Aircraft Engine (เครื่องยนต์) Part 2

ตอนนี้จะกล่าวถึงเครื่องยนต์แบบ Turboprop, Turbojet และ Turbofan โดยที่เครื่องยนต์ Turboprop เป็นแบบใบพัด ส่วน Turbojet และ Turbofan เป็นแบบเจ็ต

ก่อนอื่นต้องรู้จักสิ่งที่เรียกว่ากังหันแก๊ส หรือที่เรียกว่า Gas turbine ในภาษาอังกฤษ ที่จริงแล้วกังหันแก๊สไม่ได้ถูกนำมาใช้ในเครื่องยนต์ของเครื่องบินอย่างเดียว แต่ยังสามารถนำมาใช้ในวงการอุตสาหกรรมได้อีกด้วย
การทำงานของกังหันแก๊สมีหลักการคล้ายๆ กันกับเครื่องยนต์ลูกสูบสี่จังหวะ แต่ว่าทั้งสี่กระบวนการ (การดูดอากาศเข้า, การบีบอัดอากาศ, การขยายตัว และการนำไอเสียออก) เกิดขึ้นพร้อมๆ กันอย่างต่อเนื่อง สำหรับผู้ที่สนใจในวิชา thermodynamics อาจเคยได้ยิน cycle ที่เรียกว่า Otto cycle ซึ่งเป็น cycle ที่ใช้ในเครื่องยนต์ลูกสูบสี่จังหวะ (ที่ใช้น้ำมันเบนซิน) ส่วน cycle ที่ใช้ในกังหันแก๊สเรียกว่า Breyton cycle ซึ่งก็มีการดูดอากาศเข้า การบีบอัดอากาศ การขยายตัวของอากาศ และการนำไอเสียออกเช่นกัน


จากรูปด้านบน ด้านหน้าของกังหันแก๊สคือคอมเพรสเซอร์ (Compressor) ซึ่งทำหน้าที่ดูดอากาศและอัดอากาศเข้าไปในห้องเผาไหม้ (Combustion chamber) ในห้องเผาไหม้นี้เชื้อเพลิงจะถูกฉีดเข้าไป เนื่องจากอากาศที่ถูกบีบอัดมีอุณหภูมิและความดันสูง ทำให้เชื้อเพลิงเกิดการเผาไหม้ทำให้อากาศเกิดการขยายตัว อากาศที่ขยายตัวจะถูกดันออกมาทางด้านหลังผ่านกังหัน (หรือที่เรียกว่าเทอร์ไบน์ Turbine) กังหันก็ดึงพลังงานออกมาจากอากาศที่ไหลผ่าน เกิดการหมุนของกังหันขึ้นและสามารถนำพลังงานนี้มาใช้ประโยชน์ต่อได้ สุดท้ายแล้วอากาศที่ไหลผ่านกังหันก็ถูกปล่อยออกมาสู่บรรยากาศอีกครั้ง เนื่องจากอากาศไหลผ่านกังหันแก๊สอย่างต่อเนื่องทำให้ทั้งสี่กระบวนการเกิดขึ้นพร้อมๆ กันตามจุดต่างๆ ของเครื่องยนต์

ในเครื่องยนต์แบบ Turboprop จะมีเพลาเชื่อมกังหันและคอมเพรสเซอร์ ทำให้คอมเพรสเซอร์ดึงพลังงานมาใช้ได้โดยไม่ต้องอาศัยพลังงานจากแหล่งอื่น โดยทั่วไปแล้วพลังงานที่ต้องใช้ในการหมุนคอมเพรสเซอร์น้อยมากเมื่อเทียบกับพลังงานที่ได้จากกังหัน ในเครื่องยนต์แบบ Turboprop เพลาที่เชื่อมระหว่างกังหันกับคอมเพรสเซอร์ยังถูกเชื่อมต่อกับใบพัดของเครื่องบินด้วย ซึ่งพลังงานที่เหลือจากการหมุนคอมเพรสเซอร์ก็จะถูกนำมาใช้หมุนใบพัดนี้ ทำให้เกิดแรงขับขึ้น

เครื่องยนต์แบบ Turbojet (บางครั้งเรียกว่า Pure jet) คล้ายกันกับเครื่องแบบ Turboprop แต่ว่ากังหันดึงพลังงานแค่บางส่วนจากอากาศที่ไหลผ่านกังหัน เพียงพอที่จะหมุนคอมเพรสเซอร์เท่านั้น ดังนั้นอากาศจึงเหลือพลังงานอยู่มาก ซึ่งหมายถึงอากาศที่ไหลออกมาสู่บรรยากาศยังความเร็วสูงมาก อากาศที่มีความเร็วสูงนี้เรียกว่าเจ็ต (Jet) ซึ่งทำให้เกิด Impulse ซึ่งผลลับที่ได้คือแรงขับ ตามกฎข้อที่สองของนิวตัน (จริงๆ แล้วกฎข้อสอง F = ma มีความหมายทาง impulse ด้วยถ้าพิจารณาอย่างถี่ถ้วน)

ส่วนเครื่องยนต์แบบ turbofan นั้นจะมีใบพัดใบใหญ่อยู่ข้างหน้าเพื่อดูดอากาศเข้า (ดูรูปด้านล่าง) ส่วนถัดมาจะแยกเป็นสองส่วน ส่วนตรงกลาง (Core) และส่วนด้านนอก (Bypass) ส่วนตรงกลางเป็นเครื่องยนต์ turbojet ธรรมดา ส่วนด้านนอกเป็นช่องให้อากาศไหลผ่านโดยไม่มีการฉีดเชื้อเพลิงเข้าไป ดังนั้นอากาศในส่วนนี้ (Bypass air) จึงไหลช้ากว่าอากาศตรงกลาง (Air through core) อากาศทั้งสองส่วนจะถูกรวมกันอีกครั้งทางด้านหลัง ทำให้อากาศที่ไหลออกสู่บรรยากาศมีความเร็วที่อยู่ระหว่างความเร็วทั้งสอง การทำเช่นนี้จะให้แรงขับน้อยกว่า Turbojet แต่จะเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพของแรงขับ (Propulsive efficiency) ให้กับเครื่องยนต์ แน่นอนว่าใบพัดด้านหน้าของเครื่องยนต์ turbofan เชื่อมอยู่กับเพลาในเครื่อง Turbojet ตรงกลาง ทำให้ไม่ต้องอาศัยพลังงานจากแหล่งอื่นมาหมุนใบพัด