เรอง ชดสาธตเครองไอพน (JET ENGINE) ประจ าปงบประมาณ พ.ศ.๒๕๕๙

โรงเรยนชางฝมทหาร สถาบนวชาการปองกนประเทศ กองบญชาการกองทพไทย พ.ศ.๒๕๕๙

บทท 1 บทน า

1.1 ความเปนมาและความส าคญของปญหา ตงแตอดตจนถงปจจบน มนกเรยนชางฝมอทหารจ านวนหนง ซงบรรจรบราชการในกองทพ และภาคเอกชน

ซงตองหนาทเกยวกบการซอมบ ารงเครองยนตไอพน (Jet engine) โดยสวนใหญแลวจะเปน นกเรยนชางฝมอทหารสาขาวชาชพชางยนต แตเนองจากตงแตอดตมานน หลกสตรของวชาชพชางยานยนตนน ไมมการเรยนการสอนในเนอหา หรอรายวชาทเกยวของกบเครองยนตไอพน (Jet engine) ซงเมอจบเขาบรรจรบราชการแลว ท าใหเกดปญหาในระหวางการปฏบตงาน เนองจากไมสามารถปฏบตงานในหนาทไดดเทาทควร เนองจากไมเคยมความร พนฐานมากอน ดงนน เพอใหสอดคลองกบความตองการของกองทพ ทตองการบคลากรทมความสามารถในการปฏบตงานในหนาทในสายงานดงกลาว และเปนการลดตนทนจากการน าเขาเครองยนตสาธต ซงมราคาสง คณะผจดท า จงไดคดรเรมเพอจดสรางตนแบบเครองยนตไอพน (Jet engine) ทสามารถท างานไดจรง โดยใชชนสวนทสามารถจดหาไดทวไป น ามาดดแปลงปรบปรงเพอใชเปนชดสาธต เพอใหนกเรยนชางฝมอทหารวชาชพชางยานยนต และผทสนใจไดศกษาและท าความเขาใจ เพอจะไดน าความรทไดเปนพนฐานสการประยกตใชในงานจรงตอไป 1.2 วตถประสงคการวจย 1.2.1 เพอออกแบบและสรางชดสาธตเครองยนตไอพน (Jet engine) 1.2.2 ใชเปนสอการเรยนการสอนไดทสามารถท างานไดจรง 1.3 สมมตฐานการวจย 1.3.1 ชดสาธตเครองยนตไอพน (jet engine) สามารถท างานได 1.3.2 คร อาจารย สามารถใชชดสาธตเครองยนตไอพน (jet engine) เปนสอการเรยนการสอนได 1.4 ขอบเขตการวจย 1.4.1 สรางชดสาธตเครองยนตไอพน (jet engine) แบบกงอตโนมต 1.4.2 ใชเครองอดอากาศของรถยนต (Turbo) เปนเครองตนก าลง 1.4.3 ใชกาซ LPG เปนเชอเพลง

1.5 งบประมาณทใช

ล าดบ รายการวสด หนวยนบ จ านวน ราคา/หนวย

เปนเงน

1 Turbo Nissan Skyline รหสเครองยนต RB 25 (มอสอง) ลก 1 4,500 4,500 2 เรกเรตควมคมความดน ส าหนบถงกาซ LPG ตว 1 560 560 3 เรกเรตควมคมความดนส าหรบลมอด ขนาดรใชงาน 3/8 in ตว 2 750 1,500 4 Solinoil valve ใชไฟ 12 v ขนาดรใชงาน 3/8 in ตว 2 700 1,400 5 Solinoil valve ใชไฟ 12 v ขนาดรใชงาน 5/8 in ตว 1 800 800 6 แผงระบายความรอน น าหลอเยน แผง 1 1,000 1,000 7 วาลวปรบปรมาณกาซ ของระบบแกสรถยนต ตว 1 500 500 8 ทอนวเมตกส ขนาด 1/4 in เมตร 10 50 500 9 ทอน ามนเชอเพลง ขนาดรใชงาน 5/8 in เมตร 5 140 700 10 ทอแสตนเสส (304) ขนาด 3/8 in เมตร 6 80 480 11 ทอแสตนเสส (๓๐๔) ขนาด 5/8 in เมตร 1 100 100 12 ทอกาซ NGV ขนาดรใชงาน 5/8 in เมตร 5 180 900 13 วาลวกนกลบ ขนาดรใชงาน 1/4 in ตว 2 380 760 14 ขอตอตรง Push-in ของระบบนวเมตกส ขนาด 1/4 in ตว 24 20 720 15 ขอตอตรงส าหรบระบบ กาซ NGV (แสตนเลส) ตว 2 430 830 16 เขมขดรดทอแสตนเลส ขนาดเสนผานศนยกลาง 1/2 in เสน 15 15 225 17 โปเวอรเปาลม ตว 1 1,200 1,200 18 หมอแปลงไฟ 220 V AC เปน 12 V DC ขนาด 20 A ลก 1 3,000 3,000 19 ชดควบคมและสรางสญญาณการจดระเบด ชด 1 2,000 2,000 20 พดลมระบายความรอนน าหลอเยน ใชไฟ 12 V ขนาด 5 in ตว 1 600 600 21 หวเทยน NGK Iridium เบอร 7 หว 1 100 100 22 ชดเซนเซอรวดอณหภม (1,300 องศา) พรอมจอแสดงผล ชด 3 2,000 6,000 23 ชดเซนเซอรวดอณหภม (130 องศา) พรอมจอแสดงผล ชด 2 900 1,800 24 ชดเซนเซอรวดแรงดนอากาศ ( 2 Bar ) พรอมจอแสดงผล ตว 1 900 900 25 สายไฟ ขนาด 2 เสนผานศนยกลาง 2 mm มวน 4 240 960 26 รเลยรถยนต Boss แบบผสม ตว 8 140 1,120 27 ซองเสยบรเลย ตว 8 20 160 28 ฉนวนกนความรอน สายไฟ เมตร 3 40 120 29 ทอหดขนาด 3 , 5 mm เมตร 4 15 60 30 สวตชแบบ กดตด กดดบ แบบกลม ส าหรบไฟ 12 V ตว 8 20 160 31 สวตชฉกเฉน ส าหรบไฟ 12 V ตว 1 230 230 32 หลอดไฟโชว แบบกลม ขนาด 12 V หลอด 8 20 160 33 ตาแมวส าหรบแอรบาน ตว 2 250 500

1.6 ประโยชนทคาดวาจะไดรบ 1.6.1 ไดชดสาธตเครองยนตไอพน (jet engine) ทสามารถท างานไดจรง 1.6.2 ใชเปนสอการเรยนการสอนส าหรบ นชท. วชาชพชางยานยนต และบคคลทสนใจ 1.6.3 นชท. มความรความเขาใจเพมขนเกยวกบเครองยนตไอพน 1.6.4 ลดการน าเขาเครองยนตสาธตตวอยาง 1.6.5 สามารถน าความรมาประยกตใชในงานจรงได 1.7 นยามศพทเฉพาะ

สญลกษณ ความหมาย หนวย F แรง N m มวล Kg Vs ความเรวในแนวแรง m/s VB ความเรวของไหล m/s Wnet งานสทธ J Qin ความรอนเขา J

Qout ความรอนออก J ∑Q ผลรวมความรอน J ∑W ผลรวมงานสทธ J

Compressor เครองอดอากาศ - Combustion การเผาไหม - Turbine กงหนแรงดล -

34 เหลกกลอง ขนาด 1 in x 1 in ความหนา 1 mm เมตร 12 50 600 35 เหลกเสนแบน หนากวาง 1 in ความหนา 2 mm เมตร 6 50 300 36 แผนอลมเนยม หนา 1.5 mm ขนาด 1.22 x 2.44 m แผน 1 1,800 1,800 37 เหลกแผนส าเรจรปหนา 2 mm ขนาด 10 x 10 mm แผน 4 30 120 38 ลอเลอนอเนกประสงค พรอมเบรกในตว ลอ 4 120 480 39 นอตและสกร เกลยว M4 ความยาว 1.5 in ตว 100 0.5 50 40 แหวนปกกวาง รใน M4 ตว 200 0.2 40 41 คาขนรปชดผสมกาซและอากาศ ชน 1 700 700 42 คาขนรปหองเผาไหม ชน 1 5,000 5,000 43 คาขนรปหองเผาไหมกาซรอนซ า ชน 1 3,000 3,000 44 คาขนรปทอทางเดนอากาศอด ชน 1 2,000 2,000 45 คาขนรปถงพกน าหลอเยน และถงน ามนหลอลน ชน 1 1,800 1,800 45 คาขนรปถงพกน าหลอเยน ถง 1 1,500 1,500

รวมทงเปนเงน 51,935.00 บาท

บทท 2 ทฤษฎและความรทเกยวของ

1) ทฤษฎและความรทเกยวของ

ภาพประกอบ 2.1 การท างานของเครองยนตไอพนแบบระบบเปด

จากภาพท 2.1 การท างานเบองตนของเครองยนตไอพน คอการเปลยนแปลงพลงงานจลนเปนพลงงานกล จากการเผาไหมจนกาซรอนขยายตวทความดนสง ไปผลกดนชดกงหนของเครองยนตไอพนใหหมน โดยเรมจาก การน าเอาอากาศจ านวนมากเขาสเครองยนต (ทางดาน Intake) โดยอาศยแรงดดและอดจากคอมเพรสเซอร (Compressor) ใหมอณหภมและความดนสงขนแลวสงเขาไปยงหองเผาไหม Combustion) และในขณะเดยวกนนนเชอเพลงจะถกฉดเขาหองเผาไหม ซงเชอเพลงกบอากาศจะผสมกนในอตราสวนทเหมาะสม แลวถกจดระเบดขนท าใหกาซรอน จากการสนดาปขยายตวไปผลกดนใบกงหน (Turbine) ซงกงหน แกนเพลา และใบพดคอมเพลสเซอร (Compressor) จะเชอมตอกนโดยตรง ท าใหทง 3 ชนสวนเกดการหมนไปพรอมกน ซงพลงงานจลนของกาซรอนทขยายตว จะถกแบงออกเปน 2 สวน คอ

1) พลงงานทท าใหกงหนเกดการหมน ซงท าใหเกดพลงงานกลในรปแบบของการหมนตามแนวรศม 2) พลงงานทปลอยออกสบรรยากาศ ซงท าใหเกดแรงผลกดน

เครองยนตไอพน (Jet engine) เปนเครองยนตทท างาน โดยใชหลกการและทฤษฎของวฏจกรเบรยตน (Breyton

Cycle) มาประยกตใชงาน โดยแบงออกเปน 2 แบบ คอ แบบระบบเปด ดงภาพประกอบท 2.2 และระบบปดดงภาพประกอบท 2.3 ซงแบบทเหมาะสมกบการใชงานจรง ๆ คอ แบบระบบเปดซงมการสนดาปทความดนคงท และตอเนอง โดยมสวนประกอบหลกส าคญ อย 3 สวน ไดแก

1) เครองอดอากาศ (Air Compressor) 2) หองเผาไหม (Combustion Chamber) 3) ชดกงหน (Turbine) 4) อปกรณส าหรบปอนเชอเพลง

ภาพประกอบ 2.2 การท างานของเครองยนตไอพนแบบระบบเปด

ภาพประกอบ 2.3 การท างานของเครองยนตไอพนแบบระบบปด

2.1 ทฤษฎและกระบวนการท างานของวฏจกรเบรยตน วฏจกรเบรยตน ถอวาเปนแมแบบของวฏจกรของเครองยนตกงหนแกส ซงถกเรยกโดยทวไปวาเครองยนตไอพน (Jet engine) โดยมกระบวนการท างานดงน

กระบวนการ (1 - 2) คอกระบวนการอดแบบแอเดยบาตก กระบวนการ (2 - 3) คอกระบวนการใหความรอนแบบความดนคงท กระบวนการ (3 – 4) คอกระบวนการขยายตวแบบแอเดยบาตก

กระบวนการ (4 – 1) คอกระบวนการถายเทความรอนออกแบบความดนคงท

(ก) (ข) ภาพประกอบ 2.4 (ก) แสดง T-S ไดอะแกรม (ข) แสดง P-V ไดอะแกรม

จากภาพท 2.4 กระบวนการตางๆ ของเครองยนตไอพน (Jet engine) สามารถแบงไดเปน 4 กระบวนการ ซงสามารถอธบายไดดงตอไปน กระบวนการท 1 (จากหมายเลข 1 ไปหมายเลข 2) อากาศจะถกดดจากภายนอกทความดนบรรยากาศ แล วอดให มความดนและอณหภม สงขน ดวยคอมเพรสเซอร (Compressor) โดยเปนกระบวนการอดแบบแอเดยบาตก คอ ไมมความรอนสญเสย เอนโทรปคงท ( S = คาคงท ) กระบวนการท 2 (จากหมายเลข 2 ไปหมายเลข 3) เมออากาศถกอด จะท าใหเกดความรอนและความดน ถกสงเขาไปยง หองเผาไหมและสนดาปกบเชอเพลงทถกสงเขามา กระบวนการดงกลาว ถอเปนการใหความรอน แบบความดนคงท ( P = คาคงท ) กระบวนการท 3 (จากหมายเลข 3 ไปหมายเลข 4) ภายหลงการสนดาป จะไดแกสไอเสยทมความรอนและความดนสงซง แกสดงกลาว จะถกสงเขาชดกงหน ท าใหเกดการขยายตว กระบวนการนเรยกวา การขยายตวแบบ แอเดยบาตก กระบวนการท 4 (จากหมายเลข 4 ไปหมายเลข 1) เปนกระบวนการสงความรอนออกแบบความดนคงทกระบวนการนไอ เสยทผานการขยายตวจะถกขบออกสบรรยากาศ

จะเหนวาวฏจกรเบรยตนเปนวฏจกรเชงทฤษฎ เพราะพลงงานทไดกบพลงงานทใหมคาเทากน ซงในทางปฏบตไมสามารถเปนไปได เนองจากตองเกดการสญเสยขน เชน การสญเสย เนองจากแรงเสยดทาน การสญเสยความรอนจากการระบายความรอน สญเสยความรอนสภายนอกสภายนอก เปนตน

จากความสมพนธกฎขอท 1 ของอณหพลศาสตร ทวา ผลรวมความรอนทให (∑Q) = ผลรวมของงานทได (∑W)

แตในทางปฏบตระบบตองมการสญเสยดงนน งานทไดสทธ = ความรอนทให – ความรอนทสญเสย

ดงนน ประสทธภาพของวฎจกร = ใหความรอนทงานสทธ

หรอ

ประสทธภาพของวฎจกร = ความรอนทให ความารอนทสญเสย

ความรอนทให

2.2 หลกการแรงดล (The Impulse Principle) (ก) (ข)

ภาพประกอบ 2.5 แรงดลของล าของไหลทกระท าตอ (ก) แผนวตถอยกบท (ข) แผนวตถเคลอนท จากภาพประกอบท 2.5 หลกการของกงหนแรงดล เปนการถายทอดจากล าของไหลความเรวสง (Jet) สวตถ

ใหเคลอนทตามแนวแรงนน หากพจารณาล าของไหลความเรวสงตามแนวระนาบทกระทบแผนเรยบแนวตงอยกบท ของไหลจะแผออกตามระนาบของแผนเรยบนน ท าใหความเรวตามแนวระนาบของล าของไหลลดลงเปนศนย แรงทกระท านคอ แรงดล มคาเทากบโมเมนตมของล าของไหลตามแนวแกนนน ในทนคอทศทาง x เขยนสมการความสมพนธไดดงน

F = m (VS - o)

เมอ F = แรงดล (N) m = อตรามวลการไหลของล าของไหล (kg/s)

VS = ความเรวในแนวแรง (m/s)

ส าหรบแผนวตถทเคลอนทอยางอสระตามแนวแรงดวยความเรว VB ถา C – VB เปนความเรวของล าของไหลสมพทธกบแผนวตถ ฉะนนแรงทกระทบบนแผนวตถคอ F = m (VS- VB)

+X V1 +X

VB

2.3 กงหนแรงดล (Impulse Turbines) กงหนแรงดล เปนกงหนแบบงายอาจมโรเตอรเดยวหรอหลายโรเตอร (ผสม) ซงใบกงหนแรงดลเชอมตดอย

รปรางของใบกงหนประเภทนสามารถสงเกตไดงายเนองจากลกษณะใบมลกษณะสมมาตร มมมเขาและมมออก และเนองจากปกตใชในชวงความดนสงของกงหนไอน า จงมปรมาตรจ าเพาะของไอน าต าและตองการพนทก ารไหลนอยกวาทความดนต า ใบกงหนแรงดลจงสนและมพนทหนาตดคงท กงหนแรงดล มอย 2 ประเภทดวยกนคอ

1) กงหนแรงดลท างานทางเดยว (The Single – Stage Impulse Turbine) 2) กงหนแรงดลผสม (Compounded – Impulse Turbines)

2.3.1 กงหนแรงดลชนท างานเดยว (The Single – Stage Impulse Turbine) จากภาพประกอบท 2.6 กงหนแรงดลชนท างานเดยวหรอเรยกวา กงหน De Laval ตามชอนกประดษฐ ประกอบดวย โรเตอรเดยวซงใบกงหนแรงดลเชอมตดอย ไอน าถกปอนผานหวฉดคอนเวอรเจนไดเวอรเจนท 1 หวหรอหลายหวซงไมไดตดตงตลอดเสนรอบวงของโรเตอร ดงนนจงมบางสวนของใบกงหนเทานนทรบล าของไหลกระทบขณะเวลาหนงๆ โดยหวฉดเปนตวควบคมกงหนดวยการปดจายน าของหวฉด 1 หวหรอมากกวา

ภาพประกอบ 2.6 แสดงกงหนแรงดลแบบงาย

2.3.2 กงหนแรงดลผสม (Compounded – Impluse Turbines) ในกงหนแรงดนชนท างานเดยว ความเรวใบกงหนจะมประมาณครงหนงของความเรวไอน า โดยไอน าขยายตวจากสภาวะเครองก าเนดไอน าประมาณ 16.56 MPa และ540 C สความดนเครองควบแนนท 6.9 kPa (หรออาจเปนความดนบรรยากาศ) ในชนท างานของหวฉดชนท างานเดยวจะมความเรวประมาณ 1645 m/s หรอไดความเรวใบกงหนประมาณ 820 m/s ความเรวนพบวามากเกนกวาทลมตความปลอดภยอนญาตใหได เนองจากความเคนหนศนยกลางบนเนอวสดของโรเตอร อกทงความเรวไอน าทมากมผลใหเกดความสญเสยเนองจากความเส ยดทานมาก และลดประสทธภาพของกงหน ทงความเรวโรเตอรสงจ าเปนตองมเกยรขนาดใหญเพอลดความเรวใหเหมาะสมกบความเรวของเครองก าเนดไฟฟา ฉะนนเพอแกปญหาเหลานมวธการอย 2 วธทใชประโยชนไดทเรยกวา การผสมหรอการแบงชนท างาน (Compounding of Staging) คอ กงหนความเรวผสม (Velocity – Compouded - Turbine) หรออกวธหนงคอ กงหนแรงดลความดนผสม (The Pressure Compounded Impulse Turbine)

กงหนแรงดลความเรวผสม (Velocity – Compounded Turbine) ชวยแกปญหาของกงหนแรงดลชนท างานเดยวทใชไอน าความดนและอณหภมสง กงหนแบบนอนแรกทประดษฐโดย C.G. Curtis ประกอบดวยขนการท างานของหวฉด 1 ขนท างานเชนเดยวกบกงหนขนท างานเดยว แตตามดวยใบกงหนเคลอนท 2 แถวแทนทจะเปนแถวเดยวและมใบกงหนอยกบท แถวระหวางกลางตดอยกบสเตเตอร (Stator) ของกงหน ซงมหนาทเปนตวกลบทศทางของไอน าออกจากใบกงหนเคลอนทแถวแรกสใบกงหนเคลอนทแถวทสอง

ภาพประกอบ 2.7 ความดนและความเรวสมบรณของไอน าในกงหนแรงดลผสม 2.4. หลกการแรงปฏกรยา (The Reaction Principle)

หวฉดอยกบท จรวด ทรดน าสนามหญาแบบหมน เปนเครองมอซงของไหลพงออกจากหวฉดดวยความเรวทงนน โดยของจากของไหลเรมจากความเรวภายในทศนย และท าใหเกดแรงในทศทางการเคลอนทของของไหล F เทากบ

F = m.a

ขณะเดยวกน แรงนจะพยายามทเคลอนทวตถไปในทศทางตรงกนขาม แรงนเรยกวา แรงปฏกรยา ดงนนเครองมอดงกลาวขางตนคอ อปกรณแรงปฏกรยาทอาจตองใชแรงยดตรงอยกบท (กรณหวฉด) เคลอนทเปนเสนตรง (กรณจรวด) หรอหมน (กรณทรดน าสนามหญา) กรณทงหมดนความดนตก เปนเหตใหความเร วสงเกดขนภายในอปกรณ

2.5 กงหนแรงปฏกรยา (Reaction Turbines) จากภาพประกอบท 2.8 กงหนแรงปฏกรยาประดษฐขนครงแรกโดย C.A Parsons มลกษณะการท างานเปน

3 ขน โดยแตละขนท างานประกอบดวยใบกงหนอยกบท 1 แถวและใบกงหนเคลอนท 1 แถว ใบกงหนอยกบทนยมออกแบบใหมการไหลผานระหวางใบกงหนเสมอนไหลผานพนทของหวฉด ดงนนจงถอวาใบกงหนอยกบทเปนหวฉด ดงนนจงถอวาใบกงหนอยกบทเปนหวฉดทใหไอน าไหลเตมพกดรอบเสนรอบนอกของโรเตอร

Compressor

Turbine

ใบกงหนเคลอนทของกงหนแรงปฏกรยาแตกตางจากใบของกงหนแรงดลคอ ไมสมมาตร และเนองจากมการท างานบางสวนเปนเชนหวฉดจงมลกษณะรปรางคลายคลงกบใบกงหนอยกบท เพยงแตสวนโคงจะอยในทศทางตรงกนขาม

ภาพประกอบ 2.8 กงหนแรงปฏกรยา 3 ขนท างาน แสดงความดนและความเรวสมบรณของไอน า

จากแผนภาพเสนความดน แสดงวามความดนตกอยางตอเนองตลอดแนวทงหมดของใบกงหนทงแบบอยกบทและเคลอนท แตถงไมวาความดนเปลยนแปลงมากการเปลยนแปลงของความเรวสมบรณของไอน าแตละขนท างานกยงซ าแบบเดม 2.6 ระบบคอมเพรสเซอร

คอมเพรสเซอรเปนอปกรณเพมอตราสวนความดนใหอากาศทผานเขาหองเผาไหม อากาศจะถกอดใหมปรมาตรเลกลงประมาณ 3 – 12 เทา จากปรมาตรเดมโดยปกตอากาศทสงไปยงหองเผาไหมหากมปรมาณมากขนจะท าใหไดปรมาณกาซรอนเพมขน ปรมาณอากาศขนอยกบองคประกอบ 3 ประการ คอ

1) ความเรวในการหมนของคอมเพรสเซอร 2) ความเรวของตวเครอง 3) ความหนาแนนของอากาศ

คอมเพรสเซอรแบบไหลตามแนวรศม (radial compressor)

ส าหรบแบบจ าลองของ เครองยนตไอพนจะใชเครองอดอากาศแบบไหลตามแนวรศม เพราะเปนแบบทมความทนทานทสดและลกษณะโครงสรางทออกแบบงาย จงเปนลกษณะเดนทปจจบนนยมใชเครองอดแบบไหลตามแนวรศม

เครองอดแบบไหลตามแนวรศมสามารถสรางไดหลายรปแบบ แตละแบบจะแสดงคณลกษณะทหลากหลายแตทนยมหลกๆ ม 2 แบบ คอ แบบม Cover plate และแบบไมม Cover plate ซงลกษณะเดนของเครองอดแบบนคอมแผนเพลทคลมใบพดซงออกแบบมาเพอหลกเลยงการสญเสยตามชองวางทเกดขน

ภาพประกอบ 2.9 ภาพแสดงลกษณะของ Compressor และ Turbine

2.7 หองเผาไม Combustion Chamber ภายในหองเผาไหมของเครองยนตเจท มชองใหอากาศเพอใหอากาศทถกอดตวจากระบบอดอากาศไหลเขาไป

ในหองเผาไหม ภายในหองมหวฉดจายน ามนเชอเพลง และหวเทยนจดระเบด ( Ignition plug) การจดระเบดใหกบเครองยนตเจท จะถกกระท าตอนทสตารทเครองยนตเทานน เมอเครองยนตตดแลวจะเกดการเผาไหมอย างตอเนองเองตามจ านวนเชอเพลงทไหลเขาไป แกสรอนความดนสงทไดจากการเผาไหมกจะไหลไปทสวนของเทอรไบน

ภาพประกอบ 2.10 หองเผาไหม 2.8 หวฉด injector ท าหนาทฉดเชอเพลงทมความดนสง ใหเปนฝอยละออง เขาไปยงหองเผาไหมโดยตรง เพอใหสามารถคลกเคลากบอากาศไดดขน เพอใหการเผาไหมสมบรณ และมประสทธภาพเพมขน

ภาพประกอบ 2.11 หวฉด

2.9 สนดาปทาย (Afterburner) การสนดาปทายคอการทเครองยนตไอพนนน จะท าการฉดเชอเพลงเพมเขาไปในชวงทายของสวนการเผาไหม ซงท าใหก าลงขบของเครองสงขนเปนพเศษ

โดยทวไปพาหนะทมระบบ Afterburner นนจะถกใชกบ เครองบนรบทางทหารทตองการความเรวในการบนสงมาก เชน เครองบนขบไล ซงตองมคณสมบตในการเปลยนแปลงความเรวทสงอยางการบนดวยความเรวเหนอเสยง แตปจจบน เครองบนขบไลบางแบบสามารถท าความเรวเหนอเสยงโดยใชก าลงเครองทระดบไมเกน Military Power (คอก าลงเครองสงสดโดยไมใชสนดาปทาย) เชน F-22 (เรยกวาการบนแบบ Super cruise) ซงก าลงขบสงสดของ เครองบนทมการใช Afterburner จะเรยกวา Maximum Power

ภาพประกอบ 2.12 ลกษณะของการสนดาปทาย

บทท 3

การออกแบบและการวจย

ขนตอนการสราง

ในการออกแบบและสรางชดสาธตเครองยนตไปพน (Jet engine) ทสามารถท างานไดนน จะมชนสวนทตองทนตออณหภมสงเนองมาจากการเผาไหมได มความแขงแรงสง และเนองจากตองมการเคลอนทในแนวรศมทมความเรวสงมาก รวมถงตนทนในการออกแบบและการสราง จะตองใชตนทนทสงมาก ดงนนทางคณะผจดท าจงไดท าการดดแปลงน าชนสวนเครองยนตทมคณสมบตดงกลาวมาปรบใช เพอใหเกดความเหมาะกบการใชเปนสอการเรยนการสอน นนคอ เครองอดอากาศของรถยนต (Turbo) ซงทงนไดใชเทอรโบของรถยนต Nissan รน Skyline รหสเครองยนต RB 25 det เปนอปกรณหลกในการสรางและการออกแบบ

ภาพประกอบ 3.1 ภาพแสดงลกษณะทางกายภาพของ Turbo RB 25 det

3.1 การออกแบบหองเผาไม Combustion Chamber หองเผาไหม จะสรางจากวสด Stainless Steel 304 เนองจากเปนวสดทสามารถหาไดโดยทวไป และยงม

คณณสมบตในการทนทานการกดกรอน ทนความรอน และมการทนตอแรงดนทสง โดยจะขนรปดงภาพท 3.2 และท าการเจาะรเพอใหอากาศไหลเขาไปผสมกบเชอเพลงและเผาไหมในล าดบตอไป

ภาพประกอบ 3.2 แสดงการออกแบบหองเผาไหม

3.2 หองประจอากาศ หองประจอากาศ สรางจากวสด Stainless Steel 304 เชนเดยวกบหองเผาไหมท าหนาทเปนรบอากาศทถก

ดดและอดโดยคอมเพลสเซอร หรอใบพดของเทอรโบ จากอากาศทมความดนเทากบความดนบรรยากาศ และมอณหะภมตามสภาพแวดลอม ใหมความดนสงขน อณหภมสงขน ผานทอล าเลยงอากาศ โดยจะเขาทางดานชอง A และเมอท าการเผาไหมแลว กาซรอนจะไหลออกดวยความเรวสงไปยง ชอง B โดยแสดงดงรปท 3.3

ภาพประกอบ 3.3 แสดงการออกแบบหองหองประจอากาศ

3.3 หวฉด เพอใหงาย สะดวก ลดตนทน และลดระยะเวลาในการการสรางหวฉด จงดดแปลงขอตอทอของระบบกาซ NGV ทใชส าหรบตอเขากบหมอตมกาซ เนองจากท าจาก Stainless Steel จงมคณสมบตเหมาะสมตอการใชงาน โดยแสดงดงภาพท 3.4

ภาพประกอบ 3.4 แสดงลกษณะของหวฉด

3.4 หองเผาไหมไอเสยซ า After Burn

หองส ารองอากาศ จะสรางจากวสด Stainless Steel 304 เชนเดยวกบหองเผาไหม และหองประจอากาศ โดยภายใน บรเวณ อกษร A เปนหองผสมอากาศและกาซ LPG ท าใหสวนผสมทสามารถตดไฟเองไดจากกาซรอนทเหลอจากการเผาไหม ท าใหแรงขบดานทายมก าลงมากขนกวาเดม ซงไดท าการแกไขจากแบบเดม เนองจากไมมหองผสมอากาศและกาซ ซงท าใหหองเผาไหมไอเสยซ าไมสามารถเกดขนได โดยลกษณะทางกายภาพของแบบทปรบปรงแลวมลกษณะดงภาพท 3.5

A

ภาพประกอบ 3.5 แสดงลกษณะของหองเผาไหมไอเสยซ า 3.5 ทอรบ By pass อากาศอดเขาหองผสมอากาศ และ หวฉดเชอเพลงทาย ทอรบ By pass อากาศอดเขาหองผสมอากาศ (หมายเลข 1) ท าหนาทรบอากาศอด สวนหนงมาจาก คอมเพลสเซอร แลวสงอากาศเขามาผสมกบกาซ LPG โดยควบคมดวยหวฉดเชอเพลงทาย (หมายเลข 2) เขาไปยงหองผสม A (จากภาพประกอบท 3.5) เพอใหเกดการคลกเคลาสวนผสมจนสามารถเผาไหมไดอยางสมบรณ

ภาพประกอบ 3.6 แสดงลกษณะของทอรบ By pass อากาศอดเขาหองผสมอากาศ และ หวฉดเชอเพลงทาย

3.5 ทอสงอากาศอด ทอสงอากาศอด จะสรางจากวสด Stainless Steel 304 ท าหนาทสงอากาศอดจาก คอมเพลสเซอร ไปยง หองประจอากาศ ซงจะมสวนประกอบ หลก ๆ ดงน

1. ทอ by pass อากาศไปยงหองเผาไหมไอเสยซ า (หมายเลข 1) 2. ขอตอตดตงเซนเซอรวดความดนอากาศอด (หมายเลข 2) 3. จดตดตงเซนเซอรวดอณหภมอากาศ (หมายเลข 3)

ภาพประกอบ 3.7 แสดงลกษณะของทอสงอากาศอด

A

2

3 1

1

2

ภาพประกอบ 3.8 แสดงสวนประกอบเครองยนตไอพน ทางดานหนาและดานหลง

ภาพประกอบ 3.9 แสดงการตดตงระบบควบคม

ภาพประกอบ 3.10 แสดงลกษณะทางกายภาพโดยทวไป

3.6 สวนประกอบของแผงควบคม

1) ปม Emergency Sw. ท าหนาทตดการท างานทงหมดของระบบ เพอความปลอดภย เมอเกดเหตฉกเฉน

2) Pressure gage 1 ท าหนาทวดและแสดงผลความดนของกาซ LPG ทสงเขาไปยงหองเผาไหม

3) Pressure gage 2 ท าหนาทวดและแสดงผลความดนของกาซ LPG ทสงเขาไปยงหองเผาไหมไอเสยซ า

4) Compressor air temp ท าหนาทวดและแสดงผลอณหภมของอากาศทถกอดออกมาจากคอมเพลสเซอร

5) Combustion Temp ท าหนาทวดและแสดงผลอณหภมของกาซรอนในหองเผาไหม

6) After burn temp ท าหนาทวดและแสดงผลอณหภมของกาซรอนในหองเผาไหมไอเสยซ า

7) Regulate valve 1 ท าหนาทปรบความดนของกาซ LPG ส าหรบหองเผาไหมหลก

8) Regulate valve 2 ท าหนาทปรบความดนของกาซ LPG ส าหรบหองเผาไหมไอเสยซ า

9) Air pressure ท าหนาทวดและแสดงผล ความดนอากาศ ทถกอดมาจากคอมเพลสเซอร

10) Water temp ท าหนาทวดและแสดงผล อณหภมน าหลอเยน

11) Oil temp ท าหนาทวดและแสดงผล อณหภมน าหลอลน

12) 12 V DC Sw. ท าหนาทเปดระบบพลงงานไฟฟา แรงเคลอน 12 V. กระแสตรง

13) Water pump Sw. ท าหนาทเปดปมน าหลอเยน

14) Oil pump Sw. ท าหนาทเปดปมน ามนหลอลน

15) Ignition Sw. ท าหนาทเปดระบบจดระเบด

16) Main fuel Sw. ท าหนาทเปด Solenoid จายกาซ LPG ไปยงหองเผาไหมหลก

17) After burn fuel Sw. ท าหนาทเปด Solenoid จายกาซ LPG ไปยงหองเผาไหมไอเสยซ า

18) Defi gage Sw. ท าหนาทเปดมาตรวด Defi ทงหมด

บทท 4 การทดลองและการวดผล

ตอนท 1 การทดลอง

4.1 เครองมอและอปกรณทใชในการทดสอบ 4.1.1 ถงกาซ ขนาด 15 kg 4.1.2 คอมเพลสเซอรอดอากาศ ความดน 10 บาร พรอมปนเปาลม 4.1.3 ถงดบเพลง 4.2 ขนเตรยมการทดลอง 4.2.1 จดเตรยมเจาหนาท ส าหรบควบคมความปลอดภย จ านวน 3 นาย ไดแก - ผควบคมชดสาธตเครองยนตไอพน (Jet engine) - เจาหนาทควบคมความปลอดภยของชดสาธตเครองยนตไอพน (Jet engine) - เจาหนาทควบคมชดอปกรณดบเพลง 4.2.2 การจดเตรยมสถานท ตองเปนสถานทโดยมรายละเอยดดงน - มอากาศถายเทไดสะดวก - มทวางทางดานทาย ไมนอยไปกวา 8 เมตร เพอปองกนกาซรอนท าอนตรายกบผคนสงของ - มพดลมระชวยระบายอากาศ เพอปองกนการรวไหลของกาซ LPG ไมใหหมนวนอยในพนท 4.3 ขนท าการทดสอบชดสาธตเครองยนตไอพน (Jet engine)

1) เปดสวตชชดวดอณหภม ทง 2 ต าแหนง

2) เปดสวตช Main ระบบไฟ 3) เปดสวตชปมน าหลอเยนและน ามนหลอลน 4) ใช Blower เปาลมเขาไปยงใบพดดานคอมเพลสเซอร เพอประจอากาศสรางแรงดนและเปนการอดอากาศ

ท าใหใบพดเรมหมน 5) เปดสวตชจดระเบด

6) เปดสวตชควบคมวาลวจายกาซ

7) ปรบปรมาณกาซ LPG ทละนอย พรอมสงเกตเสยงจากการเผาไหม

8) เพมปรมาณกาซขนเรอย ๆ จนกวาเครองจะสามารถท างานไดดวยตวเอง โดยไมตองใชปนลมชวย 9) น าปนเปาลมออกอยางชา ๆ เพอสงเกตวาเครองยนตสามารถท างานไดดวยตวเองหรอไม

9) ปดสวตชจดระเบด โดยปลอยใหเครองท างานเองโดยอตโนมต 4.4 ขนท าการทดสอบระบบเผาไหมไอเสยซ า After burn

1) เปดสวตชระบบการเผาไหมซ า เพอทดสอบการสนดาปทาย

2) ปรบปรมาณการฉดเชอเพลง ใหเหมาะสม โดยสงเกตจาก หนาจอวดอณหภม หองเผาไหม ใหอยประมาณ 900 องศาเซลเซยส

4.4 ขนตอนการดบชดสาธตเครองยนตไอพน (Jet engine) 4.4.1 ปรบปรมาณกาซ LPG อยางชา ๆ เพอใหรอบการท างานลดลงต า แตยงไมดบ

3) ปรบปรมาณ Regulate valve 2 โดยคอยๆ เพมปรมาณทละนอย เพอใหสวนผสมไดทจนเกดการลกไหม

ทหองเผาไหมไอเสยซ า

4.5 ขนท าการปดการท างานของเครองยนตไอพน 1) ปด Regulate valve 2 เพอหยดการจายกาซ LPG ทหองเผาไหมไอเสยซ า 2) ปด After burn fuel Sw. 3) คอย ๆ ลดปรมาณการจายกาซ ของ Regulate valve 1 เพอใหเครองยนตคอย ๆ ลดความเรว รอบลงจนดบในทสด 4) ปด Main fuel Sw. เพอหยดการจายกาซ LPG 5) ใช Blower เปาลม โดยทนท เพอเปนการหลอนลนใบพด และเปนการระบายความรอน

6) เปาลมไปเรอย จนกวาอณหภมการเผาไหมจะอยในชวงไมเกน 100 องศา 7) ปดระบบหลอลน หลอเยน และระบบวดอณหภมทกอยาง 4.6 การทดลอง ในการทดสอบชดสาธตเครองยนตไอพน (Jet engine) ไดแบงออกเปน 4 ครงดงน การทดสอบครงท 1

การทดสอบครงแรก โดยการเรมท างานทละขนตอน โดยสงเกตวามการลกไหมเกดขนแลว แตเครองไมสามารถรกษารอบการท างานไดดวยตวเอง และเมอน าปนเปาลมออก เครองยนตกจะเรมดบทนท

การวเคราะห การทเครองยนตไมสามารถรกษารอบการท างานไดดวยตวเองนน เนองจากพลงงานในการเผาไหม ไมเพยง

พอทจะท าใหพลงงานทกงหนเทอรไบน เอาชนะพลงงานของคอมเพลสเซอรได

900 ‘C

การแกไข ปรบแตงอปกรณเปาลม ใหสามารถจายปรมาณลมไดมากขน โดยเพมแรงดนในถงลม ใหถง 10 บาร ตามคาพกด

สงสดของถงลม

การทดสอบครงท 2 เรมการทดสอบโดยท าตามทละขนตอน โดยแกไขแรงดนลมใหเปน 10 บาร แตอาการกไมตางจากเดม โดย

เครองยงคงไมสามารถรกษารอบการท างานไดเชนเคย การวเคราะห การทเครองยนตไมสามารถรกษารอบการท างานไดดวยตวเองนน เนองจากพลงงานในการเผาไหมไมเพยง

พอทจะท าใหพลงงานทกงหนเทอรไบน เอาชนะพลงงานของคอมเพลสเซอรได ซงจากคร งทแลวไดแกไขในสวนของปรมาณอากาศ ไปแลว ครงนจงแกไขในเรองของปรมาณเชอเพลง

การแกไข ปรบแตงอปกรณควบคมปรมาณกาซ ทงระบบ ใหสามารถจายปรมาณกาซไดมากขน โดยมการดดแปลง ขยายขอ

ตอทอทาง พรอมถอดกรองกาซท Safety valve ออก เพอใหปรมาณกาซสามารถไหลไดเพมขน

ภาพกรองกาซ ทถอดออกจาก Safety valve การทดสอบครงท 3

เรมการทดสอบโดยท าตามทละขนตอน โดยแกไขแรงดนลมใหเปน 10 บาร ปรบแตงอปกรณการจายปรมาณกาซ ซงครงน ท าใหเครองยนตสามารถรกษารอบการท างานของเครองยนตได สามารถปรบความเรวรอบได แตเมอเปดการสนดาปทาย จะสงเกตวาการสนดาปทายไมสบบรณ เนองจากเปลวไฟ เปนสสม

การวเคราะห การทเปลวไฟเปนสสม เนองจากสวนผสมหลงจากการเปาไหมแลว หลงเหลออากาศนอยเกนไป ท าใหการเผา

ไหมไมสมบรณ การแกไข

ออกแบบหองสนดาปทายใหม โดยตดตงทออากาศทรบมาจากคอมเพลสเซอรโดยตรง มาปลอยทมกซเซอร ของหองเผาไหมซ า

การทดสอบครงท 4 เรมการทดสอบโดยท าตามทละขนตอน โดยแกไขแรงดนลมใหเปน 10 บาร ปรบแตงอปกรณจายปรมาณกาซ

เพมทอทางเดนอากาศ ทไมผานการเผาไหม สงมายงหองสนดาปทายโดยตรง ซงท าใหการสนดาปทายสมบรณ จนมเปลวไฟเปนสฟา และมอณหภมสง ดงภาพ

ตอนท 2 ผลการทดลอง

จากผลการทดลองเครองยนต ไดผลดงน 1. เครองยนตทสรางขนนเปนเครองยนตทออกแบบโดยดดแปลงมาจาก Turbo รถยนต 2. เครองยนตสามารถท างานได สามารถปรบความเรวรอบได และมแรงขบทางดานทาย 3. อณหภมไอเสยในหองเผาไหมสงสดทวดไดอยทประมาณ 1300 องศา เชนเดยวกบหองสนดาปทาย 4. เครองยนตสามารถท างานไดตอเนอง โดยปลอยใหท างานเองหลงจากท าการตดเครองได 5. ปรมาณการใชกาซ LPG 15 kg สามารถท างานไดอยางตอเนอง ประมาณ 20 นาท ซงไมสามารถวดปรมาณท

แนนอนได เนองจากสามารถวดความเรวรอบเครองยนต ในการทดสอบได ขอควรระวงในการท างาน

1. เมอเกดเหตการณผดปกตเกดขน ใหกดปมฉกเฉน เพอตดวงจรการท างานทกระบบ เพอหยดการจายเชอเพลง การจายฟา โดยทนท

2. ไมควรยนอยดานหลงของชดสาธตชดสาธตเครองยนตไปพน (Jet engine) เนองจากมความรอนและความดนสงมาก อาจกอใหเกดอนตรายได

สวนทเพมขนมา

ความสนใจของขาราชการ นชท. และผเขาชมการแสดง ทมตอชดสาธตเครองยนตไอพน

บทท 5

สรปผลการวจย อภปรายผลและขอเสนอแนะ 5.1 สรปผลการวจย

ในการวจยครงนเปนการออกแบบและสรางชดสาธตเครองยนตไอพน (Jet engine) โดยใชทฤษฎเบรยตน (Brayton’s cycle law) เปนทฤษฎหลกในการออกแบบและค านวณ ซงวฎจกรเบรยตนน เปนวฎจกรเครองยนตสนดาปภายในทมทงการรบความรอนและคายความรอนตามกระบวนการความดนคงท ซงวฎจกรนเหมาะส าหรบเครองยนตกงหนแกส เนองจากระบบของเครองยนตกงหนแกสเปนระบบทมการไหลของสารตวกลางอยางตอเนอง และสามารถออกแบบใหการเผาไหมตดตอกนไปตลอดเวลาแบบความดนคงท โดยในการออกแบบเครองยนตกงหนแกสขนาดเลกน จะใชสวนประกอบของเทอรโบชารจรถยนต ในรน RB-25 มาใชเปนสวนประกอบหลกในการออกแบบและสราง โดยใชชนสวนจากเทอรโบชารจ ประกอบดวยชดคอมเพรสเซอรและชดกงหน

5.2 อภปรายผล

จากการทดลองสรปไดวา เครองยนตนสามารถท างานได เสมอนการท างานของเครองยนตไอพนของจรง สามารถปรบรอบการท างานได และสามารถใชเปนชดสาธตการท างานของเครองยนตไอพน ซงหลงจากทท าการตดเครองดวยระบบชวยสตารทแลว สามารถท างานไดอยางตอเนอง

5.3 ขอเสนอแนะ 5.3.1 ควรเปลยนชนดของเชอเพลงเปนเชอเพลงประเภท น ามน เนองจากมความปลอดภยสงกวา เชอเพลงประเภท กาซ 5.3.2 ควรเปลยนปมน ามนหลอลน ใหเปนแบบเฉพาะ เนองจากจากชดสาธตทใชนน เปนปมน ามนเชอเพลงซงไมเหมาะกบ น ามนหลอลน 5.3.3 ควรมเซนเชอรวดความเรวรอบ ของชดสาธตเครองยนตไอพน เพอใหสามารถวดคาความเรวรอบของเครองยนตได

อางอง

1. “ch10-3”. Hq.nasa.gov. Retrieved 2010-03-26. 2. Mattingly, Jack D. (2006). Elements of Propulsion: Gas Turbines and Rockets. AIAA Education

Series. Reston, VA: American Institute of Aeronautics and Astronautics. p. 6. ISBN 1-56347-779-3.

3. Mattingly, pp. 6-8 4. Mattingly, pp. 9-11 5. Mattingly, p. 12 6. Sweetman, Bill (2005). The Short, Happy Life of the Prop-fan

(http://www.airspacemag.com/history-of-flight/prop-fan.html). Air & Space Magazine. 1 September 2005.

7. Mattingly, p. 14 8. *Flack, Ronald D. (2005). Fundamentals of Jet Propulsion with Application. Cambridge

Aerospace Series. New York, NY: Cambridge University Press. P. 16. ISBN 978-0-521-81983-1. 9. Benson, Tom. Ramjet Propulsion (http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-

12/airplane/ramjet.html). NASA Glenn Research Center. Updated: 11 July 2008. Retrieved: 23 July 2010.

10. Heiser, William H.: Pratt, David T. (1994). Hypersonic Airbreathing Propulsion. AIAA Education Series. Washington, D.C.: American Institute of Aeronautics and Astronautics. pp. 23-4. ISBN 1-56347-035-7.

11. GFC Rogers, and Cohen, H. Gas Turbine Theory, p. 108 (5th Edition), HIH Saravanamuttoo. 12. Rocket propulsion elements, Sutton, Biblarz-table 3-1 13. Nicholas Cumpsty (2003). Jet Propulsion (2nd ed.). Cambridge University Press. ISBN 0-521-

54144-1. 14. 1. Unified: Thermodynamics and Propulsion, Prof. Z. S. Spakovszky

(http://web.mit.edu/16.unified/www/SPRING/propulsion/notes/node 139.html). Scroll down to “Performance of Turbojet Engines, Section 11.6.4. (Obtained from the website of the Massachusetts Institute of Technology).

15. Wade, Mark. “RD-0410”. Encyclopedia Astronautica. Retrieved 2009-09-25. 16. “Jet Propulsion” Nicholas Cumpsty ISBN 0 52 59674 2 p24. 17. Claie Soares, “Gas Turbines: A Handbook of Air, Land and Sea Application”, pp. 140. 18. Klaus Huenecke, “Die Technik des modernen Verkehrsflugzeuges”, pp. 111-117. 19. http://www.astronautix.com/engines/nk33.htm 20. http://www.astronautix.com/engines/ssme.htm 21. http://www.MTTS.ac.th

ภาคผนวก

ท าเนยบผเชยวชาญ โรงเรยนชางฝมอทหาร

รองศาสตราจารย ดร.สรพนธ ยมมน

ต าแหนง - คณบดคณะวทยาศาสตรประยกต มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาพระนครเหนอ - คณะกรรมการทปรกษาดานวชาการของสมาคมศษยเกา รร.ชท.