שפארסונס הוסיף לה מעבה להגדלת הנצילות. היא נפלה אומנם מן הטורבינה בעלת הזרימה המקבילה, אך בדגמיה המשוכללים פיתחה הספק של 100 קילוואט במהירות של 4,800 סל"ד. הטורבו-גנרטורים שייצרה החברה הלכו וגדלו, והם נפוצו בתחנות כוח עירוניות ובמפעלים ברחבי בריטניה, באירופה ובארצות הברית. תחנת הכוח הראשונה בעולם שהונעה על ידי טורבינת קיטור הוקמה ב-1890 בניוקאסל, ובה הותקנה טורבינה של פארסונס בהספק של 75 קילוואט. פארסונס זכה עוד בחייו לראות טורבינה לייצור חשמל פרי פיתוחו שהספקה 200,000 קילוואט.

בפטנט שרשם פארסונס ב-1884 הוא התייחס גם לאפשרות ניצול טורבינת הקיטור להנעת אוניות, אך רק בשלהי 1893 התפנה לעסוק בזה. לשם כך הקים בינואר 1894, בוולסנד על הטיין , חברה בשם Marine Steam Turbine Co. (Heaton). באותה שנה הסתיים גם המאבק המשפטי, ופארסונס קנה את זכויותיו על טורבינת הריאקציה בעלת הזרימה המקבילה בסכום קטן הרבה פחות משדרשו צ'פמן-קלארק בתחילה.

תכנון הספינה ובנייתה
ממוזער|150px|שמאל|צ'ארלס אלג'רנון פארסונס
בשלהי 1893 החליט פארסונס לבנות ספינה ניסיונית קטנה ומהירה כדי לבחון באמצעותה הלכה למעשה את ההנעה על ידי טורבינת קיטור; אורכה 100 רגל, רוחבה 8 רגל (שהוגדל אחר כך ל-9 רגל), העומק "½5-7 רגל והשוקע 3 רגל. הספינה, שנקראה בתחילה סתם experimental launch, תוכננה על ידי פארסונס, אף שלא היה לו ניסיון קודם בבניית כלי שיט. אחר כך נבנה דגם בקנה מידה לניסויים (experimental model), עשוי עץ, אורכו 6 רגל. הדגם צויד במדחף אחד בקוטר 2.5 אינץ', שהונע במהירות של 8,000 סל"ד על ידי שלושה מיתרי גומי מפותלים ותמסורת גלגלי שיניים. דינמומטר אוויר זעיר שתכנן פארסונס מדד את המומנט שמסר "קפיץ" הגומי לגל המדחף. הדגם נוסה בבריכת מים, ועל פי תוצאות הניסויים עוצבו סופית קווי הגוף של הספינה וחושב ההספק הנדרש להנעתה. רפליקה מדויקת של הדגם מוצגת במוזיאון המדע בלונדון.

"טורביניה" נבנתה על ידי הפירמה Brown and Hood בוולנסד, שלא הייתה מספנה אלא מפעל לעבודות מתכת. היא הורדה למים ב-2 באוגוסט 1894 ללא כל פרסום. אף על פי שסוגיית הפטנט על טורבינת הריאקציה האקסיאלית כבר נפתרה, הותקנה בספינה טורבינת ריאקציה רדיאלית בהספק 1000 כוחות סוס, מצוידת במעבה, שסובבה מדחף אחד בהנעה ישירה. טורבינה מקורית זו, שפורקה אחר כך מהספינה והוחלפה, שמורה באוספי המוזיאון למדע בלונדון. דוד הקיטור היה מסוג צינורות מים מתוצרת Yarrow , שפעל בלחץ 210 ליברות לאינץ' מרובע.

הפלגות הניסוי
ממוזער|"טורביניה" בהפלגת ניסוי לפני השינויים של 1896. תצלום ב-Cassier's Magazine, אוגוסט 1897
ממוזער|סידור הטורבינות, 1896. HP - טורבינת לחץ גבוה, IP - טורבינת לחץ ביניים, LP - טורבינת לחץ נמוך, Condenser - מעבה
הפלגות הניסוי החלו ב-14 בנובמבר 1894. תוצאותיהן היו מאכזבות, כי "טורביניה" לא הגיעה למהירות המתוכננת. פארסונס מצא שהבעיה אינה בטורבינת הקיטור אלא בהחלקת המדחף, אשר מסר רק 50% מכוח הדחף המתוכנן שלו לספינה. נעשו ניסיונות עם למעלה מתריסר מדחפים שונים, אך הבעיה לא נפתרה. גם התקנת שלושה מדחפים על גל המדחף, כדי להגדיל את שטחם הכללי, לא שיפרה במידה משמעותית את ביצועי הספינה, והיא הגיעה למהירות מרבית של 19.75 קשרים ב-1750 סל"ד ולהחלקה של 37.5%.

פריצת הדרך
בתחילת 1895 התעורר חשדו של פארסונס כי הגורם לביצועים הירודים של המדחף היא קוויטציה (מִיעוּר). תופעה זו הייתה מוכרת, אך לא נחקרה עד אז במידה מספקת. הוא בנה מכל מים מצויד בחלון זכוכית, ועל ידי הפעלת הבזקי אור לסירוגין הצליח לצלם את הקוויטציה שיוצר המדחף תוך כדי סיבובו ולאמוד את גודלה. תצלומים אלה שמורים באוספי המוזיאון למדע בלונדון. הקוויטציה מושפעת על ידי שטח או מספר להבי המדחף, מהירות הסיבוב שלו ומידת שקיעתו במים, ועל כן ב-1896 פורקה הטורבינה המקורית והוחלפה בשלוש טורבינות ריאקציה עם זרימת קיטור מקבילה; כל טורבינה הניעה גל מדחף נפרד ועליו 3 מדחפים, סך הכל 9 מדחפים בקוטר 18 אינץ' ופסיעה של 24 אינץ' כל אחד. שלוש הטורבינות היוו יחד מערכת רב-דרגתית: קיטור מהדוד נכנס לטורבינת הלחץ הגבוה, ולאחר ביצוע העבודה ונפילת לחצו עבר לטורבינת לחץ הביניים וממנה אל טורבינת הלחץ הנמוך. טורבינה רביעית קטנה, לנסיעה אחורנית, חוברה לגל המדחף האמצעי. אספקת מי הים לשני המעבים נעשתה דרך שני כונסי מים (scoops) בתחתית הספינה. משאבת מי ים שימשה לאותה מטרה בזמן התנעת הטורבינות וכשהספינה עמדה ללא תנועה. שלוש הטורבינות פיתחו יחד 2,100 כוחות סוס במהירות סיבוב של 2,300 סל"ד. לחץ הקיטור בכניסה לטורבינה הראשונה היה כ-155 ליברות לאינץ' מרובע.

מערכת ההנעה החדשה התגלתה כמוצלחת ביותר. בדצמבר 1897 הגיעה "טורביניה" למהירות ממוצעת של 29.6 קשרים. התקנת מדחפים משופרים העלתה את מהירותה באפריל שנה לאחר מכן ל-32.76 קשרים, ובסופו של דבר הגיעה למהירות של 34 קשרים, כלי השיט המהיר ביותר בעולם עד אז.

מסקר הצי בספיטהד
ממוזער|"טורביניה" במסקר הצי בספיטהד. ציור מאת אדוארדו דה מרטינו, 1897
"טורביניה" זכורה במיוחד בשל הופעתה הדרמטית במסקר הצי שנערך ב-26 ביוני 1897 בספיטהד לציון יובל 60 שנה להכתרתה של המלכה ויקטוריה. באירוע החגיגי השתתפו 170 אוניות סוחר ומלחמה בריטיות, שנערכו בשורות לאורך 7 מייל. "טורביניה" הגיחה ממקום עומדה ושטה בין שתי שורות האוניות במלוא הקיטור ובמהירות שלא נודעה כמוה, לעיניהם המשתאות של נסיך ויילס (לימים אדוארד השביעי), האורחים רמי המעלה וקציני ומלחי האוניות. למרות הדעה הנפוצה, הופעתה יוצאת הדופן במסקר הצי נעשתה בידיעת שלטונות הצי והייתה למעשה תרגיל שיווקי מוצלח.

ב-1897 הקים פארסונס חברה חדשה בשם Parsons Marine Steam Turbine Company , שקיבלה זיכיון בלעדי מאת הממשלה לבניית טורבינות קיטור ימיות, ואף נבנה מפעל חדש לשם כך בוולסנד, שנקרא Turbinia Works. באותה שנה הוזמן פארסונס לתכנן מערכת הנעה לשתי משחתות חדשות של הצי מדגם "וייפר" , אוניות המלחמה הראשונות בעולם שהונעו על ידי טורבינות קיטור. הוא אף ערך ניסויים עם תמסורת להפחתת סיבובי מדחף פרי תכנונו, שנועדה להגדיל את נצילות המדחף. הטורבינה הראשונה בעולם בעלת תמסורת הותקנה על ידי פארסונס ב-1897 ביכטת קיטור קטנה בשם Charmian באורך 22 רגל; הספקה 10 כוחות סוס והיא סובבה שני גלי מדחף ביחס של 14:1.

באפריל 1898 רשם פארסונס פטנט על מערכת הנעה ימית הכוללת שתי טורבינות קיטור של לחץ גבוה ושתיים של לחץ נמוך בעלות הספק כולל של 10,000 כוחות סוס המסובבות ישירות שני גלי מדחף, והיא מיועדת למשחתת או לספינת מלחמה מהירה.

הפלגתה האחרונה
ב-1900 השתתפה "טורביניה" בתערוכה העולמית של פריז, שסיכמה את השגי המאה ה-19 וציינה את פתיחת המאה ה-20. בשובה לבריטניה כמעט והתנגשה באוניית מפרשים, ואחר כך נקלעה לסערה עזה ונאלצה להיכנס לנמל מחסה. ב-1902 נעשה בה שינוי אחרון, כאשר שלושת המדחפים על כל ציר הוחלפו במדחף יחיד בקוטר 28 אינץ'.

את הפלגתה האחרונה עשתה "טורביניה" ב-22 באוקטובר 1906, כאשר הוזמנה כחלוצת ספינות הטורבינה להשתתף במסע הפרסום של אוניית הנוסעים האוקיאנית החדשה "מוֹרִיטֶנְיָה" , וללוות אותה בהפלגת הניסוי הראשונה שלה מוולסנד אל טיינמאות' ומשם סביב סקוטלנד אל ליברפול. "מוֹרִיטֶנְיָה" הייתה בעלת הדחק של 40,000 טון והספק טורבינות הקיטור שלה — שנבנו על ידי Parsons Marine Steam Turbine Company — היה 68,000 כוחות סוס. היא תוכננה ב-1904 ובנייתה הושלמה ב-1907, עשר שנים אחרי "טורביניה" בעלת ההדחק של 40 טון. איתרע המזל, וברגע האחרון ארעה תקלה במשאבת האוויר של המעבה ו"טורביניה" לא יכלה להשלים את ההפלגה ההיסטורית.

זמן מה אחר כך ניזוקה "טורביניה" על ידי אונייה שהושקה מגדת הטיין. האונייה ניגחה את "טורביניה" באמצעיתה, מאחורי בית ההגה, וכמעט שגזרה אותה לשניים. "טורביניה" הוצאה מן המים ותוקנה, אך עמדה מאז ללא שימוש.

ספינת מוזיאון
ב-1926 תרמה החברה את "טורביניה" למוזיאון המדע בלונדון. בשל חוסר מקום יכול המוזיאון לקבל רק את חלקה האחורי של הספינה, באורך 45 רגל, שכלל את הטורבינות ואת גלי המדחף. הספינה נחתכה לשניים, והחלק הקדמי נשאר במפעלי החברה עד 1944, אז נמסר למוזיאון העירוני למדע ולתעשייה בניוקאסל, לימים מוזיאון "דיסקברי" . ב-1959 העביר המוזיאון בלונדון את החלק האחורי של הספינה למוזיאון בניוקאסל, שני החלקים חוברו והספינה הועמדה לתצוגה ב-1961. ב-1994 עברה הספינה למשכנו החדש של המוזיאון בבלנדפורד האוס והועמדה לתצוגה ב-1996. "טורביניה" היא חלק מהצי הלאומי ההיסטורי של בריטניה .

לקריאה נוספת
 Cook, Stanley S., "Development of the Steam Turbine". Lecture II, Delivered May 7th 1923. Journal of the Royal Society of Arts, No. 3696, Vol. LXXI, September 21, 1923. 
 Gibb, Claude, "Parsons, Sir Charles Algernon (1854–1931)". Revised by Anita Mcconnell. Oxford Dictionary of National Biography (online edition), 23 September 2004. doi:10.1093/ref:odnb/35396.
 Griffith, Denith, Chapter 5: Triple expansion and the first shipping revolution. In: Gardiner, Robert (editor), The Advent of Steam – The Merchant Steamship before 1900. London, Conway Maritime Press, 1993.
 Guthrie, John (1971). A History of Marine Engineering. London, Hutchinson of London.
 Hattendorf, John B. (editor). The Oxford Encyclopedia of Maritime History. New York, Oxford University Press, 2007. "Steam Turbines", vol. 3, p. 394.
 Osler, Adrian (October 1981). "Turbinia". (ASME-sponsored booklet to mark the designation of Turbinia as an international engineering landmark). Tyne And Wear County Council Museums. Archived from the original on 28 September 2011. Retrieved 13 April 2011.
 Parsons, Charles A., The Steam Turbine – The Rede Lecture, 1911. Cambridge, at the University Press, 1911. Digitized copy in Internet Archive.
 Parsons, Robert Hodson (1942). The Steam Turbine and Other Inventions of Sir Charles Parsons. British Council. (E-text). Reprinted by David Steinberg with permission of copyright holders the British Council.
 Spratt, H.P., Ministry of Education – Science Museum, Handbook of the collections illustrating Marine Engineering. Part II, Descriptive catalogue. London, HMSO, 1953. pp. 48–50.
 Stoney, Gerald. "Obituary – The Hon. Sir Charles Algernon Parsons". Nature, February 28, 1931, pp. 314-315. Digitized copy in Nature.com.
 The Cunard turbine-driven quadruple-screw Atlantic liner "Mauretania" etc. Wellingsborough, Northamptonshire, P. Stephens Ltd, 1987. Originally published 1907 (Reprinted from "Engineering"), New material in PSL edition 1987 by Mark. D. Warren.

קישורים חיצוניים


<div class="mw-content-ltr">
 European Patent Office: Description of GB189711223 (A) – Improvements in Marine Steam Turbines. Inventor: Parsons, Charles Algernon.
 "Chronology of Charles Parsons" in: Birr Castle Demesne web site. Archived in web.archive.org.
 "Turbinia" in: Science Museum Group (London). Accessed on 30-12-2023.
 "Turbinia" in: National Historic Ships UK.
 British Pathé film: S.Y. 'Turbinia' - part to be preserved in South Kensington Science Museum (1927). In YouTube.
 Model of SY Turbinia (1894) in: Royal Museums, Greenwich.
 Manuel, Jonathan. Turbinia, in: Museum Ships.
 "Steam turbine engines" in: Shipping Wonders of the World (1936-1937).

הערות שוליים
—

קטגוריה:ספינות קיטור
קטגוריה:המצאות במאה ה-19
קטגוריה:אוניות מוזיאון בריטיות