เครื่องยนต์เทอร์โบแฟนเป็นเครื่องยนต์ที่ใช้กังหันก๊าซ-ที่สำคัญ พวกมันขับเคลื่อนเครื่องบินและ UAV (โดรน) จำนวนมาก มาดูวิธีการทำงาน ประสิทธิภาพ การเปรียบเทียบ และส่วนหลักกัน
ส่วนประกอบหลักของเครื่องยนต์เทอร์ไบน์
เครื่องยนต์เทอร์โบแฟนมีส่วนสำคัญหลายประการ:
- พัดลม: ช่วยดันด้วยการเร่งลมได้มาก
- คอมเพรสเซอร์: เพิ่มความดันและอุณหภูมิของอากาศที่เข้ามา
- ห้องเผาไหม้: เมื่ออากาศผสมกับเชื้อเพลิงแล้วจุดติดไฟ
- กังหัน: ใช้พลังงานจากก๊าซร้อนเพื่อขับเคลื่อนคอมเพรสเซอร์และพัดลม
- เพลา: เชื่อมต่อชิ้นส่วนที่หมุน
- หัวฉีด: เร่งไอเสียให้เกิดแรงขับ
พัดลมเพิ่มแรงขับพิเศษ คอมเพรสเซอร์และกังหันช่วยให้เครื่องยนต์ทำงานต่อไป ในที่สุด หัวฉีดจะปล่อยก๊าซออกมาด้วยความเร็วสูงเพื่อขับเคลื่อน UAV ไปข้างหน้า
เครื่องยนต์ Turbofan ทำงานอย่างไร
เครื่องยนต์เทอร์โบแฟนทำงานเหมือนกับเครื่องยนต์เทอร์โบพร็อบมาก ต่อไปนี้เป็นวิธีการทีละขั้นตอน:
- อากาศเข้าและกอง: พัดลมดึงอากาศเข้าสู่เครื่องยนต์ อากาศแยกออกเป็นสองทาง คนหนึ่งเข้าไปในแกนเครื่องยนต์เพื่อการเผาไหม้ อีกอัน (อากาศบายพาส) ไหลรอบแกนกลางผ่านท่อ
- กระบวนการบีบอัด: อากาศที่เข้าสู่แกนกลางจะต้องผ่านคอมเพรสเซอร์แรงดันต่ำ (LPC) ก่อน LPC เพิ่มความกดอากาศ จากนั้นอากาศจะเคลื่อนไปที่เครื่องอัดแรงดันสูง- (HPC) HPC บีบอัดอากาศมากขึ้น ทำให้มีแรงดันและร้อนมาก
- การเผาไหม้และการทำงานของกังหัน: ในเตาเผา อากาศอัดจะผสมกับเชื้อเพลิงและติดไฟได้เอง หลังจากการเผาไหม้ ก๊าซพลังงานสูง-จะไหลเข้าสู่กังหันแรงดันสูง (HPT) และ-กังหันแรงดันต่ำ (LPT) กังหันเหล่านี้ใช้พลังงานจากก๊าซ โดยพลังงานบางส่วนจะขับเคลื่อนคอมเพรสเซอร์และพัดลม ส่วนที่เหลือจะออกมาเป็นไอพ่นเร็วผ่านหัวฉีดไอเสีย
- การสร้างแรงผลักดัน: ก๊าซไอเสียที่รวดเร็วจะพุ่งขึ้นไปในอากาศทำให้เกิดแรงผลักดันให้ UAV เคลื่อนตัวไปข้างหน้า การไหลเวียนของอากาศบายพาสจากพัดลมจะรวมเข้ากับการไหลของไอเสีย ทำให้มีแรงผลักดันโดยรวมมากขึ้น การไหลเวียนของอากาศแบบบายพาสจะเร็วกว่าการไหลเวียนของอากาศอิสระเล็กน้อย ดังนั้นเทอร์โบแฟนจึงได้รับแรงผลักดันจากทั้งแกนกลางและพัดลม
ประสิทธิภาพและการใช้งานของเครื่องยนต์กังหัน
ข้อดีด้านประสิทธิภาพ
เครื่องยนต์เทอร์โบแฟนมอบประสิทธิภาพที่โดดเด่น ทั้งหมดนี้ต้องขอบคุณการออกแบบบายพาสที่เป็นนวัตกรรมใหม่ หัวใจสำคัญของประสิทธิภาพนี้คืออัตราส่วนบายพาส-อัตราส่วนของอากาศที่ไหลรอบแกนเครื่องยนต์ (อากาศบายพาส) ต่ออากาศที่เข้าสู่แกนกลางเพื่อการเผาไหม้ ต่างจากเครื่องบินเทอร์โบเจ็ทซึ่งขึ้นอยู่กับเชื้อเพลิง-การไหลเวียนของอากาศหลักที่เผาไหม้เพื่อสร้างแรงขับ พัดลมเทอร์โบใช้พัดลมด้านหน้าขนาดใหญ่เพื่อเร่งปริมาณอากาศบายพาสจำนวนมหาศาล อากาศบายพาสนี้ก่อให้เกิดแรงขับโดยไม่ต้องใช้เชื้อเพลิงเพิ่มเติม หมายความว่าพัดลมเทอร์โบจะผลิตแรงขับทั้งหมดมากกว่าในขณะที่ใช้เชื้อเพลิงในปริมาณเกือบเท่ากันกับแกนกลางของเทอร์โบเจ็ท
ช่องว่างด้านประสิทธิภาพกว้างขึ้นอีกด้วยการกำหนดค่าบายพาสที่แตกต่างกัน: พัดลมเทอร์โบบายพาส-สูง (ที่มีอัตราส่วนบายพาส 5:1 หรือสูงกว่า) ใกล้เคียงกับประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงของเทอร์โบพร็อบ แต่มีข้อได้เปรียบที่สำคัญคือการทำงานที่ความเร็วต่ำกว่าเสียงที่สูงกว่ามาก (เหมาะสำหรับการบินเชิงพาณิชย์) แม้แต่พัดลมเทอร์โบบายพาส-ระดับต่ำ-ที่ออกแบบมาเพื่อการใช้งานทางทหาร-ก็มีประสิทธิภาพเหนือกว่าเครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ทแบบดั้งเดิม โดยให้ความสมดุลที่ดีกว่าระหว่างแรงขับที่ปล่อยออกมาและการประหยัดน้ำมันเชื้อเพลิง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง
ในระหว่างขั้นตอนการล่องเรืออันยาวนาน
สถานการณ์การใช้งาน
การออกแบบที่ยืดหยุ่นของ Turbofans ทำให้เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในการบินทั้งพลเรือนและทหาร ด้วยการกำหนดค่าที่ปรับให้เหมาะกับความต้องการเฉพาะ ในการบินพลเรือน สายการบินเชิงพาณิชย์เกือบทั้งหมด (ตั้งแต่เครื่องบินเจ็ตลำตัวแคบ- เช่น เครื่องบินโบอิ้ง 737 ไปจนถึงเครื่องบินลำตัวกว้าง- เช่น แอร์บัส A350) พึ่งพาพัดลมเทอร์โบบายพาสสูง- การผสมผสานระหว่างประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงและความเร็วทำให้สายการบินสามารถให้บริการในเส้นทางระยะไกล-ได้อย่างประหยัด ในขณะเดียวกันก็รักษาเวลาบินให้แข่งขันได้
สำหรับการใช้งานทางการทหาร เครื่องบินรบสมัยใหม่ (เช่น F-16 และ F-35) จะใช้พัดลมเทอร์โบบายพาสต่ำ- เครื่องยนต์เหล่านี้ให้ความสำคัญกับขนาดที่กะทัดรัดและอัตราส่วนแรงขับสูง-ต่อ- และที่สำคัญคือสามารถรวมอุปกรณ์เผาทำลายหลัง-ที่ฉีดเชื้อเพลิงเพิ่มเติมเข้าไปในไอเสียเพื่อเพิ่มความเร็วสำหรับการต่อสู้แบบอุตลุดหรือการสกัดกั้น ในทางตรงกันข้าม พัดลมเทอร์โบบายพาสสูง-ไม่สามารถรองรับเครื่องเบิร์นเนอร์ได้เนื่องจากมีท่อบายพาสขนาดใหญ่ ทำให้รุ่นบายพาสต่ำกลายเป็นที่นิยมสำหรับเครื่องบินเจ็ตเร็วทางการทหาร นอกเหนือจากเครื่องบินรบแล้ว เครื่องบินขนส่งทางทหารยังใช้พัดลมเทอร์โบ ซึ่งใช้ประโยชน์จากประสิทธิภาพในการบรรทุกสินค้าหนักในระยะทางไกล ความสามารถในการปรับตัวนี้ทำให้เทอร์โบแฟนเป็นตัวเลือกการขับเคลื่อนที่หลากหลายที่สุดในการบินยุคใหม่
เครื่องยนต์ Turbojet กับ Turbofan: การเปรียบเทียบ
- การสร้างแรงขับและประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิง: Turbojets อาศัยการอัด การเผาไหม้ และการไล่อากาศปริมาณเล็กน้อยด้วยความเร็วเหนือเสียงเพื่อสร้างแรงผลักดัน-ซึ่งสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงจำนวนมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ความเร็วต่ำกว่าเสียง อย่างไรก็ตาม พัดลมเทอร์โบใช้พัดลมด้านหน้าขนาดใหญ่เพื่อดึงและเร่ง "อากาศบายพาส" จำนวนมหาศาลรอบๆ แกนเครื่องยนต์ อากาศบายพาสนี้ก่อให้เกิดแรงผลักดันโดยไม่ต้องใช้เชื้อเพลิงเพิ่มเติม ในขณะที่อากาศเพียงส่วนเล็กๆ เท่านั้นที่เข้าสู่แกนกลางเพื่อการเผาไหม้ ผลลัพธ์: พัดลมเทอร์โบสร้างแรงขับต่อหน่วยเชื้อเพลิงได้มากขึ้น โดยที่รุ่นบายพาสสูง- (สำหรับเครื่องบิน) มีประสิทธิภาพมากกว่าเครื่องบินเทอร์โบเจ็ทใดๆ มาก
- ระดับเสียง: Turbojets ก่อให้เกิดเสียงรบกวนที่รุนแรงเนื่องจากก๊าซไอเสียที่มีความเร็วสูง- พัดลมเทอร์โบเงียบกว่ามากเนื่องจากอากาศบายพาสผสมและทำให้ไอเสียที่แกนกลางร้อนช้าลง ช่วยลดความปั่นป่วนและเสียงรบกวน นี่เป็นสิ่งสำคัญสำหรับสนามบินเชิงพาณิชย์ ซึ่งข้อจำกัดด้านเสียงทำให้พัดลมเทอร์โบเป็นทางเลือกเดียวที่เป็นไปได้
- ความคล่องตัวในการใช้งาน: เครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ทเคยใช้ในเครื่องบินขับไล่ยุคแรกๆ เนื่องจากความสามารถในการบรรลุความเร็วสูง แต่ปัจจุบันส่วนใหญ่ถูกแทนที่ด้วยพัดลมเทอร์โบในเครื่องบินส่วนใหญ่ เครื่องยนต์เทอร์โบแฟนมีการใช้กันอย่างแพร่หลายทั้งในการบินพลเรือน (เช่น เครื่องบินโดยสารเชิงพาณิชย์) และการบินทางทหาร (เช่น เครื่องบินรบสมัยใหม่และเครื่องบินขนส่ง)
- ต้นทุนการดำเนินงาน: ด้วยประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงที่ดีขึ้นและการสึกหรอที่ลดลง (จากความเครียดที่ลดลง) พัดลมเทอร์โบจึงลดต้นทุนการดำเนินงานสำหรับสายการบินและกองทัพ อัตราการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงที่สูงและความต้องการในการบำรุงรักษาของ Turbojets ทำให้ประหยัดน้อยลงมากสำหรับการใช้งานปกติ
บทสรุป
เครื่องยนต์เทอร์โบแฟนครองการบินในปัจจุบันเนื่องจากมีกำลัง มีประสิทธิภาพ และยืดหยุ่น ใช้เชื้อเพลิงน้อยกว่าเครื่องบินเทอร์โบเจ็ท ส่งเสียงดังน้อยกว่า และสามารถออกแบบมาสำหรับทั้งเครื่องบินโดยสารและเครื่องบินทหาร การผสมผสานระหว่างประสิทธิภาพและประสิทธิภาพนี้ทำให้พัดลมเทอร์โบเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับเครื่องบินสมัยใหม่ส่วนใหญ่ และมีแนวโน้มว่าจะยังคงเป็นเครื่องยนต์ประเภทหลักบนท้องฟ้าไปอีกหลายปี
