| เครื่องยนต์เจ็ต |
| Technology - ยานยนต์ |
| วันพฤหัสบดีที่ 05 มกราคม 2012 เวลา 09:17 น. |
 เครื่องยนต์เจ็ตของเครื่องบินทำงานโดยใช้ "กระบวนการของแก๊สเทอร์ไบน์" หลักการพื้นฐานของแก๊สเทอร์ไบน์มีดังนี้
ตัวอย่างรูปภาพข้างบนเป็นเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ใช้สำหรับขับใบพัดของ เครื่องบินเฮลิคอปเตอร์ ในรูปภาพ อากาศที่ถูกดูดจากทางขวาจะถูกอัดโดยเครื่องคอมเพรสเซอร์ รูปร่างทรงกรวย มีใบพัดเล็กติดเป็นแถว ในรูปภาพปรากฎอยู่ 8 แถว สมมติให้สีน้ำเงินอ่อนแสดงความดันอากาศปกติตอนขาเข้า และถูกอัดด้วยคอมเพรสเซอร์จนมีความดันเพิ่มขึ้น 30 เท่าด้านออก แสดงด้วยสีน้ำเงินเข้มแก๊สความดันสูงจากคอมเพรสเซอร์ไหลเข้าห้องเผาไหม้ หัวฉีดเชื้อเพลิงภายในห้องทำหน้าที่ฉีดเชื้อเพลิง เช่น โพรเพน และแก๊สธรรมชาติเป็นต้น เนื่องจากแก๊สที่ไหลเข้ามามีความเร็วมากกว่า 100 ไมล์ต่อชั่วโมง เปรียบเทียบได้กับลมพายุสลาตัน เพื่อจะให้การเผาไหม้มีความต่อเนื่องและไม่ดับ ภายในห้องเผาไหม้จะใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า กระป๋องเปลวไฟ ภาษาอังกฤษเขียนว่า Flame holder ทำจากโลหะ มีลักษณะกลวง เจาะเป็นรูเล็กๆ  ภาพตัดครึ่งของกระป๋องเปลวไฟ หัวฉีดอยู่ทางขวา ทำหน้าที่ฉีดเชื้อเพลิงอย่างต่อเนื่อง แก๊สจะวิ่งผ่านรูเล็กๆ ระเบิดเปรี้ยงปร้างอยู่ภายในนี้ กลายเป็นแก๊สความเร็วสูงวิ่งออกไปทางซ้าย เนื่องจากแก๊สไอเสียที่ได้หลังจากผ่านกังหันแล้วมีความร้อนสูงมาก วิศวกรได้คิดค้นนำความร้อนของแก๊สไอเสียนี้ไปผ่านเครื่องต้มน้ำ ทำให้ได้ไอน้ำความดันสูงนำไปขับเคลื่อนเครื่องจักรไอน้ำได้ ส่วนใหญ่วิธีนี้พวกโรงไฟฟ้ามักจะนำไปใช้ ที่อธิบายมาตั้งแต่แรกเป็นหลักการพื้นฐาน ซึ่งยังไม่ได้พูดถึงรายละเอียดอีกมากมาย อาทิเช่น ลูกปืน ระบบหล่อเย็น ระบบฉีดน้ำมัน และโครงสร้างต่างๆของเครื่องยนต์เป็นต้น ซึ่งทั้งหมดเป็นงานท้าทายทางวิศวกรรม เครื่องบินโดยสารขนาดใหญ่ ส่วนใหญ่ใช้เครื่องยนต์ เทอร์โบแฟน ( Turbofan) ซึ่งดัดแปลงมาจากแก๊สเทอร์ไบน์ โดยเพิ่มพัดลมหน้าคอมเพรสเซอร์เข้าไป คำว่า แฟน ก็แปลว่าพัดลมนั่นเอง  จุดประสงค์ของพัดลมตัวนี้ คือจะไปเพิ่มปริมาณของอากาศที่พุ่งผ่านเครื่องยนต์ เพื่อเพิ่มแรงขับดันของเครื่องยนต์ ลองสังเกตที่ปีกของเครื่องบินขนาดใหญ่ คุณจะได้เห็นใบพัดตรงเครื่องยนต์เส้นผ่าศูนย์กลางกว่า 3 เมตรซึ่งมีหน้าที่ช่วยส่งอากาศจำนวนมาก เป็นทางลัดผ่าน (Bypass air) ไปทางด้านหลัง จากกฎข้อที่สามของนิวตันเมื่อมีมวลเพิ่มขึ้นแรงขับดันก็เพิ่มขึ้นตาม ส่วนเครื่องยนต์เทอร์โบพรอพ ( turboprop ) คล้ายกับเครื่องยนต์เทอร์โบแฟน แต่ให้พัดลมอยู่ภายนอก ความเร็วของพัดลมน้อยกว่ากังหัน ดังนั้นต้องผ่านเกียร์ทดรอบลดความเร็วลงก่อนที่จะไปขับพัดลมให้หมุน แรงขับดันของเครื่องยนต์เจ็ต จุดประสงค์หลักของเครื่องยนต์เทอร์โบแฟนก็คือ ให้แรงขับดันเพื่อจะขับดันเครื่องบินให้เคลื่อนที่ไปข้างหน้า แรงขับดันวัดเป็นหน่วยปอนด์หรือนิวตันก็ได้ ส่วนใหญ่ในประเทศไทยของเรานิยมใช้หน่วยนิวตัน คำว่า 1 นิวตัน จะเท่ากับ มวล 1 กิโลกรัมคูณด้วยความเร่ง 9.81 เมตรต่อวินาที ต่อวินาที ( ความเร่งโน้มถ่วงของโลก) เพราะฉะนั้น ถ้าเครื่องยนต์เจ็ตมีแรงขับดัน 9.81 นิวตัน ก็หมายความว่า ถ้านำเครื่องยนต์นี้ไปตั้งไว้ในแนวดิ่ง และจุดเชื้อเพลิง มันสามารถจะยกน้ำหนักรวมกับน้ำหนักของตัวมันเอง ขนาด 1 กิโลกรัมให้ลอยอยู่บนอากาศ ต้านกับแรงโน้มถ่วงของโลกได้ หรือถ้ามีแรงขับดัน 98100 นิวตัน ก็หมายความว่า เมื่อตั้งเครื่องยนต์เจ็ตในแนวดิ่ง มันสามารถยกน้ำหนักรวมทั้งน้ำหนักของตัวมันเองได้ 10000 กิโลกรัมลอยอยู่บนอากาศ ต้านกับแรงโน้มถ่วงของโลกได้ แรงขับดันเป็นไปตามกฎข้อที่สามของนิวตันที่ว่า "ทุกๆแรงกิริยา จะมีแรงปฎิกิริยาขนาดเท่ากันแต่มีทิศตรงกันข้ามกระทำอยู่เสมอ" ยกตัวอย่างเช่น สมมติให้คุณไปอยู่ในอวกาศ และคุณมีมวล 100 กิโลกรัม ในมือคุณถือลูกบอลมวล 1 กิโลกรัม และให้คุณขว้างลูกบอลออกไปด้านหน้าด้วยความเร็ว 9.81 เมตรต่อวินาที ตัวของคุณเองจะถอยหลังไปด้วยความเร็ว 0.0981 เมตรต่อวินาที ตามกฎของโมเมนตัม ลูกบอลจะให้แรงขับดัน 9.81 นิวตัน ต่อการขว้าง 1 ครั้งหรือ 1 วินาที ถ้าคุณขว้างอย่างต่อเนื่องทุกๆวินาที ในเวลา 1 ชั่วโมง คุณจะได้แรงขับดัน 9.81 x 3600 = 35,316 นิวตัน และตัวคุณจะถอยหลังด้วยความเร็ว 0.0981 x 3600 = 353.16 เมตรต่อวินาที ขณะเดียวกันคุณสามารถสร้างแรงขับดันขนาดนี้โดยการขว้างลูกบอลเพียงครั้ง เดียว แต่ว่าต้องขว้างด้วยความเร็วที่มากขึ้นยกตัวอย่างเช่น ถ้าต้องการแรงขับดัน 35,316 นิวตัน ต้องขว้างลูกบอลมวล 1 กิโลกรัม ออกไปด้วยความเร็ว 35,316 เมตรต่อวินาทีเป็นต้น ในเครื่องยนต์แบบเทอร์โบแฟน ลูกบอลจะเปลี่ยนเป็นโมเลกุลของแก๊ส ซึ่งมีขนาดเล็กและเบากว่าลูกบอลมาก แต่ถ้าโมเลกุลของแก๊สวิ่งเร็วขึ้น แรงขับดันที่ได้จะมากขึ้นตาม ก็เหมือนกับการที่เราขว้างลูกบอลออกไปด้วยความเร็วที่สูงขึ้นนั่นเอง แรงขับดันของเครื่องยนต์แบบเทอร์โบแฟน มาจาก 2 ส่วนด้วยกัน * จากห้องเผาไหม้ของแก๊สเทอร์ไบน์ เป็นแก๊สความเร็วสูง ปกติความเร็วของแก๊สประมาณ 2092 กิโลเมตรต่อชั่วโมง * แก๊สบายพาส (Bypass air) ที่ได้จากพัดลม มีความเร็วของลมน้อยกว่าจากห้องเผาไหม้ แต่ปริมาณของแก๊สมากกว่า เปรียบได้กับขนาดของลูกบอลที่ใหญ่ขึ้น ถึงตอนนี้คุณจะได้เห็นว่า หลักการของแก๊สเทอร์ไบน์นั้น ง่ายแสนจะง่าย ในหน้าถัดไปเป็นลิงค์ต่างๆที่น่าสนใจที่สามารถค้นคว้าเพิ่มเติมได้ เครื่องยนต์ Jet เป็นเครื่องจักรที่ถูกออกแบบมา เพื่อให้ผลิตหรือสร้างกาซที่มีความเร็วสูงไหลผ่านช่องที่กำหนด เครื่องยนต์เริ่มต้นการหมุน compressor ด้วย starter , อากาศจากภายนอกเครื่องยนต์ก็จะถูกดูดเข้าเครื่องยนต์ compressor ก็จะทำงานกับอากาศที่เข้ามา และก็จะส่งอากาศที่ อัดผ่าน Compressor นี้ ต่อไปยังส่วนของห้องเผาไหม้ ซึ่งจะมี ความดันเพิ่มขึ้นมาก ถึง 12 เท่า ของอากาศ ก่อนที่จะผ่านเข้าเครื่องยนต์ ในส่วนของห้องเผาไหม้หัวจุดไฟ ( Igniter ) ก็จะทำการจุดเครื่องยนต์ โดยจุดส่วนผสมของน้ำมันเชื้อเพลิงและอากาศในห้องเผาไหม้ หัวจุดไฟจะมีหนึ่ง หรือ สองหัว ซึ่งก็คล้าย กับ หัวเทียนในรถยนต์ เมื่อเครื่องยนต์ติดหรือทำงานแล้ว และ Compressor หมุนด้วยความเร็วที่เพียงพอตามที่กำหนดแล้ว Starter และ Igniters ก็จะถูกปิด หรือเลิกใช้ ต่อจากนั้น เครื่องยนต์ ก็จะ ทำงาน ของมันเอง โดยไม่ต้องได้รับความช่วยเหลือ จาก Starter และ Igniters อีกต่อไป ตราบเท่าที่น้ำมันเชื้อเพลิง และอากาศผสม ในอัตราส่วนที่ถูกต้อง ยังไหลเข้าห้องเผาไหม้อย่างต่อเนื่อง เพียง 25% ของอากาศ ที่มีส่วน ใช้ในการเผาไหม้ที่ ห้องเผาไหม้ ส่วนอากาศที่เหลือ ก็จะผสมกับกาซไอเสีย หรือกาซที่ผ่านการเผาไหม้ เพื่อการลดอุณหภูมิของกาซไอเสีย หรือกาซที่ผ่านการเผาไหม้ ก่อนที่กาซไอเสียจะ เข้าไปยังส่วนของกังหัน ( turbine) ส่วนของกังหัน ก็จะ นำเอาพลังงาน จากกระแสของกาซที่ไหล พลังงานส่วนใหญ่ ก็จะถูกนำเอาไปใช้ในการหมุน Compressor และอุปกรณ์ต่างๆ แรงขับของเครื่องยนต์ (thrust) ก็มาจากการ เอา มวลของอากาศจำนวนมาก จากด้าหน้าของเครื่อง แล้ว ก็ดันมันออกไป ด้วยความเร็วที่สูงมากๆเมื่อเทียบกับความเร็วเมื่อตอนที่เข้ามาที่ด้านหน้า หรือที่ Compressor ดังนั้น THRUST , THEN , IS EQUAL TO MASS FLOW RATE TIMES CHANGE IN VELOCITY.  JET ENGINE EQUATION เมื่อเพิ่มน้ำมันเชื้อเพลิงลงไปในมวล ของอากาศ ที่ไหลผ่านเครื่องยนต์ ส่วนนี้ต้องเพิ่มเข้าไปในสมการพื้นฐานของ thrust สูตรบางสูตร อาจจะ ไม่ได้ พิจารณา มวล ของน้ำมัน เชื้อเพลิง เมื่อเวลา คำนวน thrust เพราะว่ามวลของอากาศ ที่รั่วไหลไปจะประมาณเท่ากับมวลของน้ำมันเชื้อเพลิงที่เพิ่มเข้าไป สูตรข้างล่างนี้ใช้เมื่อการไหลของอากาศที่ปากทางของเครื่องยนต์ ไม่สามารถ มีความเร็ว เกินกว่า ความเร็วของเสียง และ ไม่สามารถจะเพิ่มความเร็วได้อีก และการเพิ่มความกดอากาศ( Pressure ) ภายในเครื่องยนต์ ก็จะไหลผ่านออกมาจากเครื่องยนต์ ในรูปของ pressure ถึงแม้ว่าพลังงานจากความดัน จะไม่สามารถ เปลี่ยน เป็น ความเร็วได้ แต่ก็ออกมาในรูปของ pressure  แรงขับของ Jet engine ค่อนข้างจะมีผลกระทบต่อตัวแปรต่างๆ ได้แก่: 1.) Engine rpm. 2.) Size of nozzle area. 3.) Weight of fuel flow. 4.) Amount of air bled from the compressor. 5.) Turbine inlet temperature. 6.) Speed of aircraft (ram pressure rise). 7.) Temperature of the air. 8.) Pressure of air 9.) Amount of humidity. Note ; item 8,9 are the density of air. ENGINE STATION DESIGNATIONS ตำแหน่งต่างๆ ของเครื่องยนต์ ถูกกำหนดขึ้นมา เพื่อให้สามารถทราบได้ว่า ณ.ตำแหน่ง ที่กล่าวถึงของเครื่องยนต์ จะหมายความว่า ณ. ที่ใดของเครื่องยนต์ หมายเลขตำแหน่งจากน้อยไปหามาก ก็คือตำแหน่งจากด้านหน้าของเครื่องยนต์ ไปด้านท้ายของเครื่องยนต์ใช้ในการอธิบาย เพื่อชี้ให้เห็น ความแตกต่างของ อุณหภูมิ และความดัน (pressure) ว่า ด้านหน้าหรือด้าหลัง หรือภายในเครื่องยนต์ สำหรับเครื่องยนต์ที่นอกเหนือจากรูปในที่นี้ ให้ดูได้ที่หนังสือคู่มือของโรงงานผู้ผลิต  N1 = Low Compressor Speed N2 = High Compressor Speed N3 = Free Turbine Speed P = Pressure T = Temperature t = Total EGT = Exhaust Gas Temperature EPR = Engine Pressure Ratio ( Engine Thrust in term of EPR ). Pt7 / Pt2 Ex.: Pt 2 = Total Pressure at Station 2 ( low pressure compressor inlet ) Pt 7 = Total Pressure at Station 7 ( turbine discharge total pressure ) อ้างอิงข้อมูล : http://www.rmutphysics.com/charud/howstuffwork/gas-turbine-engine/turbinethai.htm http://en.wikipedia.org/wiki/Jet_engine ที่มา .numsai.com |
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น