เครื่องยนต์ Jet ของเครื่องบิน "ทำงานอย่างไรนะ"

by prasitporn Email

หลายคนคงสงสัยว่าเครื่องยนต์เจ็ตที่ทรงพลังของเครื่องบินนั้น "ทำงานอย่างไร" มาดูกันดีกว่าครับ

เครื่องยนต์เจ็ตของเครื่องบินทำงานโดยใช้ "กระบวนการของแก๊สเทอร์ไบน์"

หลักการพื้นฐานของแก๊สเทอร์ไบน์มีดังนี้

1.คอมเพรสเซอร์ ทำหน้าที่อัดอากาศที่ไหลเข้ามา เพื่อให้เกิดความดันสูง และป้อนเข้าสู่ห้องเผาไหม้
2.ห้องเผาไหม้ ทำหน้าที่เผาไหม้เชื้อเพลิง เพื่อเพิ่มความเร็วและความดันของแก๊ส
3.กังหันเทอร์ไบน์ เปลี่ยนพลังงานของแก๊สที่ได้จากห้องเผาไหม้ไปเป็นการหมุน

ตัวอย่างรูปภาพข้างล่างเป็นเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ใช้สำหรับขับใบพัดของ เครื่องบินเฮลิคอปเตอร์


ในรูปภาพ อากาศที่ถูกดูดจากทางขวาจะถูกอัดโดยเครื่องคอมเพรสเซอร์ รูปร่างทรงกรวย มีใบพัดเล็กติดเป็นแถว ในรูปภาพปรากฎอยู่ 8 แถว สมมติให้สีน้ำเงินอ่อนแสดงความดันอากาศปกติตอนขาเข้า และถูกอัดด้วยคอมเพรสเซอร์จนมีความดันเพิ่มขึ้น 30 เท่าด้านออก แสดงด้วยสีน้ำเงินเข้ม

แก๊สความดันสูงจากคอมเพรสเซอร์ไหลเข้าห้องเผาไหม้ หัวฉีดเชื้อเพลิงภายในห้องทำหน้าที่ฉีดเชื้อเพลิง เช่น โพรเพน และแก๊สธรรมชาติเป็นต้น เนื่องจากแก๊สที่ไหลเข้ามามีความเร็วมากกว่า 100 ไมล์ต่อชั่วโมง เปรียบเทียบได้กับลมพายุสลาตัน เพื่อจะให้การเผาไหม้มีความต่อเนื่องและไม่ดับ ภายในห้องเผาไหม้จะใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า กระป๋องเปลวไฟ ภาษาอังกฤษเขียนว่า Flame holder ทำจากโลหะ มีลักษณะกลวง เจาะเป็นรูเล็กๆ


ภาพตัดครึ่งของกระป๋องเปลวไฟ

หัวฉีดอยู่ทางขวา ทำหน้าที่ฉีดเชื้อเพลิงอย่างต่อเนื่อง แก๊สจะวิ่งผ่านรูเล็กๆ ระเบิดเปรี้ยงปร้างอยู่ภายในนี้ กลายเป็นแก๊สความเร็วสูงวิ่งออกไปทางซ้าย

ทางซ้ายของห้องเผาไหม้ เป็นส่วนของกังหัน ในรูปภาพทางซ้ายมีเทอร์ไบน์อยู่ 2 ส่วน ส่วนแรกใช้ในการขับคอมเพรสเซอร์ ซึ่งเพลาของเทอร์ไบน์ส่วนนี้ต่อกับคอมเพรสเซอร์เป็นเพลาอันเดียวกัน ส่วนที่สองของเทอร์ไบน์ใช้ในการขับใบพัดของเครื่องเฮลิคอปเตอร์ เพลาสองส่วนนี้ไม่ติดกัน แต่ว่ารวมแกนเดียวกัน ใช้ลูกปืนช่วยแยกการเคลื่อนที่ได้

เนื่องจากแก๊สไอเสียที่ได้หลังจากผ่านกังหันแล้วมีความร้อนสูงมาก วิศวกรได้คิดค้นนำความร้อนของแก๊สไอเสียนี้ไปผ่านเครื่องต้มน้ำ ทำให้ได้ไอน้ำความดันสูงนำไปขับเคลื่อนเครื่องจักรไอน้ำได้ ส่วนใหญ่วิธีนี้พวกโรงไฟฟ้ามักจะนำไปใช้

ที่อธิบายมาตั้งแต่แรกเป็นหลักการพื้นฐาน ซึ่งยังไม่ได้พูดถึงรายละเอียดอีกมากมาย อาทิเช่น ลูกปืน ระบบหล่อเย็น ระบบฉีดน้ำมัน และโครงสร้างต่างๆของเครื่องยนต์เป็นต้น ซึ่งทั้งหมดเป็นงานท้าทายทางวิศวกรรม

เครื่องบินโดยสารขนาดใหญ่ ส่วนใหญ่ใช้เครื่องยนต์ เทอร์โบแฟน ( Turbofan) ซึ่งดัดแปลงมาจากแก๊สเทอร์ไบน์ โดยเพิ่มพัดลมหน้าคอมเพรสเซอร์เข้าไป คำว่า แฟน ก็แปลว่าพัดลมนั่นเอง

ภาพบนเป็นเครื่องยนต์เทอร์โบแฟน ส่วนใหญ่เหมือนกับเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ มีความแตกต่างที่ว่า กังหันซ้ายมือในส่วนสุดท้าย (สีแดง) จะต่อเป็นเพลาเดียวกันกับพัดลมทางด้านหน้า (สีแดง) แต่เป็นคนละเพลากับส่วนที่ไปขับคอมเพรสเซอร์ เห็นได้ว่า เพลาของแก๊สเทอร์ไบน์มีหลายชั้น การออกแบบจึงน่าปวดหัวสำหรับวิศวกรไม่น้อย

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

ที่มา http://www.rmutphysics.com/charud/howstuffwork/gas-turbine-engine/turbinethai.htm

Feedback awaiting moderation

This post has 450 feedbacks awaiting moderation...

Leave a comment


Your email address will not be revealed on this site.

Your URL will be displayed.
PoorExcellent
(Line breaks become <br />)
(Name, email & website)
(Allow users to contact you through a message form (your email will not be revealed.)
This is a captcha-picture. It is used to prevent mass-access by robots.
Please enter the characters from the image above. (case sensitive)