การออกแบบและสรางตนแบบ เครองยนตเจทขนาดเลก

ปรญญานพนธ

ของ

ชานนท ชยสข

เสนอตอบณฑตวทยาลย มหาวทยาลยศรนครนทรวโรฒ เพอเปนสวนหนงของการศกษา

ตามหลกสตรวศวกรรมศาสตรมหาบณฑต สาขาวชาวศวกรรมเครองกล

มนาคม 2550

การออกแบบและสรางตนแบบ เครองยนตเจทขนาดเลก

ปรญญานพนธ

ของ

ชานนท ชยสข

เสนอตอบณฑตวทยาลย มหาวทยาลยศรนครนทรวโรฒ เพอเปนสวนหนงของการศกษา

ตามหลกสตรวศวกรรมศาสตรมหาบณฑต สาขาวชาวศวกรรมเครองกล

มนาคม 2550

การออกแบบและสรางตนแบบเครองยนตเจทขนาดเลก

ปรญญานพนธ

ของ

ชานนท ชยสข

เสนอตอบณฑตวทยาลย มหาวทยาลยศรนครนทรวโรฒ เพอเปนสวนหนงของการศกษา

ตามหลกสตรวศวกรรมศาสตรมหาบณฑต สาขาวชาวศวกรรมเครองกล

มนาคม 2550

ลขสทธเปนของมหาวทยาลยศรนครนทรวโรฒ

ปรญญานพนธ เรอง

การออกแบบและสรางตนแบบเครองยนตเจทขนาดเลก

ของ

ชานนท ชยสข

ไดรบอนมตจากบณฑตวทยาลยใหนบเปนสวนหนงของการศกษาตามหลกสตร ปรญญาวศวกรรมศาสตรมหาบณฑต สาขาวชาวศวกรรมเครองกล

ของมหาวทยาลยศรนครนทรวโรฒ

.............................................................. คณบดบณฑตวทยาลย (ผชวยศาสตราจารย ดร. เพญสร จระเดชากล) วนท ....... เดอน ............. พ.ศ. 2550

คณะกรรมการควบคมปรญญานพนธ ..................................................... ประธาน

(ดร. พชย อษฎมงคล) ...................................................... กรรมการ

(ผศ. ดร. ศภฤกษ ศรเวทน)

คณะกรรมการสอบปากเปลา ..................................................... ประธาน

(ผศ. ดร. สนชย ชนวรรตน) ...................................................... กรรมการ

(ดร. พชย อษฎมงคล) ...................................................... กรรมการ

(ดร. ศภฤกษ ศรเวทน)

...................................................... กรรมการ(พ.ท. ผศ. ดร. อโณทย สขแสงพนมรง)

ประกาศคณปการ

ปรญญานพนธฉบบน สาเรจไดดวยความกรณาของ ดร.พชย อษฎมงคล ประธาน

กรรมการควบคมการทาปรญญานพนธ และ ผศ.ดร.ศภฤกษ ศรเวทน กรรมการควบคมการทา

ปรญญานพนธ ทกรณาใหคาปรกษา แนะนา ใหแนวคดในการวเคราะห และชวยแกไขปญหาตางๆ

ทเกดขน ตลอดจนชวยกรณาตรวจแกปรญญานพนธจนสมบรณ

ขอขอบพระคณอาจารยสมมาส แกวลวน ทกรณาใหขอเสนอแนะขนตอนวธการทา

ปรญญานพนธ และใหขอเสนอแนะทเปนประโยชนตองานวจย

ขอขอบคณเพอนรวมชน โครงการความรวมมอหลกสตรปรญญาโท มศว. และ รร. จปร.

สาขาวศวกรรมเครองกล รน 1 ทกทานทใหความชวยเหลอและเปนกาลงใจ

ชานนท ชยสข

สารบญ

บทท หนา 1 บทนา ความเปนมาและความสาคญของปญหา............................................................ 1

วตถประสงคของโครงการวจย………………………………………………………. 1

ขอบเขตของโครงการวจย…………………………………………………………… 1

วธดาเนนการวจย……………………………………………………………………. 2

แผนการดาเนนงานตลอดโครงการวจย……………………………………………... 2

ประโยชนทคาดวาจะไดรบ……………………………………………………..…….. 3

2 ทฤษฎและงานวจยทเกยวของ บทปรทศนวรรณกรรม………………………………………………………………… 4

ทฤษฎทเกยวของ……………………………………………………………………… 5

วฎจกรเชงทฤษฎของเครองยนตกงหนแกส…………………………………………… 7

วฏจกรการทางานของเครองยนตกงหนแกส…………………………........................ 18

หลกการแรงดล ……………………………………………………………………… 21

กงหนแรงดล…………………………………………………………………………. 27

หลกการแรงปฏกรยา………………………………………………………………... 34

กงหนแรงปฏกรยา ………………………………………………………………….. 35

ระบบคอมเพรสเซอร …………………………………………………………..…….. 42

3 การออกแบบและการคานวณ การออกแบบอปกรณบงคบการเคลอนทของอากาศ ………………………………. 51

การคานวณและออกแบบชดกงหน ………………………………………………… 56

การเผาไหมเชอเพลง ……………………………………………………………….. 60

สารบญ (ตอ)

บทท หนา 4 การทดสอบและวเคราะหผลการทดสอบ เครองมอและอปกรณทใชในการทดสอบ………………………………………………. 71

ขนตอนการเตรยมพรอมการทดลอง …………………………………………………… 71

ขนตอนการสตารทเครองยนตเจท ……………………………………………………… 72

ขนตอนการดบเครองยนตเจทขนาดเลก ……………………………………………….. 73

การทดลอง ……………………………………………………………………………… 74

สรปผลการทดลอง ……………………………………………………………………… 84

ขอควรระวงในการปฏบต ………………………………………………………………. 84 5 สรปและวจารณผลการทดสอบ สรปและวจารณผลการทดสอบ ………………………………………………………… 85

ขอแนะนาสาหรบงานวจยตอไป ………………………………………………………… 86

บรรณานกรม ……………………………………………………………………………… 87

ภาคผนวก …………………………………………………………………………………. 89

ประวตยอผวจย …………………………………………………………………………… 113

บญชตาราง

ตาราง หนา 1 แสดงผลการทดสอบของเครองยนตกงหนแกสขนาดเลกททาการทดสอบ……………….. 83

บญชภาพประกอบ ภาพประกอบ หนา 1 การทางานของเครองยนตกงหนเเกสแบบระบบเปด............................................. 5

2 การทางานของเครองยนตกงหนแกสแบบระบบปด………………………………… 6

3 P-V ไดอะแกรมและ T-s ไดอะแกรม………………………………………………... 6

4 แสดง P-V และ T-S ไดอะแกรม ของเครองยนตกงหนแกส………………………… 8

5 แสดงกระบวนการ Adiabatic compression………………………………………. 8

6 แสดงกระบวนการ Heat added at pressure constant…………………………… 9

7 แสดงกระบวนการ Adiabatic expansion………………………………………….. 10

8 แสดงแผนภมอณหภม-เอนโทรปของวฏจกรทางานจรง……………………………. 19

9 แสดงการเปรยบเทยบวฏจกรจรงกบวฏจกรเชงทฤษฎ……………………………… 19

10 แรงดลของลาของไหลทกระทา……………………………………………………… 22

11 ภาพดานบนของแถวใบกงหนแรงดลทตดตงบนลอ………………………………… 24

12 แผนภาพความเรวของใบกงหนแรงดล 1 ขนทางาน………………………………... 25

13 แสดงกงหนแรงดลแบบงาย…………………………………………………………. 28

14 ความดนและความเรวสมบรณของไอนาตลอดขนทางานในกงหนแรงดลความ

เรวผสมเชงอดมคต……………………………………………………………… 30

15 แผนภาพความเรวของขนทางานกงหนแรงดลความเรวผสม……………………….. 31

16 แผนภาพความเรวและใบกงหนของกงหนแรงดลความเรวผสม

ทมใบกงหนเคลอนท 3 แถว……………………………………………………… 32

17 แสดงกงหนแรงดลความดนผสม 2 ขนทางาน…………………………………..…… 33

18 แผนภาพความเรว หวฉดและใบกงหนของกงหนแรงดลความดนผสม

ชนด 2 ขนทางาน……………………………………………………………….. 34

19 แสดงกงหนแรงปฏกรยา 3 ขนทางาน………………………………………………. 36

20 แสดงแผนภาพความเรวของกงหนแรงปฏกรยา 2 ขนทางาน………………………. 37

21 แสดงเสนโคงแสดงสภาวะของกงหนแรงปฏกรยา 2 ขนทางานบน

แผนภาพมอรเลยร……………………………………………………………… 38

22 แสดงถงผลการเปลยนแปลงของอณหภมกบความดนทสภาวะตางๆ……………… 43

23 แสดง องคประกอบความเรวในรปเวคเตอร………………………………………… 45

บญชภาพประกอบ (ตอ) ภาพประกอบ หนา 24 แสดงแสดงองคประกอบความเรวในรปของเวคเตอร……………………………… 48

25 กราฟแสดงคณลกษณะ…………………………………………………………….. 49

26 กราฟแสดงคณลกษณะของคอมเพลสเซอร………………………………………… 52

27 แสดงไดอะแกรมความเรวของดฟฟวเซอร………………………………………… 56

28 แสดงมมของชดกงหน………………………………………………………………. 56

29 แสดงชนสวนของเครองยนตเจทขนาดเลก………………………………………….. 64

30 แสดง Nozzle guide vane…………………………………………………………. 64

31 แสดง Diffuser………………………………………………………………………. 65

32 แสดง Shaft Tunn…………………………………………………………………… 65

33 แสดง Intake Nozzle……………………………………………………………….. 66

34 แสดง Housing……………………………………………………………………… 66

35 แสดง Combustion Chamber……………………………………………………… 67

36 แสดง Compressor Wheel…………………………………………………………. 67

37 แสดง Turbine Wheel………………………………………………………………. 68

38 แสดง Accessories Part……………………………………………………………. 68

39 แสดงขณะทาการประกอบเครองยนตเจท………………………………………….. 69

40 แสดงดานหลงของเครองยนตเจท…………………………………………………… 69

41 แสดงดานหลงของเครองยนตเจท…………………………………………………… 70

42 แสดงดานขางของเครองยนตเจท………………………………………………….... 70

43 ไดอะแกรมแสดงการตดตงเครองยนตเจทขนาดเลกในการทดสอบ………………... 71

44 แสดงการตดตงเครองยนตเจทขนาดเลกในการทดสอบ……………………………. 72

45 แสดงการทดสอบเครองยนตเจทครงท1 ขณะเรมทาการสตารทเครอง…………….. 74

46 แสดงการทดสอบเครองยนตเจทครงท2 ขณะเรมทาการสตารทเครอง…………….. 75

47 แสดงการทดสอบเครองยนตเจทครงท2 ขณะเครองเรมเกดการเสยดสระหวาง

turbine wheel กบ NGV ทาใหเกดสะเกดไฟออกมาทางดานทายเครองยนต… 76

48 แสดงการทดสอบเครองยนตเจทครงท3 ขณะเครองเรมตดและ

ทาการปลอยนามนเขาไปในหองเผาไหม………………………………………. 77

บญชภาพประกอบ (ตอ) ภาพประกอบ หนา 49 แสดงการทดสอบเครองยนตเจทครงท3 เมอเรมเรงความเรวรอบอณหภมเรมสง

ขนมาก…………………………………………………………………………. 78

50 แสดงการทดสอบเครองยนตเจทครงท3 ขณะทาการดบเครองยนต

เนองจากอณหภมสงมาก………………………………………………………. 78

51 แสดงการทดสอบเครองยนตเจทครงท4 ขณะทาการเรมการสตารท

และปลอยแกสเขาไปในหองเผาไหม………………………………………………. 79

52 แสดงการทดสอบเครองยนตเจทครงท4 ขณะเรมทาการปลอยนามน

เขาหองเผาไหม…………………………………………………………………. 80

53 แสดงการทดสอบเครองยนตเจทครงท4 เมอนาเอาสายลมทใชในการสตารทออก

ความเรวรอบเรมชาลง…………………………………………………………… 80

54 แสดงการทดสอบเครองยนตเจทครงท5 ขณะเรมทาการสตาทเครองยนต………….. 81

55 แสดงการทดสอบเครองยนตเจทครงท5 ขณะเรมทาการ

ปลอยนามนเขาไปในหองเผาไหม………………………………………………….. 82

56 แสดงการทดสอบเครองยนตเจทครงท5 ขณะเรมทาการเรงความเรวให

ถงรอบเดนเบา……………………………………………………………………. 82

57 แสดงการทดสอบเครองยนตเจทครงท4 เครองยนตทางานทรอบเดนเบา…………… 83

คาอธบายสญลกษณและคายอ

สญลกษณ ความหมาย หนวย

2 A พนทหนาตดการไหล m

α มมทางออกของแกส -

β มมทางออกของครบ - B ความสงของใบพดททางออก mm 2

C ความเรว m/s Cp ความรอนจาเพาะของอากาศทความดนคงท J/kg ⋅K C ความเรวในการไหลของแกสผานจานใบพดทางเขา m/s 1u

C2u ความเรวในการไหลของแกสผานจานใบพดทางออก m/s d เสนผานศนยกลาง mm ∆h เอนทลปทเพมขน kJ/kg ∆KE ผลตางของพลงงานจลน J ∆PE ผลตางของพลงงานศกย J ∆T ผลตางของอณหภม J ∆W ความเรวแกสแตกตาง m/s u

E โมดลสความยดหยน N/m2

η ประสทธภาพของคอมเพรสเซอร -

ηth ประสทธภาพเชงความรอน (Thermal efficiency) -

η ประสทธภาพรวมของเครองยนตกงหนแกส - all

ε มมทขยายออก - F แรง N h เอนทลป kJ/kg I โมเมนตความเฉอยของพนท m4

KE พลงงานจลน J m มวล kg

คาอธบายสญลกษณและคายอ (ตอ)

สญลกษณ ความหมาย หนวย

m อตราการไหลเชงมวลของอากาศ kg/s •

μ Blade slip factor -

ω ความเรวเชงมม rad/s 2 P ความดนสมบรณของแกสในหนวย Pascal N/m

P กาลงงาน W, J/s PE พลงงานศกย J PV พลงงานจากการไหล J ψ power input factor -

3 Q อตราการไหล m / s

อตราการไหลเขา m3 / s Qin

อตราการไหลออก m3 / s Qout

R คาคงทของแกสสาหรบอากาศ J/kg⋅K rp อตราสวนความดน (Pressure Ratio) - rv อตราสวนการอดอากาศหรออตราสวนปรมาตร -

ρ ความหนาแนนของแกส kg/m3

rpm จานวนรอบ/นาท - s เอนโทรป J/kg.K T อณหภม K U ความเรวเฉลยใบพดเทอรไบน m/s U1 ความเรวใบพดททางเขา m/s U2 ความเรวใบพดททางออก m/s V ความเรว m/s W งาน J

คาอธบายสญลกษณและคายอ (ตอ)

สญลกษณ ความหมาย หนวย

W งานสทธทได J net

W งานทไดจากกงหน J t

W งานทใชขบคอมเพรสเซอร J c

W1 ความเรวสมพทธททางเขาโรเตอร m/s W2 ความเรวสมพทธททางออกโรเตอร m/s z จานวนใบพด - ϕ supply value -

การออกแบบและสรางตนแบบ เครองยนตเจทขนาดเลก

บทคดยอ

ของ

ชานนท ชยสข

เสนอตอบณฑตวทยาลย มหาวทยาลยศรนครนทรวโรฒ เพอเปนสวนหนงของการศกษา

ตามหลกสตรวศวกรรมศาสตรมหาบณฑต สาขาวชาวศวกรรมเครองกล

มนาคม 2550

ชานนท ชยสข (2550). การออกแบบและสรางตนแบบเครองยนตเจทขนาดเลก. ปรญญานพนธ

วศ.ม.(วศวกรรมเครองกล). กรงเทพฯ : บณฑตวทยาลย มหาวทยาลยศรนครนทรวโรฒ.

คณะกรรมการควบคม: ดร. พชย อษฎมงคล, ผศ.ดร. ศภฤกษ ศรเวทน

งานวจยน มวตถประสงคเพอสรางเครองยนตกงหนกาซขนาดเลก เพอใหสามารถใชเปนตนกาลงสาหรบการผลตกระแสไฟฟาใหใชกบถนทรกนดารหรอตนกาลงสาหรบอากาศยานไรคนขบ(UAV.) โดยมขอไดเปรยบสาหรบเครองยนตชนดนคอ ความสามารถในการใชกบเชอเพลงเหลวไดหลายชนดเชน เอทานอล เมทานอล เชอเพลงเบนซน เชอเพลงเบนซน เชอเพลงดเซล Jet A-1 และ เชอเพลง gas การออกแบบจะใชสวนประกอบจากชนสวนของระบบเทอรโบชารจรน RB-20 ของรถยนตมาชนสวนในการสรางเครองยนตกงหนแกสขนาดเลกในครงน โดยชนสวนทนามาใชคอ ตวคอมเพรสเซอร และ ชดกงหน โดยไดผลจากการวจยดงน การทดสอบเครองยนตกงหนกาซขนาดเลกทไดออกแบบและสรางขน โดยแบงเปนขนตอนคอ การทดสอบการตดเครองยนต การทดสอบอณหภมไอเสย และ การทดสอบแรงขบ จากการทดลองสรปไดวา เครองยนตนยงไมสามารถทางานไดดวยตวเองอยางสมบรณ แตมความเปนไปไดมากทจะสามารถในการปรบปรงใหเครองยนตสามารถรกษาความเรวรอบและใหกาลงมากขน เครองยนตกงหนกาซขนาดเลกนสามารถใหแรงขบประมาณ 0.8 กโลกรม เครองยนตสามารถจะรกษาความเรวรอบเดนเบาท 50,000 รอบตอนาท มอณหภมของไอเสยท 550 องศาเซลเซยส

The design and construction of a micro jet engine prototype

AN ABSTRACT

BY

CHANUN CHAISOOK

Presented in Partial Fulfillment of the Requirements

for the Master of Engineering Degree in Mechanical Engineering

at Srinakharinwirot University

March 2007

Chanun Chaisook. (2007). The design and construction of a micro jet engine prototype.

Master thesis, M.Eng. (Mechanical Engineering).Bangkok: Graduate School,

Srinakharinwirot University. Advisor Committee: Dr. Pichai Asadamongkon,

Asst.Prof.Dr. Suparerk Sirivedin.

This research is to design and construction of a micro gas turbine engine. The uses

of this kind of engine are power generator and power plant for the UAV. The advantage of

this design is that the engine can be used with many types of liquid fuel for example

ethanol, methanol, gasoline, diesel, jet-A1, and also gas fuel. The design is to use main part

from car’s turbo-charger, RB-20, such as compressor and turbine.

The engine parameter was tested in three steps, engine idle start-up, engine running

speed and exhaust temperature. The results show that the engine wasn’t running properly.

However, engine can perform well at idle speed of approximately 50,000 rpm and exhaust

temperature of nearly 550 oC and the engine power can be measure

บทท 1

บทนา

1. ความเปนมาและความสาคญของปญหา ดวยเทคโนโลยในปจจบนนนไดพฒนาไปมากจงมผลทาใหอปกรณตางๆ มขนาดเลกลง ดงเชน เครองยนตกงหนแกสทมขนาดเลกลง เพอใชประโยชนในดานตางๆ ไดมากขน ตวอยางเชน Sangkyum Kang ( Stanford University , 2000 )(1) ไดพฒนา เครองยนตกงหนแกส ของบรษท M-

DOT โดยทาการปรบปรงและเปลยนแปลงของวสดทใชในการสราง เพอใหเครองยนตกงหนแกส

ขนาดเลกนนมประสทธภาพทสงขน ดงนน การประยกตใชเทคโนโลยดงกลาวจงมประโยชนตอการพฒนาประเทศ ยกตวอยางเชน ในดานการทหาร สามารถนาไปปรบปรงและประยกตเพอนาไปตดตงกบเครองบนสอดแนมไรคนขบ (Unmanded arial vehacal ; UAV.) อกทงยงสามารถประยกตไปใชเปนตนกาลงเพอใชในการ

ผลตกระแสไฟฟาขนาดเลก เปนตน ซงเทคโนโลยดงกลาวนน เปนเทคโนโลยทมราคาคอนขางทจะสงมาก และจะตองทาการนาเขาจากตางประเทศซงจะมผลกระทบตอการเสยดลการคาแกตางประเทศ ดงนนทางผจดทาจงมความคดทจะศกษาและพฒนาเทคโนโลยดงกลาวเพอใหเกดประโยชนยงขน

2. วตถประสงคของโครงการวจย 2.1 ออกแบบเครองยนตเจทขนาดเลก

2.2 สรางเครองยนตเจทขนาดเลก

2.3 ใชอปกรณจากเทอรโบชารจรถยนต เปนสวนประกอบในการสราง

3. ขอบเขตของโครงการวจย 3.1 ใชคอมเพลสเซอรและใบเทอรไบนจากเทอรโบชารจของเครองยนตNISSANรน RB-20

3.2 ในการทดลองสมรรถนะของเครองยนตกงหนเจทใชวธการวดแรงขบ (Thrust) เพยง

อยางเดยว

3.3 ใช Jet A1 เปนเชอเพลง

2

4. วธดาเนนการวจยโดยยอ 4.1 ศกษาทฤษฎดานเครองยนตกงหนแกส และทฤษฎทเกยวของเพอใชในการคานวณและ

ออกแบบสราง 4.2 ทาการออกแบบและเขยนแบบเครองตนแบบ

4.3 ทาการสรางเครองตนแบบ

4.4 ทาการทดลอง และเกบขอมล

4.5 ทาการแกไขขอบกพรอง และทาการทดลองซา

4.6 ทาการประเมนผลการวจย

4.7 สรปผลการวจย และทารายงานการวจย

5. แผนการดาเนนงานตลอดโครงการวจย (ใหระบขนตอนโดยละเอยด)

เดอน (พ.ศ. 2548-2549)

ลาดบ

รายการ พ.ย.

ธ.ค.

ม.ค.

ก.พ.

ม.ค.

เม.ย.

พ.ค.

ม.ย.

ก.ค.

ส.ค.

ก.ย.

ต.ค.

1. ศกษาทฤษฎทเกยวของ • • •

2. ทาการออกแบบและเขยนแบบเครองตนแบบ

• • •

3. ทาการสรางเครองตนแบบ • • • • •

4. ทาการทดลองโปรแกรม และเกบขอมล

• • • • •

5. ทาการแกไขขอบกพรอง และทาการทดลองซา

• • • • •

6. ทาการประเมนผล • • 7. สรปผลการวจย และทารายงานการ

วจย • •

3

6. ประโยชนทคาดวาจะไดรบ 6.1 เปนการพฒนาเครองยนตเจทขนาดเลกขนใชเองภายในประเทศ

6.2 เพอเปนแนวทางกบผทสนใจเกยวกบเครองยนตเจทและหนวยงานทาง ราชการ

6.3 เปนการประดษฐเครองยนตเจทขนาดเลกราคาถกเพอใชเปนตนกาลงทสามารถพฒนาไป

เพอใชในทางทหารและพลเรอน

บทท 2 ทฤษฎและงานวจยทเกยวของ

2. บทปรทศนวรรณกรรม (Literature Review) Sangkyun Kang ; Jurgen Stempfl ; Alexander G. Cooper ; & Fritz B. Prinz(1) ได

ทาการศกษาเรอง “การออกแบบ Mold SDM.” เพอการคดคนชนสวนโครงสรางทมความซบซอนของ

เซรามคในการใชงานดานตางๆ ยกตวอยางเชน เปนสวนประกอบของเครองยนตกงหนแกสขนาดเลก

สาหรบการเปนองคประกอบของเครองยนตน ชนสวนเซรามคจะตองไมเพยงแตเขงแรงทนทานเทานน

แตตองมขนาดทถกตอง และมคณภาพของผวงานทดเลศ เครองยนตกงหนแกสนนกาลงเปนทสนใจ

เนองจาก จะเปนเครองยนตทมพลงมากขนแตขนาดของเครองจะเลกลง ความหนาแนของพลงงานจะ

เปนอตรสวนกบแรงขบ ตอนาหนก อยางไรกตามเมอขนาดของเครองยนตลดลงนน ประสทธภาพของ

เครองยนตกอาจจะลดลงเชนกน ดงนนเพอทจะทาใหสามารถเพมประสทธภาพทางผจดทาจงเลอกใช

วสด Si3N4 ซงจดเปนวสดทดทสดสาหรบการนาไปใชทาเทอรไบนของเครองยนตกงหนแกสขนาดเลก

เนองจากมคววามหนาแนนทตากวาเมอเปรยบเทยบกบวสดชนดอนๆ และยงมคณสมบตทางความ

รอนทดกวา

Thomas Baumgart(2) ไดทาการศกษาเรอง “การออกแบบและสรางเครองยนตกงหนแกส

ขนาดเลก โดยใชชนสวนของระบบเทอรชารจเจอรรน 3K-Warner KP31” ซงเปนเทอรโบชารจเจอร ทม

ขนาดเลกทสดของยนตกรรมในปจจบน โดยมขนาดเสนผาศนยกลางของคอมเพรสเซอรเพยง 33

มลลเมตร และขนาดเสนผาศนยกลางของใบเทอรไบน 31 มลลเมตร จากความคดสรางเครองยนต

กงหนแกสทเลกทสดเทาทจะเปนไปไดโดยใชโรเตอรทมอยในปจจบนมาเปนสวนประกอบ อยางไรก

ตามอาจจะเปนการยากเกนไปทจะออกแบบเครองยนตใหเปน Compressor wheel อนเลกๆ โดยม

ประสทธภาพสงสด ดงนนอปกรณชนดนจงไมไดถกออกแบบมาเพอเปนอปกรณทใชขบดน แตสามารถ

สามารถใชเปนตวเลอกในการเปนตนกาลงในการดานการผลตกระแสไฟฟานนเอง

นายพยงศกด พพฒนและนายอาพล อนรตน(3) ไดทาการศกษาเรอง “การประกอบและ

ทดสอบสมรรถนะของเครองยนตกงหนแกสขนาดเลก” ศกษาการประกอบและทดสอบสมรรถนะของ

เครองยนตกงหนแกสขนาดเลก เครองยนตชนดกงหน ทางานโดยใชแกส แกสทใชหมนกงหน เปน

ผลมาจากการเผาไหมนามนเชอเพลงทผสมกบอากาศทไหลผานเครองยนตในอตราทพอเหมาะ

เครองยนตกงหนแกสเปนเครองยนตททางานโดยนาหลกการและทฤษฎของวฏจกรเบรยตนมา

ประยกตใชงาน ซงแบบทเหมาะสมกบการใชงาน คอ แบบทมการสนดาปทความดนคงทและ

ตอเนอง

5

2. ทฤษฎทเกยวของ การทางานเบองตนของเครองยนตกงหนแกส คอ การเปลยนพลงงานจลนของแกสรอน ท

ขยายตวทความดนสงใหเปนพลงงานกล เพอนาไปหมนชดกงหนเครองยนตกงหนแกสใหทางาน

โดยเรมจากนาอากาศจานวนมากเขาสเครองยนต โดยอาศยแรงดดจากคอมเพรสเซอร จากนนอด

อากาศใหมอณหภมและความดนสงขนแลวสงเขาหองเผาไหม ขณะเดยวกนเชอเพลงจะถกฉดเขา

หองเผาไหม ซงจะเกดปฏกรยาเคมระหวางเชอเพลงกบอากาศแลวถกจดระเบดขน ทาใหแกสรอน

จากการสนดาปขยายตวไปปะทะกบใบกงหน เมอลอกงหนหมน จะทาใหเกดการหมนของเพลา

เครองยนตขน การหมนนสวนหนงจะนากลบไปขบคอมเพรสเซอรทชดกงหนนนเอง พลงงานจลนของ

แกสรอนทขยายตวสวนใหญ จะถกเปลยนใหเปนพลงงานกลอยในลกษณะของการหมนขน การ

ทางานในลกษณะแบบน เรยกวา การทางานแบบระบบเปด เนองจากแกสทขยายตวแลวถกปลอย

ออกสบรรยากาศ

เครองยนตกงหน เปนเครองยนตททางาน โดยนาหลกการและทฤษฎของวฏจกรเบรยตน

(Breyton Cycle) มาประยกตใชงาน ซงแบบทเหมาะสมกบการใชงานจรง ๆ คอ แบบทมการสนดาปท

ความดนคงทและตอเนอง มสวนประกอบหลกสาคญ ไดแก เครองอดอากาศ (Air Compressor)

หองเผาไหม (Combustion Chamber) ชดกงหน (Turbine) และอปกรณสาหรบปอนเชอเพลง

เนองจากเพลาของกงหน (Turbine) และเพลาของเครองอดอากาศ (Compressor) เปน

เพลาเดยวกน ดงนนเพลาทไดจากกงหนจงนาไปใชอดอากาศบางสวน แตงานสวนใหญจะถกสงออกท

เพลาสงกาลงออกเพอนาไปใชงานตามตองการ

ภาพประกอบ 1 การทางานของเครองยนตกงหนเเกสแบบระบบเปด

6

ภาพประกอบ 2 การทางานของเครองยนตกงหนแกสแบบระบบปด

2.1 ทฤษฎและกระบวนการทางานของวฏจกรเบรยตน

วฏจกรเบรยตน ถอวาเปนแมแบบของวฏจกรของเครองยนตกงหนแกส ซงวฏจกร

ดงกลาวมกระบวนการทางานดงตอไปน

ก ข

ภาพประกอบ 3 (ก) แสดง P-V ไดอะแกรม (ข) แสดง T-S ไดอะแกรม

7

กระบวนการ (1–2) อากาศจะถกดดจากภายนอกทความดนบรรยากาศ แลวอดใหมความ

ดน และอณหภมสงขนดวยคอมเพรสเซอร จากระบบเปนกระบวนการอดแบบเเอเดยบาตก คอ ไมม

ความรอนสญเสยจากระบบเอนโทรปคงท

กระบวนการ (2–3) เมออากาศถกอด จะทาใหเกดความรอนและความดน ถกสงเขาไปยง

หองเผาไหมและสนดาปกบเชอเพลงทถกสงเขามา กระบวนการดงกลาว ถอวาเปนการใหความรอน

แบบความดนคงท

กระบวนการ (3–4) ภายหลงการสนดาป จะไดแกสไอเสยทมความรอนและความดนสงซง

แกสดงกลาว จะถกสงเขาชดกงหน ทาใหเกดการขยายตว กระบวนการน เรยกวา การขยายตวแบบ

เเอเดยบาตก กระบวนการ (4–1) เปนกระบวนการสงความรอนออกแบบความดนคงท กระบวนการนไอ

เสยทผานการขยายตวจะถกขบออกสบรรยากาศ

จะเหนวาวฏจกรเบรยตนเปนวฏจกรเชงทฤษฎ เพราะพลงงานทไดกบพลงงานทใหมคา

เทากน ซงในทางปฏบตไมสามารถเปนไปได เนองจากตองเกดการสญเสยขน เชน การสญเสย

เนองจากความฝด เปนตน

จากทกลาวมาแลววา หากตองการทราบงานของเครองยนตกงหนแกส สามารถดไดจาก

P-V ไดอะแกรม และหากตองการทราบปรมาณความรอนทถายเท กสามารถดไดจาก T-S ไดอะแกรม

สาหรบการทางานของเครองยนตกงหนแกสนน ใชอากาศเปนสารตวกลาง ซงสารตวกลางมการไหล

สมาเสมอ ดงนนสมการในขณะทมการอดตวและขยายตวของแกสรอนเชงทฤษฎเมอวเคราะหจาก P-V

ไดอะแกรม จะไดเทากบ - ∫ สวนความรอนทใหหรอถายเทออก วเคราะหจากพนทใตกราฟ T-S

ไดอะแกรม

Vdp

2.2 วฎจกรเชงทฤษฎของเครองยนตกงหนแกส จากทกลาวมาแลววาหากตองการทราบงานของเครองยนตกงหนแกส สามารถดไดจาก P-

V ไดอะแกรม และหากตองการทราบปรมาณความรอนทถายเทกดไดจาก T-S ไดอะแกรม สาหรบการ

ทางานของเครองยนตกงหนแกสนนใชอากาศเปนสารตวกลาง ซงสารตวกลางมการไหลสมาเสมอ

ดงนน สมการในขณะทมการอดตวและขยายตวของแกสรอนเชงทฤษฎเมอวเคราะหจาก P-V

ไดอะแกรม จะไดเทากบ - สวนความรอนทใหหรอถายเทออก วเคราะหจากพนทใตกราฟ T-S

ไดอะแกรม ∫ Vdp

8

ภาพประกอบ 4 แสดง P-V และ T-S ไดอะแกรม ของเครองยนตกงหนแกส

จากภาพประกอบ 4 กระบวนการตางๆ ของเครองยนตกงหนแกสคอ

กระบวนการ (1 - 2) คอกระบวนการอดแบบแอเดยบาตก

กระบวนการ (2 - 3) คอกระบวนการใหความรอนแบบความดนคงท

กระบวนการ (3 – 4) คอกระบวนการขยายตวแบบแอเดยบาตก

กระบวนการ (4 – 1) คอกระบวนการถายเทความรอนออกแบบความดนคงท

การวเคราะหเครองยนตกงหนแกสนน ตองพจารณาถงสารตวกลางทมการไหลอยางตอเนองและเทากนตลอดเวลา จงตองใชหลกของกระบวนการของระบบทมการไหลอยางสมาเสมอ (Steady Flow) มาวเคราะหดงน

กระบวนการ 1 - 2 (Adiabatic compression)

ภาพประกอบ 5 แสดงกระบวนการ 1 – 2

จากสมการพลงงาน พลงงานเขา = พลงงานออก

1211111 QUVPKEPE ++++ = 1222222 WUVPKEPE ++++

9

เมอ H = U + PV (เอนทาลป = พลงงานภายใน + พลงงานจากการไหล) กาหนด ทคอมเพรสเซอร พลงงานศกยทจด (1) และ (2) มคาเทากน ( =ΔPE 0) พลงงานจลนทจด (1) และ (2) มคาเทากน ( KEΔ = 0) เนองจากกระบวนการแอเดยบาตกไมมความรอนเขาหรอออกจากระบบ = 0) 12Q( ดงนนสมการ = - 12W 1H 2H เมอ ( = ) = HΔ TmCpΔ )TT(mC 21p −

12W = = - cW W

กระบวนการ 2-3 (Heat added at pressure constant)

ภาพประกอบ 6 แสดงกระบวนการ 2 – 3

จากสมการพลงงาน พลงงานเขา = พลงงานออก = 23222 QHKEPE +++ 23333 WHKEPE +++

กาหนด ทคอมเพรสเซอร พลงงานจลนทจด (2) และ (3) มคาเทากน ( KEΔ = 0)

10

เนองจากเปนหองเผาไหมแบบตอเนองจงไมเกดงานขนในกระบวนการน = 0) 23W(

ดงนนจะไดสมการ = - 23Q 3H 2H

เมอ ( = ) = HΔ TmCpΔ )TT(mC 23p −

= 23Q AQ

กระบวนการ 3 – 4 (Adiabatic expansion)

ภาพประกอบ 7 แสดงกระบวนการ 3 – 4

จากสมการพลงงาน

พลงงานเขา = พลงงานออก

= 34333 QHKEPE +++ 34444 WHKEPE +++

กาหนด ทคอมเพรสเซอร

พลงงานศกยทจด (3) และ (4) มคาเทากน ( =ΔPE 0) พลงงานจลนทจด (3) และ (4) มคาเทากน ( KEΔ = 0) กระบวนการแอเดยบาตกไมมความรอนเขาหรอออกจากระบบ = 0) 34Q( ดงนนจะไดสมการ = - 34W 3H 4H

เมอ ( = ) = HΔ TmCpΔ )TT(mC 43p −

= = W 34W tW

11

กระบวนการ 4 – 1 (Heat rejected at pressure constant)

จากสมการพลงงาน

พลงงานเขา = พลงงานออก = 41444 QHKEPE +++ 41111 WHKEPE +++

กาหนดทคอมเพรสเซอร พลงงานศกยทจด (4) และ (1) มคาเทากน ( =ΔPE 0)

พลงงานจลนทจด (4) และ (1) มคาเทากน ( KEΔ = 0)

ไมมงานเกดขนในกระบวนการน = 0) 41W(

ดงนน = - 41Q 1H 4H

เมอ ( = ) = HΔ TmCpΔ )TT(mC 41p −

= 41Q RQ

จาก T-S ไดอะแกรมในสวนพลงงานความรอนเราจะไดสมการดงน

ความรอนทไดหรอปอนเขาระบบ (Heat addition)

AQ = )TT(mC 23p −

ความรอนทสญเสยหรอระบายออก (Heat rejected)

AQ = )TT(mC 14p −

จากความสมพนธกฎขอท 1 ของอณหพลศาสตร ทวา ผลรวมความรอนทให (ΣQ) = ผลรวมของงานทได (ΣW)

12

แตในทางปฏบตระบบตองมการสญเสยดงนน

งานทไดสทธ = ความรอนทให – ความรอนทสญเสย

ดงนน

ประสทธภาพของวฎจกร = ใหความรอนท

งานสทธ

หรอ

ประสทธภาพของวฎจกร = ใหความรอนท

ญเสยความรอนส-ใหความรอนท

= A

RA

Q

QQ −

= )TT(mC

)TT(mC)TT(mC

23p

14p23p

−

−−−

ประสทธภาพของวฎจกร = 23

34

TT

TT1

−

−−

จาก P-V ไดอะแกรม จะเหนไดวาท (1) และ (4) มความดนเทากน และทจด (2)

และ (3) มความดนเทากนนนกหมายความวาการอดตวและอตราสวนการขยายตวจะเทากน

เมอให pr = อตราสวนความดน ( Pressure Ratio )

จะได pr = 1

2

P

P =

4

3

P

P

13

จากกระบวนการ (1) ไป (2) เปนการอดแบบแอเดยบาตก

1

2

T

T =

k

)1k(

1

2

P

P−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ =

)1k(

2

1

V

V−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

ดงนนจะไดวา

1

2

T

T =

k

)1k(

1

2

P

P−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ = k

)1k(pr

−

และ

4

3

T

T =

k

)1k(

4

3

P

P−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ = k

)1k(pr

−

ดงนน

= 3T 4Tk

)1k(

4

3

P

P−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 4T × k

)1k(pr

−

และ

= 2T 1Tk

)1k(

1

2

P

P−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ = 1T × k

)1k(pr

−

14

∴ประสทธภาพวฏจกร = ⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛

−−−−

−

k)1k(

p1k

)1k(p4

34

rTrT

TT1

= ⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛

−−−

−)TT(r

TT1

14k)1k(

p

14

= k

)1k(

pr11

−

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛−

เมอให ( thη ) คอประสทธภาพทางความรอน (Thermal efficiency)

thη = k

)1k(

pr11

−

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛−

และจาก P-V ไดอะแกรม จะเหนวา

1

2

P

P =

4

3

P

P

หมายความวา 1

2

V

V =

4

3

V

V

เมอให = อตราสวนการอดอากาศหรออตราสวนปรมาตร vr

= vr1

2

V

V =

4

3

V

V

15

เมอกระบวนการ (1) – (2) และ (3) – (4) เปนกระบวนการอดและขยายตวแบบปรมาตร

คงท

∴1

2

T

T =

)1k(

2

1

V

V−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ = )1k(

vr−

4

3

T

T =

)1k(

3

4

V

V−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ = )1k(

vr−

∴ 2T = 1T × )1k(vr

−

∴ 3T = 4T × )1k(vr

−

แทนคาสมการ (2.5) และ (2.6) ในสมการ (2.1) จะได

∴ ประสทธภาพวฏจกร = ⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛

−−−−−

)1k(v1

)1k(v4

14

rTrT

TT1

= ⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛

−−

−−

)TT(r

TT1

14)1k(

v

14

tη∴ = k

)1k(

pr11

−

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛−

ประสทธภาพรวมของเครองยนตกงหนแกสหาไดจากงานสทธทไดจรงจากเครองยนต

หารดวยความรอนทใหกบเครองยนต (ความรอนทใหไดจากการสนดาปเชอเพลงทเขาหองเผาไหม)

16

ประสทธภาพรวมของเครองยนต = ใหความรอนท

ญเสยความรอนส-ใหความรอนท

ซงงานสทธทได = งานทไดจากกงหน – งานทใชขบคอมเพรสเซอร

= - netW tW cW

คอ งานสทธทได netW คอ งานทไดจากกงหน tW

คอ งานทใชขบคอมเพรสเซอร cW

สาหรบความรอนทให เปนความรอนทไดจากการสนดาปเชอเพลง ในกระบวนการจาก

(2) ไป (3) การหาปรมาณความรอนอาศยการเปลยนแปลงความรอนหรออณหภมสารตวกลางท

เปลยนไป (พลงงานภายในและพลงงานจากการไหล) คอ

จาก = - = 23Q 3H 2H AQ

เนองจาก ( = ) ดงนน HΔ TmCpΔ

= 23Q )TT(mC 23p −

= tW )TT(mC 43p −

= cW )TT(mC 12p −

เมอให ( allη ) คอประสทธภาพรวมของเครองยนตกงหนแกส

หมายเหต ปกตประสทธภาพรวม ( allη ) กคอประสทธภาพทางความรอน ( thη ) ของวฏจกร

∴ ( allη ) = ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −

A

ct

Q

WW

17

ในกรณตองการหาประสทธภาพทางความรอนของวฏจกร โดยเปรยบเทยบปรมาณ

ความรอนทใหกบความรอนทสญเสย ซงสามารถเขยนเปนสมการได คอ

ประสทธภาพทางความรอน = ใหความรอนท

ญเสยความรอนส-ใหความรอนท

ซงความรอนทใหอยในชวงกระบวนการจาก (2) ไป (3) ซงกคอ )Q( A

ดงนน AQ = )TT(mC 23p −

และความรอนสญเสยจากกระบวนการ (4) ไป (1) ซงกคอ

= RQ )TT(mC 14p −

( thη ) = A

RA

Q

QQ −

= )TT(mCp

)TT(mCp)TT(mCp

23

1423

−

−−−

= )TT(

)TT()TT(

23

1423

−

−−−

∴ ( thη ) = )TT(

)TT(1

23

14

−

−−

18

3. วฎจกรการทางานของเครองยนตกงหนแกส การทางานในวฏจกรเชงทฤษฎ ( Ideal cycle ) ของเครองยนตกงหนแกส ถอเปนพนฐาน

เบองตนในการทางาน และทาใหงายแกการเขาใจ ซงในวฏจกรการทางานจรง ( Actual cycle ) จะ

มความแตกตางออกไปและกระบวนการตาง ๆ กไมไดเปนไปตามเงอนไขของวฏจกรเชงทฤษฎ คอใน

กระบวนการจาก (1) ไป (2) และ (3) ไป (4) ไมเปนกระบวนการแอเดยบาตก คอยงมการถายเท

ความรอนเขาหรอออกจากระบบ หรอมการสญเสยความรอนในระบบการเผาไหมในหองเผาไหม

กระบวนการ (2) ไป (3) มการสญเสยความดน จงไมเปนกระบวนการการสนดาปแบบความดนคงท

อกทงมวลของสารตวกลางทไหลผานคอมเพรสเซอรและกงหนมปรมาณทไมเทากน แตเนองจาก

ในทางปฏบตเราจาเปนตองคงคาตวแปรบางตวเพอสะดวกในการแกปญหา หรอถอวาตวแปรดงกลาว

มอทธพลนอยมาก เพอใหเหนความแตกตางทชดเจนจงสรปลกษณะของวฏจกรเครองยนตกงหนแกส

ทางานจรง ( Actual Cycle ) เมอเทยบกบวฏจกรอดมคต ดงน

3.1 กระบวนการทกกระบวนการไมสามารถยอนกลบได เนองจากระบบมความฝด

การไหลของสารทางานไมไดคงทสมาเสมอการไหลเปนแบบไมคงท ซงแตละอปกรณไมสามารถทางาน

ไดประสทธภาพ 100 เปอรเซนต

3.2 คาความรอนจาเพาะมการเปลยนแปลง เนองจากอณหภมทเปลยนแปลง และ

คณลกษณะสารทางานทเปลยนไป เชน จากอากาศเปนสวนผสมเชอเพลงกบอากาศและไอเสยทได

จากการสนดาปเปนตน

3.3 จานวนของสารทางานในระบบมการเปลยนแปลงไมคงท หรอมการไหลทตอเนอง

3.4 เกดการสญเสยความรอนทไดจากการสนดาปเชอเพลงอาจเกดจาการสนดาปทไม

สมบรณ หรอการสนดาปไมไดเปนไปตามกระบวนการความดนคงท

3.5 เกดการสญเสยความรอนใหกบสงแวดลอม การอดอากาศทคอมเพรสเซอรและ

การขยายตวของแกสรอนทกงหนไมไดเปนไปตามกระบวนการแอเดยบาตก มการสญเสยความรอน

ออกจากระบบ และสญเสยความรอนออกจากหองเผาไหม

เนองจากวฏจกรเชงทฤษฎ การอดอากาศของคอมเพรสเซอรและการขยายตวของแกสรอนในกงหนเปนกระบวนการแอเดยบาตก (ไมมความรอนเขาหรอออกจากระบบ ) นนคอเอนโทรป (S) มคาคงทแตวาในทางปฏบตไมอาจเปนเชนนน เพราะเกดการสญเสยใหกบผนงหรอชนสวนของคอมเพรสเซอรและกงหนเปนตน กระบวนการอดตวและขยายตวในวฏจกรการทางานจรง เมอเปรยบเทยบกบวฏจกรเชงทฤษฎ

19

4. กระบวนการอดตวและขยายตวของวฏจกรทางานจรง

ภาพประกอบ 8 แสดงแผนภมอณหภม-เอนโทรปของวฏจกรทางานจรง

ภาพประกอบ 9 แสดงการเปรยบเทยบวฏจกรจรงกบวฏจกรเชงทฤษฎ

จากภาพประกอบ 9 จะเหนไดวาอณหภมภายหลงจากการออกคอมเพรสเซอรของวฏจกร

ทางานจรงจะมคาสงกวาวฏจกรเชงทฤษฎ ทงนเนองจากในทางปฏบตจรง คอมเพรสเซอรตองมความ

ฝดจานวนหนงซงมผลทาใหอณหภมภายหลงอดสงขน หากจะกลาวอกนยหนงกคอ ประสทธภาพ

ของคอมเพรสเซอรจานวนหนงแตในความเปนจรงแลวงานทเปนใหคอมเพรสเซอรตองมากกวาทาง

ทฤษฎเสมอ เพราะคอมเพรสเซอรมความฝดดงทกลาวมาแลวนนเอง เมอเรากาหนดให (T) เปน

อณหภมของอากาศภายหลงออกจากคอมเพรสเซอรเชงทฤษฎ และ (T) เปนอณหภมอากาศอดของ

ของวฏจกรทางานจรง

20

ดงนน ประสทธภาพคอมเพรสเซอร

)( cη = เซอรจรงงานคอมเพรส

ษฎเซอรทางทฤงานคอมเพรส

หรอ )( cη = เซอรจรงงานคอมเพรส

บาตกนการแอเดยเซอรกระบวงานคอมเพรส

งานคอมเพรสเซอรเชงทฤษฎ = )TT(mC 12p −

งานคอมเพรสเซอรจากวฏจกรจรง = )TT(mC 1'2p −

)( cη = )TT(mC

)TT(mC

1'2p

12p

−

−

)( cη = )TT(

)TT(

1'2

12

−

−

)( cη = )HH(

)HH(

1'2

12

−

−

ในทานองเดยวกนกงหนในวกจกรทางานจรงกมคาไมถง 100% ดงภาพประกอบ (2.7ข.)

ซงจะเหนไดวาอณหภมภายหลงออกจากกงหนของวฏจกร ทางานจรงสงกวาวฏจกรเชงทฤษฎ หรออก

นยหนงกคอ งานทไดจากกงหนวฏจกรทางานจรงนนตากวาวฏจกรเชงทฤษฎ เมอกาหนดให (T) เปน

อณหภมภายหลงออกจากกงหนเชงทฤษฎ และ (T) เปนอณหภมภายหลงออกจากกงหนในทางปฏบต

ดงนน ประสทธภาพของกงหน

)( tη = ทฤษฎารทางานทางากวฏจกรกงานทไดจ

รงากวฏจกรจงานทไดจ

)( tη = กแอเดยบาตนกระบวนการงานกงหนใ

รงากวฏจกรจงานทไดจ

21

งานจากกงหนเชงทฤษฎ = )TT(mC 43p −

งานจากกงหนจรง = )TT(mC '43p −

ดงนน )( tη = )TT(mC

)TT(mC

43p

'43p

−

−

)( tη = )TT(

)TT(

43

'43

−

−

ประสทธภาพกงหน )( tη = )HH(

)HH(

43

'43

−

−

5. หลกการแรงดล (The Impulse Principle) หลกการของกงหนแรงดล เปนการถายทอดจากลาของไหลความเรวสง (Jet) สวตถให

เคลอนทตามแนวแรงนน หากพจารณาลาของไหลความเรวสงตามแนวระนาบทกระทบแผนเรยบ

แนวตงอยกบท ของไหลจะแผออกตามระนาบของแผนเรยบนน ทาใหความเรวตามแนวระนาบของ

ลาของไหลลดลงเปนศนย แรงทกรานคอ แรงดล มคาเทากบโมเมนตมของลาของไหลตามแนวแกน

นน ในทนคอทศทาง x เขยนสมการความสมพนธไดดงน F = m (VS - o) เมอ F = แรงดล N

m = อตรามวลการไหลของลาของไหล, kg/s

VS = ความเรวในแนวแรง, m/s

22

สาหรบแผนวตถทเคลอนทอยางอสระตามแนวแรงดวยความเรว VB ถา VB S - VBB เปน

ความเรวของลาของไหลสมพทธกบแผนวตถ ฉะนนแรงทกระทบบนแผนวตถคอ

F = m (VS - VB) B

ภาพประกอบ 10 แรงดลของลาของไหลทกระทาตอ (ก) แผนวตถอยกบท (ข) แผนวตถเคลอนท

และเพราะวาแผนวตถเคลอนท งานททาตอแผนวตถจงเทากบผลคณของแรงคณกบ

ระยะทางนนในกรณเวลา 1 หนวย ระยะทางคอ VB นนเอง ดงนนงานททาตอหนวยเวลา หรอ

กาลง, วตต คอ W = FVB = mVB BB(VS - VB) B

โดยประสทธภาพของแผนเรยบหาไดจากการหารงานในสมการดวยกาลงเรมตนของลาของไหล

mVS2/2 (พลงจลนตอหนวยเวลา) ดงนน

เมอ W = งานตอหนวยเวลา หรอกาลง, วตต สงเกตวากาลงมคาเปนศนย ถา VB เปน

ศนย (กรณแผนอยกบท) หรอถา VB = VS กรณทไมมแรงกระทาโดยลาของไหล ฉะนนจงนาม

ความเรวแผนวตถ VB ทดทสดคาหนงททาใหไดกาลงออกมามากทสด ซงสามารถหาไดโดยดฟเฟอ

เรนทเอท W ดวย VB และใหเทากบศนย หรอ

0)2V(VmV)]VVm[(VVdVdW

BSB2

BBSSB

=−=−=−

ดงนนความเรวแผนวตถทดทสดคอครงหนงของความเรวของไหล

2

VV S

OPTB, = และกาลงทมากทสดคอ

4

mVW

2S

max =

23

ซงคอครงหนงของกาลงหรอพลงงานจลนตอหนวยเวลาของลาของไหลนนเอง ดงนนประสทธภาพ

สงสดของการแปลงพลงงานของลาของไหลสแผนวตถเทากบ 50 เปอรเซนต

แตแทนทจะพจารณาแผนเรยบถาเปลยนใหลาของไหลความเรวสงกระทบใบกงหนดวย

ความเรวสมพทธ VS – VB แตถาคดวาใบกงหนไมมแรงเสยดทานและไมมการขยายตวหรอหดตวของ

ไหลระหวางเขาและออกใบกงหน ฉะนนความเรวสมพทธทออกใบกงหนเทากบ V

B

S - VBB ดวย สวน

ความเรวสมบรณของลาของไหลทออกเทากบ VB - (VB S - VBB) = (2VB - VB S)

F = m [VS – (2VB - VB S)] = 2m (VS - VBB)

และงานตอหนวยเวลาคอ FVB หรอ B

W = 2m VB(VB S - VBB)

สาหรบการหาความเรวทดหรอเหมาะสมทสดของใบกงหนเพอใหไดกาลงมากทสดหาได

ทานองเดยวกบการหาในกรณของแผนเรยบคอ ดฟเฟอรเรนทเอท W ดวย VB และใหเทากบศนย

ซงได B

2VV S

OPTB, =

และ

4mVW

2S

max =

นนคอ ความเรวทเหมาะสมทสดของใบกงหนมคาครงหนงของความเรวลาของไหล

เชนเดยวกบแผนเรยบ แตกาลงมากทสดมากกวาของแผนเรยบถง 2 เทาและเทากบพลงงานจลน

ทงหมดตอหนวยเวลาของลาของไหล หรอกลาวไดวาประสทธภาพของใบกงหนมคาทมากทสด

ηB,max คอ 100% เนองจากใบกงหนเคลอนทออกจากลาของไหล หากตองการกาลงทตอเนองตลอดเวลา

จาเปนตองตดตงใบกงหนอนกรมกนไปบนเสนรอบวงของลอเพอวาลอสามารถหมนอยางตอเนอง

ตราบเทาทมลาของไหลมากระทบใบกงหน แตลาไหลของความเรวสงตองการหวฉดเพอฉดลาของ

ไหลมากระทบใบกงหน และขนาดของหวฉดทาใหไมสามารถตดตงขนานกบอนกรมของใบพดได จง

ตองตดตงใหฉดลาไหลดวยมมเอยง θ จากแนวระนาบซงควรใหเอยงนอยทสด แตจะตองไมนอย

จนกระทงขดขวางการเคลอนของใบกงหนอนถดไป

24

ภาพประกอบ 11 แผนภาพดานบนของแถวใบกงหนแรงดลทตดตงบนลอ

แผนภาพความเรว (The Velocity Diagram) ในการคานวณหางานบนใบกงหนซงอยใน

ทศทางของการเคลอนทจาเปนตองสรางแผนภาพเวคเตอรความเรว ซงในแผนภาพนสญลกษณตางๆ

มความหมายดงน VS1 = ความเรวสมบรณของไหลทออกจากหวฉด

VB = ความเรวใบกงหน B

Vr1 = ความเรวสมพทธของของไหลกระทบใบกงหน (ผสงเกตอยบนใบกงหน)

Vr2 = ความเรวสมพทธของของไหลทออกจากใบกงหน

VS2 = ความเรวสมบรณของของไหลทออกจากใบกงหน

θ = มมหวฉด φ = มมทางเขาใบกงหน

γ = มมทางออกใบกงหน

δ = มมทางออกของไหล

สาหรบงานบนใบกงหนอาจหาไดจากกฎการเปลยนโมเมนตมดงกลาวขางตนหรอจากกฎขอ

ท 1 ของเทอรโมไดนามกสกได ซงทงสองวธใหผลเชงจานวนทเหมอนกน

25

จากโมเมนตมแรงดล แรงเปนปรมาณเวคเตอรในทศทางการเคลอนทของใบกงหนมคา

เทากบการเปลยนโมเมนตมของของไหลในทศทางการเคลอนท หรอ

F = m(VS1 cos θ - VS2 cos δ)

ภาพประกอบ 12 แผนภาพความเรวของใบกงหนแรงดล 1 ขนทางาน

ซงสวนประกอบของความเรวไอนาในทศทางการเคลอนทของใบกงหนเรยกวา ความเรวของการหมน

(Velocity of Whirl) ดงนน VS1 cos θ คอ ความเรวขาวของการหมน Vw1 และ VS2 cos δ คอ

ความเรวออกของการหมน VW2 ฉะนนแรงอาจเขยนใหมไดเปน

F = m (VW1 – VW2)

และงานตอหนวยเวลา คอ ผลคณของแรงกบระยะทางทใบกงหนเคลอนทในหนงหนวยเวลาหรอผล

คณของแรงกบความเรว ดงนน W = m VB (VB S1 cos θ - VS2 cos δ)

พงสงเกตวาถาทง θ และ δ เทากบศนย VS2 = VB - (VB S1 - VBB) ในทศทาง X

(สาหรบการไหลแบบไมมแรงเสยดทาน การขยายตวหรอหดตว)

สาหรบประสทธภาพของใบกงหน นองเดยวกน กาหนดโดยอตราสวนของงานบนใบกงหน

สมการกบพลงงานตอหนวยเวลาแรกเรมของลาของไหล m V2S1/2 หรอ

ความเรวใบกงหนทเหมาะสมทสด จากการวเคราะหดวยใบกงหน 180° ฉะนนความเรว

สมพทธของของไหลเขาใบกงหนในทศ x คอ VS1cos θ - VB ถาไมคดแรงเสยดทาน การขยายตว

และหดตวของของการไหล นนคอ เปนคาความสมพทธออกใบกงหนดวยแตมทศทางตรงขาม สวน

ความเรวสมบรณของของการไหลออกใบกงหนในทศทาง X คอ V

B

S2cosδ หรอมคาเทากบ VBB -

(VS1cos θ - VB) = (2VB BB – V1cosδ) ดงนนสมการสามารถเขยนใหมไดในรป

W = 2m VB(VB S1cosθ - VBB)

26

และจะไดความเรวใบกงหนทเหมาะสมทสดเพอใหไดงานมากทสดโดยการดฟเฟอรเรนทเอท

W ดวย VB และใหเทากบศนย หรอ B

2cosθV

V S1optB, =

และ

optB,22

s1max 2mVcosθo(V2mW ==

สวนประสทธภาพใบกงหนมากทสดไดจากการหาร Wmax ดวย mV2

S1/2 ได 2

Bmax )(cosη θ=

หากพจารณาแผนภาพความเรวพบวาการไหลเชงอดมคตเกดขนเมอ Vr1 = Vr2 และφ = γ

ฉะนนความเรวใบกงหนเหมาะสมทสดซงใหงานมากทสดพบวาอยท δ = 90° เชนกน หรอคอ

ความเรวออกสมบรณในทศทางตามแนวแกน ซงในกรณน ความเรวของการหมนคอศนย cosδVS2

การหากาลงงานและประสทธภาพใบกงหนอกวธคอจากกฎขอท 1 ของเทอรโมไดนามกส

เมอไมคดการเปลยนแปลงพลงงานศกย การถายเทความรอน งานจะเทากบการลดลงในเอนทลป

และพลงงานจลนสมบรณของของไหล นนคอ

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−+=

2V

2V)H-m(HW s2

2s1

2

21

เมอ H1 และ H2 คอเอนทลปของของไหลเขาและออกใบกงหนตามลาดบ และ H1 - H2

หาไดจากการพจารณาการไหลของของไหลสมพทธกบใบกงหน (ผสงเกตอยบนกงหน) ได

ความสมพนธดงน ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡−=

2V

2VH-H r2

2r1

2

21

แทนคาลงในสมการ

[ ])()(2mW 2

21

22

21

2rrss VVVV −−−=

27

สมการนถอวาเปนสมการในรปทวไปของงานในใบกงหนใดๆนนคอ รวมแรงเสยดทานการ

ขยายตว และการหดตวของของไหลผานใบกงหน ในกรณของใบกงหนแรงดลสทธ ซงไมมผลกระทบ

ของสงเหลานจะได H1 = H2 Vr1 = Vr2 และดงนน

)V(V2mW s2

2s1

2impulse pure −=

คาของ VS1 และ VS2 หาไดจากสมการหวฉด VB และคามมตางๆสาหรบใบกงหนแรงดล

ทคดแรงเสยดทาน วธทวไปทใชอธบายผลกระทบของแรงเสยดทานคอ การใชสมประสทธความเรว

(Velocity Coefficient) k

B

V กาหนดโดย

r1

r2v V

Vk =

โดยคา kV นตองคานอยกวา 1 เสมอ

มตวแปรอกตวทควรทราบ ประสทธภาพขนทางาน (Stage Efficiency) ηΔH เนองจาก

การทางานในกงหนแบงเปนขนทางานยอยๆตามจานวนแถวของใบกงหน ฉะนนจงมเอนทลปตก

ตลอดชวงทางานซงรวมถงจากหวฉดและใบกงหนดวย ถาใหการขยายตวของของเหลวเปนภาวะ

แอเดยแบทกยอมกลบไดใชสญลกษณ ΔHS ดงนน

ss

ΔH mηW

ΔHWη

Δ==

6. กงหนแรงดล (Impulse Turbines) กงหนแรงดล เปนกงหนแบบงายอาจมโรเตอรเดยวหรอหลายโรเตอร (ผสม) ซงใบกงหน

แรงดลเชอมตดอย รปรางของใบกงหนประเภทนสามารถสงเกตไดงายเนองจากลกษณะใบมลกษณะ

สมมาตร มมมเขาและออก φ และ γ ตามลาดบประมาณ 20° และเนองจากปกตใชในชวงความ

ดนสงของกงหนไอนา จงมปรมาตรจาเพาะของไอนาตาและตองการพนทการไหลนอยกวาทความดน

ตา ใบกงหนแรงดลจงสนและมพนทหนาตดคงท

กงหนแรงดล มคณสมบตจากความจรงทวาเอนทลปเกอบทงหมด (หรอความดน) ตกใน

หวฉด (หรอใบกงหนอยกบทซงทางานแบบเดยวกบหวฉด) มคานอย และไมมความดนตกในใบ

กงหนทเคลอนทโดยความดนตกทอาจเกดขนบางในใบกงหนเคลอนทเปนผลจากแรงเสยดทานซง

กาหนดเปนคาสมประสทธความเรว kV เพมเขามา

28

6.1 กงหนแรงดลขนทางานเดยว (The Single – Stage Impulse Turbine) กงหนแรงดลขนทางานเดยวหรออาจเรยกวา กงหน De Laval ตามชอนกประดษฐ ประกอบดวย

โรเตอรเดยวซงใบกงหนแรงดลเชอมตดอย ไอนาถกปอนผานหวฉดคอนเวอรเจนไดเวอรเจนท 1 หวหรอหลาย

หวซงไมไดตดตงตลอดเสนรอบวงของโรเตอร ดงนนจงมบางสวนของใบกงหนเทานนทรบลาของไหล

กระทบขณะเวลาหนงๆ โดยหวฉดเปนตวควบคมกงหนดวยการปดจายนาของหวฉด 1 หวหรอมากกวา

ภาพประกอบ 13 แสดงกงหนแรงดลแบบงาย

สาหรบแผนภาพความเรวสาหรบกงหนแรงดลขนทางานเดยว แสดงภาพความดนและ

ความเรวสมบรณของไอนาตลอดขนทางานในหวฉดและใบกงหนสาหรบกงหนเชงอดมคต จะเหนวา

ความดนตกขนในหวฉดและไมตกในใบกงหน ความเรวสงสดหรอพลงงานจลนของไอนาเกดขนท

29

ทางออกหวฉดและลดลงจาก VS1 เปน VS2 ในใบกงหน อยางไรกตามาการเปลยนแปลงเชงเสนของ

ความดนและความเรวทแสดงในภาพดงกลาวเปนลกษณะเชงอดมคตเทานน

6.2 กงหนแรงดลผสม (Compounded – Impluse Turbines)

ในกงหนแรงดนขนทางานเดยว ความเรวใบกงหนเหมาะสมทสดคอ 0.5 VS1cos θ หรอ

อยางคราวๆ ครงหนงของความเรวไอนาเขาใบกงหนเมอ θ มคาเลกๆ โดยไอนาขยายตวจากสภาวะ

เครองกาเนดไอนารนใหมประมาณ 16.56 MPa และ 540°C สความดนเครองควบแนนท 6.9 kPa

(หรออาจเปนความดนบรรยากาศ) ในชนทางานของหวฉดชนทางานเดยวจะมความเรวประมาณ

1645 m/s หรอไดความเรวใบกงหนประมาณ 820 m/s ความเรวนพบวามากเกนกวาทลมตความ

ปลอดภยอนญาตใหได เนองจากความเคนหนศนยกลางบนเนอวสดของโรเตอร อกทงความเรวไอนา

ทมากมผลใหเกดความสญเสยเนองจากความเสยดทานมาก (เปนปฏภาคโดยตรงกบความเรวกาลง

สอง) และลดประสทธภาพของกงหน ทงความเรวโรเตอรสงจาเปนตองมเกยรขนาดใหญเพอลด

ความเรวใหเหมาะสมกบความเรวของเครองกาเนดไฟฟา ฉะนนเพอแกปญหาเหลานมวธการอย 2

วธทใชประโยชนไดทเรยกวา การผสมหรอการแบงขนทางาน (Compounding of Staging) วหนง

คอ กงหนความเรวผสม (Velocity – Compouded - Turbine) อกวธหนงคอ กงหนแรงดลความดน

ผสม (The Pressure Compounded Impulse Turbine)

กงหนแรงดลความเรวผสม (Velocity – Compounded Turbine) ชวยแกปญหาของกงหน

แรงดลขนทางานเดยวทใชไอนาความดนและอณหภมสง กงหนแบบนอนแรกทประดษฐโดย C.G.

Curtis ประกอบดวยขนการทางานของหวฉด 1 ขนทางานเชนเดยวกบกงหนขนทางานเดยว แตตาม

ดวยใบกงหนเคลอนท 2 แถวแทนทจะเปนแถวเดยวและมใบกงหนอยกบท แถวระหวางกลางตดอย

กบสเตเตอร (Stator) ของกงหน ซงมหนาทเปนตวกลบทศทางของไอนาออกจากใบกงหนเคลอนทแถว

แรกสใบกงหนเคลอนทแถวทสอง แสดงแผนภาพการเปลยนแปลงความดนดนและความเรวไอนา

สมบรณผานขนทางานของกงหนแบบน โดยในขนทางานเอนทลปตกทงหมด (หรอความดนตก)

เกดขนเชงอดมคตเฉพาะในหวฉด ดงนนความดนจงคงทตลอดขนใบกงหนทงสามแถว อยางไรกตาม

พลงงานจลนของไอนาเกดจากหวฉดทVS1 สามารถใชประโยชนไดในทงสองแถวของใบกงหน

เคลอนทแทนทเปนแถวเดยวเหมอนกอนความเรวสมบรณของไอนาลดลงจาก VS1 เปน VS2 ในใบ

กงหนเคลอนทแถวแรก และยงคงคงทตลอดในใบกงหนอยกบท และเขาใบกงหนเคลอนทแถวทสองท

VS3 และออกท VS4 ซงในทางอดมคตจะให VS2 = VS3 และสมพนธกนดวยสมประสทธความเรว kV แผนภาพความเรวไมคดความเสยดทานในใบกงหนเคลอนทและอยกบทของใบกงหนแบบน

วธการสรางแผนภาพเชนเดยวกบกงหนแรงดลขนทางานเดยว ในแผนภาพถาคดผลของแรงเสยดทาง จะได

30

; r1r2 VV < v1

r1

r2 kVV

=

; r1r2 VV < v1r1

r2 kVV

=

; r1r2 VV < v1r1

r2 kVV

=

การวเคราะหใชทานองเดยวกบกงหนแรงดลขนทางานเดยว ซงสามารถหาโดยใชหลกการ

โมเมนตมแรงดล หรอกฎขอทหนง ไดผลดงน

[ ] [ ])V(V)V(V)V(V)V(V2mW r3

2r4

2s4

2s3

2r1

2r2

2s2

2s1

2 −+−+−+−=

เมอปรมาณของเซตของวงเลบทงสองคอ งานของใบกงหนเคลอนทแถวทหนงและแถวท

สองตามลาดบ สาหรบประสทธภาพของกงหนชนดนปกตหาไดจากการหาร W จากสมการดวย

MV2s1/2 และประสทธภาพของชนทางานหาไดจากการหาร W ดวยเอนทลปตกของขนทางาน

กระบวนการแอเดยแบทกยอนกลบได

ภาพประกอบ 14 ความดนและความเรวสมบรณของไอนาตลอดขนทางานในกงหนแรงดล

ความเรวผสมเชงอดมคต

31

ภาพประกอบ 15 แผนภาพความเรวของขนทางานกงหนแรงดลความเรวผสม เมอใบกงหนเคลอนท

ดวยความเรว Vs เทากนทงสองแถว และคดแรงเสยดทานสงเกตวาผลความเรวเปลยนบนมม

ใบกงหน

ถงแมกงหนของ Curtis ประกอบดวยใบกงหนเคลอนท 2 แถว แตกงหนความเรวผสมสามารถ

ประกอบดวยจานวนแถวใบกงหนทมากขน โดยกงหนทงหมดยงคงใชพลงงานจลนของความเรวไอนา

ทเขามาท VS1 ซงปกตชนทางานออกแบบใหมมใบกงหนเพมขนตามลาดบขนทางาน ดงนนทาใหใบ

กงหนโคงนอยลงและบางขนจนถงแถวสดทาย

สาหรบความเรวเหมาะสมทสดอาจหาจากกงหนเชงอดมคตไมคดแรงเสยดทาน ไดผลดงน

2ncosθV

V s1Bopt =

เมอ θ1 คอมมหวฉด n คาจานวนขนทางาน (แถวของใบกงหนเคลอนท) ความเรวออก

ของการหมน (V56) คอศนย จะเหนวาความเรวใบกงหนเหมาะสมทสดคอ 1/nth ของกงหนแรงดลขน

ทางานชนเดยว สาหรบในกงหนจรงทคดแรงเสยดทาน VBopt จะนอยลงกวาทหาไดจากสมการเลกนอย

32

ภาพประกอบ 16 แผนภาพความเรวและใบกงหนของกงหนแรงดลความเรวผสมทมใบกงหน

เคลอนท 3 แถว

ในกงหนเชงอดมคต อตราสวนการทางานของขนทางานความดนสงสดตอความดนตาสด

พบวาอยในอตราสวน 3 : 1 สาหรบกงหนขนทางาน 2 ชน (Curtis) 5 : 3 :1 สาหรบกงหนขน

ทางาน 3 ขน 7 : 5 : 3 :1 สาหรบกงหนขนทางาน 4 ชน ดงนตอไปเรอยๆ จดนนบวาเปนอปสรรค

หลกจดหนงของกงหนความเรวผสมซงชนทางานความดนตากวาใหทางานนอยเกนไป ดงนนสาหรบ

ขนทางานทเกนกวา 2 ขนทางานจงไมเปนการประหยด อปสรรคอกจดหนงคอความเรวไอนายงคง

สงอยซงเปนผลใหเกดความเสยดทานสง โดยเฉพาะอยายงในชนทางานความดนสง

ถาความเรวใบกงหนตองลดลงภายหลงใชมากกวา 2 ขนทางาน วธทสองของกงหนผสม

นบวาสามารถแกคนได

กงหนแรงดลความดนผสม (The Pressure – Compounded Impluse Turbine) เพอทจะ

ระงบหรอแบงเบาปญหาความเรวของใบกงหนทสงในกงหนแรงดลขนทางานเดยว เอนทลปตกรวม

ครอมหวฉดของกงหนนนถกแบงอยางงายใหเทาๆกนแบบอนกรมระหวางกงหนแรงดลขนทางานเดยว

หลายกงหน กงหนแบบนอาจเรยกวา กงหน Rateau ตามชอผประดษฐ ดงนนความเรวไอนาเขาส

ทกๆขนทางานจงจาเปนตองเทากนและชวยลด Δh ลงจากสมการหวฉด ฉะนนถาไมคดความเรวเขา

หวฉดจะได

N

2ΔΔ....VV tot

s2s1 ===

เมอ Δhtot คอเอนทลปจาเพาะรวมทตกของกงหน และ n คอจานวนขนทางาน

33

แสดงกงหนความดนผสม 2 ขนทางาน สงเกตวาถงแมวาเอนทลปตกตอขนทางานเทากน

แตความดนตกไมเทากน ซงสามารถตรวจสอบดวยแผนภาพมอลเลยร ดงตวอยางเชน ถามเอนทลป

ตกรวมจาก 6.9 MPa และ 540°C ส 6.9 kPa ในกระบวนการขยายตวแบบไอเซนทรอปก

ประมาณ 1350 kJ/kg แบงออกเปน 4 สวนเทาๆกนไดประมาณ 337.5 kJ/kg แตความดนตกใน

ชนทางานแรกถงขนทางานทสจะไดประมาณ 4485, 1794, 517.5 และ 103.5 kPa ตามลาดบ

เปนตน

ภาพประกอบ17 กงหนแรงดลความดนผสม 2 ขนทางาน

แสดงแผนภาพความเรวของกงหนแรงดลความดนผสม 3 ขนทางานทคดความเสยดทาน

ดงนน Vr2 < Vr1 ฯลฯ สามเหลยมแตละอนมโครงสรางในลกษณะเดยวกนกบแรงดลขนทางานเดยว

และสมการเหลานนสามารถนามาประยกตใชในทานองเดยวกนเพยงแตยกเวน Δh ตอขนทางานท

ลดลงมา ความเรวออกของการหมนสาหรบทกขนทางานเทากบศนยซงสมนยกบความเรวทเหมาะสม

ทสด สงเกตดวยวาในการคานวณหา VS3 พลงงานจลนใน VS2 อาจจะไมเกยวของดงเชนในสมการ

เพราะวาหวฉดของทกๆขนทางานตองรบไอนาทปลอยจากขนทางานอนกอนแลวขยายมนและกลบ

ทศทางเขาสใบกงหนเคลอนท กงหนแรงดลความดนผสมมขอไดเปรยบในการลดความเรวใบกงหน

ลดความเรวไอนา (นนคอลดความเสยดทาน) และใหงานทเทากนในทกขนการทางานหรอไดงาน

กระจายระหวางขนทางานซงเปนทตองการของผออกแบบ สวนขอเสยเปรยบคอ มความดนตกครอม

แถวหวฉดอยกบท ทงตองมแผนกนอดแนนชวยกนการรวของไอนา และตองใชขนทางานหลายขน

ทางานมาก ดงนนกงหนความดนผสมจงใชงานในกงหนขนาดใหญทประสทธภาพมความสาคญกวา

ราคาลงทน

34

ภาพประกอบ 18 แผนภาพความเรว หวฉดและใบกงหนของกงหนแรงดลความดนผสม

ชนด 2 ขนทางาน

7. หลกการแรงปฏกรยา (The Reaction Principle) หวฉดอยกบท จรวด ทรดนาสนามหญาแบบหมน เปนเครองมอซงของไหลพงออกจากหวฉด

ดวยความเรวทงนน โดยของจากของไหลเรมจากความเรวภายในทศนย และทาใหเกดแรงในทศ

ทางการเคลอนทของของไหล F เทากบ

F = m V

ขณะเดยวกนกทาใหเกดแงทสมนยและเทากบแรงดงกลาวพยายามทจะเคลอนทอปกรณไปในทศทาง

ตรงกนขาม แรงนเรยกวา แรงปฏกรยา ดงนนเครองมอดงกลาวขางตนคอ อปกรณแรงปฏกรยาท

อาจตองใชแรงยดตรงอยกบท (กรณหวฉด) เคลอนทเปนเสนตรง (กรณจรวด) หรอหมน (กรณทรด

นาสนามหญา) กรณทงหมดนความดนตก (สาเหตโดยเอนทลปตก) เปนเหตใหความเรวสงเกดขน

ภายในอปกรณ

ในกงหนแรงดนไมมความดนตก (ยกเวนเนองจากความเสยดทาน) เกดขนในใบกงหน

เคลอนทแตถาลองจนตนาการวาไอนาทผานใบกงหนเกดความดนตกขนมาแสดงวาใบกงหนจะมแรง

ปฏกรยาเคลอนใบกงหนในทศทางตรงกนขามกบทศทางไอนาออก อยางไรกตามเนองจากการไหล

ผานกงหนไมใชแหลงกาเนดของไอนา หรอททไอนามความเรวเปนศนย ฉะนนแรงปฏกรยาสทธของ

ใบกงหนจงไมมในความเปนจรง ใบกงหนทเรยกวากงหนแรงปฏกรยาจงเปนการรวมของแรงดลและ

แรงปฏกรยาเขาดวยกน

35

ดงนนกงหนแรงปฏกรยาจงมโครงสรางของแถวใบกงหนอยกบทและแถวใบกงหนเคลอนท

โดยใบกงหนอยกบททาหนาทเชนเดยวกบหวฉด สวนใบกงหนเคลอนทเคลอนทเนองจากผลของแรง

ดลของไอนาทไดรบ (จากการเปลยนแปลงโมเมนตม) และจากผลของการขยายตวและความเรงของ

ไอนาทสมพทธกบใบกงหน อาจกลาวไดวาใบกงหนทางานเชนเดยวกบหวฉดดวย และหากพจารณา

เอนทลปตกตอขนทางานของแถวของใบกงหนอยกบท 1 แถวทถกแบงใหเทาๆกน ฉะนนใบกงหนจะ

มองศาแรงปฏกรยา 50 เปอรเซนต หรอขนทางานแรงปฏกรยา 50 เปอรเซนตเปนขนทางานหนงซง

เอนทลปตกของชนทางานเกดขนในใบกงหนอยกบทครงหนงและในกงหนเคลอนทครงหนง อยางไรก

ตามความดนตกจะไมเทากน จะตกมากกวาในใบกงหนอยกบทและจะตกมากในขนทางานความดน

สงกวาขนทางานความดนตา ดงทเคยอธบายในกงหนแรงดลความดนผสม และถงแมวาจรงๆแลว

กงหนแรงปฏกรยาสทธไมมการสรางขนมา แตคาวากงหนแรงปฏกรยากยงเปนคาทเรยกกงหนชนดน

เพอแยกจากกงหนแรงดล

8. กงหนแรงปฏกรยา (Reaction Turbines) กงหนแรงปฏกรยาประดษฐขนครงแรกโดย C.A Parsons มลกษณะการทางานเปน 3 ขน

โดยแตละขนทางานประกอบดวยใบกงหนอยกบท 1 แถวและใบกงหนเคลอนท 1 แถว ใบกงหนอย

กบทนยมออกแบบใหมการไหลผานระหวางใบกงหนเสมอนไหลผานพนทของหวฉด ดงนนจงถอวาใบ

กงหนอยกบทเปนหวฉด ดงนนจงถอวาใบกงหนอยกบทเปนหวฉดทใหไอนาไหลเตมพกดรอบเสนรอบ

นอกของโรเตอร

ใบกงหนเคลอนทของกงหนแรงปฏกรยาแตกตางจากใบของกงหนแรงดลคอ ไมสมมาตร

และเนองจากมการทางานบางสวนเปนเชนหวฉดจงมลกษณะรปรางคลายคลงกบใบกงหนอยกบท

เพยงแตสวนโคงจะอยในทศทางตรงกนขาม

แผนภาพเสนความดน แสดงวามความดนตกอยางตอเนองตลอดแนวทงหมดของใบกงหน

ทงแบบอยกบทและเคลอนท แตถงไมวาความดนเปลยนแปลงมากการเปลยนแปลงของความเรว

สมบรณของไอนาแตละขนทางานกยงซาแบบเดม

36

ภาพประกอบ 19 กงหนแรงปฏกรยา 3 ขนทางาน แสดงความดนและความเรวสมบรณของไอนา

ตลอดชวงการทางาน เปนแผนแสดงภาพแสดงความเรวของกงหนปฏกรยา 2 ขนทางาน การสรางแผนภาพเรม

จากการหา Δh ตอขนทางานดวยการหารเอนทลปตกรวมของกงหนดวยจานวนขนทางาน ซงคา

Δh นยงตองแบงออกระหวางขนทางานแตละขนของใบกงหนอยกบทเปน Δhf และกงหนเคลอนท

เปน Δhm ดวยการแบง Δh ออกเปนสองสวนเทาๆกน จากนนหา VS1 จาก Δhf สวนความเรวใบ

กงหน VB เลอกใหสมนยกบสภาวะเหมาะสมทสดซงเทากบ VB S1cos θ (เปรยบเทยบกบ (VS1cos

θ)/2 สาหรบกงหนแรงดล) และนามาหา Vr1 ได โประสงเกตวา γ มคาใกลเคยงกบ θ แตในทนม

คานอยกวา φ มาก ครงท 2 ของเอนทลปตก Δhm เกดขนในใบกงหนเคลอนท เนองจาก Δhm ในใบกงหน

เคลอนทเพมความเรวสมพทธของใบกงหนใหมากขน ดงนน Vr1 เพมขนเปน Vr2 (ในกงหนแรงดล

Vr2 เทากบหรอนอยกวา Vr1 เนองจากความเสยดทาน) สาหรบ VB ทเทากนจะได VB S2 คาใหมซง

เขากงหนแถวตอไปของใบกงหนอยกบทเพมความเรวเปน VS3 ดงนเรอยๆ ดงนน

fs2

2s3

2

Δh2

VV=

−

และ

mr2

2r3

2

Δh2

VV=

−

37

สวนงานของขนทางานแรงปฏกรยาสามารถหาไดจากโมเมนตมแรงดลหรอกฎขอทหนง การ

เปลยนโมเมนตมบนใบกงหนในทศทางการเคลอนท x มาจากการเปลยนองคประกอบของความเรว

สมพทธ Vr1 และ Vr2 ในทศทางนน โดยทวไปสาหรบขนทางานแรงปฏกรยาขนหนงได

( )cosγVcosφVmF r2r1 += แต ss1r1 VcosθVcosφV −=

( )cos γVV-cosVmF r2Bs1 += θ อตราของงาน หรอกาลง W = FVBB

( )cosγVV-cosφVmVW r2Bs1B += สาหรบกฎขอท 1 สามารถใชสมการ

( ))V-(V-)V-(VmW r22

r12

s22

s12=

ความเรวใบกงหนทเหมาะทสด (Optimum Blade Speed) สามารถหาไดงายๆจากกรณทวา

ใบกงหนทงอยกบทและเคลอนทคลายคลงกน ดงนน θ = γ และสมการเขยนใหมไดเปน

( )Bs1s V-cos2VmVW θ= จากนนดฟเฟอรเรนทเอท W ดวย VB และใหเทากบศนย B

0)Vcosθ2m(VdVdW

ss1s

=−=

หรอ cosθVV s1Bopt =

และ 2Bopt

2s1max )m(Vcosθom(VW ==

สาหรบประสทธภาพของขนทางานแรงปฏกรยาขนอยกบประสทธภาพของใบกงหน

อยกบท (หวฉด) และประสทธภาพของใบกงหนเคลอนทสามารถอธบายโดยอาศยรป

ภาพประกอบ 20 แผนภาพความเรวของกงหนแรงปฏกรยา 2 ขนทางาน

38

ภาพประกอบ 21 เสนโคงแสดงสภาวะของกงหนแรงปฏกรยา 2 ขนทางานบน

แผนภาพมอรเลยร

เสน P0, P1 ฯลฯ แทนเสนความดนคงทซงผายออกไปทางขวาบนแผนภาพมอลเลยร เสน

ขยายตวจรง 0 – 1 – 2 – 3 – 4 แทนสภาวะจรงของไอนาใน 2 ชนทางานเรยกวา เสนโคงสภาวะ

(Condition Curve) ประสทธภาพของใบกงหนอยกบทหรอหวฉด ηN คออตราสวนของการเปลยนแปลง

พลงงานจลนกบการเปลยนแปลงพลงงานในการบวนการแอดตยแบทกยอนกลบได (ไอเซนทรอปก)

ครอมใบกงหนอยกบท ฉะนนสาหรบใบกงหนอยกบทอนแรกได

ssf

ss

N hhhh

h

VV

10

10

,

02

12 )(2

1

−−

=Δ

−=η

ประสทธภาพของใบกงหนเคลอนท ηB คออตราสวนของงานของใบกงหน สมการ (5.22)

หรอ (5.34) กบพลงงานใชประโยชนไดรวมสใบกงหนนน ซงประกอบดวยพลงงานจลนของไอนาเขา

ท V

B

s1 บวกเอนทลปตกแบบแอเดยแบทกยอนกลบได (ไอเซนทรอปก) ครอมใบกงหน จะเหนวา

เทอมหลงมากกวา Δhm เนองจากความเสยดทาน (ภาวะยอนกลบไมได) ในใบกงหนซงเปนเหตให

เอนโทรปเพมขน ดงนน

39

)]h(h)m[(V

W]Δh)m[(V

Wηs2s1s1/2

2mss1/2

2 −+=

+=

ประสทธภาพขนทางาน ηstage ของขนทางานแรงปฏกรยาหนงขน คอ งานของใบกงหน

เคลอนทใยชนทางานหารดวยเอนทลปตกแบบแอเดยแบบทกยอนกลบได (ไอเซนทรอปก) สาหรบขน

ทางานทงหมดซงรวมใบกงหนอยกบทและเคลอนทได

)hm(h

WmΔΔ

Wη2ss0s

stage −==

เมอ Δhfs = เอนทลปตกแบบไอเซนทรอปกครอมใบกงหนอยกบท = ho - h1s (ขนทางานแรก) = h2 - h3s (ขนทางานทสอง) ฯลฯ

Δhms = เอนทลปตกแบบไอเซนทรอปกครอมใบกงหนเคลอนท

= h1 - h2s (ขนทางานแรก) = h3 - h4s (ขนทางานทสอง) ฯลฯ

Δhs = เอนทลปตกแบบไอเซนทรอปกครอมขนทางานทงหมด

= h0 - h2s (ขนทางานแรก) = h2 - h4ss (ขนทางานทสอง) ฯล

สงเกตวาจากผลของการผายออกของเสนความดนคงท เอนทลปตกแบบไอเซนทรอปกทเกดใน

แถวหรอขนทางานสาหรบแถวตอๆมาหรอสาหรบกงหนทงหมดมคามากกวาแถวหรอขนทางานตนๆ

หรอ 2ss1s2s1 hhhh −>− 4ts04ss22ss0 hh)h(h)h(h −>−+− กงหนแรงปฏกรยานบวาเปนเครองจกรกลประสทธภาพดสาหรบเครองทมพกดมาก จาก

เหตผลทวาถากาหนดความเรวใบกงหนทตองการจะมขอจากดเนองจากความเคนหนศนยกลางของ

วสด และการมความเรวไอนาในกงหนแรงปฏกรยาประมาณครงหนงของกงหนแรงดลความดนผสม

เปนผลใหการสญเสยในความเสยดทานตา หรอกลาวไดวางานของกงหนแรงปฏกรยา ณ ความเรว

VB ทเทากนมคาประมาณครงหนงของขนทางานแรงดล B

และตรงขามกบขนทางานแรงดล ขนทางานแรงปฏกรยามความดนตกครอมใบกงหน

เคลอนททาใหมความเหมาะสมสาหรบงานในขนทางานความดนสงเนองจาก ΔP ตอหนวย

เอนทลปตกทความดนสงนอยกวาซงเปนผลใหมการรวไหลของไอนารอบปลายใบกงหน อนกอใหเกด

ทรอตทลงและสญเสยภาวะใชประโยชนไดผลดงกลาวทาใหภาวะขนทางานแรงดลเหมาะสมกวาในขน

ทางานเขากงหน เมอความดนสงปรมาตรจาเพาะของไอนาตา ขนทางานแรงปฏกรยาเหมาะสมกวา

เพราะวา ΔP ครอมใบกงหนเคลอนทนอย ใบกงหนเรมยาวขนเรอยๆเพอวาระยะปลายใบเลกลงเมอ

40

เทยบกบความสง นนคอสมพนธกบปรมาตรไอนาดวยความเรวใบกงหน VB ทเรวขน กงหนแรง

ปฏกรยาไมเปนผลในการลดลงของกาลงตอขนทางานทตาลงกวาขนทางานแรงดล ณ ความเรว V

B

BB

ทเทากน

แรงผลกดนตามแกน (Axial Thrust) โรเตอรของกงหนจะมแรงผลกดนตามแกนมากระทา อนเนองมาจากผลของความดนครอม

ใบกงหนเคลอนท และมการเปลยนแปลงโมเมนตมตามแกนของไอนาระหวางทางเขาและออก ฉะนน

เพอใหโรเตอรอยกบทตองมแรงในลกษณะตรงขามกบแรงผลกดนตามแกนมากระทาตอโรเตอร

ในกงหนแรงดล ถาใหกงหนเปนแบบเชงอดมคตจะไมมความดนตกครอมใบกงหนเคลอนท

และมความดนตกเพยงเลกนอยเนองจากความเสยดทานในกงหนจรง รวมทงมแรงตามแกนตอแถวใบ

กงหนเนองจากการเปลยนแปลงในสวนประกอบของโมเมนตมตามแกนของไอนาจากทางเขาส

ทางออก ซงมความสมพนธดงน ( )sinγVsinφVmF r2r1axial −= แรงผลกดนตามแกนนเปนผลในขณะทมมงาน ในกรณของใบกงหนแรงดลทสมมาตรอยางแทจรง

Vr1 = Vr2 φ = γ ทาใหแรงผลกดนเทากบศนย ในบางกรณแรงผลกดนตามแกนรวมตอโรเตอร

กงหนแรงดลถอวามคานอยและไมนบเปนปญหาทรนแรง กรณของกงหนแรงปฎกรยามขอแตกตางออกไป สวนประกอบของไอนาทเขาและออกตาม

แกนของกงหนแรงปฏกรยาเกอบเทากน ดงนนแรงผลกดนตามแกนเนองมาจากการเปลยนแปลง

โมเมนตมตามแกนของไอนาจาเปนตองเทากบศนย เชนเดยวกบกงหนแรงดล อยางไรกตามมคา

ความดนตกครอมใบกงหนเคลอนทตอเนองกนไปและมคามาก ถงแมวาความดนตกลดลงในขน

ทางานความดนตาแตผลกระทบถกดานสมดลดวยการเพมความสงของใบกงหนและนนคอเพมพนท

ผลทตามมาของแรงผลกดนตามแกนคอนขางสงและตองไดรบการแกไข ในกงหนขนาดเลกจะทาได

โดยการใชแบรงแรงผลกดนกบเพลาของโรเตอร หรอโดยการใชกระบอกสบ (แผนจาน) นาจานวน 1

อนหรอมากกวาใสขางในปลอกทมพนทเพยงพอดวยไอนาความดนสงทผวดานหนงเทานน อกดาน

หนงผนกดวยปะเกนวงแหวน

41

ประสทธภาพของกงหน

จาแผนภาพมอลเลยรจะเหนวาเสนความดนตงทบนแผนภาพผายออกไปทางดานขวา

(เชนเดยวกบกาซ) จงทาใหเอนทลปตกแบบไอเซนทรอปกในกงหนขนทางานเดยวมคามากกวาใน

หลายขนทางานของกงหนโดยสวนรวม ซงมผลทาใหประสทธภาพของกงหนขนางานเดยวนอยกวา

ดวย ดงน

ประสทธภาพของ 2 ขนทางาน 4ts0

40

hhhh

−−

> ประสทธภาพของ 1 ขนทางาน 4ss2

42

hhhh

−−

ทงนอตราสวนของผลรวมเอนทลปตกแบบไอเซนทรอปกแตละอนกบเอนทลปตกของสวน

ของกงหนหรอของกงหนของระบบเรยกวา ตวประกอบใหความรอนชา (Reheat Factor) Rh โดยคา

Rh จะมากกวา 1 เสมอโดยมคาระหวา 1 กบ 1.065 ขนอยกบชวงของความดน สาหรบกงหน 2

ขนทางาน

4ts0

4ss22ss0h hh

)h(h)h(hR

−−+−

=

ผออกแบบตองการใหไดงานเทากนในแตละขนทางานจะไมสามารถหาจากการแบง

เอนทลปตกแบบไอเซนทรอปกของกงหนทงระบบใหเทาๆกนได ตองนาผลของการผายออกของเสน

ความดนคงทบนแผนภาพมอลเลยรมาคด เนองจาก ho - h2ss = h2ss - h4ts แต h0 - h2 ≠ hs - h4

พบดวยวาขนทางานของกงหนททางานในยานไอดงมประสทธภาพมากกวาทางานในยาน

ของผสม 2 สถานะ จงเหนวาสมรรถนะและประสทธภาพของขนทางานหรอของกงหนทงระบบเปน

ฟงกชนทคอนขางซบซอนของตวแปรหลายๆตว ฉะนนจาเปนตองศกษาเสนโคงสภาวะของกงหนอยาง

ถกตองเนองจากมผลกระทบจากประสทธภาพขนทางานแตละขนทางานแตละขนมากกวาจาก

ประสทธภาพของทงระบบ เชน วเคราะหวฏจกรในการใหความรอนซาและกงหนตดทอนความชน

สวนวธทจะทานายสมรรถนะและประสทธภาพของกงหนไอนาแบบตางๆ ปกตจะทราบจากขอมล

ผผลตกงหนนนๆ

42

9. ระบบคอมเพรสเซอร คอมเพรสเซอรเปนอปกรณเพมอตราสวนความดนใหอากาศทผานเขาหองเผาไหม อากาศจะถกอดใหมปรมาตรเลกลงประมาณ 3 – 12 เทา จากปรมาตรเดมโดยปกตอากาศทสงไปยงหองเผาไหมหากมปรมาณมากขนจะทาใหไดปรมาณแกสรอนเพมขน ปรมาณอากาศขนอยกบองคประกอบ 3 ประการ คอความเรวในการหมนของคอมเพรสเซอร ความเรวของตวเครอง และความหนาแนนของอากาศ สตรทใชในการออกแบบและคานวณ

= hΔ ( )1cT 286.0p −× π

คอ เอนทาลปทเพมขน (J/kg) hΔ

T คอ อณหภมเขา (K) Cp คอ ความรอนจาเพาะของอากาศทความดนคงท 1,000 J/(kg.K)

π คอ อตราสวนความดน ( ความดนททางออก / ความดนททางเขา ) ( 0.286 ) เปนคาทไดมาจากสตร Coefficient polytropic ( n ) ซง n = 1.4

อธบายไดจากสตร ( n-1 ) / n = 0.28571 ≈ 0.286 กาลงงานทคอมเพรสเซอรคานวณไดจากสตร

p = וm η

hΔ

P คอ กาลงงานทคอมเพรสเซอร (W , J/s)

คอ อตราการไหลเชงมวลของอากาศ (kg/s) •m

η คอ ประสทธภาพของคอมเพรสเซอร

43

ภาพประกอบ 22 แสดงถงผลการเปลยนแปลงของอณหภมกบความดนทสภาวะตางๆ ในเครองยนตแกสเทอรไบนขนาดเลกประสทธภาพของคอมเพรสเซอรจะไมคงทแตอยในชวง

ขอบเขต 65 % -75 % พลงงานทใชขบคอมเพรสเซอรมมากและทาใหอณหภมทคอมเพรสเซอรเพมขน

หาไดจากสตร

= TΔη×

Δ

pC

h = ( )1T 286.0

−πη

สมการนมความสาคญมากใชในการคานวณคอมเพรสเซอรและทงหมดของเครองยนตและสามารถหาอตราการไหลเชงมวลของแกสไดจากสมการตอเนอง

•m = ρ×× AC

คอ อตราการไหลเชงมวล ( kg/s ) •m

C คอ ความเรว ( m/s )

A คอ พนทหนาตดการไหล ( ) 2m

ρ คอ ความหนาแนนของแกส ( kg/ ) 3m ในตอนนสามารถคานวณหาความเรวในการไหลและพนทหนาตดจงทาใหทราบวาคาอตราการไหลเชงมวลกบสภาวะของแกส การคานวณหาคาความหนาแนนของแกสจาเปนตองรคาความดนและอณหภมของแกสเสยกอน

44

ρ = )TR(

P

×

P คอ ความดนสมบรณของแกสในหนวย Pascal (N/ ) 2mT คอ อณหภมสมบรณของแกส (K) R คอ คาคงทของแกสสาหรบอากาศ (0.287) J/(kg.K )

ρ คอ ความหนาแนนของแกส ( kg/ ) 3m คอมเพรสเซอรแบบไหลตามแนวรศม (radial compressor) สาหรบแบบจาลองของ เครองยนตกงหนแกสจะใชเครองอดอากาศแบบไหลตามแนวรศม เพราะเปนแบบทมความทนทานทสดและลกษณะโครงสรางทออกแบบงาย จงเปนลกษณะเดนทปจจบนนยมใชเครองอดแบบไหลตามแนวรศม เครองอดแบบไหลตามแนวรศมสามารถสรางไดหลายรปแบบ แตละแบบจะแสดงคณลกษณะทหลากหลายแตทนยมหลกๆ ม 2 แบบ คอ แบบม Cover plate และแบบไมมลกษณะเดนของเครองอดแบบนคอมแผนเพลทคลมใบพดซงออกแบบมาเพอหลกเลยงการสญเสยตามชอง เปนผลใหเครองอดเปนแบบ enclosed wheel ลกษณะเดนอกขอ คอ สวนโคงของใบพด จากการทดลองในทางปฏบตไดแสดงใหเหนวารปแบบของใบพด ทกแบบเหมาะสมกบแบบจาลองถาไมคานงถงแบบทถกตองของจานใบพด อากาศจะถกทาใหไหลในทศทางของแกนการหมนแมวาภายในจานใบพด แกสจะไหลตามทางเดนของใบพดและไหลไปทางดานนอกในทศทางตามแนวรศมภายใตอทธพลแรงเหวยงหนศนยกลาง ทายสดอากาศจะออกจากจานใบพด และไหลทความเรวสงๆ ตวอดอากาศตวถดไปในระบบบงคบทศทางลม จะทาไหพลงงานศกยตกคางเปลยนเปนความดน ความดนทงหมดทเพมขนจะกระจายอยระหวางใบพดคอมเพรสเซอร และระบบบงคบทศทางลม สดสวนของความดนทเพมขนในจานใบพดคอมเพรสเซอร ความดนทเพมขนในคอมเพรสเซอรแบบไหลตามแนวรศม จะเปลยนตามการหกเหของแกสในทศทางของการเคลอนทรอบนอกคอมเพรสเซอรแบบไหลตามแนวรศม ความเรวรอบนอกจะไมคงทและนเปนขอไดเปรยบของคอมเพรสเซอรแบบน เมออากาศไหลเขาเสนผานศนยกลางของจานใบพดจะเลก และความเรวรอบนอกจะตาดวย เมอเปรยบเทยบใหเหนขอแตกตางทชดเจน ความเรวรอบนอกจะเขาใกลความเรวสงสดททางออกของจานใบพด ดงนนจงตองพฒนาในเรองการหกเหทงหมดงานทเกดขนสามารถคานวณไดดงน

45

u

Yth = u11u22 CUCU ×−×

คอ ความเรวใบพดททางเขา m/s 1U คอ ความเรวใบพดททางออก m/s 2U

คอ ความเรวในการไหลของแกสผานจานใบพดเขา และ ออก m/s u1u2 C,C

ภาพประกอบ 23 แสดงองคประกอบความเรวในรปเวคเตอร ถาเครองอดอากาศเปนลกษณะสเตจเดยว เมอแกสไหลเขาสคอมเพรสเซอรในลกษณะทไมหมนหมายความวาอากาศจะไหลตงฉากกบดานนอกโดยตรงททางเขาจานใบพด ผลลพทคอความเรวไหลเขาไมมองคประกอบของทศทางการหมนแสดงวา (U 11 C× ) จะเปนศนยและจะไดสตรใหม คอ

Yth = U : [ m/s u22 C× × m/s = m 22 s/ = J/kg ] ; [ 1 ] 22 s/m.kgJ = ผลลพทรวมคอตองการพฒนาสมการใหมทมเงอนไขเฉพาะทไมมการหมนวนของของไหลทออกจากใบคอมเพรสเซอร ทจดนเราจะใชไดอะแกรมความเรวจะเขาใจไดงายขน ไดอะแกรมความเรวจะเขยนในรปของเวคเตอรหวลกศรจะแสดงทศทางการไหล ในขณะทความยาวของลกศรแสดงขนาดความเรว ผลลพธของไดอะแกรมความเรวเราสามารถใชตรโกณมตมาหาคาทตองการ ความเรวทงหมดททางเขาและออกของจานใบคอมเพรสเซอร จะกาหนดเปนตวเลข 1 และ 2 เปนตวหอยตามลาดบ เราจะพจารณาทความเรวสมบรณของแกสในเทอมของความเรวสมพทธจะใชกบองคประกอบซงสมพนธกบใบพดทเคลอนท ถาเราสามารถควบคมจานใบคอมเพรสเซอรและวดการไหลองคประกอบสมพทธในจานใบพด เราจะไดความเรวสมบรณโดยการรวมเวคเตอร

46

ความเรวสมพทธและความเรวใบพด สงสาคญขององคประกอบความเรวคอตองรคาองคประกอบแนวรศม (Cm) ความเรวตามแนวรศมเปนองคประกอความเรวสมบรณมทศทางตงฉากกบความเรวใบพดขนาดของ (Cm) จะคานวณไดจากอตราการไหลเชงมวลของคอมเพรสเซอร งานทเกดขนจะคานวณโดยใชองคประกอบความเรวใบพดททางออก และความเรวในการไหลของแกสผานจานใบพดออก ถาสมมตใหความเรวรอบคงทและใหความเรวใบพดเพมขนตามความดนทเปลยนแปลงเพยงอยางเดยวตาม มมทางเขาของอากาศผานใบพด

)U( 2

)C( u2

)C( u2

)2(β ทชนกวา จะทาใหองคประกอบนมคามากกวาจานใบพดถกทาปลายครบใบพดเอยง =

จะใหความดนทสงทสด ในกรณเชนน จะมคาเหมอนกบ ซงจะมคาดงน

)2(βo90 )u2C( ( )U2

ในกรณไหลเขาตามแนวแกน = 0 )C( u1

Yth = 22 )(U

ในการใชงานในเครองยนตกงหนแกส ใบพดคอมเพรสเซอรทมแบบใบพดโคงมาขางหนาเปนแบบพเศษแตจะถกนามาใช เพราะไมเหมาะกบเครองยนตเจทขนาดเลก สวนจานใบคอมเพรสเซอรแบบทมใบพดเอยงจะใหประสทธภาพดทสด สาหรบแบบเครองเครองยนตเจทขนาดเลกเพราะวามนใหความดนสงซงจากไดอะแกรมความเรวแสดงใหเหนวาความเรวสมบรณ ( )ความเรวทอากาศไหลออกจากใบพดคอมเพรสเซอรจะยงคงมคาสงอยมากอากาศจะถกอดใหมความดนเพมขนในระบบบงคบทศทางการไหลของอากาศ (diffuser) ทคอมเพรสเซอรเมอพลงงานศกยถกปลอยออกมา ใบคอมเพรสเซอรชนดอตราสวนความโคงใบพด (retro curved) จะใหสดสวนพลงงานปลอยออกมากกวา ตวอยางเชนสดสวนของความดนทเพมจะมากกวา 0.5 ความเรวทแกสไหลเขาสระบบบงคบทศทางการไหลของอากาศเนองจากสวนโคงของใบพดตามแนวเสนรอบวงคอมเพรสเซอรจะมประสทธภาพโดยรวมมากขนถาจานใบพดเปนแบบ (retro curved)

2C

ในทางปฏบตอตราสวนความดนทคอมเพรสเซอรไดรบจะตาไปกวาทางทฤษฎ มเหตผล 2

ประการ

1. เมออากาศไหลผานคอมเพรสเซอรความสญเสยจะเกดขนซงไปลดงานทไดเนองจากการ

เพมปรมาณของแกสไมทาใหเกดการไหลทแนนอน ซงเปนผลมาจากการบงคบวถทางโดยตรงของ

ใบพด

2. การหกเหของอากาศตามแนวเสนรอบวง จะตากวาทคดไวตามทไดคานวณไวทางทฤษฎ

47

ผลกระทบนจะเรยกวา blade slip ถาไมคานงถงทฤษฎและหาคาทแทจรงวาอากาศเคลอนทเทาไรและมประสทธภาพเทาใด จะตองคานงถง blade slip factor (μ ) และประสทธภาพภายใน (η ) ซงจากรป (3.2) ในกรณม slip ความเรวสมพทธ ( ) ไมอยในแนวทศของครบและจะมขนาดเทากบ( ) และในกรณไมม slip ( ) จะไหลออกตามแนวของครบ และจะมขนาดเทากบ

2WW 2W

)C( m2

ในการคานวณหาคา (μ ) และ (η ) ทาไดยากมากซงปกตจะไดจากการทดลอง ดวยเหตนจงมวธทตางออกไปคอ ใชการคานวณขอมลเบองตนจากการเลอกคอมเพรสเซอรของเครองยนตเจทขนาดเลก การคานวณคอมเพรสเซอรแบบไหลตามแนวรศมจะใชตวแปรทไมมรปหนวย ตวแปรทกาหนดคณลกษณะของคอมเพรสเซอรจะบอกใหรถงความดนทไดรบ สาหรบความดนทคอมเพรสเซอรเรากาหนดคาความดน ( ψ ) ดงน

ψ = ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡22

22

22 s/m

s/m

U

2Y

องคประกอบของความเรวสมบรณไมตองนามาคดคาความดนคอมเพรสเซอรนนมมากจนเกนขอบเขตของความเรวรอบ เมอเรารคาความดนในหองเผาไหมแลวจะสามารถหางานทเกดขนและจากอตราสวนความดนทสมพนธกบความเรว ( ) ความเรว สามารถคานวณไดจากความเรวรอบในการหมน

2U

สาหรบการหาคา supply value ทไมมหนวยหาไดจากความสมพนธอตราการไหลเชงมวลของคอมเพรสเซอร คอคาปรมาณการไหลเชงปรมาตร เราจะสามารถหาคา supply value โดยทอางองกบ ( ) เราสามารถกาหนดคา (

)C( m

2U ϕ ) ดงน

ϕ = ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

s/m

s/m

U

C

2

2m ; ϕ = supply value

เราจะกาหนดคา )(ϕ เปนคาการไหลของแกส ทดานขาเขาและขาออกของใบคอมเพรสเซอร สงเกตพบวาความเรวตามแนวรศมททางออกใบคอมเพรสเซอรจะไมมการกระจายสมาเสมอดงนนจะพจารณาคา เปนปรมาณความเรวเฉลยทไดรบโดยสามารถหาไดจากสมการตอเนอง )C( m

•m = ACm × ρ× = A ρϕ ××× U

A คอ พนทหนาตดททางออกของคอมเพรสเซอรไดจาก ( ) 22 bd ××π

2d คอ เสนผาศนยกลางของใบพดและ

2b คอ เปนความสงของใบพดททางออก

48

จากทฤษฎทงหมดนจะชวยในการออกแบบได ซงงานจรงทเกดขนจะสมมตใหเทากบ เอนทลปทไดรบ และจะหาคาความดนทจานใบพด ไดจากสตรดงน

ψ = ( )2

2

286.0p

U

1TC2 −××× π

คอมเพรสเซอรเทอรโบชารท ในเครองยนตกงหนแกสขนาดเลก ไดมการนาชนสวนของเทอรโบชารทในรถยนตเขามาใช

ซงเปนจดเรมตนในการสรางเครองยนตกงหนแกสขนาดเลก ซงใชแบบไหลตามแนวรศมซงมขอดคอม

โครงสรางทแขงแรงทความเรวรอบสงๆ เทอรโบชารจจะใหการอดอากาศทแนนอนโดยหลกการ

ไดนามคสสมดล โดยเมอนามาตดตงในเครองยนต ขนาดใบพดทเหมาะสมจะประมาณ 60 มลลเมตร

ซงกจะไดประสทธภาพประมาณ 70 – 75 % ขณะทตวใบพดทมขนาดใหญจะใหประสทธภาพ

ประมาณ 80% ในปจจบนตวใบพดของคอมเพรสเซอรจะเปนแบบโคงถอยหลง โดยปกตมมทางออก

ของครบจะอยระหวาง 60°- 75° ซงคอมเพรสเซอรแบบนจะมขอดในดานการไหลผานชองใบพด

ดงนนงานจาเพาะของคอมเพรสเซอรจะแปรผนตามตามความเรวรอบของใบพด

ภาพประกอบ 24 แสดงองคประกอบความเรวในรปของเวคเตอร (a) แสดงถงอตราการไหลเชงมวลผานใบพดตา (b) แสดงถงอตราการไหลเชงมวลผานใบพดสง

49

เมออากาศถกอดใหมปรมาตรเลกลงความเรวสมพทธทผานชองใบพดจะตาลงจากองคประกอบความเรวจะเหนไดวาความเรวสมบรณจะมทศทางเดยวกบความเรวในการทางานของใบพดททางออกดงนนงานจาเพาะจะหาไดจากสตร u2th CUY ×= Choking เปนลกษณะการทางานของคอมเพรสเซอรทความเรวรอบคาหนง ถงแมจะอดอากาศเตมทแลวกไมสามารถเพมอตราการไหลไดมากกวาน ซงจดนจะเปนจดทมอปกรณในคอมเพรสเซอรบางตวทางานดวยสภาวะความเรวเสยง (Sonic Condition) ซงจะไมสามารถใหอตราการไหลเชงมวลไดมากกวาจดนไดอกแลว

สาหรบคอมเพรสเซอรจดทนาจะเปนสาเหตกจะมอยดวยกน 3 จดคอ 1. บรเวณทางเขาของใบพด 2. บรเวณทางเขาของดฟฟวเซอร 3. บรเวณทางเขา Guide Vane

10. กราฟแสดงคณลกษณะคอมเพลสเซอร (Compressor characterristic graph)

ภาพประกอบ 25 กราฟแสดง

50

กราฟแสดงคณลกษณะคอมเพรสเซอรจะเปนขอมลทดสาหรบคอมเพรสเซอร ปกตจะแสดงในรปของกราฟไดอะแกรมจะบงบอกถงขอมลในการออกแบบทจาเปนตางๆ ในตวใบพดคอมเพรสเซอร ถงแมวากราฟแสดงคณลกษณะคอมเพรสเซอรจะหาคาทตองการทราบไดในทนทแตวาในทางปฏบตนนคาทไดออกมาถอวายงไมสมบรณเพยงพอในการออกแบบจากกราฟในแนวแกน x จะแสดงถงการไหลของมวลอากาศทออกจากคอมเพรสเซอร และในแนวแกน y แสดงถงอตราสวนความดน จากไดอะแกรมจะมเสนแสดงคณลกษณะประสทธภาพความดนและ ไดอะแกรมความเรวรอบในการหมน Surging ลกษณะการทางานของคอมเพรสเซอรท มการเปลยนอตราการไหลจะมผลตอ คอมเพรสเซอรอยางไรจะดไดจากเสนโคงแสดงคณลกษณะแบงเปน 2 ขาง 1. ความชนดานลบ (Negative Slope) ถาลดอตราการไหลอตราสวนความดนจะเพม แตถาอตราการไหล เพมความดนจะลดลง 2. ความชนดานบวก (Positive Slope) ถาลดอตราการไหลอตราสวนความดนจะลดลงดวยแตถาอตราการไหลเพมความดนจะเพมตามลกษณะดงกลาวจะทาใหเกดความเปลยนแปลงของความดนเนองจากการเปลยนอตราการไหลซงจะหลกเลยงชวงทเปนความชนดานบวก

บทท 3 การออกแบบและการคานวณ

ในการออกแบบเครองยนตเจทขนาดเลกนน มองคประกอบหลายดานดวยกนหลายอยาง

แตเนองจากทางผจกทา ไดใชชนสวนบางสวนมาเปนสวนประกอบในการสรางเครองยนตเจทขนาด

เลกในครงน โดยชนสวนททางผจกทานามาใชเปนสวนประกอบหลกในการสรางครงนไดแก อปกรณ

คอมเพลสเซอรและเทอรไบน ทไดมาจาก ระบบเทอรโบชารจของรถยนตนสสน ซงเปนรน RB-20 ดงนนในการออกแบบจะมขนตอนการออกแบบโดยใชคาตางๆทเราไดมาจากชนสวนของ

ระบบเทอรโบชารจเจอรมาใชเปนองคประกอบหลกในการคานวณ

1. การออกแบบอปกรณบงคบการเคลอนทของอากาศ (Diffuser system) ดฟฟวเซอร หรออปกรณบงคบการเคลอนทของอากาศจะทางานรวมกบตวใบพดคอมเพรสเซอร เมออากาศผานเขาคอมเพรสเซอรจะถกใบพดเหวยงอากาศใหเคลอนทไปยงสวนปลายใบพดเกดแรงหนศนยกลางขน ตวใบพดออกแบบใหอากาศเกดการเคลอนทดวยความเรวสงและเกดการอดขน เมอแกสไหลออกจากปลายใบพดจะไหลเขาสสวนดฟฟวเซอร ซงจะทาหนาทเปลยนพลงงานจลนจากความเรวปลายใบพดเปนความดนสแตตก (Static Pressure) ทสงขนและกระบวนการไหลเปนแบบอเดยแบตก โดยขณะทอากาศถกผลกใหเคลอนทผานไปทปลายใบพดอากาศจะถกบงคบใหอดตวแลวสงตอไปใหทอรวมอากาศเพอทจะสงตอไปยงหองเผาไหมอกท ในการออกแบบระบบบงคบการเคลอนทของอากาศนน เราจะเรมจากการทเราตองรขนาด

ตางๆ ของ คอมเพลสเซอร ซงจากการทเราไดทาการวดจากชนงานจรงทาใหเราไดทราบคาตางๆ ดงน

Outlet diameter 54 mm.

Inlet diameter 40 mm.

Tip height 6 mm.

Blade tip angle 65 degree Boss 12 mm.

สมมตใหประสทธภาพ )(η 74% จากการทเราไดทราบถงคณลกษณะในสวนตางๆของคอมเพลสเซอรทาใหเราสามารถ

คานวณหาคาความเรวททางออกของคอมเพลสเซอร (U) ไดดงน

52

U = 60

dn 2 π×× (3.1)

= 60s/min

3.140.054m/min100,000rev ××

= 282.60 m/s

ภาพประกอบ 26 กราฟแสดงคณลกษณะของคอมเพลสเซอร

53

จากกราฟแสดงคณลกษณะคอมเพรสเซอร พบวาชวงทคอมเพรสเซอรทางานได ประสทธภาพสงสดจะอยในชวงอตราการไหลเชงมวล 0.135 ถง 0.175 กโลกรม / วนาท ซงแรงผลกดนทเกดในแบบจาลองจะเปนสดสวนกบอตราการไหลเชงมวล ซงในระบบดฟฟวเซอรในแบบจาลองตองการอตราการไหลเชงมวล 0.16 กโลกรม / วนาท และจากกราฟแสดงคณลกษณะคอมเพรสเซอรทาใหทราบวาในระบบดฟฟวเซอรทอตราการไหลเชงมวล 0.16 กโลกรม / วนาท และทความเรวรอบ 100,000 รอบ / นาท จะไดอตราสวนความดนประมาณ 1.88 จดประสงคของการคานวณคอตองการใหเหนภาพรวมทงหมดของสภาวะการไหลททางออกของคอมเพรสเซอรวล และทางเขาดฟฟวเซอรอตราสวนความดนทสงเปนผลมาจากการอดตวของอากาศทคอมเพรสเซอร อตราสวนความดนทคอมเพรสเซอรจะเทากบอตราสวนทดฟฟวเซอร และอตราสวนความดนทงหมดเปนผลมาจากอตราสวนความดนทงสองตวนแสดงออกมาในรปของสมการไดดงน

tP = ; = dc PP × cP dP

∴ = ; = tP dd PP × tP 2dP

คานวณอตราสวนความดนหลงจากทผานจานใบพดคอมเพรสเซอรไดดงน

∴ = dP tP (3.2)

88.1 = 1.37

ใหประสทธภาพ )(η 74% ทอณหภมเรมตน 303°K (30°C) จะหาอณหภมอากาศทเพมขนไดจากสตร

= TΔ ( 1T 286.0−π

η) (3.3)

= TΔ )137.1(74.0

303 286.0−×

K

= 38.58 K

54

ขณะเดยวกนความหนาแนนของแกสทเพมขนตามอณหภมทเพมขน 341.58 K = (303 + 38.58) คานวณไดจากสตร

ρ = )TR(

P

× (3.4)

ρ = )./(2876.341

300,10137.1KkgJK

Pa××

= 1.416 kg/ 3m

จากสมการความตอเนองจะสามารถคานวณหาความเรวตามแนวรศม ทพนทหนาตดรปทรงวงแหวนทรอบโรเตอรคานวณไดจากสตร

)C( m

= •m ρ×× AC ; C =

ρ×

•

A

m (3.5)

= mC0.005m0.059m3.141.416kg/m

0.16kg/s3 ×××

= 118.30 m/s

ผลทไดจากการคานวณนจะนาไปหาคา Supply Value ไดดงน

2

m

U

C =

282118.3 = 0.419 (3.6)

คา Supply Value ทไดมานจะเปนของเทอรโบชารจวล ดงทแสดงใหเหนในกราฟแสดงคณลกษณะ ถาไมมกราฟแสดงคณลกษณะกสมมตคานแต วลเปนแบบทแผรศมออกสปลายครบจะทาใหคา Supply Value ตากวาดงนนประมาณคาอยในชวง 0.25 ถง 0.27

55

เมอรความเรวใบพด ความเรวตามแนวรศม และมมปลายครบใบพด )U( 2 )C( m )( 2β จะคานวณหาความเรวทงหมดไดดงน

= u2C )tanC(U

2

m2

2 β− (3.7)

= ⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

−otan65

118.3822

= 226.8 m/s

ขนตอนสดทายของการคานวณอธบายจากมมการไหลออก )(α ซงหาจากสมการ

tan (α) = u2

m

C

C (3.8)

= 226.8118.3

= 0.52

α = 27.54

มมทแกสไหลออกจากลอจะมคาดงน (α = 27.54 o ) มมนจะคงทอยางนหลงจากแกสไหลผานใบพดเปนวงแหวนอากาศดวยความกวางคงท จงทราบวาใบพดดฟฟวเซอรควรจะตงคาทมม 27 o

56

ภาพประกอบ 27 แสดงไดอะแกรมความเรวของดฟฟวเซอร

2. การคานวณและออกแบบชดกงหน สาหรบสวนของกงหนแกสมบทบาทอยางมาก ในการควบคมพลงงานกลทเกดขนจากการผลกดนของแกสรอนตอกงหน การสงตอกาลงมาขบคอมเพรสเซอรและอปกรณอน โดยลกษณะพนฐานแลวใบกงหน คอแผนจานซงหมนในลกษณะสมดลโดยมใบพดซงเปนโลหะผสม กงหนอาจมชดเดยวหรอหลายชดกไดขนอยกบความตองการงานสงออกทตองใชแตในเครองยนตกงหนแกสนออกแบบใหมชดเดยว สวนของแกสรอนทเกดจากการสนดาปไดรบการออกแบบใหแกสรอนสามารถเคลอนตวไปในทศทางททาใหเกดแรงผลกดนสงสด หรอ มทศทางตงฉากกบกงหนใหมากทสด จากนนแกสรอนจะถกระบายออกไปทางดานทายสวนหาง ในชดกงหนประกอบไปดวยหวฉดไกดเวน (nozzle guide vane) และ โรเตอร ผลกระทบทงหมดทเกดในกระบวนการเปนผลมาจากความรอนทตกลง อตราสวนของงานทสงผานมาจากใบพดโรเตอรจะแสดงออกมาในรปของอตราสวนระดบแรงปฏกรยา (r)

คานวณไดจากสตร

r = stage

blades

h

h

Δ

Δ (3.9)

57

( stageblades h,h ΔΔ ) ในโรเตอรจะตกลงและแสดงในรปของเอนทลปในหนวย (J/kg)

ในทางปฏบตการออกแบบเทอรไบนจะตงคา ระดบแรงปฏกรยา (r) ประมาณ 0.5 เพอทความรอนทตกลง ( ) จะแบงออกเทาๆกนระหวางหวฉดไกดเวนกบโรเตอร เอนทลปทตกลงทงหมดในส

เตจสามารถคานวณหาไดจากสตร stagehΔ

= stagehΔ )1(TC 286.0p −×× π (3.10)

เมอแกสไดรบความรอนจะเกดการขยายตวทาใหความเรวในการไหลไรความเสยดทาน

C = 2

h2

Δ× = hΔ (3.11)

แรงผลกดนในเครองยนตคานวณไดดงน

Fu = ; = (3.12) uwm Δ•× uwΔ 12 ww −

Fu คอ แรงตามแนวเสนรอบวง (N) คอ ความเรวแกสแตกตาง (m/s) uwΔ คอ ความเรวสมพทธททางเขาโรเตอร (m/s) 1w คอ ความเรวสมพทธททางออกโรเตอร (m/s) 2w กาลงงานทางทฤษฎทเทอรไบนสามารถคานวณไดดงน

P = = UFu × UWm u ×× Δ•

(3.13)

P คอ กาลงงานทางทฤษฎทเทอรไบน (Watts) U คอ ความเรวเฉลยใบพดเทอรไบน (m/s)

58

ในสวนของตวกงหนนน ทางผจดทาไดใชชนสวนกงหนจากระบบเทอรโบชารจเจอร ของรถยนตนสสน รน RB-20 เชนกน ซงในการทจะออกแบบและคานวณระบบ NGV (Nozzle guide vane) นนเราตองทราบคาตางๆของชดกงหน

ภาพประกอบ 28 แสดงมมของชดกงหน

คาตางๆ ของชดกงหนทไดจากการวดมคาดงนคอ

Inlet diameter 51 mm.

Blade tip angle 35 degree

สงจายอากาศท 0.152 kg. อตราสวนความดน 1.76

ความเรวรอบในการหมน 76,000 rpm. อณหภมสงสดของแกส 650 องศาเซลเซยส

เราสามารถหาคาเอนทลปรวมของระบบไดจากสมการ

stagehΔ = )1(TC 286.0p −×× π (3.14)

stagehΔ = )1(1.769231000 0.286 −××

stagehΔ = 853.324 kj/kg

59

จากโมเมนตตมแรงดล แรงเปนปรมาณเวคเตอรในทศทางการเคลอนทของใบกงหนมคาเทากบการเปลยนแปลงโมเมนตมของของไหลในทศทางการเคลอนท หรอ

)cosVcosV(mF2s1s

δ−θ=•

(3.15) โดย

Vs1cosθ คอ ความเรวเขาของการหมน

Vs2cosθ คอ ความเรวออกของการหมน จากสมการหวฉด ทาใหไดสมการ ของ Vs1 คอ

hgc2V1s

Δ= (3.16) โดยท gc มคาเทากบ 1kg.m/N.s2

เพราะฉะนนคา Vs1 มคาเทากบ 1306 m/s

ถาเรากาหนดให θ มคาเทากบ 20 องศา

Vs1cosθ = 1227.24 m/s ดงนน

VB,opt = (Vs1cosθ)/2 = 613.619 m/s

Vr1sinφ = Vs1sinθ = 446.67 m/s

Vr2cosφ = Vs1cosθ - VBB

= 613.619 m/s เพราะฉะนน

φ = 36.05

60

แตมมของชดกงหนมคาเทากบ 35 องศา เราจงมการสมมต มม θ ใหมใหมคา เทากบ

21 องศา ทาใหเราไดคาของ φ .ใหม ซงมคาเทากบ 34.555 องศา เมอเราไดคาของมมใหมทไดทา

ใหเราทราบคาของมม θ ทแนนอนททาให φ มคาไดเทากบ 35 ได เนองจาก สมการเปนแบบ

linear เพราะฉะนน θ จะเทากบ 19.3 องศา

3. การเผาไหมเชอเพลง การเผาไหมเปนปฏกรยาทางเคมทเกดขนอยางรวดเรวระหวาง เชอเพลงกบออกซเจน เมอเกดปฏกรยาเคมพลงงานเคมทสะสมอยในอะตอมของเชอเพลงและออกซเจนจะถกปลดปลอยออกมาในรปของความรอนใหกบสงแวดลอม การเผาไหมแบบนถอวาเปนปฏกรยาแบบเอกซโซเทอรมค (exothermic reaction) ทาใหอณหภมของสารผสมระหวางอากาศกบเชอเพลงสงขน ถาอตราการปลอยพลงงานมมากกวาอตราการสญเสยพลงงานใหกบสงแวดลอม อณหภมของสารผสมกจะเพมขนเรอยๆ มผลทาใหสารผสมทใกลเคยงเกดปฏกรยาตามและเกดการเผาไหมตอเนอง การสนดาปอยางสมบรณ (Complete Combusion) การสมดลยสมการเคม (stoichiometry) กเพอคานวณหาปรมาณอากาศทใชในการทาปฏกรยากบเชอเพลง เพอใหเกดการเผาไหมทสมบรณ แลวเกดเปนสารประกอบของ ไนโตรเจน นา และคารบอนไดออกไซด สมการทใชในการทาสมดลยสมการเคมของเชอเพลงทมธาต คารบอน (C), ไฮโดรเจน (H), ออกซเจน (O), ไนโตรเจน (N), ซลเฟอร (S) จะไดดงน

)N76.3O)(y2w

4vu(SNOHC 22yxwvu ++−++

ในการสนดาปตองใชอากาศซงประกอบดวย ออกซเจน (O2) 21% และไนโตรเจน (N2) 79% โดยปรมาตร อากาศจงมสตรทางเคม คอ (O2+3.76N2) ซงนามนกาดจะอยในกลมของพาราฟน (Parafin) ซงมสตรทวไปทางเคมคอ 2n2nHC + สมการการสนดาปโดดเคนอยางสมบรณ (Dodecane or Kerosene)ดงนนสมการการเผาไหมของนามนกาด (kerosene) กบอากาศสามารถเขยนไดเปน 222222612 N56.69OH13CO12N56.69O5.18HC ++++ → 170 kg + 592 kg + 1,947.68 kg → 528 kg + 234 kg + 1,947.68 kg 1 kg + 3.48 kg + 11.46 kg → 3.11 kg + 1.38 kg + 11.46 kg 1 kg + 14.94 kg of Air 15.94 kg of product →

61

∴ มวลโมเลกลเฉลยของนามนกาด

C12H26 = 000,1

)126()1212( ×+×

= 0.17 kg

∴ มวลของอากาศท stoichiometric

= 22 N56.69O5.18 +000,1

)14256.69()1625.18( ××+××

= 2.54 kg

∴ stoichiometric air fuel ratio ( by mass ) = 17.0

54.2 = 14.94 : 1

การหาอณหภมในหองเผาไหม การคานวณคาความรอนของเชอเพลงทสภาวะปกตโดยตงสมมตฐานท 1 atm และ

C และ มการเผาไหมอยางสมบรณท 150 % - 200 % ซงจะคานวณหาคาอณหภมทไดจากการสนดาปดงน

o100

C12H26+27O2+104.34N2 → 12CO2+13H2O+8.5O2+104.34N2

สาร )kmol/kJ(hfo )kmol/kJ(h k373

o )kmol/kJ(h k423o )kmol/kJ(h k473

o

⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ C12H26 (g) -291,010 0 0 0

O2 0 10,899 12,405.20 13,934.70

N2 0 10,850.60 12,312.90 13,781.50

H2O -241,820 12,433.30 14,146.50 15,881.70

CO2 -393,520 12,269.20 14,332.60 16,483

62

จากสตร = −+∑_

f_

p hh(N op

_)ho r,f

_

r hN o∑ = ( 26

H12

Cf_

)hN o

ท 100 % ∴ = 8,638,521 kJ 222 N56.69OH13CO12 ++

จะได = 2,468 K หรอ 2,195 °C prodT

ท 150 % C12H26+27O2+104.34N2 → 12CO2+13H2O+8.5O2+104.34N2

12× (-393,520 -14,332.6) + 13× (-241,820 -14,146.5) + 104.34× (12,312.9) = (1 kmolC12H26)(-291,010)

12_h CO2 +13

_hH2O + 8.5

_h O2 +104.34N2 = (2,298,362.548 - 291,010 + 7,865,900)

= 9,873,252.548 kJ (9,873,252.548)/(12 + 13 + 8.5 + 104.34) = 71,628.4 kg/mol ลองคดท 2,000 K (12× 100,804) + (13× 82,593) + (8.5× 67,881) + (104.34 64,810) ×

= 9,622,621 kg ลองคดท 2,100 K (12× 106,864) + (13× 87,735) + (8.5× 71,668) + (104.34× 68,417) = 10,170,731 kg

∴ ประมาณคา (Interpolate) จะได 2,046 K = 1,773 °C

63

ท 200 % C12H26 + 37O2 + 139.12N2 12CO→ 2 + 13H2O + 18.5O2 + 139.12N2

12_h CO2 + 13

_h H2O + 18.5

_hO2 + 139.12

_hN2 = (2,579,332 - 291,010 + 7,865,900)

= 10,154,222 kJ

ลองคดท 1,600 K (12 76,944) + (13× × 62,748) + (18.5× 52,961) + (139.12× 50,571) = 9,754,268 kJ

ลองคดท 1,700 K (12× 82,856) + (13× 67,589) + (18.5× 56,652) + (139.12 54,099) ×

= 10,447,244 kJ

∴ ประมาณคา (Interpolate) จะได 1,658 K = 1,385 °C

ดงนน วสดทจะใชทา Combustion Chamber จงจาเปนตองสามารถทนความรอนไดสง

สาหรบเครองยนต Gas turbine ทออกแบบนจะใชวสด Stainless Steel ชนด 316

บทท 4 การทดสอบและวเคราะหผลการทดสอบ

หลงจากการคานวณและออกแบบเครองทางผจกทาไดทาการสรางเครองยนตเจทขนาดเลก

โดยใชระยะเวลาสรางประมาณสองเดอน แลวจงไดทาการทดสอบเครอง

ภาพประกอบ 29 แสดงชนสวนของเครองยนตเจทขนาดเลก

ภาพประกอบ 30 แสดง Nozzle guide vane

65

ภาพประกอบ 31 แสดง Diffuser

ภาพประกอบ 32 แสดง Shaft Tunn

66

ภาพประกอบ 33 แสดง Front Cover

ภาพประกอบ 34 แสดง Housing

67

ภาพประกอบ 35 แสดง Combustion Chamber

ภาพประกอบ 36 แสดง Compressor Wheel

68

ภาพประกอบ 37 แสดง Turbine Wheel

ภาพประกอบ 38 แสดง Accessories Part

69

ภาพประกอบ 39 แสดงขณะทาการประกอบเครองยนตเจท

ภาพประกอบ 40 แสดงดานหลงของเครองยนตเจท

70

ภาพประกอบ 41 แสดงดานหนาของเครองยนตเจท

ภาพประกอบ 42 แสดงดานขางของเครองยนตเจท

71

1. เครองมอและอปกรณทใชในการทดสอบ 1.1 เทอรโมมเตอร 1 ชด

1.2 เชอเพลง ประกอบดวย

1.2.1 นามนเชอเพลง JET A-1

1.2.2 นามนเครอง ยหอ AERO-SHELL

1.2.3 แกสกระปอง

1.3 Spark lighter

1.4 ทอลม

1.5 อปกรณควบคมการจายนามน

1.6 ปากกาจบชนงาน

1.7 ถงดบเพลง

2. ขนตอนการเตรยมพรอมการทดลอง ทาการประกอบเครองยนต เขากบเครองมอทดสอบ ดงภาพ

ภาพประกอบ 43 ไดอะแกรมแสดงการตดตงเครองยนตเจทขนาดเลกในการทดสอบ

72

ภาพประกอบ 44 แสดงการตดตงเครองยนตเจทขนาดเลกในการทดสอบ

3. ขนตอนการสตารทเครองยนตเจทขนาดเลก หลงจากทาการตดตงอปกรณ พรอมทาการทดสอบเรยบรอย ตอจากนนกจะเปนการสตารท

เครองเพอทาการทดสอบ โดยในการทดสอบเครองยนตเจทนน มขนตอนทดงตอไปน

3.1 ทาการตรวจสอบบรเวณทจะทาการทดสอบไมใหมเศษกระดาษ หรอเศษผา หรอสง

สกปรกตางๆ ทสามารถปลวได เนองจากในขณะทาการทดลอง เครองยนตอาจดดสงพวกนนเขาไปใน

เครอง ซงจะทาใหเกดอบตเหตและการเสยหายแกเครองยนตขนมาได

3.2 ตรวจสอบขวขอตอทตอเขากบเครองยนตใหแนน ทกขอตอเพอปองกนการรวทอาจ

เกดขนได

3.3 เรมทาการสตารทเครองโดยทาการเรมปลอยนามนเขาไปในเครองยนตเลกนอยเพอให

นามนเครอง เขาไปหลอลนแบรรง

3.4 ใชอากาศฉดเขาไปทางดานหนาของเครองยนต (ดานคอมเพรสเซอร) เครองยนตจะเรม

หมน สงเกตสงผดปรกตตางๆทอาจเกดขน โดยสงเกตทการสนและเสยงของเครองยนต

3.5 ทาการเปดวาลวแกสเพอปลอยแกสใหเขาสเครองยนต จากนนใช Spark- lighter ทาการ

จดทางดานหลงของเครอง (ดาน ชดกงหน) สงเกตวาจะมเสยงดงตบเกดขน จากนนใหสงเกตท

เทอรโมมเตอร วาอณหภมขนหรอไม

73

3.6 เมออณหภมสงขน หมายถงเครองยนตเรมทางานใหทาการปลอยนามน โดยทาการ

ปรบคอนโทรลเลอร โดยคอยๆทาการปลอยนามนเขาไปทละชาๆ ตอนนเครองจะทางานใหเราทาการ

ทาการปรบนามนเพมไปเรอๆ และคอยๆ นาเอาสายลมทฉดอากาศเขาไปออก สงเกตวาเครองยนตจะ

สามารถทางานไดดวยตวเองโดยไมใชอากาศอดเขาไปชวยในการทางาน

4. ขนตอนการดบเครองยนตเจทขนาดเลก

เมอจะทาการดบเครองยนตเจทมขนตอนดงตอไปน

4.1 เมอจะทาการดบเครอง ใหเราทาการเตรยมสายลม

4.2 หลงจากเตรยมสายลมใหเราเรมทาการปดนามนโดยทาการคอยๆปรบคอนโทรลเลอร

นามน ใหลดลงเรอยๆ

4.3 หลงจากทาการปดคอนโทรลเลอรนามน ใหใชสายลมฉดอากาศเขาไปทดานหนาของ

เครองยนต (ทางดานคอมเพรสเซอร) เพอใหเครองยนตเยนตวลง สกคร

4.4 เมอทาการปดเครองยนตเสรจ ใหทาการตรวจสอบสวนตางๆ ของเครองยนต

5. ขอควรระมดระวง 5.1 เมอทาการสตารทเครองยนตเจทขนาดเลก หากมขอบกพรอง หรอสงผดปรกตควรดบ

เครองยนตในทนท

5.2 ตรวจสอบชดอปกรณ ทกชนกอนทาการทดสอบ ใหแนนหนา

5.3 ควรมอปกรณ ปองกนไฟไหม ขณะทาการตดเครองยนตเจทขนาดเลก

5.4 ขณะทาการทดลอง หามมบคคลยนทางดานหลงเครองยนตโดยเดดขาด

5.5 สถานททดลอง ควรเปนสถานทโลง

74

6. การทดลอง ในการทดลองเครองยนตเจทขนาดเลกนทางผจดทาไดทาการทดลองตดเครองทงหมดเปน

จานวน 5 ครง ดงน การทดลองครงท 1 การทดลองครงท 1 ไดทาการทดลองในวนท 25 มนาคม 2548 เวลา 16.00น ในการสตารท

เครองไดมปญหาเกดขน ในชวงทเรมทาการปลอยแกส เมออณหภมเรมเพมขน และไดทาการปลอย

นามนเขาไป ไดเกดปญหาคอ ชดกงหนและคอมเพรสเซอรไมหมน ทางผทดสอบจงทาการหยดการ

ทดสอบและทาการตรวจสอบ ความผดปรกตทเกดขน ซงจากการตรวจสอบวเคราะห สาเหตเกดจาก

คา Clearance ระหวาง ชดกงหนและNGV (Nozzle Guide vane) มคานอยเกนไป จงทาใหเกดการ

ตด สวนๆประกอบอนๆยงปรกต

การแกปญหา

ไดทาการเพมคา Clearance ระหวางชดกงหนและNGV ใหมากขน

ภาพประกอบ 45 แสดงการทดสอบเครองยนตเจทครงท1 ขณะทาการเรมสตารทเครองยนต

75

การทดลองครงท 2 การทดลองครงท 2 ไดทาการทดสอบวนท 28 มนาคม 2548 เวลา14.00น. หลงจากไดทา

การปรบปรงและแกไขในสวนของ Clearance ระหวาง ชดกงหน กบ NGV เรยบรอย ไดทาการสตารท

เครองอกครง ไดเกดปญหาขนคอ ขณะททาการปลอยนามนเขาไป ชดกงหนและคอมเพรสเซอรไดหยด

หมน จงทาใหคณะผทาการทดลองไดทาการดบเครอง และทาการตรวจสอบอปกรณตางๆ อกครง

หลงจากการตรวจสอบ ไดพบจดบกพรองททาให เกดสาเหตการไมหมนของชดกงหนและ

คอมเพรสเซอร คอ ในชดสปรง P-Load ทอยดานในของ Shaft tunnel ไดออนเกนไป เมอทาการตด

เครองเมอเกดแรงดนเกดขนทาใหชดกงหนและคอมเพรสเซอรเกดการเคลอนท ไปสมผสกบชนสวนอน

ทาใหเกดการตดและไมสามารถทางานได

การแกปญหา

ไดทาการเปลยนสปรง P-Load และตรวจสอบจดตางๆ

ภาพประกอบ 46 แสดงการทดสอบเครองยนตเจทครงท 2 ขณะทเรมสตารทเครองยนต

76

ภาพประกอบ 47 แสดงการทดสอบเครองยนตเจทครงท 2 ขณะเครองเรมเกดการเสยดส

ระหวาง turbine wheel กบ NGV ทาใหเกดสะเกดไฟออกมาทางดานทายเครองยนต

77

การทดลองครงท 3 การทดลองครงท 3 ไดทาการทดลองในวนท 31 มนาคม 2548 เวลา15.00 น. หลงจากไดทา

การแกไขจดบกพรองในสวนของ P-Load เรยบรอย ไดทาการสตารทเครอง หลงจากการสตารทเครอง

ไดพบจดผดปรกตในระหวางการทดสอบ คอ อณหภมทางดานชดกงหน (Exhaust Temperature) ได

สงมาก ซงอณหภมสงถง1000 องศาเซลเซยส จงทาใหตองทาการดบเครอง เพอปองกนการเกดการ

เสยหายและอบตเหตทเกดขน หลงจากไดทาการดบเครอง และไดทาการตรวจสอบชนสวนตางๆ

ปรากฏวา ในสวนของระบบจายแกสเขาเครองไดเกดการอดตน เกดขนดวย แตสวนประกอบอนๆยง

ปรกต จากการวเคราะห สาเหตทเกดขนนนเกดจากระบบในหองเผาไหม (Combustion Chamber)

การแกปญหา

หลงจากไดทาการปรกษากบทางอาจารยทควบคมงานวจยในครงน ไดมผลสรปวาใหทาการ

แกไขในสวนของหองเผาไหม โดยขยายรในสวนของระบบ Cooling ใหมขนาดเพมขนอก 0.5

มลลเมตร หลงจากไดผลสรป จงไดทาการปรบปรงในสวนของหองเผาไหม และระบบจายแกส

ภาพประกอบ 48 แสดงการทดสอบเครองยนตเจทครงท 3 ขณะเครองเรมตดและทาการปลอยนามน

เขาไปในหองเผาไหม

78

ภาพประกอบ 49 แสดงการทดสอบเครองยนตเจทครงท 3 เมอเรมเรงความเรวรอบอณหภม

เรมสงขนมาก

ภาพประกอบ 50 แสดงการทดสอบเครองยนตเจทครงท 3 ขณะทาการดบเครองยนต

เนองจากอณหภมสงมาก

79

การทดลองครงท 4 การทดลองครงท 4 ไดทาการทดลองในวนท 6 มนาคม 2548 เวลา15.00 น หลงจากไดแกไข

ขอบกพรองในระบบหองเผาไหมและระบบสงจายแกสเรยบรอย ไดทาการสตารทเครอง หลงจาก

สตารทเครอง อณหภมไดลดลงมาไมสงมากเทาเดม หลงจากไดพยายามตดเครอง แตเมอนาสายลมท

ใชในการอดอากาศซงชวยในการสตารทออก ปรากฏวาเครองยนตไมสามารถทางานไดดวยตวเอง

กลาวคอ ความเรวรอบเรมลดลงและเครองดบลงในทสด แตเมอใชลมอดชวยเครองยงทางานปรกต

การแกปญหา

หลงจากไดทาการทดลองเสรจในครงน ไดทาการปรกษากบทางอาจารยทควบคมงานวจยใน

ครงน ซงสาเหตนาจะเกดมาจากมมของ NGV ไดผดเพยนไป จงทาใหไมสามารถมแรงทจะไปขบให

คอมเพรสเซอรหมนไดทาใหดดอากาศไดนอยลงจงเปนสาเหตทาใหความเรวรอบเกดลดลง และไม

สามารถทางานไดดวยตวเองไดเตมท จงใหทาแกปญหาโดยทาการปรบมมของ NGV และทาการ

ตรวจสอบการสกหรอและการเสยหายของชนสวนตางๆ ทกชน

ภาพประกอบ 51 แสดงการทดสอบเครองยนตเจทครงท 4 ขณะทาการเรมการสตารท

และปลอยแกสเขาไปในหองเผาไหม

80

ภาพประกอบ 52 แสดงการทดสอบเครองยนตเจทครงท 4 ขณะเรมทาการปลอยนามนเขาหองเผาไหม

ภาพประกอบ 53 แสดงการทดสอบเครองยนตเจทครงท 4 เมอนาเอาสายลมทใชในการสตารทออก

ความเรวรอบเรมชาลง

81

การทดลองครงท 5 การทดลองครงท 5 ไดทาการทดลองในวนท 9 มนาคม 2548 เวลา14.00 น. หลงจาก

ตรวจสอบแกไขขอบกพรองและทาการแกไขมมของ NGV. เรยบรอยแลว ไดทาการ สตารทเครองยนต

อกครง ในครงนเครองยนตไดตด แตยงไมสามารถตดไดดวยตวเองอยางสมบรณ และเมอไดเดนเครอง

ไปสกระยะหนง โดยใชการอดอากาศเขาทคอมเพรสเซอรชวยในการเดนเครองในครงน เครองยนตก

สามารถทางานได จงไดทาการวดแรงดนททางออกไดออกมาจานวน 2.5 ปอนด

ภาพประกอบ 54 แสดงการทดสอบเครองยนตเจทครงท 5 ขณะเรมทาการสตาทเครองยนต

82

ภาพประกอบ 55 แสดงการทดสอบเครองยนตเจทครงท 5 ขณะเรมทาการปลอยนามนเขาไป

ในหองเผาไหม

ภาพประกอบ 56 แสดงการทดสอบเครองยนตเจทครงท 5 ขณะเรมทาการเรงความเรวให

ถงรอบเดนเบา

83

ภาพประกอบ 57 แสดงการทดสอบเครองยนตเจทครงท 5 เครองยนตทางานทรอบเดนเบา

ผลการทดลองครงท 5

ในการทดลองครงท 5. น เครองยนตสามารถทางานไดในระดบหนงทนาพอใจ คอสามารถ

ใหแรงขบออกมาจานวนหนง แมวาเครองยนตจะสามารถทางานไดดวยแคทความเรวรอบเดนเบา แต

เครองยนตมแนวโนมความเปนไปไดอยางมากทเครองยนต จะสามารถทางานไดอยางสมบรณ ซงผล

การทดลองออก มาดงตาราง 1

ตาราง 1 แสดงผลการทดสอบของเครองยนตกงหนแกสขนาดเลกททาการทดสอบ

ความเรวรอบ (rpm) Thrust (kg) Exhaust Gas Temperature( º c )

50,000 0.8 550

84

สรปผลการทดสอบ จากผลการทดลองเครองยนต ไดผลดงน

1. เครองยนตทสรางขนนเปนเครองยนตทออกแบบใหมทงหมด

2. เครองยนตสามารถทางานได (ตดเครองได) แตยงไมสามารถเรงความเรวรอบใหสงขน

ได เนองจากอากาศไมพอ เพราะการทางานของคอมเพรสเซอรถงจด Choking (เปนลกษณะการ

ทางานของคอมเพรสเซอรทความเรวรอบคาหนง ถงแมอดอากาศเตมทแลว กไมสามารถเพมอตราการ

ไหลเชงมวลไดมากกวาน) ซงในการ matching ระหวางขนาดของคอมเพรสเซอรและเทอรไบนนน

เทอรไบนทใชในการออกแบบน สามารถทาการใชคกบคอมเพรสเซอรได 3 ขนาด คอ ขนาด

เสนผาศนยกลาง 54 มลลเมตร, 59 มลลเมตร และ 66 มลลเมตร ซงในการออกแบบและสรางนเราได

ใชคอมเพรสเซอรขนาด 54 มลลเมตร ซงเปนขนาดเลกสดทเทอรไบน สามารถทางานรวมดวยได

3. เครองยนตทสรางขนนสามารถทางานไดเฉพาะทรอบเดนเบา ทความเรวรอบ 50,000

รอบตอนาท ใหแรงขบท 0.8 กโลกรม

4. อณหภมไอเสยดานทางออกมอณหภมสง

ขอควรระวงในการทางาน

1. เมอมปญหาในขนตอนการตดเครอง เครองยนตหยดการทางาน ใหปดระบบจายนามน

เชอเพลงเปนลาดบแรก แลวจงปดระบบควบคมการทางาน ใหเอาลมเปาไลอากาศทมนามน

เชอเพลงผสมออก เพอเปนการปองกนการเผาไหมยอนกลบ ซงอาจทาใหเครองยนตเกดการเสยหาย

2. ถาตวเครองยนตมอาการสนมากผดปกต ใหคอย ๆ ลดความเรวรอบลง ,ปดระบบจาย

นามนเชอเพลงและปดเครองหยดการทางาน

3. ไมควรยนอยดานหลงหรอดานทายเครองยนต เพราะถามการแตกของ Turbine อาจ

เปนอนตรายจากเศษชนสวน Turbine อกทงสวนทายของเครองจะมอณหภมสงมาก

4. ขนตอนในการหยดการทางานของเครองยนตกงหนแกสขนาดเลก ควรคอยๆลด

ความเรวรอบเครองใหอยในความเรวรอบเดนเบา แลวจงปดระบบจายนามนเชอเพลง ปดระบบ

ควบคม เปนการหยดการทางานเครองยนตกงหนแกสขนาดเลก

บทท 5 สรปและวจารณผลการทดสอบ

1. สรปและวจารณผลทดสอบ ในการวจยครงนเปนการออกแบบและสรางเครองยนตกงหนแกสขนาดเลก โดยใชทฤษฎ

เบรยตน (Brayton’s cycle law) เปนทฤษฎหลกในการออกแบบและคานวณ ซงวฏจกรเบรยตนน

เปนวฎจกรเครองยนตสนดาปภายในทมทงการรบความรอนและคายความรอนตามกระบวนการความ

ดนคงท โดยมการอดตวและขยายตวในแบบไอเซนทรอปก (Isentropic process) ซงวฎจกรนเหมาะ

สาหรบเครองยนตกงหนแกส เนองจากระบบของเครองยนตกงหนแกสเปนระบบทมการไหลของสาร

ตวกลางอยางตอเนอง และสามารถออกแบบใหการเผาไหมตดตอกนไปตลอดเวลาแบบความดนคงท

โดยในการออกแบบเครองยนตกงหนแกสขนาดเลกน จะใชสวนประกอบของเทอรโบชารจรถยนต ใน

รน RB-20 มาใชเปนสวนประกอบหลกในการออกแบบและสราง โดยใชชนสวนจากเทอรโบชารจ

ประกอบดวยชดคอมเพรสเซอรและชดกงหน

การทดสอบเครองยนตกงหนกาซขนาดเลกทไดออกแบบและสรางขน โดยแบงเปนขนตอน

คอ การทดสอบการตดเครองยนต การทดสอบอณหภมไอเสย และ การทดสอบแรงขบ จากการทดลอง

สรปไดวา เครองยนตนยงไมสามารถทางานไดดวยตวเองอยางสมบรณ คอสามารถทางานไดท

ความเรวรอบเดนเบา แตมความเปนไปไดมากทจะสามารถในการปรบปรงใหเครองยนตสามารถรกษา

ความเรวรอบและใหกาลงมากขน เครองยนตกงหนกาซขนาดเลกทไดออกแบบและสรางขนสามารถ

ใหแรงขบประมาณ 0.8 กโลกรม เครองยนตสามารถรกษาความเรวรอบเดนเบาท 50,000 รอบตอนาท

มอณหภมของไอเสยท 550 oC

ขอมลจาเพาะของเครองยนตกงหนแกสขนาดเลก

ความยาวของลาตวเครองยนต 160 มลลเมตร

เสนผาศนยกลาง 95 มลลเมตร

นาหนกรวมของเครองยนต 1.0 ก โ ล ก ร ม ( ไม ร ว ม ร ะบบจ า ย

เชอเพลง)

ความเรวรอบสงสด 50,000 รอบ/นาท

แรงขบ 0.8 กโลกรม

อณหภมททางออก (Exhaust temperature) 550 องศาเซลเซยส

เชอเพลง JET A-1

86

2. ขอแนะนาสาหรบงานวจยตอไป เนองจากงานวจยในครงนเครองยนตสามารถทางานไดเฉพาะทรอบเดนเบา และเครองยนต

กงหนแกสชนดนเปนเครองยนตทใชระบบตวกงหนแบบไหลตามแนวรศม ทงชนสวน Compressor

และ ชนสวน Turbine ทเปนการนาเอาชนสวนของ Turbocharger ของรถยนตมาดดแปลงและ

ออกแบบใหเปนเครองยนต Gas turbine จากการททาการสรางและทดสอบเครองยนต Gas turbine

พบวาการทางานของเครองยนตยงไมเตมประสทธภาพ ซงขอเสนอแนะในการปรบปรงเครองยนต

ตอไป ดงน คอ

1. การ Matching Compressor และ Turbine ในสวนของ Mass Flow ใหเหมาะสมมาก

ขน

2. ขนาดของ Combustion chamber ควรใหมขนาดความยาวมากขน เพอใหมการเผา

ไหมสมบรณขน

3. ออกแบบชด NGV. ใหมประสทธภาพมากขนโดยใหม Gas loss นอยทสด

4. Bearing ทใชสาหรบเครองยนต Gas turbine ขนาดเลกน เนองจากตองสามารถทน

ความรอน (ชด Bearing ตวใกลกบ turbine) และในขณะเดยวกนตองทางานทรอบทสงมาก (บางครง

เกน 100,000 รอบตอนาท) ดงนนจงควรเลอกใช Bearing ชนดพเศษ คอ Ceramic Bearing ทม

คณสมบต ในการทนความรอนไดดและทางานทรอบสงไดอกดวย

5. สาหรบการออกแบบเครองยนต Gas turbine ทชด Turbine เปนการไหลแบบแนวรศมน

การออกแบบหองเผาไหม (Combustion Chamber) แบบไหลกลบ (Reverse Flow) จะมความ

เหมาะสมในดานการเพมความยาวของหองเผาไหมได และยงไมจาเปนตองดดแปลงในสวนของเพลา

Turbine อกดวย

6. สาหรบคา tolerant ของขนาดตางๆ ของชนสวนของเครองยนตจะตองอยในพกดท

กาหนด และชนสวนของเครองยนตจะทางานทรอบสงมาก จงจาเปนตองทาการ Balance ชนสวน

ตางๆ เชน Compressor และ Turbine ดวย

บรรณานกรม

88

บรรณานกรม

1. Sangkyun Kang ; Jurgen Stempfl ; Alexander G. Cooper ; & Fritz B. Prinz. (2547). Application of

the mold SDM process to the fabrication of ceramic parts for a micro gas turbine

engine. สบคนเมอวนท 15 มกราคม 2547. จาก http://www-rpl.stanford.edu

2. Thomas Baumgart. μ - Turbine. (2547). สบคนเมอวนท 10 มกราคม 2547. จาก

http://www.technologie-entwicklung.de.

3. นายพยงศกด พพฒนและนายอาพล อนรตน. (2547). การประกอบและทดสอบสมรรถนะของ

เครองยนตกงหนแกสขนาดเลก. ปรญญานพนธ. วศ.ม. (วศวกรรมเครองกล). กรงเทพฯ:

บณฑตวทยาลย มหาวทยาลยศรนครนทรวโรฒ .ถายเอกสาร.

ภาคผนวก

90

ภาคผนวก ก

แบบเครองยนตเจทขนาดเลก

91

91

92

92

93

94

94

95

95

96

96

97

98

99

100

100

101

102

103

104

ภาคผนวก ข

เอกสารตพมพ

105

106

107

108

109

110

111

112

ประวตยอผวจย

114

ประวตยอผวจย

ชอ ชอสกล นายชานนท ชยสข

วนเดอนปเกด 25 พฤศจกายน 2520

สถานทเกด เชยงใหม

สถานทอยปจจบน 3199/37 ซ.ลาดพราว 101 วดบงทองหลาง แขวงคลองจน

เขตบางกะป กรงเทพมหานคร

ประวตการศกษา

พ.ศ.2531 มธยมศกษาตอนตน

จากโรงเรยนปรนสรอยแยลสวทยาลย เชยงใหม

พ.ศ. 2535 ประกาศนยบตรวชาชพ อเลคทรอนคส

จากโปลเทคนคลานนา เชยงใหม

พ.ศ. 2539 ประกาศนยบตรวชาชพชนสง เทคนคอตสาหกรรม

จากสถาบนเทคโนโลยราชมงคล วทยาเขตภาคพายพเชยงใหม

พ.ศ. 2542 อดมศกษา(ครศาสตรอตสาหกรรม) วศวกรรมอตสาหการ

จากสถาบนเทคโนโลยราชมงคล วทยาเขตภาคพายพเชยงใหม พ.ศ. 2549 บณฑตศกษา(วศวกรรมศาสตรมหาบณฑต) วศวกรรมเครองกล

จากมหาวทยาลยศรนครนทรวโรฒ