การออกแบบและพัฒนาเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์โดยใช้เทอร์โบชาร์จเจอร์

บทคัดย่อ

การศึกษาและพัฒนาเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์โดยใช้เทอร์โบชาร์จเจอร์ มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาหลักการ ทางานและทฤษฎีที่เกี่ยวข้องของเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ โดยในโครงการนี้จะมุ่งเน้นไปที่การออกแบบและสร้าง เครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ต้นแบบที่สามารถทางานได้จริง คณะผู้จัดทาได้ดาเนินการศึกษา วิเคราะห์ ออกแบบห้อง เผาไหม้ รวมถึงระบบไฟฟ้าของเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ นอกจากนี้ยังได้ศึกษาหลักการทางานของเทอร์โบชาร์จ เจอร์และอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้อง เช่น คอมเพรสเซอร์ และกังหัน โดยอ้างอิงจากบทปริทัศน์วรรณกรรม และทฤษฎีวัฏ จักรเบรย์ตัน (Brayton Cycle) ของเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ กระบวนการพัฒนาเริ่มจากการออกแบบและ วิเคราะห์โครงสร้างของห้องเผาไหม้ด้วยโปรแกรม JetSpecs Designer 2.0 และ SolidWorks ก่อนนาไปผลิต ต้นแบบเครื่องยนต์ คาสาคัญ: เครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์/เทอร์โบชาร์จเจอร์/วัฏจักรเบรย์ตัน/การออกแบบเครื่องยนต์ ก Name Kunakorn Ounda Pongsaplus Lueangarunnapa Suphawit Wannu Thesis Title Design and Develop Gas Turbine Engine Using Turbocharger Department Mechanical and Aerospace Engineering Advisor Asst.Prof. Thada Suksila, Ph.D. Academic year 2025 Abstract The study and development of a gas turbine engine using a turbocharger aims to investigate the operating principles and related theories of gas turbine engines. This project focuses on the design and construction of a functional prototype gas turbine engine. The project team has conducted studies, analyses, and designs of the combustion chamber, as well as the electrical system of the gas turbine engine. Additionally, the working principles of the turbocharger and its associated components—such as the compressor and turbine—have been explored, based on literature reviews and the Brayton Cycle theory of gas turbines. The development process began with the design and structural analysis of the combustion chamber using JetSpecs Designer 2.0 and SolidWorks software before proceeding to prototype fabrication Keyword: Gas turbine engine/Turbocharger/Brayton Cycle/Engine design ข กิตติกรรมประกาศ ผลงานปริญญานิพนธ์สาเร็จลุล่วงไปได้ด้วยความอนุเคราะห์ของบุคคลและหน่วยงานที่เกี่ยวข้องซึ่งมิอาจ นามากล่าวได้ทั้งหมด ทางคณะผู้จัดทาขอกราบขอบพระคุณอย่างยิ่ง ประการแรก ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.ธาดา สุขศิลา อาจารย์ที่ปรึกษาปริญญานิพนธ์ที่ให้ความช่วยเหลือทั้งการให้ คาปรึกษา การให้คาแนะนา การแสดงความคิดเห็นร่วมกันในการหาแนวทางการแก้ไขปัญหา พร้อมทั้งการชี้แนะ แนวทางในการค้นคว้าข้อมูลที่หลากหลายในการทาปริญญานิพนธ์และยังเอื้อเฟื้ออุปกรณ์ต่างๆและการใช้สถานที่ ในการทาโครงงานจนปริญญานิพนธ์สาเร็จลุล่วงได้ด้วยดี ขอกราบขอบพระคุณอาจารย์มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือทุกท่านที่ได้ประสิทธิ์ ประสาทวิชาให้แก่คณะผู้จัดทาและยังให้ความรู้พื้นฐานที่สาคัญในการทาปริญญานิพนธ์นี้ ขอกราบขอบพระคุณ อาจารย์ที่เสียสละเวลามาเป็นกรรมการสอบปริญญานิพนธ์ทุกท่าน พร้อมทั้งให้คาแนะนาและข้อเสนอแนะที่เป็น ประโยชน์ต่อปริญญานิพนธ์นี้ ขอกราบขอบพระคุณบุคลากรประจาภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลและการบิน -อวกาศ มหาวิทยาลั ย เทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือที่เอื้อเฟื้ออุปกรณ์ และสถานที่ในการทาโครงงานปริญญานิพนธ์ในครั้งนี้ ขอกราบขอบพระคุณ นายกาพล ปิติไชยกุล เจ้าของบริษัท PST Jets Co., Ltd. และครอบครัว รวมถึง ทีมงานทุกท่านที่ได้ให้คาแนะนาอันมีค่าและคาปรึกษาต่าง ๆ ตลอดระยะเวลาการดาเนินโครงงาน ซึ่งเป็นส่วน สาคัญที่ช่วยให้โครงงานนี้ดาเนินไปอย่างราบรื่นและประสบผลสาเร็จได้ด้วยดี ขอกราบขอบพระคุณครอบครัวที่ได้อบรมสั่งสอน สนับสนุนด้านการศึกษาและทุนทรัพย์ พร้อมทั้งให้ คาแนะนา ให้กาลังใจในยามที่ท้อแท้ รวมทั้งบุคคลอันเป็นที่รัก มิตรสหาย ที่คอยเป็นกาลังใจให้ทางคณะผู้จัดทา สุดท้ายนี้ขอขอบคุณสมาชิกผู้จัดทาทุกคน ที่ร่วมทาปริญญานิพนธ์จนสาเร็จลุล่วงไปได้ด้วยดี นายคุณากร อุ่นดา นายพงศพัศ เหลืองอรัญนภา นายศุภวิชญ์ วันนู ค สารบัญ หัวข้อ หน้า บทที่ 1 บทนา ........................................................................................................................................................ 1 1.1 ที่มาและความสาคัญของโครงงาน ................................................................................................................... 1 1.2 วัตถุประสงค์ .................................................................................................................................................... 2 1.3 ขอบเขตของโครงงาน ...................................................................................................................................... 2 1.4 ประโยชน์และผลที่คาดว่าจะได้รับ ................................................................................................................... 2 1.5 แผนการดาเนินงาน ......................................................................................................................................... 2 1.5.1 รายละเอียดแผนการดาเนินงาน ............................................................................................................... 3 1.5.2 งบประมาณในการดาเนินงาน .................................................................................................................. 4 1.5.3 หน้าที่รับผิดชอบ ...................................................................................................................................... 4 บทที่ 2 ทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง....................................................................................................................................... 5 2.1 หลักการทางานของเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ .................................................................................................. 5 2.2 วัฏจักรเบรย์ตัน (Brayton Cycle)................................................................................................................... 6 2.4 ส่วนประกอบของเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์และหลักการทางาน................................................................... 8 2.5.5 ขั้นตอนการคานวณเพื่อพัฒนาประสิทธิภาพของเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ .............................................12 บทที่ 3 ขั้นตอนการออกแบบ ...............................................................................................................................16 3.1 แนวคิดและกรอบการพัฒนาเครื่องยนต์ต้นแบบ ..................................................................................16 3.2 ข้อกาหนดและขอบเขตของการออกแบบและพัฒนา .....................................................................................17 3.3 ภาพรวมโครงสร้างและการจัดวางระบบเครื่องยนต์ .......................................................................................18 3.3 การออกแบบและพัฒนาระบบจุดระเบิดด้วยหัวเผา .......................................................................................19 3.6 การออกแบบและพัฒนาท่อเปลวไฟและปลอกหุ้มภายนอกโดยการเปรียบเทียบกับโครงสร้างเดิม .................20 3.6.1 การเปรียบเทียบท่อเปลวไฟเดิมและท่อเปลวไฟใหม่ ...............................................................................20 3.6.2 การเปรียบเทียบปลอกหุ้มภายนอกเดิมและปลอกหุ้มภายนอก ...............................................................23 3.7 การเปรียบเทียบและคัดเลือกเทอร์โบชาร์จเจอร์ ............................................................................................24 3.8 การออกแบบและสร้างชิ้นส่วนเชื่อมต่อระหว่างห้องเผาไหม้และเทอร์ไบน์ .....................................................27 3.9 ระบบวัดความเร็วรอบ ...................................................................................................................................29 ง 3.10 ตาแหน่งและอุปกรณ์วัดอุณหภูมิ .................................................................................................................30 3.11 ตาแหน่งและอุปกรณ์วัดความดัน.................................................................................................................32 3.12 การพิจารณาผลกระทบด้านสิ่งแวดล้อมและมาตรฐานที่เกี่ยวข้อง ...............................................................33 บทที่ 4 ผลการทดสอบ/ผลการทดลอง .................................................................................................................35 4.1 การทดสอบและผลการทดสอบระบบน้าหล่อเย็น .........................................................................................35 4.2 ผลการทดสอบระบบน้ามันหล่อลื่น ..............................................................................................................36 4.3 ผลการทดสอบระบบจุดระเบิด.....................................................................................................................38 4.4 การทดสอบอุปกรณ์ช่วยจ่ายอากาศ (Blower)...............................................................................................40 4.4.1 Blower Stellar ST-4014 .....................................................................................................................40 4.4.2 ปั๊มลม (Air Compressor) .....................................................................................................................41 4.4.3 Delton CBL-119LF..............................................................................................................................41 4.4.4 Delton ELB-622 ..................................................................................................................................43 4.4.5 สรุปผลการทดสอบอุปกรณ์ช่วยจ่ายอากาศ ............................................................................................43 4.5 การทดสอบห้องเผาไหม้ ...............................................................................................................................44 4.5.1 การทดสอบห้องเผาไหม้เก่า....................................................................................................................44 4.5.2 การทดสอบห้องเผาไหม้ใหม่...................................................................................................................49 4.6 ผลการทดสอบหัวฉีดเชื้อเพลิง ......................................................................................................................51 4.7 การทดสอบการติดเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ ..................................................................................................55 4.7.1 ขั้นตอนการทดสอบระบบ ......................................................................................................................55 4.7.2 การทดสอบห้องเผาไหม้ที่ปรับปรุงใหม่ร่วมกับเทอร์โบชาร์จเจอร์เดิม .....................................................58 4.7.3 การทดสอบห้องเผาไหม้ที่ปรับปรุงใหม่ร่วมกับเทอร์โบชาร์จเจอร์ที่คัดเลือก ...........................................59 4.8 การทดสอบระบบวัดอุณหภูมิโดยใช้ Thermocouple Type K ....................................................................62 4.9 การทดสอบระบบวัดความเร็วรอบโดยใช้ Hall Effect Sensor .....................................................................65 4.10 การทดสอบอุปกรณ์วัดความดัน ..................................................................................................................72 บทที่ 5 สรุปผลการออกแบบและการทดลอง .......................................................................................................74 5.1 ผลการออกแบบและทดสอบแบบระบบต่างๆ ................................................................................................74 5.2 ผลการทดสอบเครื่องยนต์ต้นแบบ .................................................................................................................77 5.2.1 การทดสอบการเดินเครื่องของระบบรวม................................................................................................77 จ 5.2.2 การเปรียบเทียบค่าที่คานวณได้กับค่าที่ได้จากการทดลอง ......................................................................77 5.3 ข้อเสนอแนะและแนวทางสาหรับพัฒนาโครงการในอนาคต...........................................................................79 5.3.1 ระบบจ่ายเชื้อเพลิง .................................................................................................................................79 5.3.2 การพัฒนาระบบระบายความร้อนของน้าหล่อเย็น ..................................................................................82 5.3.3 ข้อเสนอแนะการปรับปรุง Nozzle.........................................................................................................83 5.3.4 ข้อเสนอแนะการปรับปรุงข้อต่อระหว่างทางออกห้องเผาไหม้และทางเข้าเทอร์ไบน์ ................................91 เอกสารอ้างอิง ......................................................................................................................................................96 ภาคผนวก ก.......................................................................................................................................... ..................98 ภาคผนวก ข.................................................................................................................... .....................................105 ฉ สารบัญตาราง ตารางที่ 1.1 แผนการดาเนินงานของโครงงาน ....................................................................................................... 3 ตารางที่ 1.2 รายละเอียดงบประมาณในการดาเนินงาน ......................................................................................... 4 ตารางที่ 1.3 หน้าที่ที่รับผิดชอบในโครงงาน ........................................................................................................... 4 ตารางที่ 3.1 ข้อกาหนดและขอบเขตของการพัฒนาเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ต้นแบบ ..........................................17 ตารางที่ 3.2 รายละเอียดอุปกรณ์ในการสร้างวงจรหัวเผา ....................................................................................19 ตารางที่ 3.3 การออกแบบใหม่ของท่อเปลวไฟ .....................................................................................................21 ตารางที่ 3.4 เปรียบเทียบพื้นที่หน้าตัดท่อเปลวไฟเก่าและใหม่กับพื้นที่หน้าตัด INDUCER ...................................22 ตารางที่ 3.5 การเปรียบเทียบคุณสมบัติของเทอร์โบชาร์จเจอร์ ............................................................................25 ตารางที่ 4.1 ข้อมูลสเปคของ STELLAR ST-4014 ...............................................................................................40 ตารางที่ 4.2 ข้อมูลสเปคของปั๊มลม ......................................................................................................................41 ตารางที่ 4.3 สเปคของ DELTON CBL-119LF .....................................................................................................42 ตารางที่ 4.4 ค่าอัตราการไหลของ DELTON CBL-119LF ในแต่ละระดับการทางาน ...........................................42 ตารางที่ 4.5 สเปคของ DELTON ELB-622 .........................................................................................................43 ตารางที่ 4.6 สรุปผลการทดลอง BLOWER ..........................................................................................................43 ตารางที่ 4.7 วิธีการทดสอบห้องเผาไหม้...............................................................................................................45 ตารางที่ 4.8 ผลการทดสอบห้องเผาไหม้ ..............................................................................................................47 ตารางที่ 4.9 ลักษณะการจุดระเบิดและพฤติกรรมการทางานของห้องเผาไหม้ .....................................................50 ตารางที่ 4.10 ชนิดของหัวฉีด หัวฉีดและรูปแบบลักษณะการไหล ........................................................................52 ตารางที่ 4.11 ขั้นตอนการทดสอบระบบ ..............................................................................................................56 ตางรางที่ 4.12 ผลการทดสอบห้องเผาไหม้ที่ปรับปรุงใหม่ร่วมกับเทอร์โบชาร์จเจอร์เดิม ......................................59 ตางรางที่ 4.13 ผลการทดสอบห้องเผาไหม้ที่ปรับปรุงใหม่ร่วมกับเทอร์โบชาร์จเจอร์ใหม่ .....................................60 ตารางที่ 4.14 ผลการเปรียบเทียบอุณหภูมิที่วัดได้จากอุปกรณ์แต่ละชนิด ............................................................63 ตารางที่ 4.5 ผลการเปรียบเทียบความเร็วรอบระหว่าง TACHOMETER และ HALL EFFECT SENSOR .............66 ตารางที่ 4.12 อุปกรณ์ที่ใช้สาหรับการติดตั้งระบบวัดความเร็วรอบ ......................................................................68 ตารางที่ 5.1 การเปรียบเทียบค่าที่คานวณได้กับค่าที่ได้จากการทดลอง ...............................................................78 ช ตารางที่ 5.2 ลักษณะและหน้าที่ของอุปกรณ์ต่างๆในระบบเชื้อเพลิง ....................................................................80 ตารางที่ 5.3 สรุปผลคานวณ NOZZLE ................................................................................................................90 ตารางที่ 5.4 เปรียบเทียบระหว่าง ท่อ DIVERGENT และ ท่อ CONVERGENT ....................................................95 ซ สารบัญรูปภาพ รูปที่ 2.1 วัฏจักรเบรย์ตัน (BRAYTON CYCLE) ...................................................................................................... 6 รูปที่ 2.2 โครงสร้างและหลักการทางานของเทอร์โบชาร์จเจอร์ .............................................................................. 7 รูปที่ 2.3 แผนผังองค์ประกอบทั่วไปของเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ ซึ่งแสดงตาแหน่งของคอมเพรสเซอร์ ห้องเผา ไหม้และเทอร์ไบน์ .................................................................................................................................................. 8 รูปที่ 2.4 แสดงโครงสร้างระบบห้องเผาไหม้ (COMBUSTION CHAMBER)............................................................ 9 รูปที่ 2.5 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างอัตราส่วนความดันและอัตราการไหล ..........................................................12 รูปที่ 2.6 การไหลผ่านของอุณหภูมิและความดันของเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ .....................................................13 รูปที่ 3.1 แนวคิดภาพรวมของระบบเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ต้นแบบ .................................................................17 รูปที่ 3.2 การจัดวางองค์ประกอบของเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ต้นแบบ ...............................................................18 รูปที่ 3.3 แสดงถึงแผงผังวงจรและการต่อวงจรจริงของหัวเผา ..............................................................................20 รูปที่ 3.4 แสดงถึงตาแหน่งการติดตั้งหัวเผาบนแผ่นที่ติดกับท่อเปลวไฟ ................................................................20 รูปที่ 3.5 โปรแกรม JETSPECS DESIGNER 2.0 .................................................................................................22 รูปที่ 3.6 ค่าที่คานวณจากโปรแกรม.....................................................................................................................22 รูปที่ 3.7 การออกแบบท่อเปลวไฟใหม่.................................................................................................................23 รูปที่ 3.8 การปรับลดความยาวของปลอกหุ้มภายนอกที่ออกแบบใหม่..................................................................23 รูปที่ 3.9 การปรับแนวการเชื่อมต่อของปลอกหุ้มภายนอกและกังหันเทอร์ไบน์ ....................................................24 รูปที่ 3.10 TURBO GT3076 ...............................................................................................................................24 รูปที่ 3.11 TURBO T3/T4 ..................................................................................................................................25 รูปที่ 3.13 COMPRESSOR MAP ของเทอร์โบชาร์จเจอร์ GT3076R ...................................................................26 รูปที่ 3.14 COMPRESSOR MAP ของเทอร์โบชาร์จเจอร์ T3/T4 .........................................................................27 รูปที่ 3.15 แบบการออกแบบทางออกห้องเผาไหม้แบบ CONVERGENT .............................................................28 รูปที่ 3.16 ชิ้นงานจริงของทางออกห้องเผาไหม้แบบ DIVERGENT .......................................................................29 รูปที่ 3.17 วงจรเซนเซอร์ HALL EFFECT ............................................................................................................30 รูปที่ 3.18 ตาแหน่งสาหรับการวัดอุณหภูมิ ..........................................................................................................31 รูปที่ 3.19 การทางานของเทอร์โมคัปเปิล ............................................................................................................32 ฌ รูปที่ 3.20 ตาแหน่งสาหรับการวัดความดัน ..........................................................................................................32 รูปที่ 4.1 ภาพรวมของระบบน้าหล่อเย็น ..............................................................................................................35 รูปที่ 4.2 การทดสอบระบบน้ามันเครื่อง ..............................................................................................................36 รูปที่ 4.3 ตาแหน่งการติดตั้งอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนน้ามันเครื่อง ...............................................................37 รูปที่ 4.4 ตาแหน่งการติดตั้งเครื่องมือวัดความดันและอุณหภูมิของน้ามันเครื่อง ..................................................38 รูปที่ 4.5 เกจแสดงผลความดันและอุณหภูมิแบบอนาล็อก ...................................................................................38 รูปที่ 4.6 การทดสอบหัวเทียน .............................................................................................................................39 รูปที่ 4.7 การทดสอบหัวเผา.................................................................................................................................39 รูปที่ 4.8 BLOWER รุ่น STELLAR ST-4014 .......................................................................................................40 รูปที่ 4.9 ปั๊มลมที่ใช้ในการทดลอง........................................................................................................................41 รูปที่ 4.10 DELTON CBL-119LF ........................................................................................................................42 รูปที่ 4.10 DELTON CBL- ELB-622 ...................................................................................................................43 รูปที่ 4.11 ห้องเผาไหม้ใหม่ที่เจาะตามที่ออกแบบ ................................................................................................49 รูปที่ 4.12 ลักษณะท่อฉีดเชื้อเพลิงตัวต้นแบบ ......................................................................................................51 รูปที่ 4.13 หัวฉีดแบบหลายรู (MULTI-ORIFICE NOZZLE) .................................................................................54 รูปที่ 4.14 ตาแหน่งการติดตั้งหัวฉีดภายในห้องเผาไหม้........................................................................................55 รูปที่ 4.15 ตาแหน่งการติดตั้งหัวฉีดภายนอกห้องเผาไหม้ ....................................................................................55 รูปที่ 4.16 วาล์วอุปกรณ์ควบคุมแรงดันสูง ...........................................................................................................60 รูปที่ 4.17 ขั้นตอนทดสอบระบบวัดอุณหภูมิ ........................................................................................................63 รูปที่ 4.18 กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง เวลา (วินาที) และ อุณหภูมิ (°C) .....................................................64 รูปที่ 4.19 ตาแหน่งการติดตั้งอุปกรณ์วัดอุณหภูมิในห้องเผาไหม้..........................................................................65 รูปที่ 4.20 ตาแหน่งการติดตั้งอุปกรณ์วัดอุณหภูมิทางออกของเทอร์ไบน์ ..............................................................65 รูปที่ 4.21 ขั้นตอนการทดสอบระบบวัดความเร็วรอบ ..........................................................................................66 รูปที่ 4.22 กราฟเปรียบเทียบค่าความเร็วรอบระหว่าง TACHOMETER และ HALL EFFECT SENSOR ..............67 รูปที่ 4.23 ต้นแบบการสาธิตการทางานของระบบวัดความเร็วรอบ ......................................................................68 รูปที่ 4.23 โค้ดโปรแกรมสาหรับระบบวัดความเร็วรอบด้วย HALL EFFECT SENSOR และ ARDUINO ..............71 รูปที่ 4.24 ต่อโค้ดโปรแกรมสาหรับระบบวัดความเร็วรอบด้วย HALL EFFECT SENSOR และ ARDUINO..........71 รูปที่ 4.25 การทดสอบอุปกรณ์วัดความดัน ..........................................................................................................72 ญ รูปที่ 4.26 ตัวอย่างค่าที่ได้จากการทดสอบ...........................................................................................................73 รูปที่ 4.27 ตาแหน่งการติดตั้งอุปกรณ์วัดความดันตาแหน่งทางออกคอมเพรสเซอร์ ..............................................73 รูปที่ 5.1 จุดการทางานของคอมเพรสเซอร์บน COMPRESSOR MAP .................................................................78 รูปที่ 5.2 ไดอะแกรมของระบบจ่ายเชื้อเพลิงน้ามัน ..............................................................................................80 รูปที่ 5.3 แบบจาลองแนวคิดระบบจ่ายเชื้อเพลิงน้ามัน.........................................................................................82 รูปที่ 5.4 ตัวอย่างหม้อน้าสาหรับระบบระบายความร้อน .....................................................................................83 รูปที่ 5.5 ท่อ DIVERGENT ที่ต่อเข้าทาง TURBINE ..............................................................................................91 ฎ บทที่ 1 บทนา 1.1 ที่มาและความสาคัญของโครงงาน ในยุคปัจจุบัน เทคโนโลยีด้านการบินและพลังงานมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง เพื่อตอบสนองความ ต้องการด้านประสิทธิภาพ น้าหนักเบา ความประหยัดพลังงานและความสามารถในการประยุกต์ใช้งานได้ อย่างหลากหลาย หนึ่งในเทคโนโลยีที่ได้รับความสนใจอย่างแพร่หลายคือ เครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไ บน์ (Gas Turbine Engine) ซึ่งมีข้อดีในด้านอัตราส่วนกาลังต่อน้าหนักที่สูง การทางานต่อเนื่องที่เสถียร และ สามารถนาไปใช้ในระบบการบิน การผลิตไฟฟ้าและการขับเคลื่อนยานพาหนะขั้นสูง อย่างไรก็ตาม เครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ยังมีข้อจากัดสาคัญ เช่น ความซับซ้อนของระบบและต้ นทุนในการออกแบบและ ผลิต ซึ่งเป็นอุปสรรคต่อการศึกษาและทดลองในระดับพื้นฐาน โครงงานนี้จึงมี จุด มุ่งหมายเพื่ อ ออกแบบและพัฒ นาเครื่ องยนต์ แ ก๊ส เทอร์ ไ บน์ ต้น แบบใน ระดับพื้นฐาน โดยประยุกต์ใช้ เทอร์โบชาร์จเจอร์ (Turbocharger) ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่สามารถหาได้ทั่วไป และมีหลักการทางานสอดคล้องกับวงจร Brayton ได้แก่ การอัดอากาศ การเผาไหม้ และการขยายตัวของ ก๊าซเพื่อแปลงเป็นพลังงานกล จุดมุ่งหมายหลักคือการออกแบบให้เครื่องต้นแบบสามารถ “จุดระเบิดและ เกิดการเผาไหม้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ” ภายใต้ข้อกาหนดด้านความปลอดภัย เพื่อให้สามารถนาไปใช้ใน การศึกษาพฤติกรรมของระบบเชิงปฏิบัติ อีกทั้งยังสามารถพัฒนาต่อยอดโดยการติด ตั้งเซนเซอร์ทาง วิศวกรรม เช่น เซนเซอร์วัดอุณหภูมิ ความดัน และอัตราการไหล เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและความแม่นยา ในการควบคุมระบบ ซึ่งจะช่วยเพิ่มคุณค่าทางวิชาการและประโยชน์ในการใช้งานจริง ผู้ที่ได้รับประโยชน์จากโครงงานนี้ ได้แก่ นักศึกษาด้านวิศวกรรมเครื่องกลและการบิน –อวกาศ รวมถึงอาจารย์และนักวิจัยที่ต้องการต้นแบบสาหรับการเรียนรู้ ฝึกปฏิบัติ และทดสอบสมมุติฐานทาง วิศวกรรมระบบพลังงานและการจุดระเบิด โดยสามารถใช้เป็นสื่อเสริมในรายวิชาที่เกี่ยวข้อ งกับเทอร์โม ไดนามิกส์และระบบขับเคลื่อน อีกทั้งโครงงานนี้ยังอาจเป็นแนวทางเบื้องต้นให้กับภาคอุตสาหกรรมที่ สนใจพัฒนาเครื่องต้นแบบด้านพลังงานหรือระบบขับเคลื่อนขนาดเล็ก 1 1.2 วัตถุประสงค์ 1. เพื่อศึกษาหลักการและทฤษฎีที่เกี่ยวข้องกับเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์และระบบวัดค่าต่างๆ 2. เพื่อกาหนดพารามิเตอร์ต่างๆ ในการออกแบบ เช่น ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของห้องเผาไหม้ 3. เพื่อปรับปรุงและพัฒนาเครื่องยนต์ต้นแบบให้สามารถทางานได้จริง 1.3 ขอบเขตของโครงงาน 1. ออกแบบและพัฒ นาโครงสร้างของห้องเผาไหม้ให้มีความเหมาะสมกับกระบวนการเผาไหม้ ภายในเครื่องยนต์ แก๊ส เทอร์ ไบน์ เพื่ อให้สามารถจุ ดระเบิ ดและเผาไหม้เชื้ อเพลิง ได้ อย่า งมี ประสิทธิภาพรวมถึงสามารถรองรับอุณหภูมิและแรงดันที่เกิดขึ้นระหว่างการทางานได้อย่าง ปลอดภัยและเสถียร 2. ออกแบบอุปกรณ์สาหรับการวัดค่าทางวิศวกรรมที่สาคัญ เช่น อุณหภูมิ แรงดัน และอัตราการไหล ให้เหมาะสมกับระบบต้นแบบเพื่อให้สามารถเก็บข้อมูลได้อย่างถูกต้องตามมาตรฐาน 1.4 ประโยชน์และผลที่คาดว่าจะได้รับ 1. เข้าใจหลักการการทางานของเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ 2. มีทักษะความรู้ ความสามารถในการออกแบบ สร้าง และพัฒนาเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ 3. มีเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ที่ใช้เทอร์โบชาร์จเจอร์และระบบวัดค่าอุณหภูมิ ความดันไว้ใช้และ สามารถนามาแสดงการทางาน 4. เป็นสื่อการเรียนรู้และการสาธิตทางวิศวกรรมสาหรับนักศึกษามหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอม เกล้าพระนครเหนือและผู้ที่มีความสนใจด้านเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ 1.5 แผนการดาเนินงาน โครงการนี้มีระยะเวลาในการดาเนินงาน รวมทั้งสิ้น 9 เดือนโดยเริ่มตั้งแต่เดือน กรกฎาคม 2568 ถึง มีนาคม 2569 โดยมีรายละเอียดการดาเนินงาน งบประมาณในการดาเนินงาน และหน้าที่ รับผิดชอบ ในการดาเนินงาน ดังต่อไปนี้ 2 1.5.1 รายละเอียดแผนการดาเนินงาน ในการดาเนินการทาปริญญานิพนธ์ศึกษาและพัฒนาระบบต่างๆ ในเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ ทาง คณะผู้จัดทาได้ร่วมกันกาหนดขอบเขตของงานแผนการดาเนินงาน ตั้งแต่ขั้นตอนของรายละเอียด การ ดาเนินงาน ระยะเวลาในการดาเนินงาน เพื่อใช้เป็นกรอบแนวทางการดาเนินงานให้สาเร็จบรรลุ ตาม วัตถุประสงค์ที่ได้วางไว้ โดยมีรายละเอียดแผนการดาเนินงานปรากฏ ตารางที่ 1.1 โดยสัปดาห์แรกของ การวางแผนการทางานเริ่มตั้งแต่วันที่ 16 กรกฎาคม 2567 ตารางที่ 1.1 แผนการดาเนินงานของโครงงาน 3 1.5.2 งบประมาณในการดาเนินงาน ตารางที่ 1.2 รายละเอียดงบประมาณในการดาเนินงาน รายละเอียด Glow plug สายถักแสตนเลส 1 เมตร Tachometer หน้าจอLCD สาหรับแสดงค่าอุณหภูมิ เกจวัดแรงดันบูสต์ เกจวัดแรงดันน้ามันเครื่อง เกจวัดแรงดันไฟฟ้า ท่อสแตนเลส ASTM-A409 Thermocouple Type K รวม จานวน(ชิน้ ) 1 2 1 1 1 1 1 1 2 11 ค่าใช้จา่ ย (บาท) 400 600 1450 500 1500 2000 1500 1800 400 10,650 1.5.3 หน้าที่รับผิดชอบ ตารางที่ 1.3 หน้าที่ที่รับผิดชอบในโครงงาน รายละเอียดงาน หน้าทีร่ บั ผิดชอบ Phase1: Proposal นายพงศพัศ เหลืองอรัญนภา Phase2: Progress I นายศุภวิชญ์ วันนู Phase3: Progress II นายคุณากร อุ่นดา Phase4: Final นายศุภวิชญ์ วันนู กาหนดการ 14/08/2568 27/09/2568 15/01/2569 31/03/2569 สถานะ ดาเนินการสาเร็จ ดาเนินการสาเร็จ ดาเนินการสาเร็จ อยู่ระหว่างดาเนินการ หมายเหตุ: ผู้รับผิดชอบหลักในแต่ละระยะของโครงงานแสดงไว้ในตารางที่ 1.3 อย่างไรก็ตาม สมาชิกทุก คนมีส่วนร่วมในการดาเนินงานในทุกระยะ เพื่อเสริมความเข้าใจร่วมและเพิ่มประสิทธิภาพของการดาเนิน โครงงานโดยรวม 4 บทที่ 2 ทฤษฎีทเี่ กีย่ วข้อง บทนี้นำเสนอทฤษฎีและหลักการทางวิศวกรรมที่จำเป็นต่อการออกแบบและพัฒนาเครื่องยนต์ แก๊สเทอร์ไบน์ขนาดเล็กโดยใช้เทอร์โบชาร์จเจอร์เป็นองค์ประกอบหลัก โดยเน้นทฤษฎีอุณหพลศาสตร์ วัฏจักรการทำงานของเครื่องยนต์ และสมการพื้นฐานที่ใช้ในการประเมินสมรรถนะของระบบ เพื่อใช้เป็น พื้นฐานในการวิเคราะห์และทดลองในบทถัดไป 2.1 หลักการทางานของเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ เครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์เป็นระบบเครื่องจักรกลที่ทำหน้าที่แปลงพลังงานเคมีจากเชื้อเพลิงให้เป็น พลังงานกลหรือแรงขับ โดยอาศัยกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์และพลศาสตร์ของไหลเป็นพื้นฐาน หลักการทำงานของเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์สามารถอธิบายได้ผ่านการทำงานร่วมกันขององค์ประ กอบ หลักสามส่วน ได้แก่ คอมเพรสเซอร์ ห้องเผาไหม้ และเทอร์ไบน์ [1], [4] ในขั้นตอนแรก อากาศจากบรรยากาศภายนอกจะถูกดูดเข้าสู่คอมเพรสเซอร์ ซึ่งทำหน้าที่อัดอากาศ ให้มีความดันและอุณหภูมิสูงขึ้น กระบวนการอัดอากาศนี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากอัตราส่วนความ ดันของคอมเพรสเซอร์มีผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพทางความร้อนและสมรรถนะโดยรวมของเครื่อ งยนต์ หลังจากนั้น อากาศที่ผ่านการอัดจะถูกส่งเข้าสู่ห้องเผาไหม้ ซึ่งมีการจ่ายเชื้อเพลิงในอัตราส่วนที่เหมาะสม และทำการจุดระเบิด ทำให้เกิดการเผาไหม้อย่างต่อเนื่องภายใต้สภาวะความดันใกล้เคียงคงที่[1], [2] ก๊าซร้อนที่ได้จากกระบวนการเผาไหม้จะถูกส่งต่อไปยังเทอร์ไบน์ ซึ่งทำหน้าที่แปลงพลังงานความ ร้อนและพลังงานจลน์ของก๊าซให้เป็นพลังงานกล พลังงานกลที่ได้จากเทอร์ไบน์ส่วนหนึ่งจะถูกใช้ในการ ขับเคลื่อนคอมเพรสเซอร์ผ่านเพลาร่วม เพื่อให้ระบบสามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่อง ส่ วนพลังงานที่เหลือ จะถูกนำไปใช้ในการสร้างแรงขับหรือถ่ายทอดออกมาเป็นพลังงานกลสำหรับการใช้งานอื่น ทั้งนี้ลักษณะ การนำพลังงานไปใช้จะขึ้นอยู่กับประเภทและวัตถุประสงค์ของเครื่องยนต์ [1], [3] สำหรับโครงงานนี้ หลักการดังกล่าวถูกนำมาประยุกต์ใช้กับเทอร์โบชาร์จเจอร์ ซึ่งทำหน้าที่เป็นทั้ง คอมเพรสเซอร์และเทอร์ไบน์ในเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ขนาดเล็ก โดยมุ่งเน้นการศึกษาเชิงทดลองและ การพัฒนาเครื่องยนต์ต้นแบบที่สามารถทำงานได้จริง [8], [9] 5 2.2 วัฏจักรเบรย์ตัน (Brayton Cycle) วัฏจักรเบรย์ตันเป็นวัฏจักรอุดมคติที่ใช้อธิบายกระบวนการทำงานของเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ โดยถื อ เป็ น พื้ น ฐานสำคั ญ ในการวิ เ คราะห์ ทางอุ ณ หพลศาสตร์ ข องระบบ วั ฏ จั ก รนี้ ป ระกอบด้ ว ย กระบวนการหลัก 4 ขั้นตอน ได้แก่ การอัดอากาศแบบเอนโทรปีคงที่ การเพิ่มความร้อนที่ความดันคงที่ การขยายตัวของก๊าซแบบเอนโทรปีคงที่ และการคายความร้อนที่ความดันคงที่ [1], [4] ดังแสดงในรูปที่ 2.1 รูปที่ 2.1 วัฏจักรเบรย์ตัน (Brayton Cycle) (ที่มา: https://www.researchgate.net/figure/a-Idealized-Brayton-cycle-for-gas-turbines-b-Ts-Diagram-c-P-V-Diagram-4_fig1_281586711) ในกระบวนการอัดอากาศแบบเอนโทรปีคงที่ อากาศจะถูกอัดโดยคอมเพรสเซอร์โดยไม่เกิดการ ถ่ายเทความร้อนกับสิ่งแวดล้อม ส่งผลให้ความดันและอุณหภูมิของอากาศเพิ่มขึ้น กระบวนการถัดมาคือ การเพิ่มความร้อนที่ความดันคงที่ ซึ่งเกิดขึ้นภายในห้องเผาไหม้ โดยมีการจ่ายเชื้อเพลิงและเกิ ดการเผา ไหม้ ทำให้อุณหภูมิของก๊าซเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว [2], [3] หลังจากนั้น ก๊าซร้อนจะเข้าสู่กระบวนการขยายตัวแบบเอนโทรปีคงที่ภายในเทอร์ไบน์ ซึ่งพลังงาน ของก๊าซจะถูกถ่ายทอดออกมาในรูปของงานกล และสุดท้ายเป็นกระบวนการคายความร้อนที่ความดัน คงที่ ซึ่งในทางปฏิบัติมักเกิดขึ้นเมื่อก๊าซไอเสียถูกปล่อยออกสู่บรรยากาศ [1] แม้ว่าการทำงานจริงของเครื่องยนต์จะมีการสูญเสียพลังงานจากแรงเสียดทาน การรั่วไหล และการ ถ่ายเทความร้อน แต่วัฏ จักรเบรย์ตันยังคงเป็นแบบจำลองที่มีประโยชน์ในการใช้ประเมินแนวโน้ม สมรรถนะของเครื่องยนต์ เช่น ประสิทธิภาพทางความร้อน อุณหภูมิสูงสุด และอัตราส่วนความดันที่ เหมาะสม [2], [3] 6 2.3 เทอร์โบชาร์จเจอร์และบทบาทในเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ขนาดเล็ก เทอร์โบชาร์จเจอร์เป็นอุปกรณ์ที่ถูกออกแบบมาเพื่อเพิ่มปริมาณอากาศที่เข้าสู่ระบบเผาไหม้ของ เครื่องยนต์ โดยอาศัยพลังงานจากก๊าซไอเสียในการขับเคลื่อนกังหันเทอร์ไบน์ เพลาของเทอร์ไบน์จะ เชื่อมต่อกับคอมเพรสเซอร์โดยตรง ทำให้เมื่อเทอร์ไบน์หมุน คอมเพรสเซอร์จะสามารถดูดและอัดอากาศ เข้าสู่ระบบได้อย่างต่อเนื่อง [6], [7] ดังแสดงในรูปที่ 2.2 รูปที่ 2.2 โครงสร้างและหลักการทางานของเทอร์โบชาร์จเจอร์ (ที่มา : https://wiremystique.com/turbo-parts-diagram) การนำเทอร์โบชาร์จเจอร์มาใช้งานในลักษณะของเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ขนาดเล็กมีข้อได้เปรียบ หลายประการ เช่น ความสะดวกในการจัดหาอุปกรณ์ ต้นทุนที่ต่ำกว่าเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์เชิงพาณิชย์ และขนาดที่กะทัดรัด อย่างไรก็ตาม การใช้งานในลักษณะนี้ยังมีข้อจำกัดที่ต้องพิ จารณาอย่างรอบคอบ ได้แก่ ความสามารถในการทนต่ออุณหภูมิสูงของวัสดุ ประสิทธิภาพของระบบหล่อลื่น และเสถียรภาพของ การทำงานที่ความเร็วรอบสูง [3], [8] ดังนั้น การออกแบบและพัฒนาเครื่องยนต์ต้นแบบจึงจำเป็นต้องคำนึงถึงข้อจำกัดดังกล่าวควบคู่ไป กับการวิเคราะห์ทางทฤษฎี เพื่อให้เครื่องยนต์สามารถทำงานได้อย่างปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ [9] 7 2.4 ส่วนประกอบของเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์และหลักการทางาน ระบบเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ต้นแบบที่ใช้ในการศึกษานี้ประกอบด้วยองค์ประกอบหลัก ได้แก่ คอมเพรสเซอร์ ห้องเผาไหม้ เทอร์ไบน์ ระบบจ่ายเชื้อเพลิง และระบบหล่อลื่น ซึ่งองค์ประกอบทั้งหมดถูก จัดวางและเชื่อมต่อให้สามารถทางานร่วมกันเป็นระบบเดียว ดังแสดงในรูปที่ 2.3 รูปที่ 2.3 แผนผังองค์ประกอบทั่วไปของเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ ซึ่งแสดงตาแหน่งของคอมเพรสเซอร์ ห้องเผาไหม้ และเทอร์ไบน์ (ที่มา: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gas_turbine_-_intro.JPG) การทางานของระบบจาเป็นต้องอาศัยความสัมพันธ์ระหว่างองค์ประกอบแต่ละส่วนอย่างเหมาะสม โดยเฉพาะสมดุล พลังงานระหว่างคอมเพรสเซอร์และเทอร์ไ บน์ ซึ่งมีผ ลโดยตรงต่อเสถียรภาพและ สมรรถนะของเครื่องยนต์ [1], [3] 2.4.1 คอมเพรสเซอร์ คอมเพรสเซอร์เป็นองค์ประกอบที่ทาหน้าที่เพิ่มความดันและอุณหภูมิของอากาศก่อนเข้าสู่ ห้องเผาไหม้ สมรรถนะของคอมเพรสเซอร์สามารถพิจารณาได้จากอัตราส่วนความดันและประสิทธิภาพ การอัด ซึ่งเป็นตัวแปรสาคัญที่มีผลต่อปริมาณอากาศที่เข้าสู่ระบบและประสิทธิภาพทางความร้อนของ เครือ่ งยนต์โดยรวม [2], [3] ในทางทฤษฎี ความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิและอัตราส่วนความดันของคอมเพรสเซอร์ใน กรณีอุดมคติสามารถอธิบายได้ด้วยสมการอุณหพลศาสตร์ของแก๊ส อุดมคติ ซึ่งจะถูกนามาใช้ในการ วิเคราะห์และเปรียบเทียบกับค่าที่ได้จากการทดลองในบทถัดไป 8 2.4.2 ห้องเผาไหม้ ห้องเผาไหม้เป็นส่วนที่ทาหน้าที่ผสมอากาศกับเชื้อเพลิงและควบคุมการเผาไหม้ให้มีความ ต่อเนื่องและเสถียร การออกแบบห้องเผาไหม้ที่เหมาะสมจะช่วยให้การเผาไหม้เกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์ ลด การสูญเสียพลังงาน และควบคุมอุณหภูมิของก๊าซก่อนเข้าสู่เทอร์ไบน์ให้อยู่ในช่วงที่วัสดุสามารถรับได้ [6] นอกจากนี้ รูปแบบการไหลของอากาศภายในห้องเผาไหม้ยังมีบทบาทสาคัญต่อเสถียรภาพ ของเปลวไฟและประสิทธิภาพการเผาไหม้ โดยมักมีการออกแบบให้เกิดการหมุนวนของอากาศเพื่อช่วยใน การผสมอากาศและเชื้อเพลิง ดังแสดงในรูปที่ 2.4 รูปที่ 2.4 แสดงโครงสร้างระบบห้องเผาไหม้ (combustion chamber) (ที่มา: researchgate.net/figure/Schematic-diagram-of-a-continuous-combustionchamber_fig1_270046094?utm_source=chatgpt.com) 2.4.3 เทอร์ไบน์ เทอร์ไบน์ทาหน้าที่แปลงพลังงานความร้อนและพลังงานจลน์ของก๊าซให้เป็นพลังงานกล เพื่อ นาไปขับเคลื่อนคอมเพรสเซอร์ผ่านเพลาร่วม ประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์เป็นปัจจัยสาคัญที่กาหนด ความสามารถในการทางานของเครื่องยนต์ทั้งระบบ [1], [3] การวิเคราะห์เทอร์ไบน์จาเป็นต้องพิจารณาทั้งในด้านอุณหภูมิ ความดัน และอัตราการไหล ของก๊าซ เนื่องจากพารามิเตอร์เหล่านี้มีผลโดยตรงต่อสมดุลพลังงานและความปลอดภัยของระบบ 9 2.5 การวิเคราะห์ทางอุณหพลศาสตร์และสมการที่เกี่ยวข้อง การวิเคราะห์ทางอุณหพลศาสตร์เป็นขั้นตอนสาคัญในการประเมินสมรรถนะของเครื่องยนต์แก๊ส เทอร์ไบน์ เนื่องจากช่วยให้สามารถคานวณและคาดการณ์ค่าพารามิเตอร์หลัก เช่น อุณหภูมิ ความดัน งาน และประสิทธิภาพในแต่ละองค์ประกอบของระบบได้อย่างเป็นระบบ การวิเคราะห์ในโครงงานนี้อาศั ย สมมติฐานของแก๊สอุดมคติและการไหลแบบคงตัว (steady flow) ซึ่งเป็นแนวทางที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย ในงานวิศวกรรมเครื่องกลและวิศวกรรมอากาศยาน [1], [2] ตาแหน่งสถานะทางอุณหพลศาสตร์ของระบบเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์สามารถแสดงบนแผนภาพ อุณหภูมิ–เอนโทรปี (T–s diagram) เพื่ออธิบายลาดับกระบวนการของวัฏจักรเบรย์ตัน ดังแสดงในรูปที่ 2.2 2.5.1 อุณหภูมิทางออกของคอมเพรสเซอร์ ในกรณีอุดมคติ ซึ่งถือว่ากระบวนการอัดอากาศภายในคอมเพรสเซอร์เป็นกระบวนการเอน โทรปีคงที่ (Isentropic Process) อุณหภูมิทางออกของคอมเพรสเซอร์สามารถคานวณได้จากสมการ [1], [2] 𝑃02 ′ 𝑇02 = 𝑇01 ( 𝑃01 𝛾−1 𝛾 ) (2.1) โดยที่ 𝑇01 คือ อุณหภูมิรวมของอากาศก่อนเข้าสู่คอมเพรสเซอร์ (K) ′ 𝑇02 คือ อุณหภูมิรวมของอากาศหลังคอมเพรสเซอร์ในกรณีอุดมคติ (K) 𝑃01 คือ ความดันรวมของอากาศก่อนเข้าสู่คอมเพรสเซอร์ (Pa) 𝑃02 คือ ความดันรวมของอากาศหลังคอมเพรสเซอร์ (Pa) 𝛾 คือ อัตราส่วนความร้อนจาเพาะของอากาศ (ประมาณ 1.4) สมการนี้แสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิของอากาศจะเพิ่มขึ้นตามอัตราส่วนความดันของคอมเพรสเซอร์ ซึ่งมีผล โดยตรงต่อภาระงานของเทอร์ไบน์และอุณหภูมิภายในระบบโดยรวม 10 2.5.2 ประสิทธิภาพของคอมเพรสเซอร์ ในทางปฏิบัติ การอัดอากาศภายในคอมเพรสเซอร์จริงจะไม่เป็นกระบวนการเอนโทรปีคงที่ อย่างสมบูรณ์ เนื่องจากมีการสูญเสียพลังงานจากแรงเสียดทานและความไม่สมบูรณ์ของการไหล ดังนั้นจึง ต้องนิยามประสิทธิภาพของคอมเพรสเซอร์เพื่ออธิบายความแตกต่างระหว่างกรณีอุดมคติและกรณีจริง [2], [3] 𝜂𝑐 = ′ −𝑇 𝑇02 01 𝑇02 −𝑇01 (2.2) โดยที่ 𝜂𝑐 คือ ประสิทธิภาพของคอมเพรสเซอร์ 𝑇02 คือ อุณหภูมิรวมของอากาศหลังคอมเพรสเซอร์ในกรณีจริง (K) ค่าประสิทธิภาพของคอมเพรสเซอร์จะมีค่าระหว่าง 0 ถึง 1 ซึ่งค่ายิ่งสูงแสดงถึงการอัดอากาศที่มีการ สูญเสียน้อย และส่งผลให้เครื่องยนต์มีประสิทธิภาพโดยรวมสูงขึ้น 2.5.3 สมดุลพลังงานระหว่างเทอร์ไบน์และคอมเพรสเซอร์ ในเครื่ อ งยนต์ แ ก๊ ส เทอร์ ไ บน์ พลั ง งานที่ ไ ด้ จากเทอร์ ไ บน์ จะถู ก ใช้ ใ นการขั บ เคลื่ อ น คอมเพรสเซอร์ผ่านเพลาร่วม ดังนั้นการทางานของระบบจะต้องเป็นไปตามหลักสมดุลพลังงาน โดย สามารถเขียน ความสัมพันธ์ได้ดังสมการ [1], [3] 𝜂𝑡𝑟𝑎𝑛 𝐶𝑝𝑔 (𝑇03 − 𝑇04 ) = 𝐶𝑝 (𝑇02 − 𝑇01 ) โดยที่ (2.3) 𝜂𝑡𝑟𝑎𝑛 คือ ประสิทธิภาพการถ่ายทอดกาลังของเพลา 𝐶𝑝𝑔 คือ ความร้อนจาเพาะของก๊าซเผาไหม้ (kJ/kg·K) 𝑇03 คือ อุณหภูมิรวมของก๊าซก่อนเข้าสู่เทอร์ไบน์ (K) 𝑇04 คือ อุณหภูมิรวมของก๊าซหลังเทอร์ไบน์ (K) 𝐶𝑝 คือ ความร้อนจาเพาะของอากาศ (kJ/kg·K) สมการนี้ใช้ในการตรวจสอบว่าเทอร์ไบน์สามารถให้พลังงานเพียงพอสาหรับการขับคอมเพรสเซอร์ได้ หรือไม่ ซึ่งเป็นเงื่อนไขสาคัญที่ทาให้เครื่องยนต์สามารถทางานได้อย่างต่อเนื่อง 11 2.5.4 การคานวณแรงขับของเครื่องยนต์ แรงขับของเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์สามารถประมาณค่าได้จากหลักการอนุรักษ์โมเมนตัม โดยพิจารณาความแตกต่างของความเร็วของของไหลก่อนและหลังผ่านเครื่องยนต์ [2], [5] 𝑇ℎ𝑟𝑢𝑠𝑡 = 𝑚̇(𝑉𝑜 − 𝑉𝑖 ) (2.4) โดยที่ 𝑇ℎ𝑟𝑢𝑠𝑡 คือ แรงขับของเครื่องยนต์ (N) 𝑚̇ คือ อัตราการไหลเชิงมวลของอากาศ (kg/s) 𝑉𝑜 คือ ความเร็วของก๊าซไอเสียทางออก (m/s) 𝑉𝑖 คือ ความเร็วของอากาศขาเข้า (m/s) สมการนี้มักใช้ในการประเมินแนวโน้มของแรงขับที่เครื่องยนต์สามารถสร้างได้ และใช้เปรียบเทียบ กับค่าที่ได้จากการทดลองจริงในขั้นตอนการทดสอบเครื่องยนต์ 2.5.5 ขั้นตอนการคานวณเพื่อพัฒนาประสิทธิภาพของเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ สาหรับโครงงานนี้ ได้มีการนาเทอร์โบชาร์จเจอร์รุ่น RHF4 มาใช้ โดยมีขนาด Inducer เท่ากับ 44 มม. เพื่อศึกษาปริมาณอากาศที่ไหลเข้าสู่เครื่องยนต์ (Intake air mass flow rate, 𝑚̇𝑎 ) โดย ข้อมูลดังกล่าวถูกวิเคราะห์จากแผนภูมิ Compressor map ที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างอัตราส่วนความ ดัน (pressure ratio) กับอัตราการไหลของอากาศ [13] รวมถึงประสิทธิภาพของคอมเพรสเซอร์ในระดับ ต่าง ๆ ตามที่ปรากฏในรูปที่ 2.5 𝑘𝑔 โดยที่ 𝜂𝑐 = 70% , 𝜂𝑡 = 70% , 𝑚̇𝑎 = 0.12 𝑠𝑒𝑐 , 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑠𝑢𝑟𝑒 𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜 = 1.5 รูปที่ 2.5 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างอัตราส่วนความดันและอัตราการไหล (ที่มา: [13]) 12 การคานวณสมการเพื่อหาค่า 𝑇2 , 𝑇4 , 𝑃3 , 𝑊̇𝑐 , 𝑊̇𝑝 𝑇2 , 𝑃2 𝑇1 , 𝑃1 𝑇3 , 𝑃3 Combustion chamber 𝑇4 , 𝑃4 Turbine Compressor รูปที่ 2.6 การไหลผ่านของอุณหภูมิและความดันของเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ โดยที่ 𝑇1 = 298𝑘 (25℃), 𝑇3 = 1070𝑘 (800℃) 𝑃1 = 𝑃4 = 1 𝑎𝑡𝑚 , 𝑃2 = 1.5 𝑎𝑡𝑚 𝜂𝑐 = 0.7 , 𝜂𝑝 = 0.7 𝐶𝑝𝑎 = 1.005 𝐾𝐽 𝑘𝑔∗𝐾 , 𝐶𝑝𝑔 = 1.148 𝐾𝐽 𝑘𝑔∗𝐾 , 𝐾 = 1.4 การคานวณอุณหภูมิบริเวณทางเข้าของห้องเผาไหม้(𝑇2) 𝑇 𝑘−1 (2.5) 𝑇2 − 𝑇1 = 1 [𝑃𝑅 𝑘 − 1] 𝜂𝐶 𝑇2 − 298 = 1.4−1 298 [1.5 1.4 − 1] 0.7 𝑇2 = 348.71 𝑘 (75.71℃) การคานวณความดันบริเวณทางออกของห้องเผาไหม้ (𝑃3) 𝑃3 = 𝑃2 (1 − 0.12) = 1.5(0.88) = 1.32 𝑎𝑡𝑚 การคานวณอุณหภูมิบริเวณทางออกของเทอร์ไบน์ (𝑇4) 𝑇3 − 𝑇4 = 𝜂𝑡 × 𝑇3 [1 − ( 1 𝑃3 ⁄𝑃4 𝑘−1 )𝑘 ] 1.4−1 1 1070 − 𝑇4 = 0.7 × 1070[1 − ( ) 1.4 ] 1.32⁄1 𝑇4 = 1012.9𝑘 (739.9℃) 13 (2.6) การคานวณงานที่เกิดขึ้นบริเวณคอมเพรสเซอร์ Wc = 𝑊𝑐 = Cpa (T2 −T1 ) ηm (2.7) 1.005(348.71 − 298) 0.95 Wc = 53.65 Ẇc = 53.65 kJ kg kJ kg × 0.12 = 6.44 KW kg sec การคานวณงานที่เกิดขึ้นบริเวณเทอร์ไบน์ 𝑊𝑡 = 𝐶𝑝𝑔 (𝑇3 − 𝑇4 ) (2.8) 𝑊𝑡 = 1.148(1070 − 1012.9) 𝑊𝑡 = 65.55 Ẇt = 65.55 kJ kg kJ kg × 0.12 = 7.87 KW kg sec จากผลการคานวณที่ได้พบว่ากาลังงานที่ผลิตโดยชุดเทอร์ไบน์มีค่ามากกว่ากาลังงานที่ใช้โดยชุ ด คอมเพรสเซอร์ โดยเทอร์ไบน์สามารถผลิตกาลังได้ประมาณ 7.87 kW ขณะที่คอมเพรสเซอร์ต้องใช้กาลัง ประมาณ 6.44 kW ส่งผลให้มีกาลังงานสุทธิเหลือเพียงพอสาหรับการขับเคลื่อนระบบภายในเครื่องยนต์ ดังนั้นจึงสามารถสรุปได้ว่าเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ชุดนี้มีเงื่อนไขด้านพลังงานที่เหมาะสมและสามารถ ทางานได้ตามหลักการทางานของเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ 14 2.6 งานวิจัยที่เกี่ยวข้อง จากการทบทวนงานวิจัยที่ผ่านมา พบว่ามีการนาเทอร์โบชาร์จเจอร์มาประยุกต์ใช้ในการสร้าง เครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ขนาดเล็กเพื่อการศึกษาและการทดลองเชิงวิศวกรรม งานของ Mattingly [1] และ Walsh และ Fletcher [3] ได้อธิบายหลักการวิเคราะห์สมรรถนะของเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ไว้ อย่างเป็นระบบ ขณะที่งานของ Lee และคณะ [8] และ Sinaga และคณะ [9] ได้นาเสนอผลการสร้าง และทดสอบเครื่องยนต์ต้น แบบโดยใช้เทอร์โ บชาร์จเจอร์จากอุตสาหกรรมยานยนต์ แนวคิดและผล การศึกษาจากงานวิจัยดังกล่าวถูกนามาใช้เป็นแนวทางในการออกแบบ การเลือกพารามิเตอร์ และการวาง แผนการทดลองในโครงงานนี้ 2.7 สรุปท้ายบท บทนี้ได้นาเสนอการวิเคราะห์ทางอุณหพลศาสตร์ของเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ โดยอธิบายสมการ พื้นฐานที่ใช้ในการคานวณอุณหภูมิ ประสิทธิภาพ สมดุลพลังงาน และแรงขับของเครื่องยนต์ พร้อมทั้ง เชื่อมโยงกับงานวิจัยที่เกี่ยวข้อง ซึ่งเป็นพื้นฐานสาคัญสาหรับการออกแบบ การสร้าง และการทดสอบ เครื่องยนต์ต้นแบบในบทถัดไป 15 บทที่ 3 ขัน้ ตอนการออกแบบ การออกแบบและพัฒนาเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ต้นแบบในโครงงานนี้ เป็นการดาเนินงานในระยะ การพัฒนาเชิงวิศวกรรม โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อปรับปรุงรูปแบบของระบบจากแนวคิดเชิงทฤษฎีไปสู่ รูปแบบที่สามารถสร้างและทดสอบได้จริง การดาเนินงานในบทนี้จึงมุ่งเน้นการออกแบบเชิงโครงสร้าง การ จัดวางระบบ และการพัฒนาองค์ประกอบสาคัญของเครื่องยนต์ให้เหมาะสมกับการใช้งานในระดับต้นแบบ การพัฒนาในระยะนี้อาศัยผลการวิเคราะห์เชิงหลักการจากงานก่อนหน้าเป็นพื้นฐาน แต่ได้มีการ ปรับปรุงแนวทางการออกแบบให้สอดคล้องกับข้อจากัดด้านการสร้างจริง ความปลอดภัย และเสถียรภาพ ของการทางาน โดยเฉพาะในส่ว นของห้องเผาไหม้ ระบบจุดระเบิด และการกระจายอากาศภายใน เครื่องยนต์ 3.1 แนวคิดและกรอบการพัฒนาเครื่องยนต์ต้นแบบ จากการศึกษาผลการออกแบบและการวิเคราะห์ในระยะก่อนหน้า พบว่าแนวคิดพื้นฐานของ เครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์สามารถอธิบายพฤติกรรมการทางานของระบบได้ตามทฤษฎี อย่างไรก็ตาม เมื่อ นามาพิจารณาในมุมมองของการสร้างต้นแบบจริง ยังพบข้อจากัดหลายประการ เช่น ความไม่เสถียรของ การจุดระเบิด การกระจายอากาศที่ไม่เหมาะสม และความซับซ้อนของโครงสร้างที่ยากต่อการสร้างและ ประกอบ ดังนั้น แนวคิดการพัฒนาในโครงงานนี้จึงมุ่งเน้นการปรับปรุงระบบให้เหมาะสมกับการใช้งานจริง โดยยังคงหลักการทางานของเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์เป็นพื้นฐาน แต่เพิ่มรายละเอียดเชิงโครงสร้างและ การจัดวางระบบ เพื่อให้สามารถสร้าง ทดสอบ และปรับปรุงได้อย่างเป็นระบบ ภาพรวมแนวคิดของระบบ เครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ที่พัฒนาขึ้น แสดงดังรูปที่ 3.1 16 รูปที่ 3.1 แนวคิดภาพรวมของระบบเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ต้นแบบ (ดัดแปลงจาก [13]) 3.2 ข้อกาหนดและขอบเขตของการออกแบบและพัฒนา เพื่ อ ให้ การออกแบบและพั ฒ นาเครื่ อ งยนต์ ต้น แบบเป็ นไปอย่า งเป็ นระบบ ได้ มี การกาหนด ข้อกาหนดและขอบเขตของโครงงาน โดยพิจารณาทั้งด้านสมรรถนะ ความปลอดภัย และความเป็นไปได้ ในการสร้างจริง เครื่องยนต์ต้องสามารถสร้างการเผาไหม้อย่างต่อเนื่องภายในห้องเผาไหม้ และต้องไม่เกิน ขีดจากัดด้านอุณหภูมิและความเร็วรอบของเทอร์โบชาร์จเจอร์ที่เลือกใช้ นอกจากนี้ ขนาดโดยรวมของระบบต้องเหมาะสมกับการติดตั้งและทดสอบในห้องปฏิบัติการ และ ต้องสามารถถอดประกอบเพื่อการปรับปรุงหรือบารุงรักษาได้ในอนาคต ข้อกาหนดเชิงวิศวกรรมที่ใช้เป็น กรอบในการออกแบบ แสดงดังตารางที่ 3.1 ตารางที่ 3.1 ข้อกาหนดและขอบเขตของการพัฒนาเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ต้นแบบ ลาดับ 1 รายการข้อกาหนด ประเภทเครื่องยนต์ 2 วัตถุประสงค์การพัฒนา 3 ระบบอัดอากาศ รายละเอียด เครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ต้นแบบขนาดเล็กเพื่อการศึกษาและ พัฒนาเชิงวิศวกรรม เพื่อศึกษาการทางานของระบบเผาไหม้ การไหลของอากาศ และเสถียรภาพของระบบ ใช้เทอร์โบชาร์จเจอร์เป็นแหล่งกาเนิดกาลังอัดอากาศ 17 4 ขอบเขตการทางาน 5 โครงสร้างห้องเผาไหม้ 6 ระบบจุดระเบิด 7 8 เชื้อเพลิง Flame Tube 9 Outer Case 10 การตรวจวัด ความเร็วรอบและอุณหภูมิต้องไม่เกินขีดจากัดของอุปกรณ์ที่ เลือกใช้ แบ่งพื้นที่การทางานเป็น Primary, Secondary และ Tertairy Zone ใช้ ระบบจุ ด ระเบิ ด ด้ ว ยหั ว เที ย นและเพิ่ ม Glow Plug ที่ ออกแบบเพิ่มเติมสาหรับโครงงานนี้ เชื้อเพลิงแก๊สLPG ออกแบบและพัฒนาใหม่เพื่อปรับปรุงการกระจายอากาศและ เสถียรภาพการเผาไหม้ ออกแบบให้ ส อดคล้ อ งกั บ Flame Tube และเอื้ อ ต่ อ การ ประกอบ รองรับการติดตั้งอุปกรณ์วัดอุณหภูมิ ความดัน และความเร็ว รอบ 3.3 ภาพรวมโครงสร้างและการจัดวางระบบเครื่องยนต์ การจัดวางโครงสร้างของเครื่องยนต์ต้นแบบมีผลโดยตรงต่อการไหลของอากาศ ความสะดวกในการ ประกอบ และความปลอดภัยในการทดสอบ ในโครงงานนี้ได้ออกแบบการจัดวางองค์ประกอบหลัก ได้แก่ เทอร์โบชาร์จเจอร์ ห้องเผาไหม้ ระบบจ่ายเชื้อเพลิง ระบบจุดระเบิด และโครงสร้างรองรับ ให้อยู่ใน แนวแกนเดียวกันเพื่อลดการสูญเสียจากการไหล การจัดวางดังกล่าวช่วยลดความซับซ้อนของโครงสร้าง และเอื้อต่อการติดตั้งอุปกรณ์ตรวจวัด ภาพ การจัดวางระบบโดยรวมจากแบบจาลองสามมิติแสดงดังรูปที่ 3.2 รูปที่ 3.2 การจัดวางองค์ประกอบของเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ต้นแบบ 18 3.3 การออกแบบและพัฒนาระบบจุดระเบิดด้วยหัวเผา เพื่อเพิ่มเสถียรภาพของการจุดติดในช่วงเริ่มต้นการทางาน ได้มีการออกแบบระบบจุดระเบิดเพิ่มเติม โดยใช้ Glow Plug ซึ่งเป็นการออกแบบเพิ่มขึ้นเฉพาะในโครงงานนี้ ระบบดังกล่าวช่วยสร้างแหล่งความ ร้อนเฉพาะจุดใน Primary Zone ทาให้การจุดติดของเชื้อเพลิงเกิดขึ้นได้ง่ายและต่อเนื่อง โดยจะมี ลักษณะวงจรดังรูปที่3.3 รวมถึงรายละเอียดของอุปกรณ์ดังตารางที่ 3.2 และตาแหน่งการติดตั้ง Glow Plug ถูกเลือกให้อยู่ในบริเวณที่มีการไหลวนของอากาศ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการถ่ายเทความร้อน ตาแหน่งดังกล่าวแสดงดังรูปที่ 3.4 ตารางที่ 3.2 รายละเอียดอุปกรณ์ในการสร้างวงจรหัวเผา ชื้นที่ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 ชื่อ หน้าที่ Battery เป็นแหล่งจ่ายไฟหลักให้กับระบบทั้งหมด (จ่ายไฟ + และ −) Big Yellow Wire เป็นสายหลักในการจ่ายไฟไปยังขั้ว Glow (หัวเผา) Big Red Wire เป็นสายจ่ายไฟบวก (+) เข้าสู่ตัว Timer Relay Blue Small Wire (Switch) ใช้สาหรับควบคุมการเปิด/ปิดระบบ(สวิตช์จุดเริ่มต้นการทางาน ของรีเลย์) Yellow Small Wire เชื่อมต่อกับโคมไฟหรือสัญญาณไฟแจ้งเตือนเพื่อให้ไฟติดเมื่อ ระบบทางาน Green Small Wire เป็นสายควบคุมภายในระบบ ใช้สั่งงานโคมไฟ (bulb) White/Black Small Wire ต่อเข้ากับสวิตช์เซ็นเซอร์น้ามัน (Oil switch) หรือกราวด์ เพื่อสั่ง ให้ระบบรีเลย์ทางานอัตโนมัติ Glow Plug อุปกรณ์ให้ความร้อน(ในรถดีเซล)เพื่อช่วยในการสตาร์ต เครื่องยนต์ หลอดไฟ แสดงสถานะการทางานของระบบ (ไฟติดเมื่อระบบทางาน) Glow Lamp ไฟแสดงเฉพาะการทางานของหัวเผา (glow plug) Switch Oil or fit Ground ทาหน้าที่เป็นสวิตช์สั่งงานระบบอัตโนมัติ(เปิด/ปิดรีเลย์เมื่อมี แรงดันน้ามันหรือกราวด์สัญญาณ) Timer Relay ควบคุมการเปิด/ปิดการจ่ายไฟไปยังหัวเผาและสัญญาณต่างๆ โดยอัตโนมัติภายในเวลาที่กาหนด (เช่น 5–10 วินาที) 19 รูปที่ 3.3 แสดงถึงแผงผังวงจรและการต่อวงจรจริงของหัวเผา ตำแหน่งติดตัง้ รูปที่ 3.4 แสดงถึงตาแหน่งการติดตั้งหัวเผาบนแผ่นที่ติดกับท่อเปลวไฟ 3.6 การออกแบบและพัฒนาท่อเปลวไฟและปลอกหุ้มภายนอกโดยการเปรียบเทียบกับโครงสร้างเดิม การออกแบบ Flame Tube และ Outer Case ในโครงงานนี้เป็นการพัฒนาเชิงโครงสร้าง โดย อาศัยการวิเคราะห์ข้อจากัดของโครงสร้างเดิม เพื่อปรับปรุงการกระจายอากาศ เสถียรภาพของเปลวไฟ และความเหมาะสมต่อการสร้างต้นแบบจริง 3.6.1 การเปรียบเทียบท่อเปลวไฟเดิมและท่อเปลวไฟใหม่ เนื่องจากตัวต้นแบบมี flame tube ขนาดที่ยาว 300 มม. ในขณะที่ตัว Outer Case มี ขนาดความยาวที่ 400 มม. ในทางทฤษฎีและการออกแบบควรจะมีขนาดความยาวที่เท่ากัน เพราะส่งผล ต่ออัตราส่วนผสมของอากาศกับเชื้อเพลิง จากนั้นจึงทาการออกแบบ flame tube ใหม่ เพราะตัวต้นแบบ 20 มีขนาดที่ยาวเกิน ไปและรูที่เยอะเกินไป เพราะในทฤษฎี ของการคานวณในการสร้างโดยโปรแกรม JetSpecs designer 2.0 (ดังรูปที่ 3.5) รูของflame tube ทั้งหมดควรมีพื้นที่หน้าตัดรวมกันเท่ากับ พื้นที่หน้าตัดขนาด inducer ขนาดของ inducer อยู่ที่ 44 มม. ทาให้มีพื้นที่หน้าตัด 1520.53 ตาราง มิลลิเมตร ตัวต้นแบบมีตาแหน่ง Primary zone จานวน 84 รู ขนาด 4 มม. Secondary zone จานวน 6 รู ขนาด 8 มม. และTertiary zone จานวน 4 รู ขนาด 16 มม. พื้นที่หน้าตัดรวม 2161.415 ตาราง มิลลิเมตร ซึ่งมีขนาดพื้นที่หน้าตัดที่มากกว่าพื้นที่หน้าตัดของ inducer อยู่ที่ 640.885 ตารางมิลลิเมตร ซึ่งในการคานวณนั้น Flame tube ควรมีพื้นที่หน้าตัดประมาณ 95-100% ของพื้นที่หน้าตัด inducer ดังนั้นจึงทาการคานวณตามโปรแกรมจะได้ว่า Primary zone จานวน 36.3 รู ขนาด 4 มม. Secondary zone จานวน 6.05 รู ขนาด 8 มม. และTertiary zone จานวน 3.78 รู ขนาด 16 มม.ดังรูปที่ 3.6 แต่ไม่ สามารถสร้างตามจุดทศนิยมได้จึงทาการปรับจานวนรูในแต่ละzone ให้มีความเหมาะสมในการสร้างและ เพื่อให้มีประสิทธิภาพที่ดียิ่งขึ้นโดยกาหนด Primary zone จานวน 30 รู ขนาด 4 มม. Secondary zone จานวน 6 รู ขนาด 8 มม. และTertiary zone จานวน 4 รู ขนาด 16 มม.จึงมีพื้นที่หน้าตัดรวมเป็น 1482.83 ตารางมิลลิเมตร คิดเป็นเปอร์เซ็นต์จะอยู่ที่ 97.5 %ของพื้นที่หน้าตัด inducer ดังตารางที่ 3.3 และตารางที่ 3.4 และในเรื่องของความยาวทางต้นแบบได้เลือกใช้ความยาว 300 มิลลิเมตร ซึ่งจะเปลี่ยน ให้สั้นลงเหลือ 300 มิลลิเมตร ซึ่งในโปรแกรมได้กาหนดขั้นต่าในความยาวอยู่ที่ 264 มิลลิเมตร สาหรับตาแหน่งของรูในแต่ละโซน ได้กาหนดระยะห่างระหว่าง Primary, Secondary และ Tertiary zone ประมาณ 80 มิลลิเมตรตามรูปที่3.7 เพื่อให้สอดคล้องกับความยาวรวมของ flame tube และลักษณะการไหลของอากาศภายในห้องเผาไหม้ โดย Primary zone มีความยาวเพียงพอสาหรับการ ยึดเกาะและคงตัวของเปลวไฟ ขณะที่ Secondary และ Tertiary zone ทาหน้าที่เพิ่มอากาศเพื่อช่วยใน การเผาไหม้ให้สมบูรณ์และลดอุณหภูมิก๊าซก่อนเข้าสู่เทอร์ไบน์ ระยะห่างดังกล่าวช่วยลดการรบกวนกัน ของการไหลระหว่างแต่ละโซน และส่งผลให้การกระจายตัวของอากาศมีความเหมาะสมมากยิ่งขึ้น ตารางที่ 3.3 การออกแบบใหม่ของท่อเปลวไฟ Zone ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง (มิลลิเมตร) จานวนรู พื้นที่หน้าตัดรวม(ตารางมิลลิเมตร) Primary 4 30 376.99 21 Secondary 8 6 301.59 Tertiary 16 4 804.25 รวม 40 1482.83 ตารางที่ 3.4 เปรียบเทียบพื้นที่หน้าตัดท่อเปลวไฟเก่าและใหม่กับพื้นที่หน้าตัด Inducer รายการ Inducer ท่อเปลวไฟเก่า ท่อเปลวไฟใหม่ พื้นที่หน้าตัด(ตารางมิลลิเมตร) 1520.53 2161.415 1482.83 เทียบกับ Inducer (%) 100 142.1 97.5 รูปที่ 3.5 โปรแกรม Jetspecs designer 2.0 รูปที่ 3.6 ค่าที่คานวณจากโปรแกรม 22 รูปที่ 3.7 การออกแบบท่อเปลวไฟใหม่ 3.6.2 การเปรียบเทียบปลอกหุ้มภายนอกเดิมและปลอกหุ้มภายนอก Outer Case ที่ออกแบบใหม่ถูกพัฒนาให้มีความสอดคล้องกับ Flame Tube ที่ปรับปรุง แล้ว โดยมุ่งเน้นความเหมาะสมทางโครงสร้างและความสะดวกในการประกอบ เมื่อพิจารณาโครงสร้าง เดิม พบว่า Outer Case มีความยาวประมาณ 400 มิลลิเมตร ซึ่งมากกว่าความยาวที่เหมาะสมสาหรับการ ใช้งานร่วมกับ Flame Tube ที่ออกแบบใหม่ เพื่อให้การสวมประกอบของชิ้นส่วนมีความพอดีและลด ส่วนเกินของโครงสร้าง จึงได้ทาการปรับลดความยาวของ Outer Case ลงเหลือประมาณ 300 มิลลิเมตร ดังแสดงในรูปที่ 3.8 รูปที่ 3.8 การปรับลดความยาวของปลอกหุ้มภายนอกที่ออกแบบใหม่ 23 นอกจากนี้ โครงสร้างเดิมมีการเชื่อมต่อท่อทางไหลของอากาศด้วยข้องอ ส่งผลให้เส้นทางการไหล ของอากาศมีความยาวและเกิดการสูญเสียจากการไหล ในการออกแบบใหม่จึงได้ทาการปรับปรุงแนวการ เชื่อมต่อโดยลดจานวนข้อต่อ และปรับแนวการติดตั้งของกังหันเทอร์ไบน์ให้มีแนวแกนขนานกับพื้นโ ลก เพื่อให้การไหลของอากาศเป็นไปอย่างต่อเนื่องและตรงแนวมากขึ้น การปรับปรุงดังกล่าวแสดงดังรูปที่ 3.9 รูปที่ 3.9 การปรับแนวการเชื่อมต่อของปลอกหุ้มภายนอกและกังหันเทอร์ไบน์ 3.7 การเปรียบเทียบและคัดเลือกเทอร์โบชาร์จเจอร์ ในการออกแบบระบบกังหันก๊าซขนาดเล็กสาหรับการทดลอง จาเป็นต้องเลือกเทอร์โบชาร์จเจอร์ที่ มีสมรรถนะเหมาะสมกับสภาวะการทางานของระบบ ทั้งในด้านอัตราการไหลของอากาศ อัตราส่วนความ ดัน และกาลังที่สามารถผลิตได้จากเทอร์ไบน์ ดังนั้นผู้จัดทาจึงได้ทาการพิจารณาและเปรียบเทียบเทอร์โบ ชาร์จเจอร์จานวน 2 รุ่น ได้แก่ Garrett GT3076 turbocharger และ T3/T4ดังรูปที่ 3.10 และ3.11 โดย พิจารณาจากคุณสมบัติทางวิศวกรรมที่เกี่ยวข้องกับการทางานของระบบกังหันก๊าซ ตารางที่ 3.5 แสดง การเปรียบเทียบคุณสมบัติหลักของเทอร์โบชาร์จเจอร์ทั้งสองรุ่น ได้แก่ ขนาดใบคอมเพรสเซอร์ ขนาดใบ เทอร์ไบน์ อัตราการไหลของอากาศ อัตราส่วนความดัน ประสิทธิภาพของคอมเพรสเซอร์ และกาลังที่ผลิต ได้จากเทอร์ไบน์ ซึ่งเป็นตัวแปรสาคัญที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพโดยรวมของระบบ รูปที่3.10 Turbo GT3076 24 รูปที่ 3.11 Turbo T3/T4 ตารางที่ 3.5 การเปรียบเทียบคุณสมบัติของเทอร์โบชาร์จเจอร์ รายการ/รุ่น ขนาดใบคอมเพรสเซอร์ ขนาดใบเทอร์ไบน์ Turbine ใหญ่กว่า Compressor รอบเพลาที่ใช้งาน อัตราการไหลอากาศ Pressure Ratio Compressor Efficiency (ηc) อุณหภูมิขาเข้า (T1) สมมติอุณหภูมิหลังเผาไหม้ (T3) กาลังที่คอมเพรสเซอร์ใช้ กาลังที่เทอร์ไบน์ผลิต กาลังสุทธิ ระบบ บริเวณ turbine GT3076 57 mm 60 mm ~5% ≈110,000 rpm 0.30 kg/s 2.5 76% 300 k 1100 k 35.7 kw 57.4 kw +21.7 kw น้าและน้ามัน ไม่มีรู 25 T3/T4 54 mm 60 mm ~14% ~105,000 rpm 0.27kg/s 2.5 76% 300 k 1100 k 32.1 kw 51.7 kw +19.6 kw น้ามัน มีรู จากการวิเคราะห์สมรรถนะของเทอร์โบชาร์จเจอร์ทั้งสองรุ่น โดยกาหนดเงื่อนไขการคานวณให้ เหมือนกัน ได้แก่ อัตราส่วนความดัน (Pressure Ratio) เท่ากับ 2.5 อุณหภูมิอากาศขาเข้าเท่ากับ 300 K และอุ ณ หภู มิ ห ลั ง การเผาไหม้ ป ระมาณ 1100 K พบว่า เทอร์ โ บชาร์ จ เจอร์ รุ่ น Garrett GT3076 turbocharger สามารถรองรับอัตราการไหลของอากาศได้ประมาณ 0.30 kg/s ในขณะที่รุ่น T3/T4 รองรับได้ประมาณ 0.27 kg/s ส่งผลให้กาลังที่เทอร์ไบน์สามารถผลิตได้และกาลังสุทธิของระบบมีค่า มากกว่า จากผลการวิเคราะห์พบว่าเทอร์โบชาร์จเจอร์รุ่น GT3076 สามารถผลิตกาลังจากเทอร์ ไบน์ได้ ประมาณ 57.4 kW และมีกาลังสุทธิของระบบประมาณ 21.7 kW ซึ่งมากกว่ารุ่น T3/T4 ที่มีกาลังสุทธิ ประมาณ 19.6 kW ภายใต้เงื่อนไขการคานวณเดียวกัน แสดงให้เห็นว่าเทอร์โบชาร์จเจอร์รุ่นดังกล่าวมี ศักยภาพในการสร้างพลังงานให้กับระบบได้มากกว่า นอกจากนี้ ผู้จัดทายังได้พิจารณาแผนภาพสมรรถนะ ของคอมเพรสเซอร์ (Compressor Map) ของเทอร์โบชาร์จเจอร์ทั้งสองรุ่น เพื่อประเมินช่วงการทางานที่ เหมาะสมของคอมเพรสเซอร์ โดยแสดงดังรูปที่ 3.13 และรูปที่ 3.14 รูปที่ 3.13 Compressor Map ของเทอร์โบชาร์จเจอร์ GT3076 26 รูปที่ 3.14 Compressor Map ของเทอร์โบชาร์จเจอร์ T3/T4 จากการพิจารณาข้อมูลเชิงสมรรถนะร่วมกับขนาดทางกายภาพของใบคอมเพรสเซอร์และใบเทอร์ ไบน์ พบว่าเทอร์โบชาร์จเจอร์รุ่น GT3076 มีขนาดใบคอมเพรสเซอร์ที่เหมาะสมกับอัตราการไหลของ อากาศในระบบทดลอง และสามารถรองรับสภาวะการทางานของระบบกังหันก๊าซขนาดเล็กได้อย่างมี ประสิทธิภาพ ดังนั้น จากการวิเคราะห์และเปรียบเทียบสมรรถนะของเทอร์โบชาร์จเจอร์ทั้งสองรุ่น จึงได้เลือกใช้ เทอร์โบชาร์จเจอร์รุ่น GT3076 เป็นอุปกรณ์หลักสาหรับใช้ในระบบทดลองของงานวิจัยนี้ เนื่องจากมีอัตรา การไหลของอากาศและกาลังสุทธิของระบบสูงกว่า จึงมีความเหมาะสมต่อการนามาใช้ในระบบกังหันก๊าซ ขนาดเล็กมากกว่า 3.8 การออกแบบและสร้างชิ้นส่วนเชื่อมต่อระหว่างห้องเผาไหม้และเทอร์ไบน์ ในการออกแบบได้ทาการเลือกใช้ รุ่นที่ได้ทาการคัดเลือกมานั่นคือ เทอร์โบชาร์จเจอร์รุ่น GT3076 เป็นส่วนของเทอร์ไบน์ เนื่องจากเป็นอุปกรณ์ที่สามารถรองรับอุณหภูมิและพลังงานจากแก๊สร้อนที่เกิดจาก กระบวนการเผาไหม้ได้อย่างเหมาะสม อีกทั้งยังมีขนาดและสมรรถนะที่สอดคล้องกับเงื่อนไขการทางาน ของระบบที่ออกแบบไว้ จึงเหมาะสมสาหรับนามาใช้เป็นองค์ประกอบหลักในการเปลี่ยนพลังงานของแก๊ส ร้อนให้เป็นพลังงานกลของเทอร์ไบน์ 27 ในขั้นตอนการออกแบบเบื้องต้น ได้ทาการออกแบบทางออกของห้องเผาไหม้ให้เชื่อมต่อกับทางเข้า เทอร์ไบน์ในลักษณะ Convergent หรือท่อที่มีพื้นที่หน้าตัดลดลง เพื่อช่วยเพิ่มความเร็วของการไหลของ แก๊สก่อนเข้าสู่ใบพัดเทอร์ไบน์ ซึ่งเป็นหลักการที่สามารถช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการถ่ายเทพลังงานของ กระแสแก๊สไปยังเทอร์ไบน์ได้ โดยแบบจาลองการออกแบบของส่วนเชื่อมต่อระหว่างห้องเผาไหม้กับ ทางเข้าเทอร์ไบน์แสดงดัง รูปที่ 3.15 รูปที่ 3.15 แบบการออกแบบทางออกห้องเผาไหม้แบบ Convergent อย่างไรก็ตาม เมื่อเข้าสู่ขั้นตอนการผลิตชิ้นงานจริง พบว่ารูปแบบโครงสร้างของชิ้นงานที่ออกแบบ ไว้มีข้อจากัดในด้านกระบวนการผลิต โดยเฉพาะการขึ้นรูปและการเชื่อมประกอบของชิ้นงานให้ได้รูปทรง ตามแบบ Convergent ที่กาหนดไว้ ซึ่งต้องอาศัยกระบวนการผลิตที่มีความซับซ้อนและใช้ระยะเวลาใน การดาเนินการค่อนข้างมาก ประกอบกับกรอบระยะเวลาของโครงการที่มีอยู่อย่างจากัด จึงจาเป็นต้องมี การปรับรูปแบบของชิ้นงานให้สอดคล้องกับข้อจากัดในการผลิต เพื่อให้สามารถสร้างต้นแบบของระบบ และนาไปใช้ในการทดสอบได้ภายในระยะเวลาที่กาหนด ดังนั้น ในขั้นตอนการสร้างชิ้นงานจริงจึงได้มีการปรับเปลี่ยนรูปแบบของท่อทางออกจากห้องเผา ไหม้ให้เป็นลักษณะ Divergent หรือท่อที่มีพื้นที่หน้าตัดเพิ่มขึ้นแทน ซึ่งเป็นรูปแบบที่สามารถผลิตได้งา่ ย กว่า และสามารถดาเนินการขึ้นรูปและประกอบชิ้นงานได้รวดเร็วขึ้น ทาให้สามารถสร้างต้นแบบของ ระบบเพื่อใช้ในการทดลองได้ทันตามกาหนดเวลา โดยลักษณะของชิ้นงานที่ได้จากการสร้างจริงแสดงดัง รูปที่ 3.16 28 รูปที่ 3.16 ชิ้นงานจริงของทางออกห้องเผาไหม้แบบ Divergent แม้ว่ารูปแบบของชิ้นงานจริงจะมีความแตกต่างจากแบบที่ได้ออกแบบไว้ในขั้นตอนแรก แต่ยังคง สามารถเชื่อมต่อกับเทอร์โบชาร์จเจอร์และทางานร่วมกับระบบได้ตามวัตถุประสงค์ของการทดลอง ทั้งนี้ การปรับเปลี่ยนรูปแบบของท่อพิจารณาจากความเหมาะสมในการประกอบร่วมกับหน้าแปลนของระบบ เนื่องจากหากใช้ท่อตรง ขนาดท่อจะเล็กกว่ารูของหน้าแปลน ส่งผลให้การเชื่อมต่อและการติดตั้งทาได้ยาก กว่า ดังนั้นจึงเลือกใช้รูปแบบท่อที่มีการเปลี่ยนขนาดหน้าตัด เพื่อให้สามารถเชื่อมต่อกับหน้าแปลนและท่อ ปลายได้สะดวกยิ่งขึ้น 3.9 ระบบวัดความเร็วรอบ ระบบวัดความเร็วรอบของเทอร์โบชาร์จเจอร์โดยใช้เซนเซอร์ Hall Effect ดังรูปที่3.17 เป็นวิธีการ วัดแบบไม่สัมผัสที่อาศัยการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กซึ่งเกิดจากการหมุนของเพลา เทอร์โบชาร์จเจอร์ โดยจะมีการติดตั้งชิ้นส่วนแม่เหล็กถาวรหรือวัสดุเฟอร์โรแมกเนติกไว้บนเพลาหมุน เมื่อ เพลาหมุนเคลื่อนที่ผ่านบริเวณตรวจจับของเซนเซอร์ Hall Effect จะทาให้เกิดสัญญาณไฟฟ้าในลักษณะ พัลส์ที่มีความถี่แปรผันตามความเร็วรอบของเพลา สัญญาณดังกล่าวสามารถนาไปขยายและปรับสภาพให้ อยู่ในรูปแบบสัญญาณดิจิทัล เพื่อให้เหมาะสมต่อการประมวลผลและการคานวณค่าความเร็วรอบในหน่วย รอบต่อนาที (RPM) โดยระบบวัดประเภทนี้สามารถตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงความเร็วรอบได้อย่าง รวดเร็วและต่อเนื่อง นอกจากนี้ ระบบวัดความเร็วรอบด้วยเซนเซอร์ Hall Effect ยังมีความเหมาะสมต่อการใช้งานกับ เทอร์โบชาร์จเจอร์ซึ่งทางานภายใต้สภาวะความเร็วรอบสูง อุณหภูมิสูง และการสั่นสะเทือนอย่างต่อเนื่อง เนื่องจากเป็นการตรวจจับแบบไม่สัมผัส จึงช่วยลดการสึกหรอและความเสียหายทางกลของอุปกรณ์ สั ญ ญาณขาออกของเซนเซอร์ เ ป็ น สั ญ ญาณดิ จิ ทั ล ที่ มี ค วามเสถี ย ร ทาให้ ง่า ยต่ อ การเชื่ อ มต่ อ กั บ 29 ไมโครคอนโทรลเลอร์หรือระบบบันทึกข้อมูล อีกทั้งยังสามารถรองรับการวัดความเร็วรอบในช่วงกว้างได้ อย่างมีประสิทธิภาพ ส่งผลให้ระบบวัดชนิดนี้ถูกนามาใช้ในการตรวจสอบสมรรถนะและความปลอดภัย ของระบบเทอร์โบชาร์จเจอร์ในงานวิศวกรรมยานยนต์และเครื่องกล รูปที่ 3.17 วงจรเซนเซอร์ Hall Effect 3.10 ตาแหน่งและอุปกรณ์วัดอุณหภูมิ การวัดค่าอุณหภูมิ (Temperature Measuring) ในการทดลองนี้ได้ออกแบบการวัด อุณหภูมิ ณ ตาแหน่งต่างๆ โดยจะมีการวางตาแหน่งตามหมายเลขด้านล่างอ้างอิงตามรูปที่ 3.18 ดังนี้ 1) อุณหภูมิของอากาศที่ห้องเผาไหม้ (Combustion Chamber Temperature) เป็นสิ่งสาคัญ มาก เนื่องจากอุณหภูมิสูงที่เกิดขึ้นในบริเวณนี้จะส่งผลต่อประสิทธิภาพและความทนทานของ เครื่องยนต์ ซึ่งใช้ Thermocouples เป็นอุปกรณ์วัดอุณหภูมิที่สามารถทนต่ออุณหภูมิสูงได้ดี โดยมักจะติดตั้งไว้ที่ ตาแหน่งภายในห้องเผาไหม้ 2) อุณหภูมิไอเสียหลังเทอร์ไบน์ TOT (Turbine Outlet Temperature) เป็นการวัดอุณหภูมิ ของไอเสียภายหลังจากที่ไอเสียผ่านใบเทอร์ไบน์แล้ว โดยปกติจะติดตั้งเซนเซอร์บริเวณท่อไอเสียด้านออก ของเทอร์ไบน์เพื่อให้ได้ค่าที่สะท้อนสภาวะการทางานของเทอร์ไบน์อย่างเหมาะสม การวัด TOT ใช้สาหรับ ตรวจสอบประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์และความปลอดภัยในการทางานของเครื่องยนต์ โดยใช้อุปกรณ์วัด ชนิด Thermocouple ซึ่งอาศัยหลักการเกิดความต่างศักย์ไฟฟ้าจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ทาให้ สามารถวัดอุณหภูมิไอเสียได้อย่างแม่นยา 30 2 1 รูปที่ 3.18 ตาแหน่งสาหรับการวัดอุณหภูมิ อุปกรณ์วัดอุณหภูมิชนิด Thermocouple ดังรูปที่ 3.19 เป็นเซนเซอร์ที่ทางานบนพื้นฐานของ ปรากฏการณ์ Seebeck Effect ซึ่งเกิดจากการเชื่อมต่อโลหะต่างชนิดเข้าด้วยกันและมีความแตกต่างของ อุณหภูมิระหว่างจุดวัดกับจุดอ้างอิง ความแตกต่างดังกล่าวจะก่อให้เกิดแรงดันไฟฟ้าขนาดเล็กในระดับ มิล ลิโวลต์ ซึ่งมีความสัมพันธ์กับอุณหภูมิในลักษณะไม่เป็นเชิงเส้น ด้ว ยเหตุนี้ การนาสัญญาณจาก Thermocouple ไปใช้งานจึงจาเป็นต้องอาศัยระบบอิเล็กทรอนิกส์สาหรับการปรับสภาพสัญญาณ เพื่อให้ สามารถนาข้อมูลไปประมวลผลได้อย่างถูกต้องและมีความน่าเชื่อถือ ระบบประมวลผลสัญญาณของ Thermocouple โดยทั่วไปประกอบด้วยวงจรขยายสัญญาณเพื่อ เพิ่มระดับแรงดันไฟฟ้าให้เหมาะสมกับการแปลงสัญญาณ วงจรชดเชยอุณหภูมิที่จุดอ้างอิงซึ่งทาหน้าที่ แก้ไขความคลาดเคลื่อนจากอุณหภูมิแวดล้อม วงจรแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นดิจิทัล สาหรับการ ประมวลผลด้วยไมโครคอนโทรลเลอร์ รวมถึงวงจรกรองสัญ ญาณรบกวนเพื่อลดผลกระทบจากสัญญาณ รบกวนภายนอก นอกจากนี้ เนื่ อ งจากลั ก ษณะความสั ม พั น ธ์ ระหว่า งแรงดั น และอุ ณ หภู มิ ข อง Thermocouple ไม่ เ ป็ น เชิ ง เส้ น จึ ง จาเป็ น ต้ อ งใช้ วิ ธี การคานวณหรือ ข้ อ มู ล อ้า งอิ ง ตามชนิ ด ของ Thermocouple เพื่อแปลงค่าสัญญาณไฟฟ้าให้เป็นค่าอุณหภูมิที่ถูกต้องและเหมาะสมต่อการนาไปใช้งาน 31 รูปที่ 3.19 การทางานของเทอร์โมคัปเปิล (ที่มา:https://www.iqsdirectory.com/articles/thermocouple.html) 3.11 ตาแหน่งและอุปกรณ์วัดความดัน การวัดค่าความดัน (Pressure Measuring) ในการทดลองนี้ได้ออกแบบการวัดความดัน ณ ตาแหน่งตามหมายเลขด้านล่างอ้างอิงดังรูปที่ 3.20 ดังนี้ 1) ความดันของอากาศที่เข้าห้องเผาไหม้ (Inlet Air Pressure) มักเรียกว่าความดันที่ทางออกของ คอมเพรสเซอร์ (Compressor Exit Pressure) โดยความดันนี้เป็นความดันของอากาศที่ถูกบีบอัดโดย คอมเพรสเซอร์ก่อนที่จะเข้าสู่ห้องเผาไหม้เพื่อทาการเผาไหม้ร่วมกับเชื้อเพลิงซึ่งใช้Pressure Transducers วัดความดันที่เป็นอุปกรณ์ที่แปลงความดันเป็นสัญญาณไฟฟ้า เพื่อให้สามารถส่งข้อมูลไปยังระบบควบคุม หรือแสดงผลได้ 1 รูปที่ 3.20 ตาแหน่งสาหรับการวัดความดัน 32 อุปกรณ์ Pressure Transducer ทาหน้าที่แปลงค่าความดันเชิงกลให้เป็นสัญญาณทางไฟฟ้าโดย อาศัยการเปลี่ยนแปลงของคุณสมบัติทางไฟฟ้าภายในตัวเซนเซอร์ ซึ่งโดยทั่วไปใช้ตัวตรวจจับชนิด Strain Gauge ที่มีการจัดวางเป็นวงจรสะพานวีตสโตน เพื่อให้สามารถตรวจวัดการเปลี่ยนแปลงของความ ต้านทานที่เกิดจากแรงดันได้อย่างละเอียดและมีความไวสูง เมื่อความดันภายนอกกระทาต่อแผ่นรับแรง จะทาให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณแรงดันไฟฟ้าขาออกในระดับมิลลิโวลต์ ซึ่งสะท้อนค่าความดันที่ กระทาต่อทรานสดิวเซอร์ เพื่ อ ให้ สั ญ ญาณจาก Pressure Transducer สามารถนาไปใช้ งานได้ อ ย่า งมี ป ระสิ ท ธิ ภาพ จาเป็นต้องมีระบบอิเล็กทรอนิกส์สาหรับการปรับสภาพและประมวลผลสัญญาณ โดยเริ่มจากการจ่าย แรงดันคงที่ให้กับวงจรสะพานภายในเซนเซอร์ จากนั้นสัญญาณขนาดเล็กที่ได้จะถูกขยายด้วยวงจรขยาย ชนิด Instrumentation Amplifier และผ่านการกรองเพื่อลดผลกระทบจากสัญญาณรบกวน ก่อนนาไป แปลงเป็นสัญญาณดิจิทัลด้วยวงจร ADC สาหรับการประมวลผลด้วยไมโครคอนโทรลเลอร์ นอกจากนี้ เพื่อเพิ่มความถูกต้องของค่าความดันที่วัดได้ ระบบมักมีขั้นตอนการสอบเทียบและการชดเชยความ คลาดเคลื่อน เช่น ผลกระทบจากอุณหภูมิหรือความไม่เชิงเส้นของเซนเซอร์ ซึ่งสามารถดาเนินการได้ทั้งใน รูปแบบฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ภายในระบบควบคุม 3.12 การพิจารณาผลกระทบด้านสิ่งแวดล้อมและมาตรฐานที่เกี่ยวข้อง โครงงานนี้เป็นการออกแบบและพัฒนาเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ต้นแบบเพื่อการศึกษาและการ ทดลองภายในห้องปฏิบัติการ ซึ่งมีขนาดเล็กและถูกใช้งานในระยะเวลาจากัด การใช้เชื้อเพลิงและการ ปล่อยมลพิษจากระบบอยู่ในระดับต่าเมื่อเปรียบเทียบกับการใช้งานเชิงพาณิชย์ จึงไม่ก่อให้เกิด ผลกระทบ ต่อสิ่งแวดล้อมในวงกว้าง อย่างไรก็ตาม ผู้จัดทาได้คานึงถึงการลดผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นโดยมุ่งเน้นการใช้ เชื้อเพลิงอย่างเหมาะสม การป้องกันการรั่วไหลของเชื้อเพลิงและของไหล รวมถึงการปฏิบัติงานภายใต้ ข้อกาหนดด้านความปลอดภัย เพื่อหลีกเลี่ยงผลกระทบต่อผู้ปฏิบัติ งานและสภาพแวดล้อมภายใน ห้องทดลอง นอกจากนี้ ในกระบวนการออกแบบและพัฒนา ผู้จัดทาได้อ้างอิงแนวทางและมาตรฐานทาง วิศวกรรมที่ได้รับการยอมรับ เพื่อให้การออกแบบระบบมีความเหมาะสม ปลอดภัย และสอดคล้องกับแนว ปฏิบัติสากล โดยมาตรฐานที่เกี่ยวข้องมีรายละเอียดดังนี้ 33 มาตรฐาน ISO 3977 เป็น มาตรฐานที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบ การจัดซื้อ และการใช้งาน เครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ โดยเฉพาะส่วนที่เกี่ยวข้องกับชนิดเชื้อเพลิงและประเด็นด้านสิ่งแวดล้อม ซึ่งให้ แนวทางในการกาหนดข้อมูลเชื้อเพลิงและการพิจารณาผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมจากการใช้งานเครื่องยนต์ แก๊สเทอร์ไบน์ [10] มาตรฐาน ISO 1217 เป็นมาตรฐานที่กาหนดวิธีการทดสอบสมรรถนะของคอมเพรสเซอร์อากาศ เพื่อให้ผลการทดสอบมีความถูกต้องและสามารถเปรียบเทียบได้อย่างเป็นระบบ ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการ ประเมินประสิทธิภาพของระบบอัดอากาศที่เกี่ยวข้องกับเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ [11] มาตรฐาน ASTM A409/A409M เป็นมาตรฐานที่ระบุคุณลักษณะของท่อเหล็กสเตนเลสออสเทน นิติกชนิดเชื่อมที่เหมาะสมสาหรับงานที่ต้องทนต่ออุณหภูมิสูงหรือสภาพแวดล้อมที่มีการกัดกร่อน ซึ่ง สามารถนามาใช้เป็นแนวทางในการเลือกวัสดุสาหรับชิ้นส่วนและระบบท่อในโครงงานนี้ [12] การนามาตรฐานดังกล่าวมาพิจารณาร่วมกับกระบวนการออกแบบและการทดลอง ช่วยเสริมให้ โครงงานมีความน่าเชื่อถือในเชิงวิศวกรรม และลดความเสี่ยงที่อาจเกิดขึ้นทั้งต่อผู้ปฏิบัติงานและ สิ่งแวดล้อม แม้โครงงานจะเป็นเพียงต้นแบบที่ใช้งานในห้องปฏิบัติการก็ตาม 34 บทที4่ ผลการทดสอบ/ผลการทดลอง 4.1 การทดสอบและผลการทดสอบระบบน้าหล่อเย็น ในการพัฒนาระบบสาหรับการทดลอง ผู้จัดทาได้ทาการปรับปรุงระบบน้าหล่อเย็น โดยทาการ เปลี่ยนปั๊มน้าหล่อเย็นใหม่เพื่อให้สามารถสร้างการไหลเวียนของของเหลวได้อย่างมีประสิทธิภาพและมี ความเสถียรมากขึ้น นอกจากนี้ยังได้มีการเปลี่ยนจากการใช้น้าทั่วไปมาเป็น น้าหล่อเย็น (Coolant) ซึ่งมี คุณสมบัติในการถ่ายเทความร้อนได้ดีกว่า รวมถึงช่วยลดการเกิดสนิมและการกัดกร่อนภายในระบบท่อ และอุปกรณ์ต่าง ๆ นอกจากนี้ ในการออกแบบระบบทดลองยังได้เลือกใช้ ถังเก็บของเหลวขนาดใหญ่ ทา หน้าที่เป็นแหล่งกักเก็บน้าหล่อเย็นภายในระบบ โดยถังดังกล่าวช่วยเพิ่มปริมาตรของของเหลวภายใน ระบบ ทาให้สามารถดูดซับและกระจายความร้อนที่ถ่ายเทออกมาจากเทอร์โบชาร์จเจอร์ได้มากขึ้น ส่งผล ให้ของเหลวภายในระบบมีอัตราการเพิ่มของอุณหภูมิช้าลงและช่วยทาหน้าที่เสมือนเป็น แหล่งระบาย ความร้อน (Cooling Reservoir) ภายในตัว ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของระบบหล่อเย็นโดยรวมในการ ทดลอง หลังจากทาการปรับปรุงและติดตั้งอุปกรณ์ใหม่แล้ว ได้ทาการทดสอบการทางานของระบบน้า หล่อเย็นเพื่อตรวจสอบ ทิศทางการไหลและอัตราการไหลของของเหลวภายในระบบ ที่เชื่อมต่อกับตัว เทอร์โบชาร์จเจอร์ เพื่อให้มั่นใจว่าของเหลวสามารถไหลเวียนผ่านจุ ดที่ต้องการระบายความร้อนได้อย่าง ต่อเนื่องและมีประสิทธิภาพ โดยภาพรวมของระบบน้าหล่อเย็นที่ใช้ในการทดลองแสดงดัง รูปที่ 4.1 รูปที่ 4.1 ภาพรวมของระบบน้าหล่อเย็น 35 จากการทดสอบพบว่าระบบน้าหล่อเย็นที่ได้รับการปรับปรุงสามารถทางานได้อย่างเหมาะสม โดย ของเหลวสามารถไหลเวียนผ่านตัวเทอร์โบชาร์จเจอร์ได้อย่างต่อเนื่อง ช่วยลดการสะสมของความร้อนใน ระหว่างการทดลอง และเพิ่มความเสถียรของการทางานของระบบโดยรวม 4.2 ผลการทดสอบระบบน้ามันหล่อลื่น จากการทดสอบระบบน้ามันเครื่องของเทอร์โบชาร์จเจอร์ ผู้จัดทาได้ดาเนินการติดตั้งระบบโดยจัด วางตาแหน่งของเทอร์โบชาร์จเจอร์ให้อยู่ในระนาบตั้งฉากกับฐานรองรับ เพื่อป้องกันการรั่วไหลของ น้ามันเครื่องผ่านตาแหน่งใบพัดคอมเพรสเซอร์และใบพัดเทอร์ไบน์ รวมถึงเพื่อให้การไหลกลั บของ น้ามันเครื่องเป็นไปอย่างเหมาะสม อย่างไรก็ตาม จากการทดสอบในระยะแรกพบว่ามีการรั่วซึมของ น้ามันเครื่องในบางตาแหน่งของระบบ ซึ่งมีสาเหตุมาจากความไม่เหมาะสมของขนาดท่อน้ามันเครื่องและ อุปกรณ์ยึดรัดที่ใช้ ผู้จัดทาจึงได้ดาเนินการแก้ไขปัญหาดังกล่าวโดยการปรับขนาดท่อน้ามันเครื่องให้มี ความเหมาะสมกับอัตราการไหลของน้ามันเครื่องและข้อต่อของระบบ รวมถึงทาการเปลี่ยนอุปกรณ์ แคลมป์รัดท่อให้เป็นชนิดที่มีความแข็งแรงและสามารถให้แรงรัดได้อย่างสม่าเสมอมากยิ่งขึ้น ส่งผลให้ สามารถลดปัญหาการรั่วซึมของน้ามันเครื่องลงได้ และทาให้ระบบหล่อลื่นสามารถทางานได้อย่างมี ประสิทธิภาพมากขึ้น รายละเอียดของการจัดวางท่อน้ามันเครื่องและระบบหล่อลื่นหลังจากการปรับปรุง แสดงดังรูปที่ 4.2 รูปที่ 4.2 การทดสอบระบบน้ามันเครื่อง 36 นอกจากนี้ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการควบคุมอุณหภูมิของน้ามันเครื่อง ผู้จัดทาได้ติดตั้งอุปกรณ์ แลกเปลี่ยนความร้อนน้ามันเครื่อง (Oil Cooler) เพิ่มเติมในระบบ เพื่อช่วยลดอุณหภูมิของน้ามันเครื่องให้ อยู่ในช่วงที่เหมาะสมต่อการทางานของเทอร์โบชาร์จเจอร์ ซึ่งช่วยรักษาคุณสมบัติของน้ามันเครื่อง ลดการ เสื่อมสภาพจากความร้อน และเพิ่มความทนทานให้กับระบบหล่อลื่นในระยะยาว โดยตาแหน่งการติดตั้ง อุปกรณ์ดังกล่าวแสดงดัง รูปที่ 4.3 รูปที่ 4.3 ตาแหน่งการติดตั้งอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนน้ามันเครื่อง เพื่อให้สามารถตรวจสอบสภาวะการทางานของระบบหล่อลื่นได้อย่างชัดเจนมากยิ่งขึ้น ในระบบ ทดลองยังได้มีการติดตั้ง เครื่องมือวัดความดันน้ามันเครื่อง (Oil Pressure Gauge) และ เครื่องมือวัด อุณหภูมิน้ามันเครื่อง (Oil Temperature Gauge) โดยตัววัดความดันน้ามันเครื่องถูกติดตั้งไว้บริเวณ กึ่งกลางระหว่างทางออกของปั๊มน้ามันเครื่องและทางเข้าของอุปกรณ์ Oil Cooler เพื่อใช้ตรวจสอบแรงดัน ของน้ามันเครื่องภายในระบบหล่อลื่น ส่วนตัววัดอุณหภูมิน้ามันเครื่องถูกติดตั้งไว้ที่ถังเก็บน้ามันเครื่องเพื่อ ใช้ตรวจสอบอุณหภูมิของน้ามันเครื่องภายในระบบดังรูปที่ 4.4 โดยเครื่องมือวัดทั้งสองชนิดจะแสดงผล ผ่านเกจแบบอนาล็อก (Analog Gauge) ดังรูปที่ 4.5 ซึ่งช่วยให้สามารถติดตามค่าการทางานของระบบ หล่อลื่นได้อย่างต่อเนื่องในระหว่างการทดลอง 37 รูปที่ 4.4 ตาแหน่งการติดตั้งเครื่องมือวัดความดันและอุณหภูมิของน้ามันเครื่อง รูปที่ 4.5 เกจแสดงผลความดันและอุณหภูมิแบบอนาล็อก จากการปรับปรุงระบบน้ามันเครื่องดังกล่าว ทาให้ระบบหล่อลื่นของเทอร์โบชาร์จเจอร์สามารถ ทางานได้อย่างมีเสถียรภาพมากขึ้น ลดปัญหาการรั่วซึมของน้ามันเครื่อง และสามารถติดตามพารามิเตอร์ ที่สาคัญของระบบ เช่น ความดันและอุณหภูมิน้ามันเครื่อง ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งมีส่วนช่วยเพิ่มความ ปลอดภัยและความน่าเชื่อถือของระบบในระหว่างการทดลอง 4.3 ผลการทดสอบระบบจุดระเบิด ระบบจุดระเบิดที่ใช้ในการทดลองครั้งนี้ เป็นระบบจุดระเบิดแบบเดียวกับที่ใช้ในโครงงานก่อนหน้า ซึ่งได้ผ่านการทดสอบและใช้งานจริงแล้ว พบว่าสามารถทางานได้อย่างถูกต้อง มีความเสถียร และสามารถ จุดระเบิดได้อย่างต่อเนื่องตามเงื่อนไขการทางานที่กาหนดดังรูปที่ 4.4 ระบบดังกล่าวเป็นวงจรไฟฟ้า แรงดันสูง โดยใช้วงจร 555 Timer IC สร้างสัญญาณพัลส์เพื่อควบคุมการทางานของอุปกรณ์สารกึ่งตัวนา ชนิด MOSFET ซึ่งทาหน้าที่เป็นสวิตช์ในการตัด –ต่อกระแสไฟฟ้า ส่งผลให้เกิดแรงดันไฟฟ้าสูงในขดลวด จุดระเบิด และถูกส่งไปยังหัวเทียนเพื่อสร้างประกายไฟสาหรับการจุดระเบิด โดยจากการทดสอบสามารถ วัดค่าความถี่สัญญาณพัลส์สูงสุดได้ประมาณ 627.1 Hz ซึ่งเพียงพอสาหรับการใช้งานในระบบทดลอง 38 ทั้งนี้ MOSFET จาเป็นต้องติดตั้งร่วมกับแผ่นระบายความร้อน เนื่องจากเกิดความร้อนสะสมใน ระหว่างการทางาน นอกจากนี้ ระบบจุดระเบิดยังได้ติดตั้งระบบ Glow Plug เพิ่มเติม เพื่อช่วยเพิ่ม อุณหภูมิภายในห้องเผาไหม้และเสริมประสิทธิภาพในการเผาไหม้ โดยเฉพาะในระหว่างการทดสอบซึ่งไม่ สามารถสังเกตสภาพการเผาไหม้ภายในระบบได้โดยตรง การติดตั้ง Glow Plug จึงเป็นอีกปัจจัยหนึ่งที่ ช่วยเพิ่มความมั่นใจว่าภายในห้องเผาไหม้มีอุณหภูมิสูงเพียงพอต่อการเกิดการเผาไหม้อย่างต่อเนื่องดังรูป ที่ 4.5 ทั้งนี้ การทางานของ Glow Plug ถูกควบคุมผ่านรีเลย์ (Relay) เพื่อทาหน้าที่ตัด –ต่อการจ่าย กระแสไฟฟ้า ป้องกันไม่ให้ Glow Plug ทางานต่อเนื่องจนเกิดความร้อนสูงเกินไป ซึ่งอาจส่งผลกระทบต่อ อุปกรณ์และความปลอดภัยของระบบ ในการทดลองครั้งนี้ ผู้จัดทาเลือกใช้งานระบบจุดระเบิดดังกล่าวโดย ไม่มีการปรับเปลี่ยน เพื่อให้ระบบจุดระเบิดทาหน้าที่เป็นตัวแปรควบคุม และมุ่งเน้นการศึกษาผลของ ลักษณะและประสิทธิภาพของการเผาไหม้และการติดเครื่องยนต์เป็นหลัก รูปที่ 4.6 การทดสอบหัวเทียน รูปที่ 4.7 การทดสอบหัวเผา 39 4.4 การทดสอบอุปกรณ์ช่วยจ่ายอากาศ (Blower) ในการเริ่มต้นการทางานของระบบกังหันก๊าซจาเป็นต้องมีอุปกรณ์ช่วยจ่ายอากาศเพื่อสร้างการไหล ของอากาศผ่านคอมเพรสเซอร์และห้องเผาไหม้ เพื่อให้เทอร์โบชาร์จเจอร์สามารถเริ่มหมุนและเข้าสู่สภาวะ ที่เหมาะสมสาหรับการจุดระเบิด ดังนั้นในการทดลองครั้งนี้จึงได้ทาการทดสอบอุปกรณ์ ช่วยจ่ายอากาศ จานวน 4 ชนิด ได้แก่ Blower Stellar ST-4014 ,ปั๊มลม ,Blower Delton CBL-119LF และ Blower Delton ELB-622 เพื่อประเมินความสามารถในการสร้างอัตราการไหลของอากาศที่เหมาะสมต่อการ เริ่มต้นการทางานของระบบ 4.4.1 Blower Stellar ST-4014 Blower รุ่น Stellar ST-4014 เป็น Blower ขนาดเล็กที่ถูกนามาใช้ในการทดลองเบื้องต้น เพื่อประเมินความสามารถในการสร้างการไหลของอากาศเข้าสู่ระบบต้นแบบ ลักษณะของอุปกรณ์แสดง ดัง รูปที่ 4.8 และมีสเปคดังตารางที่ 4.1 รูปที่ 4.8 Blower รุ่น Stellar ST-4014 ตารางที่ 4.1 ข้อมูลสเปคของ Stellar ST-4014 รายการ กาลังไฟฟ้า Air Flow ความเร็วรอบ แรงดันไฟฟ้า ค่า 850 W 2.8 m³/min 16,500 rpm 220 v จากการทดลองพบว่า Blower รุ่นนี้ไม่สามารถสร้างการไหลของอากาศที่เพียงพอต่อการเริ่มต้น การทางานของระบบได้ 40 4.4.2 ปั๊มลม (Air Compressor) ปั๊มลมถูกนามาใช้เป็นอีกหนึ่งอุปกรณ์สาหรับช่วยจ่ายอากาศเข้าสู่ระบบ เพื่อประเมินว่า สามารถสร้างการไหลของอากาศที่เพียงพอต่อการเริ่มต้นการทางานของระบบได้หรือไม่ลักษณะของปั๊ม ลมที่ใช้ในการทดลองแสดงดัง รูปที่ 4.9 และสเปคของตัวปั๊มลมดังตารางที่ 4.2 รูปที่ 4.9 ปั๊มลมที่ใช้ในการทดลอง ตารางที่ 4.2 ข้อมูลสเปคของปั๊มลม รายการ ปริมาณลม ความเร็วรอบ แรงดันใช้งาน กาลังไฟฟ้า ค่า 1.485 m³/min 900 RPM 7 bar 7500 W จากผลการทดลองพบว่าปั๊มลมสามารถสร้างอัตราการไหลของอากาศที่เพียงพอ ส่งผลให้ระบบ สามารถเริ่มหมุนและทางานได้ด้วยตัวเอง 4.4.3 Delton CBL-119LF Blower รุ่น Delton CBL-119LF เป็น Blower ที่สามารถปรับระดับการทางานได้หลาย ระดับ จึงถูกนามาใช้ในการทดลองเพื่อวิเคราะห์ผลกระทบของระดับการทางานต่ออัตราการไหลของ อากาศเข้าสู่ระบบลักษณะของอุปกรณ์แสดงดังรูปที่ 4.10 และรายละเอียดสเปคของอุปกรณ์แสดงดัง ตารางที่ 4.3 41 รูปที่ 4.10 Delton CBL-119LF ตารางที่ 4.3 สเปคของ Delton CBL-119LF รายการ กาลังไฟฟ้า ปริมาณลม ความเร็วรอบ แรงดันไฟฟ้า ค่า 3000 W 8-12.8 m³/min 3,000-18,500 rpm 220 v ในการทดลองได้ทาการวัดความเร็ว ลมของอากาศในแต่ละระดับ การทางานโดยใช้เครื่ อ งวั ด ความเร็วลม จากนั้นนาค่าที่ได้มาคานวณเป็นอัตราการไหลมวลของอากาศ (ṁ) เพื่อนามาใช้ในการ วิเคราะห์สมรรถนะของอุปกรณ์ ผลการทดลองในแต่ละระดับแสดงดังตารางที่ 4.4 ตารางที่ 4.4 ค่าอัตราการไหลของ Delton CBL-119LF ในแต่ละระดับการทางาน ระดับ 1 2 3 4 5 6 ความเร็วลม (m/s) 12.10 20.84 24.83 31.48 40.03 45.32 42 อัตราการไหล(kg/s) 0.0526 0.0906 0.1080 0.1370 0.1741 0.1972 4.4.4 Delton ELB-622 Blower รุ่น Delton ELB-622 เป็น Blower ที่นามาใช้ ในการทดลองเพื่ อวิ เ คราะห์ ผลกระทบของระดับการทางานต่ออัตราการไหลของอากาศเข้าสู่ระบบลักษณะของอุปกรณ์แสดงดังรูปที่ 4.10 และรายละเอียดสเปคของอุปกรณ์แสดงดัง ตารางที่ 4.5 รูปที่ 4.10 Delton CBL- ELB-622 ตารางที่ 4.5 สเปคของ Delton ELB-622 รายการ กาลังไฟฟ้า ปริมาณลม ความเร็วรอบ แรงดันไฟฟ้า ค่า 3500 W 14.2 m³/min 9,500-19,500 rpm 220-240 v 4.4.5 สรุปผลการทดสอบอุปกรณ์ช่วยจ่ายอากาศ จากการทดลองอุปกรณ์ช่วยจ่ายอากาศทั้ง 4 ชนิด โดยการทดสอบจะใช้ทาการติดเครื่อง อุปกรณ์ละ 3 ครั้ง จะสามารถสรุปผลการทดลองได้ดังตารางที่ 4.6 ตารางที่ 4.6 สรุปผลการทดลอง Blower อุปกรณ์ Stellar ST-4014 ปั๊มลม Delton CBL-119LF Delton ELB-622 อัตราการไหล(m³/min) 2.8 1.485 8-12.8 14.2 43 ผลการทดลอง ไม่สามารถทาให้ระบบจุดติดได้ สามารถทาให้ระบบจุดติดได้ สามารถทาให้ระบบจุดติดได้ สามารถทาให้ระบบจุดติดได้ จากผลการทดลองในตารางที่ 4.6 พบว่า อุปกรณ์ที่สามารถสร้างอัตราการไหลของอากาศได้ เพียงพอต่อการเริ่มต้นการทางานของระบบและทาให้เครื่องสามารถจุดติดได้ ได้แก่ ปั๊มลม และ Blower รุ่น Delton ELB-622 ขณะที่ Delton CBL-119LF แม้จะสามารถทาให้เครื่องจุดติดได้เช่นกัน แต่ เนื่องจากอุปกรณ์มีอายุการใช้งานค่อนข้างนาน ส่งผลให้ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลดลง ทาให้ไม่ สามารถทางานได้เต็มประสิทธิภาพ ส่วน Stellar ST-4014 ไม่สามารถสร้างอัตราการไหลของอากาศได้ เพียงพอต่อการจุดติดของเครื่อง เนื่องจากอัตราการไหลที่เหมาะสมสาหรับการเริ่มต้นการทางานของ ระบบควรอยู่ที่ประมาณ 0.27 kg/s 4.5 การทดสอบห้องเผาไหม้ 4.5.1 การทดสอบห้องเผาไหม้เก่า ในการทดสอบห้องเผาไหม้ของเครื่องต้นแบบ ได้เลือกใช้ก๊าซ LPG เป็นเชื้อเพลิงในการ ทดสอบ โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาลักษณะของเปลวไฟที่เกิดขึ้นจากการจุดระเบิด รวมถึงประเมินความ เสถียรของการเผาไหม้ในแต่ละครั้ง ทั้งนี้ การทดสอบดังกล่าวยังไม่รวมการติดตั้งเทอร์โบชาร์จเจอร์และ เทอร์ไบน์ เพื่อมุ่งเน้นการตรวจสอบประสิทธิภาพและความสม่าเสมอของกระบวนการจุดระเบิดภายใน ห้องเผาไหม้เป็นหลัก การทดสอบได้ดาเนินการทั้งหมดจานวน 5 ครั้ง โดยมีรายละเอียดวิธีการทดสอบดัง ตารางที่4.7และผลการทดสอบแสดงไว้ในตารางที่ 4.8 จากการทดสอบครั้งแรกพบว่าไม่สามารถจุดระเบิด ได้ เนื่องจากปริมาณก๊าซในถังมีไม่เพียงพอ ผู้จัดทาจึงได้ดาเนินการเติมก๊าซ LPG และทาการทดสอบใหม่ อีกครั้ง ในการทดสอบครั้งถัดมา พบปัญหาเกี่ยวกับท่อส่งก๊าซซึ่งไม่สามารถยึดตาแหน่งให้จ่อเข้ากับหัว เทียนได้อย่างคงที่ ส่งผลให้การจ่ายเชื้อเพลิงและการจุดระเบิดขาดความเสถียร เพื่อแก้ไขปัญหาดังกล่าว ผู้จัดทาจึงได้ศึกษาทางเลือกในการใช้หัวฉีดเชื้อเพลิงแทนการใช้ท่อ งอแบบเดิม ซึ่งมีแนวโน้มช่วยเพิ่ม ประสิทธิภาพและความเสถียรของการจุดระเบิด โดยรายละเอียดของการศึกษาหัวฉีดเชื้อเพลิงจะกล่าวถึ ง ในหัวข้อที่ 4.5 ต่อไป 44 ตารางที่ 4.7 วิธีการทดสอบห้องเผาไหม้ ขั้นตอนในการทดสอบ 1.ทาการจัดเตรียมและติดตั้งอุปกรณ์ที่ใช้ในการ ทดสอบทั้ ง หมดให้ อ ยู่ ใ นตาแหน่ ง ที่ เ หมาะสม พร้ อ มตรวจสอบความเรี ย บร้ อ ยและความ ปลอดภัยของระบบ 2.ดาเนินการเปิดวาล์วก๊าซ LPG เพื่อจ่ายเชื้อเพลิง เข้าสู่ห้องเผาไหม้ตามอัตราที่กาหนด 3.สั่งงานระบบจุดระเบิดโดยเปิดการทางานของ Spark Plug เพื่อก่อให้เกิดการจุดติดของส่วนผสม อากาศและเชื้อเพลิง 45 รูปการทดสอบแต่ละขั้นตอน 4.เปิดการทางานของ Glow Plug เพื่อช่วยเพิ่ม อุณหภูมิภายในห้องเผาไหม้ ส่งเสริมให้การจุด ระเบิดเกิดขึ้นอย่างมีเสถียรภาพ 5.เมื่อสังเกตพบว่าการเผาไหม้ภายในห้องเผาไหม้ เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องและเสถียรแล้ว ให้ทาการปิด การทางานของ Spark Plug และ Glow Plug 6.ทาการสังเกตและบันทึกลักษณะของเปลวไฟที่ เกิดขึ้นภายในห้องเผาไหม้ เพื่อนาข้อมูลไปใช้ใน การวิเคราะห์ผลการทดลอง 46 ตารางที่ 4.8 ผลการทดสอบห้องเผาไหม้ รูปการทดสอบในแต่ละครั้ง ลักษณะของเปลวไฟ กรณี ที่ เ ปลวไฟปรากฏเป็ น สี ส้ ม แสดงถึ ง สภาวะการเผาไหม้ที่ยังไม่สมบูรณ์ ซึ่งอาจเกิด จากสัดส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงไม่เหมาะสม เมื่อสังเกตพบว่าเปลวไฟมี สีส้มปะปนกับสีฟ้า สามารถตี ค วามได้ ว่า กระบวนการเผาไหม้ เกิดขึ้นในระดับ ที่ ใ กล้เ คีย งกับ การเผาไหม้ อย่างสมบูรณ์ แต่ยังคงมีการเผาไหม้บางส่วน ที่ไม่สมบูรณ์ ในกรณีที่เปลวไฟแสดงลักษณะเป็น สีฟ้าอย่าง สม่าเสมอ บ่งชี้ว่าการเผาไหม้เกิดขึ้นอย่าง สมบูรณ์ ซึ่งสะท้อนถึงการผสมระหว่างอากาศ และเชื้อเพลิงที่เหมาะสม 47 ในกรณีที่เปลวไฟแสดงลักษณะเป็น สีฟ้าอย่าง สม่าเสมอ บ่งชี้ว่าการเผาไหม้เกิดขึ้นอย่าง สมบูรณ์ ซึ่งสะท้อนถึงการผสมระหว่างอากาศ และเชื้อเพลิงที่เหมาะสม ในกรณีที่เปลวไฟแสดงลักษณะเป็น สีฟ้าอย่าง สม่าเสมอ บ่งชี้ว่าการเผาไหม้เกิดขึ้นอย่าง สมบูรณ์ ซึ่งสะท้อนถึงการผสมระหว่างอากาศ และเชื้อเพลิงที่เหมาะสม จากการทดสอบห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์ต้นแบบโดยใช้ก๊าซ LPG พบว่าเกิดในครั้งที่ 1และ2 มี เปลวไฟสีส้มผสมฟ้าเนื่องจากเปิดแก๊สเข้าสู่ระบบที่น้อยเกินไป หลังจากครั้งที่3พบเกิด เปลวไฟสีฟ้า ซึ่ง แสดงถึงการเผาไหม้ที่มี ความสมบูร ณ์และมีเสถียรภาพในระดับหนึ่ ง อย่างไรก็ตาม ยังไม่สามารถ ดาเนินการทดสอบระบบทั้งหมดได้ เนื่องจากตรวจพบข้อจากัดทางโครงสร้างของต้นแบบ ได้แก่ ความยาว ของ Outer Case และ Flame Tube ที่ไม่สอดคล้องกัน ส่งผลต่ออัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิง การ กระจายความร้อน และพลังงานที่ได้จากการเผาไหม้ โดยจากการประเมินเบื้องต้นพบว่าความร้อนเกิดขึ้น เพียงบริเวณกึ่งกลางของห้องเผาไหม้ สาเหตุหลักมาจากการเจาะรูบริเวณ Primary Zone ในปริมาณที่ มากเกินไป ทาให้อากาศส่วนใหญ่เข้าสู่โซนดังกล่าวและไม่สามารถถ่ายเทพลังงานไปยังโซนถัดไปได้อย่างมี ประสิทธิภาพ ด้วยเหตุนี้ ผู้จัดทาจึงได้ดาเนินการออกแบบห้องเผาไหม้ใหม่ตามรายละเอียดในหัวข้อที่ 3.6 ซึ่งปัจจุบันอยู่ระหว่างการสร้างต้นแบบใหม่ จึงยังไม่สามารถนามาทดสอบระบบทั้งหมดได้ในขั้นตอนนี้ 48 4.5.2 การทดสอบห้องเผาไหม้ใหม่ ในการทดสอบห้องเผาไหม้ครั้งนี้ ได้ดาเนินการทดสอบโดยใช้ขั้นตอนเดียวกับที่แสดงใน ตารางที่ 4.8 แต่เปลี่ยนมาใช้ ท่อเปลวไฟ (Flame Tube) ที่ได้ทาการออกแบบใหม่ นามาติดตั้งเข้ากับ ระบบทดลองเพื่อทาการทดสอบการจุดระเบิดภายในห้องเผาไหม้ จากผลการทดสอบเบื้องต้นพบว่า ไม่ สามารถทาให้เกิดการจุดระเบิดได้ แม้ว่าจะมีการจ่ายเชื้อเพลิงและอากาศเข้าสู่ระบบแล้วก็ตาม จึง สันนิษฐานว่าสาเหตุอาจเกิดจากตาแหน่งของรูอากาศในบริเวณ Primary Zone ไม่สอดคล้องกับตาแหน่ง ของหัวเทียน ส่งผลให้อากาศและเชื้อเพลิงไม่สามารถผสมกันได้อย่างเหมาะสมบริเวณจุดจุดระเบิด ทาให้ ไม่เกิดการลุกไหม้ของเปลวไฟ ดังนั้น ผู้จัดทาจึงได้ดาเนินการปรับปรุงท่อเปลวไฟโดย ทาการเจาะรูอากาศ เพิ่มเติมจานวน 10 รู แบ่งเป็น 2 แถว แถวละ 5 รู บริเวณใกล้ตาแหน่งหัวเทียนดังรูปที่ 4.11 เพื่อเพิ่ม ปริมาณอากาศที่ไหลเข้าสู่บริเวณจุดระเบิดและช่วยให้ส่วนผสมของอากาศและเชื้อเพลิงมีความเหมาะสม มากยิ่งขึ้นสาหรับการเริ่มต้นการเผาไหม้ รูปที่ 4.11 ห้องเผาไหม้ใหม่ที่เจาะตามที่ออกแบบ ภายหลังจากการปรับปรุงรูปแบบของท่อเปลวไฟ (Flame Tube) แล้ว ได้นาชุดห้องเผาไหม้ ดังกล่าวกลับมาทดสอบอีกครั้ง ผลการทดสอบพบว่าสามารถจุดระเบิดได้สาเร็จ และมีความเสถียรของ เปลวไฟเพิ่มขึ้นอย่างชัดเจนเมื่อเปรียบเทียบกับการทดสอบก่อนการปรับปรุง โดยลักษณะการจุดระเบิด และพฤติกรรมการทางานของห้องเผาไหม้แสดงดังตารางที่ 4.9 49 ตารางที่ 4.9 ลักษณะการจุดระเบิดและพฤติกรรมการทางานของห้องเผาไหม้ รูปการทดสอบในแต่ละครั้ง ลักษณะของเปลวไฟ เมื่อสังเกตพบว่าเปลวไฟมี สีส้มปะปนกับสีฟ้า สามารถตีความ ได้ว่ากระบวนการเผาไหม้เกิดขึ้นในระดับที่ใกล้เคียงกับการเผา ไหม้อย่างสมบูรณ์ แต่ยังคงมีการเผาไหม้บางส่วนที่ไม่สมบูรณ์ เมื่อสังเกตพบว่าเปลวไฟมี สีส้มปะปนกับสีฟ้า สามารถตีความ ได้ว่ากระบวนการเผาไหม้เกิดขึ้นในระดับที่ใกล้เคียงกับการเผา ไหม้อย่างสมบูรณ์ แต่ยังคงมีการเผาไหม้บางส่วนที่ไม่สมบูรณ์ ในกรณีที่เปลวไฟแสดงลักษณะเป็น สีฟ้าอย่างสม่าเสมอ บ่งชี้ว่า การเผาไหม้เกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์ ซึ่งสะท้อนถึงการผสมระหว่าง อากาศและเชื้อเพลิงที่เหมาะสม หมายเหตุ : จากการวิเคราะห์เชิงวิศวกรรมพบว่าพื้นที่หน้าตัดรวมของรูเจาะภายในท่อเปลวไฟคิดเป็น ประมาณ 75.7% ของพื้นที่หน้าตัดทางเข้า (Inducer) ขนาด 57 มม. ซึ่งเป็นขนาดของTurbo GT3076 และอัตราส่วนดังกล่าวส่งผลให้การไหลของอากาศเข้าสู่ห้องเผาไหม้มีความเหมาะสมมากขึ้น ช่วยเพิ่ม ประสิ ท ธิ ภาพในการผสมอากาศกับ เชื้ อ เพลิ ง อั น นาไปสู่ การปรับ ปรุ งเสถี ยรภาพของเปลวไฟและ ความสามารถในการจุดระเบิดของระบบโดยรวมได้ดียิ่งขึ้น 50 4.6 ผลการทดสอบหัวฉีดเชื้อเพลิง ในการดาเนินการทดสอบระบบจ่ายเชื้อเพลิง คณะผู้จัดทาได้พิจารณาทางเลือกของหัวฉีดเชื้อเพลิง หลายรูปแบบเพิ่มเติมจากหัวฉีดที่ใช้ในต้นแบบเดิม ซึ่งหัวฉีดของต้นแบบดังกล่าวเป็นชนิดท่อ ดังแสดงใน รูปที่ 4.12 จากการทดลองใช้งานจริงพบว่า เมื่อมีการปรับวาล์วควบคุมอัตราการจ่ายเชื้อเพลิง ท่อหัวฉีด เกิดการหมุนตามการปรับวาล์ว ส่งผลให้แนวการพ่นเชื้อเพลิงเปลี่ยนตาแหน่งและไม่สอดคล้องกับตาแหน่ง ของหัวเทียน ทาให้การจุดระเบิดภายในห้องเผาไหม้เกิดขึ้นได้ยากและขาดเสถียรภาพ จากปัญหาดังกล่าว คณะผู้จัดทาจึงได้ดาเนินการศึกษาทดสอบหัวฉีดเชื้อเพลิงเพิ่มเติมจานวนทั้งสิ้น 10 ชนิด โดยมีวัตถุป ระสงค์เพื่อคัดเลือกหัวฉีดที่มีลักษณะการพ่นและการกระจายตัวของของไหล เหมาะสมต่อการใช้งานในระบบห้องเผาไหม้มากที่สุด การทดสอบดาเนินการในลักษณะการเปรียบเทียบ สมรรถนะของหัวฉีดแต่ละชนิด โดยใช้น้าเป็นของไหลแทนเชื้อเพลิง เพื่อจาลองการทางานและช่วยให้ สามารถสังเกตรูปแบบการกระจายตัว ทิศทางการพ่น และลักษณะการแตกตัวของละอองได้อย่างชัดเจน ผลการทดสอบลักษณะการทางานของหัวฉีดแต่ละชนิดได้ถูกรวบรวมและนาเสนอในรูปแบบตาราง ดังแสดงในตารางที่ 4.10 [13] เพื่อใช้เป็นข้อมูลประกอบการวิเคราะห์และตัดสินใจเลือกหัวฉีดที่เหมาะสม สาหรับการพัฒนาและปรับปรุงระบบเชื้อเพลิงของเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ต่อไป รูปที่ 4.12 ลักษณะท่อฉีดเชื้อเพลิงตัวต้นแบบ 51 ตารางที่ 4.10 ชนิดของหัวฉีด หัวฉีดและรูปแบบลักษณะการไหล (ที่มา: [13]) ลาดับ ประเภทของหัวฉีด 1 หัวฉีดแบบรูเดี่ยว (Single Orifice Nozzle) ภาพหัวฉีด รูปแบบลักษณะการไหล การพ่ น ของของไหลมี ลั ก ษณะ รวมตัว เป็นแนวเส้นตรงเพียงแนว เดียว โดยทิศทางการพุ่งสอดคล้อง กับแนวแกนของหัวฉีด 2 หัวฉีดแบบพัดลม (Flat Fan Nozzle) ของไหลที่พ่นออกมาสามารถแตก ตั ว เป็ น ละอองฝอยขนาด เล็ ก ละเอียด แสดงถึงการกระจายตัวที่ดี 3 หัวฉีดแบบพัดลม (Flat Fan Nozzle) รู ป แบบการพ่ น แสดงการแตกตั ว เป็นละอองฝอยในระดับปานกลาง โดยมี การกระจายตั ว ค่ อ นข้า ง สม่าเสมอ 4 หัวฉีดแบบพัดลม (Flat Fan Nozzle) ลักษณะการกระจายของของไหล อยู่ ใ นรู ป ละอองฝอยขนาดปาน กลางต่อเนื่องกันตลอดแนวการพ่น 52 5 หัวฉีดแบบพัดลม (Flat Fan Nozzle) ของไหลแตกตัวออกเป็นละอองฝอย ข นา ด เ ล็ ก มา ก สะ ท้ อ น ถึ ง ประสิทธิภาพในการกระจายตัวสูง 6 หัวฉีดแบบหลายรู (Multi-Orifice Nozzle) การพ่นเกิดขึ้นรอบหัวฉีดในหลาย ทิศทาง โดยของไหลถูกปล่อยออก จากรู หั ว ฉี ด จานวน 12 รู และมี ลักษณะเป็นละอองฝอยขนาดปาน กลาง 7 หัวฉีดแบบหลายรู (Multi-Orifice Nozzle) การกระจายตัวของของไหลแผ่ออก ในลักษณะกรวยรอบทิศทาง ผ่านรู หัวฉีดจานวน 14 รู ให้ละอองฝอย ในระดับปานกลาง 8 หัวฉีดแบบสาม รู(Three Hole Spray Nozzle) แนวการกระจายของของไหลอยู่ใน ระนาบเดียวกันตลอดแนวการพ่น 9 หัวฉีดแบบสาม รู(Three Hole Spray Nozzle) ของไหลถูกพ่นออกมาเป็นแนวเส้น จานวนสามแนว โดยมี ทิ ศ ทาง สอดคล้องกับตาแหน่งของรูหัวฉีด 53 10 หัวฉีดแบบรูเดี่ยว (Single Orifice Nozzle) รูปแบบการพ่นแสดงลักษณะเป็น เส้นตรงเพียงแนวเดียว พุ่งออกไป ตามแนวหัวฉีดอย่างชัดเจน จากปัญหาที่พบในการทดสอบการจุดระเบิดโดยใช้ระบบจ่ายเชื้อเพลิงแบบท่อส่งก๊าซต้นแบบ ซึ่งไม่ สามารถควบคุมตาแหน่งและทิศทางของการจ่ายเชื้อเพลิงได้อย่างสม่าเสมอ ส่งผลให้การกระจายตัวของ เชื้อเพลิงภายในห้องเผาไหม้ไม่ทั่วถึง และทาให้การจุดระเบิดเกิดความไม่เสถียร ผู้จัดทาจึงได้พิจารณา ปรับปรุงระบบจ่ายเชื้อเพลิง โดยเลือกใช้ หัวฉีดแบบหลายรู (Multi-Orifice Nozzle) ดังแสดงใน รูปที่ 4.13 แทนระบบท่อส่งก๊าซแบบเดิม รูปที่ 4.13 หัวฉีดแบบหลายรู (Multi-Orifice Nozzle) หัวฉีดชนิดนี้มีลักษณะเป็นหัวฉีดที่มีรูปล่อยเชื้อเพลิงหลายรู โดยหัวฉีดที่ใช้ในการทดลองมีจานวนรู ประมาณ 12 รู ซึ่งทาให้เชื้อเพลิงถูกพ่นกระจายออกในหลายทิศทางพร้อมกัน ส่งผลให้เกิดการกระจายตัว ของเชื้อเพลิงในลักษณะเป็นละอองฝอยขนาดเล็กภายในห้องเผาไหม้ การกระจายตัวลักษณะดังกล่าวช่วย ให้เชื้อเพลิงสามารถผสมกับอากาศได้อย่างทั่วถึงมากขึ้นเมื่อเปรียบเทียบกับการจ่ายเชื้อเพลิงผ่านท่อส่ง ก๊าซเพียงจุดเดียว นอกจากนี้ การใช้หัวฉีดแบบหลายรูยังช่วยเพิ่มระยะทางการไหลของแก๊สภายในห้อง เผาไหม้ ทาให้แก๊สมีเวลาอยู่ภายในห้องเผาไหม้นานขึ้น (Residence Time เพิ่มขึ้น) ส่งผลให้กระบวนการ ผสมระหว่างเชื้อเพลิงและอากาศมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น ซึ่งมีส่วนช่วยให้การเผาไหม้เกิดขึ้นได้อย่าง สมบูรณ์และมีความเสถียรมากขึ้น อีกทั้งยังช่วยลดปัญหาการดับของเปลวไฟระหว่างการทดสอบได้ ดังนั้น ในการพัฒนาระบบในขั้นตอนถัดไปของงานวิจัยนี้ จึงได้เลือกใช้ หัวฉีดแบบหลายรู (MultiOrifice Nozzle) เป็นอุปกรณ์สาหรับจ่ายเชื้อเพลิงแทนระบบท่อส่งก๊าซต้นแบบเดิม เพื่อให้เหมาะสมกับ 54 การทางานของระบบทดลอง Gas Turbine with Turbocharger และช่ว ยเพิ่มประสิทธิภาพของ กระบวนการเผาไหม้ภายในห้องเผาไหม้ให้มีความเสถียรมากยิ่งขึ้น โดยตาแหน่งการติดตั้งหัวฉีดภายใน ห้องเผาไหม้แสดงดังรูปที่ 4.14 และลักษณะการติดตั้งของหัวฉีดจากภายนอกระบบแสดงดังรูปที่ 4.15 รูปที่ 4.14 ตาแหน่งการติดตั้งหัวฉีดภายในห้องเผาไหม้ รูปที่ 4.15 ตาแหน่งการติดตั้งหัวฉีดภายนอกห้องเผาไหม้ 4.7 การทดสอบการติดเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์ 4.7.1 ขั้นตอนการทดสอบระบบ ในการศึกษาสมรรถนะของระบบกังหันก๊าซขนาดเล็กที่พัฒนาขึ้น ได้มีการกาหนดขั้นตอน การทดสอบอย่างเป็นระบบ เพื่อให้ได้ข้อมูลที่มีความถูกต้องและสามารถนาไปวิเคราะห์เชิงวิศวกรรมได้ โดยเริ่มจากการตรวจสอบความพร้อมของอุปกรณ์หลัก ได้แก่ ห้องเผาไหม้ เทอร์โบชาร์จเจอร์ ระบบจ่าย เชื้อเพลิง และระบบจ่ายอากาศ รวมถึงการตรวจสอบความแน่นหนาของจุดเชื่อมต่อและความปลอดภัย ของระบบโดยรวม ภายหลังจากนั้น ได้ดาเนินการติดตั้งอุปกรณ์ให้เป็นไปตามแบบที่ออกแบบไว้ พร้อมทั้ง 55 กาหนดค่าพารามิเตอร์เริ่มต้น เช่น อัตราการไหลของอากาศ และอัตราการจ่ายเชื้อเพลิง จากนั้นจึงทาการ จุดระเบิดและเฝ้าติดตามพฤติกรรมของระบบ โดยมีขั้นตอนดังตารางที่ 4.11 ตารางที่ 4.11 ขั้นตอนการทดสอบระบบ ขั้นตอนการทดสอบ รูปภาพในแต่ละขั้นตอน 1.เชื่อมต่อปลั๊กไฟเข้ากับกล่องจ่ายไฟ จากนั้นทา การเปิดสวิตช์ควบคุมระบบต่าง ๆ ให้พร้อมใช้งาน 2.เปิดระบบ น้าหล่อเย็น และ ระบบน้ามันเครื่อง เพื่อเตรียมความพร้อมของเครื่องยนต์ก่อนเริ่มการ ทดสอบ 3.ใช้ Blower เป่าอากาศเข้าสู่ระบบเพื่อตรวจสอบ ความพร้ อ มของระบบก่ อ นการทดสอบทุ กครั้ง โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อตรวจสอบว่าภายในระบบ ไม่มีสิ่งกีดขวางหรือความผิดปกติที่อาจส่งผลต่อ การทางานของเครื่องยนต์ 56 4.เปิดสวิตช์ Spark Plug เพื่อเตรียมการจุดระเบิด ของเชื้อเพลิง 5.เปิ ด วาล์ ว แก๊ ส เพื่ อ จ่า ยเชื้ อ เพลิ ง เข้า สู่ ระบบ พร้อมกับ ใช้ Blower เป่าอากาศเข้าสู่ระบบใน ระดับต่า เพื่อช่วยให้เกิดการผสมของอากาศและ เชื้อเพลิงที่เหมาะสม 6.เมื่อเกิดการจุดระเบิดภายในระบบแล้ว ให้ทา การเพิ่มปริมาณแก๊สเข้าสู่ระบบอย่างค่อยเป็นค่อย ไป โดยปรั บ ให้ มี ค วามสั ม พั น ธ์ เ หมาะสมกั บ ปริมาณอากาศที่ป้อนเข้าสู่ระบบ 7.สั ง เกตลั ก ษณะเปลวไฟที่ อ อกมาจากบริ เวณ เทอร์ไบน์ หากพบว่าเปลวไฟมีปริมาณมากเกินไป ให้ทาการลดปริมาณแก๊ส และเพิ่มอากาศเข้าสู่ ระบบ จากนั้นจึงค่อยปรับเพิ่มแก๊สขึ้นใหม่อย่าง เหมาะสม 57 8.ทาการปรับสมดุลระหว่างอัตราการไหลของแก๊ส และอากาศอย่างต่อเนื่อง จนกระทั่งระบบสามารถ ทางานได้ด้วยตัวเอง 9.การทางานของระบบที่เสถียรสามารถสังเกตได้ จาก เสี ย งการทางานของเครื่ อ งยนต์ และ ค่า แรงดันจากเกจวัดความดัน ซึ่งจะมีค่าอยู่ในช่วง ประมาณ 3–4 psi 4.7.2 การทดสอบห้องเผาไหม้ที่ปรับปรุงใหม่ร่วมกับเทอร์โบชาร์จเจอร์เดิม ภายหลังจากการปรับปรุงชุดห้องเผาไหม้ ซึ่งประกอบด้วย Flame Tube และ Outer Case ให้เป็นไปตามแบบที่ออกแบบไว้แล้ว ได้นามาทาการทดสอบร่วมกับเทอร์โบชาร์จเจอร์เดิม เพื่อประเมิน ความสามารถในการทางานของระบบภายใต้เงื่อนไขดังกล่าว ผลการทดสอบพบว่า ระบบสามารถเกิดการ จุดระเบิดได้และมีการลุกไหม้อย่างต่อเนื่องในระดับหนึ่ง อย่างไรก็ตาม ระบบยังไม่สามารถเข้าสู่สภาวะ การทางานแบบพึ่งพาตนเอง (Self-sustaining operation) ได้ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าพลังงานที่ได้จาก กระบวนการเผาไหม้ยังไม่เพียงพอในการขับเคลื่อนเทอร์โบชาร์จเจอร์ให้ทางานอย่างต่อเนื่อง ดังนั้นจึงได้มีการปรับเปลี่ยนเทอร์โบชาร์จเจอร์ตามสเปคที่ได้คัดเลือกไว้ในหัวข้อที่ 3.7 เพื่อ เพิ่มประสิทธิภาพด้านการอัดอากาศและอัตราการไหลของมวลอากาศเข้าสู่ระบบ ผลการทดสอบสามารถ แสดงได้ดังตารางที่ 4.12 58 ตางรางที่ 4.12 ผลการทดสอบห้องเผาไหม้ที่ปรับปรุงใหม่ร่วมกับเทอร์โบชาร์จเจอร์เดิม รูปการทดสอบในแต่ละครั้ง Blower ที่ใช้ ผลลัพธ์ที่ได้ Delton CBL-119LF เกิดการจุดระเบิดภายในห้องเผา ไหม้ได้ แต่ระบบยังไม่สามารถ รั น เครื่ อ งได้ เนื่ อ งจากแรงดั น ก๊าซไม่เพียงพอในการขับเคลื่อน เทอร์ไบน์ ปั๊มลม สามารถเกิดการเผาไหม้ได้ แต่ เทอร์ ไ บน์ ไ ม่ เ กิ ด การเรื อ งแสง และระบบยังไม่สามารถทางาน ได้ด้วยตัวเอง 4.7.3 การทดสอบห้องเผาไหม้ที่ปรับปรุงใหม่ร่วมกับเทอร์โบชาร์จเจอร์ที่คัดเลือก จากการเปลี่ยนเทอร์โบชาร์จเจอร์ตามสเปคที่กาหนด และทาการทดสอบระบบ พบว่าเปลว ไฟที่เกิดขึ้นภายในห้องเผาไหม้ยังไม่สามารถแพร่กระจายไปถึงบริเวณทางออกของเทอร์ไบน์ได้อย่างมี ประสิทธิภาพ ส่งผลให้ระบบไม่สามารถรักษาการทางานอย่างต่อเนื่องได้ เพื่อตอบสนองต่อปัญหาดังกล่าว จึงได้ทาการปรับปรุงระบบจ่ายเชื้อเพลิง โดยเปลี่ยนจากวาล์วแก๊สแรงดันต่าเป็นการจ่ายเชื้อเพลิงแบบต่อ ตรง ซึ่งพบว่าสามารถทาให้ระบบเข้าสู่สภาวะการทางานแบบพึ่งพาตนเองได้ อย่างไรก็ตาม วิธีดังกล่าวมี ข้อจากัดด้านความปลอดภัยดังนั้น ในการทดสอบขั้นถัดไป จึงได้เลือกใช้ วาล์วแก๊สแรงดันสูงร่วมกับ อุปกรณ์ควบคุมแรงดัน (Regulator) เพื่อให้สามารถควบคุมอัตราการจ่ายเชื้อเพลิงได้อย่างเหมาะสมและ เพิ่มความปลอดภัยในการทดลองดังรูปที่ 4.16 นอกจากนี้ การทดสอบยังได้มีการปรับเปลี่ยนชนิดของ 59 Blower ตามที่กาหนดในหัวข้อ 4.4 เพื่อศึกษาผลกระทบของอัตราการไหลของอากาศต่อสมรรถนะของ ระบบ โดยจะมีการทดสอบทั้งหมด Blower ละ 2 รอบ ผลการทดสอบสามารถแสดงได้ดังตารางที่ 4.13 รูปที่ 4.16 วาล์วอุปกรณ์ควบคุมแรงดันสูง ตางรางที่ 4.13 ผลการทดสอบห้องเผาไหม้ที่ปรับปรุงใหม่ร่วมกับเทอร์โบชาร์จเจอร์ใหม่ รูปการทดสอบในแต่ละครั้ง Blower ที่ใช้ ผลลัพธ์ที่ได้ Stellar ST-4014 เกิ ด การเผาไหม้ เทอร์ ไ บน์ มี อุณหภูมิสูงจนเกิดการเรืองแสงสี แดง แต่ระบบยังไม่สามารถรัน เครื่องด้ว ยตัวเองได้ เนื่องจาก อั ต ราการไหลของอากาศไม่ เพียงพอ Stellar ST-4014 ผลการทดลองลักษณะเดียวกัน กับครั้งที่ 1 คือเกิดการเผาไหม้ แต่ ระบบยั ง ไม่ สามารถเข้า สู่ สภาวะการทางานแบบพึ่ ง พา ตนเองได้ 60 ปั๊มลม ระบบสามารถจุดติด และเข้า สู่ สภาวะการทางานแบบพึ่ ง พา ตนเองได้ เครื่องสามารถรั นได้ ด้วยตัวเอง ปั๊มลม ระบบสามารถรันเครื่องได้ด้ว ย ตั ว เองเช่ น เดี ย วกั บ ครั้ ง ที่ 1 แสดงถึงความเพียงพอของอัตรา การไหลของอากาศ Delton ELB-622 ระบบสามารถจุ ด ติ ด และรั น เครื่ อ งได้ ด้ ว ยตั ว เอง แสดงว่า อัตราการไหลของอากาศ เหมาะสมต่อการเผาไหม้ Delton ELB-622 ระบบสามารถรันเครื่องได้ด้ว ย ตัวเองเช่นเดียวกับครั้งที่ 1 และ สามารถรั ก ษาการทางานของ ระบบได้อย่างต่อเนื่อง 61 จากผลการทดลองพบว่าอุปกรณ์จ่ายอากาศมีผลโดยตรงต่อความสามารถในการเข้าสู่สภาวะการ ทางานแบบพึ่งพาตนเอง (Self-sustaining operation) ของระบบกังหันก๊าซที่ใช้เทอร์โบชาร์จเจอร์ โดย ในการทดสอบด้วย Blower Stellar ST-4014 แม้ว่าภายในห้องเผาไหม้จะสามารถเกิดการจุดระเบิดได้ และสังเกตเห็นอุณหภูมิที่เพิ่มสูงขึ้นบริเวณใบเทอร์ไบน์จนเกิดแสงสีแดง แสดงให้เห็นว่ามีการถ่ายเท พลังงานความร้อนจากกระบวนการเผาไหม้ไปยังเทอร์ไบน์ แต่ระบบยังไม่สามารถรันเครื่องด้วยตัวเองได้ เนื่องจากอัตราการไหลของอากาศที่จ่ายเข้าสู่ห้องเผาไหม้ยังไม่เพียงพอ ทาให้สัดส่วนระหว่างอากาศและ เชื้อเพลิงไม่เหมาะสม ส่งผลให้พลังงานจากก๊าซไอเสียไม่สามารถขับเคลื่อนเทอร์โบชาร์จเจอร์ให้ห มุน ต่อเนื่องได้ ในขณะที่การทดสอบโดยใช้ ปั๊มลม และ Blower Delton ELB-622พบว่าสามารถจ่ายอากาศ เข้าสู่ระบบได้ในปริมาณที่เพียงพอ ส่งผลให้กระบวนการเผาไหม้มีประสิทธิภาพมากขึ้น และระบบสามารถ เข้าสู่สภาวะการทางานแบบพึ่งพาตนเองได้ทั้งสองครั้งของการทดลอง แสดงให้เห็นว่าการควบคุมอัตรา การไหลของอากาศให้เหมาะสมกับปริมาณเชื้อเพลิงเป็นปัจจัยสาคั ญที่ส่งผลต่อเสถียรภาพของเปลวไฟ และความสามารถในการรักษาการทางานของระบบกังหันก๊าซได้อย่างต่อเนื่อง 4.8 การทดสอบระบบวัดอุณหภูมิโดยใช้ Thermocouple Type K การทดลองนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อทดสอบและเปรียบเทียบความถูกต้องของระบบวัดอุณหภูมิที่ใช้ใน ระบบ Gas Turbine with Turbocharger โดยใช้ อุ ป กรณ์ วั ด อุ ณ หภู มิ ทั้ ง หมด 3 ชนิ ด ได้ แ ก่ Thermometer (ใช้เป็นค่าอ้างอิง), Thermocouple Type K แบบแท่ง ซึ่งออกแบบมาเพื่อใช้วัดอุณหภูมิ ในบริเวณห้องเผาไหม้ และ Thermocouple Type K แบบลวด ซึ่งใช้สาหรับวัดอุณหภูมิบริเวณทางออก ของเทอร์ไบน์ โดยในการทดลองได้ทาการนาอุปกรณ์วัดอุณหภูมิทั้งสามชนิดจุ่มลงในน้าที่กาลังให้ความ ร้อนจนถึงจุดเดือดดังรูปที่ 4.17 และทาการบันทึกค่าอุณหภูมิทุก ๆ 20 วินาที เป็นระยะเวลาประมาณ 420 วินาที เพื่อนาค่าที่ได้มาเปรียบเทียบและวิเคราะห์ความคลาดเคลื่อนของอุปกรณ์แต่ละชนิด ผลการ ทดลองแสดงดั ง ตารางที่ 4.14 ซึ่ ง เป็ น การเปรี ย บเที ย บค่า อุ ณ หภู มิ ที่ วั ด ได้ จาก Thermometer, Thermocouple Type K แบบแท่ง และ Thermocouple Type K แบบลวด ในช่วงเวลาต่าง ๆ ของ การทดลอง 62 รูปที่ 4.17 ขั้นตอนทดสอบระบบวัดอุณหภูมิ ตารางที่ 4.14 ผลการเปรียบเทียบอุณหภูมิที่วัดได้จากอุปกรณ์แต่ละชนิด เวลา(วินาที) Thermometer Thermocouple แบบแท่ง (°C) Thermocouple แบบลวด(°C) 0 43.2 45.5 47.0 20 46.2 47.5 49.7 40 48.5 49.7 52.7 60 51.5 52.7 55.2 80 54.3 55.7 58.0 100 56.6 58.2 61.0 120 58.8 61.2 63.2 140 61.2 63.5 65.8 160 63.6 65.5 68.5 180 66.0 68.0 71.0 200 68.1 70.5 73.3 220 70.5 73.0 75.5 240 73.2 75.5 77.5 260 76.5 77.5 79.8 280 77.5 79.8 81.5 300 79.2 81.8 83.0 320 82.9 83.3 83.3 340 84.3 84.3 85.8 360 85.9 86.5 87.8 63 380 400 420 87.4 88.9 89.5 88.5 90.8 92.8 90.5 91.5 93.0 จากข้อมูล ในตารางสามารถนามาสร้างกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง เวลา (วินาที) และ อุณหภูมิ (°C) ดังแสดงใน รูปที่ 4.18 ซึ่งแสดงแนวโน้มการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิที่วัดได้จากอุปกรณ์ทั้งสาม ชนิด โดยค่าที่วัดได้จาก Thermocouple ทั้งแบบแท่งและแบบลวดมีแนวโน้มเพิ่มขึ้นในทิศทางเดียวกัน กับ Thermometer แต่จะมีค่าที่สูงกว่าเล็กน้อยตลอดช่วงเวลาการทดลอง รูปที่ 4.18 กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง เวลา (วินาที) และ อุณหภูมิ (°C) จากการวิเคราะห์ผลการทดลองพบว่า Thermocouple Type K ทั้งสองชนิดสามารถวัดอุณหภูมิ ได้สอดคล้องกับแนวโน้มของ Thermometer แต่มีความคลาดเคลื่อนเล็กน้อย โดยเมื่อคานวณค่าความ คลาดเคลื่ อ นเฉลี่ ย เที ย บกั บ Thermometer พบว่า Thermocouple Type K แบบแท่ ง มี ค วาม คลาดเคลื่อนเฉลี่ยประมาณ 2.65% หรือประมาณ 1.73°C ขณะที่ Thermocouple Type K แบบลวดมี ความคลาดเคลื่อนเฉลี่ยประมาณ 5.76% หรือประมาณ 3.67°C ความแตกต่างดังกล่าวอาจเกิดจาก โครงสร้างของเซนเซอร์และลักษณะการรับความร้อนของหัววัดอุณหภูมิ ดังนั้นจากผลการทดลองสามารถสรุปได้ว่า Thermocouple Type K แบบแท่งมีความแม่นยาสูง กว่า Thermocouple แบบลวด และมีค่าที่ใกล้เคียงกับ Thermometer มากกว่า จึงเหมาะสาหรับการ นาไปใช้วัดอุณหภูมิในบริเวณที่ต้องการความแม่นยาสูง คือภายในห้องเผาไหม้ โดยตาแหน่งที่ได้ทาการ 64 ติดตั้งจริงตามที่ออกแบบคือบริเวณห้องเผาไหม้ดังแสดงในรูปที่ 4.19 ส่วน Thermocouple Type K แบบลวด เหมาะสาหรับการใช้งานในตาแหน่งที่ต้องการการตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิได้ รวดเร็ว คือบริเวณทางออกของเทอร์ไบน์ โดยตาแหน่งการติดตั้งจริงบริเวณเทอร์ไบน์แสดงดังรูปที่ 4.20 รูปที่ 4.19 ตาแหน่งการติดตั้งอุปกรณ์วัดอุณหภูมิในห้องเผาไหม้ รูปที่ 4.20 ตาแหน่งการติดตั้งอุปกรณ์วัดอุณหภูมิทางออกของเทอร์ไบน์ 4.9 การทดสอบระบบวัดความเร็วรอบโดยใช้ Hall Effect Sensor การทดลองในส่วนนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อทดสอบระบบวัดความเร็วรอบของเพลาในระบบ Gas Turbine with Turbocharger โดยใช้ Hall Effect Sensor ร่วมกับ Arduino ในการตรวจจับสัญญาณ พัลส์จากการหมุนของเพลา และนาค่าที่ได้มาเปรียบเทียบกับ Tachometer ซึ่งใช้เป็นค่าอ้างอิงในการวัด ความเร็วรอบดังรูปที่ 4.21 โดยในการทดลองได้ทาการบันทึกค่าความเร็วรอบทุก ๆ 5 วินาที จากนั้นนา ค่าที่ได้จากอุปกรณ์ทั้งสองชนิดมาเปรียบเทียบกันเพื่อวิเคราะห์ความคลาดเคลื่อนของระบบวัดความเร็ว รอบและผลการทดลองแสดงดั งตารางที่ 4.2 ซึ่งเป็นการเปรียบเที ยบค่า ความเร็ว รอบที่วั ดได้ จาก Tachometer และ Hall Effect Sensor ในแต่ละช่วงเวลา หลังจากนั้นให้นาข้อมูลจากตารางมาสร้าง 65 กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง เวลา (วินาที) และความเร็วรอบ (RPM) เพื่อเปรียบเทียบแนวโน้มของ ค่าที่วัดได้จากอุปกรณ์ทั้งสองชนิ ดังแสดงในรูปที่ 4.22 รูปที่ 4.21 ขั้นตอนการทดสอบระบบวัดความเร็วรอบ ตารางที่ 4.5 ผลการเปรียบเทียบความเร็วรอบระหว่าง Tachometer และ Hall Effect Sensor เวลา(วินาที) 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 Tachometer (RPM) 317.5 571.8 723.9 1124.2 1425.6 1374.7 1279.3 1244.3 1214.2 1191.2 1180.6 1120.1 1205.3 1294.3 1321.0 1298.0 Hall effect (RPM) 360 540 720 1080 1380 1380 1260 1260 1260 1200 1200 1140 1200 1320 1380 1320 66 Error (%) 13.38 5.56 0.54 3.93 3.20 0.39 1.51 1.26 3.77 0.74 1.64 1.78 0.44 1.99 4.47 1.69 รูปที่ 4.22 กราฟเปรียบเทียบค่าความเร็วรอบระหว่าง Tachometer และ Hall Effect Sensor จากกราฟจะเห็นได้ว่าค่าความเร็วรอบที่วัดได้จาก Hall Effect Sensor และ Tachometer มี แนวโน้มใกล้เคียงกัน โดยค่าที่วัดได้จะเพิ่มขึ้นและลดลงไปในทิศทางเดียวกันตลอดช่วงการทดลอง แสดง ให้เห็น ว่าระบบวัดความเร็ว รอบที่พัฒ นาขึ้ นสามารถติด ตามการเปลี่ยนแปลงของความเร็ว รอบได้ สอดคล้องกับเครื่องมืออ้างอิง อย่างไรก็ตามในบางช่วงอาจพบความแตกต่างของค่าที่วัดได้เล็กน้อย เช่น ในช่วงเวลา 10 วินาที Tachometer วัดได้ประมาณ 571.8 rpm ขณะที่ Hall Effect Sensor วัดได้ 540 rpm หรือในบางช่วง Hall Effect อาจให้ค่าที่สูงกว่า Tachometer เล็กน้อยความแตกต่างของค่าที่วัดได้ เกิดจากลักษณะการทางานของ Hall Effect Sensor ที่ใช้หลักการ นับจานวนพัลส์ (Pulse Counting) ภายในช่วงเวลาที่กาหนด ซึ่งในการทดลองนี้ใช้ช่วงเวลาการนับประมาณ 1 วินาที ทาให้ค่าความเร็วรอบที่ คานวณได้มีลักษณะเป็นช่วง เช่น 540, 600 หรือ 660 rpm ในขณะที่ Tachometer สามารถแสดงค่า ความเร็วรอบได้ละเอียดกว่า ส่งผลให้ค่าที่วัดได้จาก Hall Effect Sensor อาจมีการคลาดเคลื่อนเล็กน้อย เมื่อคานวณค่าความคลาดเคลื่อนจากข้อมูลในแต่ละช่วงเวลา พบว่าค่าความคลาดเคลื่อนเฉลี่ยอยู่ที่ ประมาณ 2–3% ซึ่งถือว่าอยู่ในช่วงที่ยอมรับได้สาหรับการวัดความเร็วรอบในงานทดลอง อย่างไรก็ตาม ระบบวัดความเร็วรอบนี้ยังไม่ได้ทาการติดตั้งใช้งานจริงกับเทอร์โบชาร์เจอร์ เนื่องจากข้อจากัดด้านเวลาใน การดาเนินโครงการ และข้อจากัดทางด้านการติดตั้ง โดยการติดตั้ง Hall Effect Sensor จาเป็นต้องมีการ เจาะหรือดัดแปลงตัวเรือนของเทอร์โบชาร์เจอร์ ซึ่งเป็นขั้นตอนที่มีความซับซ้อนและอาจก่อให้เกิดความ เสียหายต่ออุปกรณ์ได้ 67 ดังนั้น ในโปรเจคนี้จึงได้พัฒนาระบบดังกล่าวในลักษณะของ ต้นแบบการสาธิตการทางานของ ระบบวัดความเร็วรอบ (Demonstration Prototype) ดังรูปที่ 4.23 เพื่อแสดงหลักการทางานของ Hall Effect Sensor ร่วมกับบอร์ด Arduino ในการตรวจจับการหมุนของเพลาและคานวณค่าความเร็วรอบ โดยระบบต้นแบบที่พัฒนาขึ้นประกอบด้วย Hall Effect Sensor สาหรับตรวจจับสนามแม่เหล็ก บอร์ด Arduino สาหรับประมวลผลและคานวณค่าความเร็วรอบ และจอแสดงผล LCD สาหรับแสดงค่าความเร็ว รอบที่วัดได้แบบเรียลไทม์โดยแต่ละอุปกรณ์มีลักษณะดังตารางที่ 4.12 รูปที่ 4.23 ต้นแบบการสาธิตการทางานของระบบวัดความเร็วรอบ ตารางที่ 4.12 อุปกรณ์ที่ใช้สาหรับการติดตั้งระบบวัดความเร็วรอบ อุปกรณ์ บอร์ด Arduino หน้าที่ ลักษณะอุปกรณ์ ใช้เป็นหน่วยประมวลผล รับสัญญาณจาก เซนเซอร์ แ ละคานวณค่า ความเร็ ว รอบ (RPM) 68 Hall Effect Sensor ตรวจจับ สนามแม่เหล็กจากการหมุนของ เพลาและส่งสัญญาณพัลส์ไปยัง Arduino แผ่ น แม่ เ หล็ ก กลม ใช้ เ ป็ น ส่ ว นที่ ห มุ น พร้ อ มเพลาและติ ด สาหรับติดตั้งเพลา แม่เหล็กเพื่อให้เซนเซอร์ตรวจจับการหมุน สาย Jumper ใช้เชื่อมต่อวงจรระหว่างอุปกรณ์ต่าง ๆ ใน ระบบ ถ่านและขั้วถ่าน 9V ใช้จ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับบอร์ด Arduino จอ LCD ใช้แสดงผลค่าความเร็วรอบ (RPM) ที่วัดได้ หลักการทางานของระบบเริ่มจากการติดตั้งแม่เหล็กขนาดเล็กไว้ที่แกนเพลาหรือบริเวณใบพัดของ อุปกรณ์ที่ต้องการวัดความเร็วรอบ เมื่อเพลาหมุน แม่เหล็กจะเคลื่อนที่ผ่านบริเวณที่ติดตั้ง Hall Effect Sensor ทาให้เซนเซอร์สามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กและสร้างสัญญาณพัล ส์ 69 (Pulse) ส่งไปยังบอร์ด Arduino จากนั้น Arduino จะทาการนับจานวนพัลส์ที่เกิดขึ้นภายในช่วงเวลาที่ กาหนด และนาจานวนพัลส์ที่ได้ไปคานวณเป็นค่าความเร็วรอบของเพลาในหน่วยรอบต่อนาที (RPM) ในการพัฒนาระบบต้นแบบนี้ ได้มีการเขียนโปรแกรมควบคุมลงในบอร์ด Arduino เพื่อใช้สาหรับ รับสัญญาณจาก Hall Effect Sensor และคานวณค่าความเร็วรอบ โดยใช้หลักการนับจานวนพัลส์ที่ เกิดขึ้นภายในช่วงเวลา 1 วินาที จากนั้นนาค่าที่ได้ไปคานวณด้วยสมการ RPM = จานวนพัลส์ × 60 ค่า ความเร็ว รอบที่คานวณได้จะถูก แสดงผลผ่านจอ LCD และสามารถตรวจสอบเพิ่ มเติ มผ่าน Serial Monitor ของโปรแกรม Arduino IDE เพื่อใช้ในการบันทึกและวิเคราะห์ข้อมูลการทดลอง โดยขั้นตอน การติดตั้งระบบวัดความเร็วรอบด้วย Hall Effect Sensor ร่วมกับบอร์ด Arduino มีขั้นตอนดังนี้ 1. ติดตั้งแม่เหล็กขนาดเล็กไว้ที่แกนเพลาหรือบริเวณใบพัดของอุปกรณ์ที่ต้องการวัดความเร็วรอบ เพื่อให้เมื่อเพลาหมุน แม่เหล็กจะเคลื่อนที่ผ่านบริเวณที่ติดตั้งเซนเซอร์และทาให้เกิดสัญญาณพัลส์ สาหรับการตรวจจับ 2. ติดตั้ง Hall Effect Sensor ให้อยู่ใกล้บริเวณเพลาหมุน โดยเว้นระยะห่างประมาณ 5–10 มิลลิเมตร เพื่อให้สามารถตรวจจับสนามแม่เหล็กได้อย่างมีประสิทธิภาพ 3. เขียนโปรแกรมควบคุมลงในบอร์ด Arduino เพื่อใช้สาหรับนับจานวนพัลส์ที่เกิดจากเซนเซอร์ และนาข้อมูลดังกล่าวไปคานวณค่าความเร็วรอบของเพลาในหน่วย รอบต่อนาที (RPM) 4. เชื่อมต่อสายไฟระหว่าง Hall Effect Sensor, บอร์ด Arduino และจอแสดงผล LCD ตามวงจรที่ กาหนดไว้ในโปรแกรม 5. โดย Hall Effect Sensor มีสายทั้งหมด 3 เส้น ได้แก่ สีส้ม สีแดง และสีน้าตาล ให้เชื่อมต่อสายสี ส้มเข้ากับขา D2 ของบอร์ด Arduino สายสีแดงเชื่อมต่อกับขา 3.3V และสายสีน้าตาลเชื่อมต่อ กั บ กราวด์ (GND) สาหรั บ จอแสดงผล LCD ให้ เ ชื่ อ มต่ อ ขา GND เข้า กั บ กราวด์ข องบอร์ด Arduino และขา VCC เข้ากับไฟ 5V ของบอร์ด จากนั้นเชื่อมต่อขา SCL เข้ากับขา A5 และขา SDA เข้า กั บ ขา A4 ของบอร์ ด Arduino เพื่ อ ให้ สามารถสื่ อ สารข้ อ มู ล ระหว่า งบอร์ ด และ จอแสดงผลได้อย่างถูกต้อง 6. เชื่อมต่อแหล่งจ่ายไฟให้กับบอร์ด Arduino โดยใช้ถ่านและขั้วถ่าน 9 V เพื่อจ่ายพลังงานให้กับ ระบบ 7. ทาการทดสอบระบบโดยใช้ Blower เป่าให้ใบพัดหมุน เพื่อจาลองการหมุนของเพลาในระบบจริง 8. ตรวจสอบค่าความเร็วรอบที่วัดได้ผ่าน จอ LCD และ Serial Monitor เพื่อนาข้อมูลที่ได้ไปใช้ใน การวิเคราะห์ผลการทดลอง 70 โค้ดโปรแกรมที่ใช้ในระบบวัดความเร็วรอบถูกออกแบบให้เหมาะสาหรับการทดลองกับอุปกรณ์ท่มีี ความเร็วรอบไม่สูงมาก เช่น พัดลม มอเตอร์ หรือ Blower ซึ่งโดยทั่วไปจะมีความเร็วรอบอยู่ในช่วง ประมาณ 500–5000 RPM โดยหลักการทางานของโปรแกรมคือการใช้ Hall Effect Sensor ตรวจจับ การผ่านของสนามแม่เหล็กที่ติดอยู่กับเพลาหมุน เมื่อเพลาหมุนเซนเซอร์จะสร้างสัญญาณพัลส์ส่งไปยัง บอร์ด Arduino จากนั้นโปรแกรมจะทาการนับจานวนพัลส์ที่เกิดขึ้นในช่วงเวลาที่กาหนด และนาค่าที่ได้ ไปคานวณเป็นค่าความเร็วรอบ (RPM) ก่อนจะแสดงผลผ่าน จอ LCD และ Serial Monitor เพื่อใช้ในการ บันทึกและวิเคราะห์ผลการทดลอง โค้ดโปรแกรมที่ใช้ในการทดลองระบบวัดความเร็วรอบแสดงดังรูปที่ 4.23 และรูปที่ 4.24 รูปที่ 4.23 โค้ดโปรแกรมสาหรับระบบวัดความเร็วรอบด้วย Hall Effect Sensor และ Arduino รูปที่ 4.24 ต่อโค้ดโปรแกรมสาหรับระบบวัดความเร็วรอบด้วย Hall Effect Sensor และ Arduino 71 อย่างไรก็ตาม ในกรณีที่ต้องการนาระบบวัดความเร็วรอบนี้ไปประยุกต์ใช้กับ Turbocharger ซึ่งมี ความเร็วรอบสูงมากอยู่ในช่วงประมาณ 60,000 – 120,000 RPM การนับพัลส์ในช่วงเวลา 1 วินาที อาจ ทาให้ค่าที่คานวณได้มีความละเอียดไม่เพียงพอ ดังนั้นจึงสามารถปรับปรุงวิธีการคานวณได้โดยการลด ช่วงเวลาการวัดให้สั้นลง เพื่อเพิ่มความแม่นยาของการคานวณค่าความเร็วรอบ ในการปรับปรุงโค้ดสาหรับ การวัดความเร็วรอบสูง สามารถใช้โค้ดพื้นฐานเดียวกันกับที่ใช้ในการทดลอง โดยทาการ แก้ไขบรรทัดที่37 คือการคานวณค่า RPM จากเดิม rpm = count * 60; ให้เป็น rpm = count * 300; การปรับค่าดังกล่าว จะช่วยให้ระบบสามารถคานวณค่าความเร็วรอบได้เหมาะสมกับการวัดในช่วงเวลาที่สั้นลง และสามารถ รองรับการวัดความเร็วรอบในระดับ หลักหมื่นถึงหลักแสนรอบต่อนาที ได้ โดยยังคงใช้โครงสร้างโปรแกรม และวงจรการทางานเดิมของระบบ 4.10 การทดสอบอุปกรณ์วัดความดัน ก่อนทาการติดตั้งเกจวัดความดันเข้าสู่ระบบ ได้มีการดาเนินการทดสอบความถูกต้องของอุปกรณ์ วัดความดัน โดยทาการเปรียบเทียบค่าความดันที่อ่านได้จากเกจวัดความดันที่ต้องการใช้งาน กับเกจวัด ความดันที่ติดตั้งอยู่บนเครื่องปั๊มลม ซึ่งใช้เป็นค่าอ้างอิงในการตรวจสอบความถูกต้อ งของการวัด การ ทดสอบดาเนินการในลักษณะ ระบบปิด (Closed System) โดยทาการต่อเกจวัดความดันเข้ากับระบบ ของเครื่องปั๊มลม จากนั้นทาการอัดอากาศเข้าไปในระบบและเปรียบเทียบค่าความดันที่แสดงผลจากเกจ ทั้งสองตัวในช่วงความดันที่ใกล้เคียงกัน เพื่อประเมินความคลาดเคลื่อนของอุปกรณ์วัดความดัน ดังรูปที่ 4.25 รูปที่ 4.25 การทดสอบอุปกรณ์วัดความดัน 72 จากผลการทดลองพบว่า ค่าความดันที่วัดได้จากเกจวัดความดันที่นามาทดสอบมีค่าใกล้เคียงกับ ค่าที่แสดงจากเกจของเครื่องปั๊มลม ซึ่งอยู่ในช่วงความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้ แสดงให้เห็นว่าเกจวัด ความดันดังกล่าวสามารถใช้งานได้จริงและมีความแม่นยาเพียงพอสาหรับการนาไปใช้ในการทดลอง ตาแหน่ ง การติ ด ตั้ ง เกจวั ด ความดั น ในระบบจริ ง จะติ ด ตั้ ง บริ เวณทางออกของคอมเพรสเซอร์ (Compressor Outlet) เพื่อใช้ตรวจสอบแรงดันอากาศภายในระบบ โดยเมื่อระบบสามารถทางานได้ด้วย ตัวเองอย่างสมบูรณ์ ความดันที่วัดได้จากเกจจะอยู่ในช่วงประมาณ 3–4 psi ดังรูปที่ 4.26 ซึ่งใช้เป็นตัว บ่งชี้ว่าสามารถเกิดการไหลของอากาศภายในระบบได้อย่างเหมาะสม โดยจะมีตาแหน่งการติดตั้งที่ได้ ออกแบบไว้ดังรูปที่ 4.27 รูปที่ 4.26 ตัวอย่างค่าที่ได้จากการทดสอบ รูปที่ 4.27 ตาแหน่งการติดตั้งอุปกรณ์วัดความดันตาแหน่งทางออกคอมเพรสเซอร์ 73 บทที่ 5 สรุปผลการออกแบบและการทดลอง โครงงานนี้เป็นการต่อยอดและพัฒนาจากโครงงานในปีการศึกษาที่ผ่านมา ซึ่งในการดาเนินงานครั้ง ก่อนสามารถทาให้ระบบเกิดการจุดระเบิดภายในห้องเผาไหม้ได้ แต่ยังไม่สามารถทาให้เครื่องยนต์สามารถ เดินเครื่องได้ด้วยตัวเอง ดังนั้นในการดาเนินโครงงานครั้งนี้ ผู้จัดทาจึงได้ทาการศึกษาและวิเคราะห์ หลักการทางานของเครื่องยนต์ก๊าซเทอร์ไบน์ รวมถึงกาหนดพารามิเตอร์ที่สาคัญในการออกแบบ เช่น ขนาดและลักษณะของห้องเผาไหม้ ตลอดจนทาการออกแบบ ปรับปรุง และพัฒนาระบบต่าง ๆ ของ เครื่องยนต์ต้นแบบที่ใช้เทอร์โบชาร์จเจอร์เป็นองค์ประกอบหลักของระบบ โดยได้มีการปรับปรุงระบบที่ เกี่ยวข้อง ได้แก่ ระบบห้องเผาไหม้ ระบบอัดอากาศ ระบบหล่อลื่น ระบบหล่อเย็น ระบบจุดระเบิด ระบบ เชื้อเพลิง และระบบวัดค่าต่าง ๆ เพื่อให้เครื่องต้นแบบสามารถทางานได้จริงและมีเสถียรภาพมากยิ่งขึ้น จากการทดสอบระบบที่ได้พัฒนาขึ้นพบว่าเครื่องยนต์ต้นแบบสามารถเกิดการเผาไหม้และสามารถ เดินเครื่องได้ด้วยตัวเองอย่างต่อเนื่อง โดยไม่ต้องอาศัยอุปกรณ์ช่วยหมุนจากภายนอก แสดงให้เห็นว่า ระบบสามารถเข้าสู่สภาวะ Self-sustaining operation ซึ่งถือว่าเป็นการบรรลุวัตถุประสงค์หลักของ โครงงานในการพัฒนาเครื่องยนต์ต้นแบบให้สามารถทางานได้จริง ทั้งนี้บทนี้จะนาเสนอการสรุปผลการ ดาเนินโครงงาน รวมถึงข้อเสนอแนะสาหรับการพัฒนาและปรับปรุงระบบให้มีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้นใน อนาคต 5.1 ผลการออกแบบและทดสอบแบบระบบต่างๆ จากการดาเนินการออกแบบและปรับปรุงระบบของเครื่องยนต์กังหันก๊าซขนาดเล็กในโครงงานนี้ ผู้จัดทาได้มีการปรับปรุงโครงสร้างของห้องเผาไหม้ให้สอดคล้องกับแบบที่ได้ออกแบบไว้ โดยได้ทาการ ปรับปรุง Flame Tube ให้มีรูปทรงและขนาดตรงตามการออกแบบที่กาหนดไว้ รวมถึงมีการปรับปรุง Outer Case ให้มีความยาวสอดคล้องกับความยาวของ Flame Tube เพื่อให้สามารถติดตั้งและทางาน ร่วมกันได้อย่างเหมาะสม ซึ่งลักษณะของ Flame tube และ Outer Case ที่ปรับปรุงแล้วซึ่งได้กล่าวไว้ใน รูปที่ 4.11 นอกจากนี้ผู้จัดทายังได้มีการเปลี่ยนแปลงหน้าแปลน สาหรับรองรับการติดตั้งเทอร์โบชาร์ จ เจอร์รุ่นใหม่ 74 อย่างไรก็ตาม ท่อทางออกจากห้องเผาไหม้ไปยังทางเข้าเทอร์ไบน์ในปัจจุบันยังคงเป็น ลักษณะ Divergent ซึ่งอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพการไหลของก๊าซ ดังนั้นการปรับปรุงรูปทรงของท่อส่วนดังกล่าว เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการไหลจึงถูกเสนอเป็นแนวทางในการพัฒนาในอนาคต ในส่วนของระบบอัดอากาศ ผู้จัดทาได้ทาการคัดเลือกเทอร์โบชาร์จเจอร์ที่เหมาะสมกับการทางาน ของระบบ โดยจากการพิจารณาคุณสมบัติด้านอัตราการไหลของอากาศและความสามารถในการสร้าง ความดันอากาศ จึงได้ทาการคัดเลือกเทอร์โบชาร์จเจอร์จนได้เป็น รุ่น GT3076 ซึ่งมีความเหมาะสมต่อ การนามาใช้ในระบบของโครงงานนี้ เนื่องจากสามารถสร้างอัตราการไหลของอากาศเข้าสู่ห้องเผาไหม้ได้ เพีย งพอต่อการเริ่มต้น การทางานของระบบ และช่ว ยให้เครื่องสามารถเข้าสู่สภาวะการทางานที่มี เสถียรภาพมากขึ้น โดยการติดตั้งเทอร์โบชาร์จเจอร์รุ่นดังกล่าวแสดงใน รูปที่ 3.16 สาหรับ ระบบน้ามันเครื่อง (Lubrication System) หลังจากการปรับปรุงพบว่าไม่เกิดอาการรั่วซึม ของน้ามันเครื่องในระบบอีกต่อไป อีกทั้งผู้จัดทายังได้มีการติดตั้ง Oil Cooler เพิ่มเติมเพื่อช่วยลดอุณหภูมิ ของน้ามันเครื่องในระหว่างการทางาน นอกจากนี้ยังได้ติดตั้งอุปกรณ์สาหรับ วัดความดันน้ามันเครื่องและ วัดอุณหภูมิของน้ามันเครื่อง เพื่อใช้ในการติดตามสภาวะการทางานของระบบ ซึ่งช่วยเพิ่มความปลอดภัย และประสิทธิภาพในการทางานของเครื่อง โดย ระบบน้ามันเครื่องและอุปกรณ์ที่ติดตั้งเพิ่มเติมแสดงในรูป ที่ 4.3 รูปที่ 4.4 และรูปที่ 4.5 ในส่วนของ ระบบหล่อเย็น (Cooling System) ยังคงใช้โครงสร้างระบบเดิมเป็นหลัก แต่ได้มีการ เปลี่ยนอุปกรณ์บางส่วนให้เหมาะสมกับการใช้งานมากยิ่งขึ้น รวมถึงมีการเปลี่ยนจากการใช้น้าเปล่ามาเป็น น้าหล่อเย็น (Coolant) ซึ่งมีคุณสมบัติในการถ่ายเทความร้อนและป้องกันการกัดกร่อนได้ดีกว่า ส่งผลให้ ระบบสามารถควบคุมอุณหภูมิการทางานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น โดยระบบหล่อเย็นที่ปรับปรุง แล้วแสดงในรูปที่ 4.1 สาหรับระบบจุดระเบิด (Ignition System) ยังคงใช้รูปแบบของระบบเดิม แต่ผู้จัดทาได้มีการ ปรับปรุงวงจรไฟฟ้าให้มีความเสถียรมากยิ่งขึ้น จากผลการทดสอบพบว่าสามารถทาการจุดระเบิดได้อย่าง ต่อเนื่องและสาเร็จทุกครั้งในการทดลอง ซึ่งแสดงให้เห็นว่าระบบจุดระเบิดมีความน่าเชื่อถือและสามารถ รองรับการเริ่มต้นการทางานของเครื่องได้อย่างเหมาะสม 75 ในส่วนของ ระบบเชื้อเพลิงแก๊ส (Gas Fuel System) ผู้จัดทาได้เลือกใช้ แก๊ส LPG เป็นเชื้อเพลิง หลักในการทดสอบระบบ โดยได้มีการเปลี่ยนรูปแบบหัวฉีดจากท่อฉีดแบบเดิมมาเป็น หัวฉีดแบบหลายรู (Multi-hole Injector) เพื่อให้เกิดการกระจายตัวของเชื้อเพลิงภายในห้องเผาไหม้ได้ดีขึ้น อีกทั้งยังได้มี การเปลี่ยนวาล์วแก๊สให้เป็น วาล์วแรงดันสูง ซึ่งมีบทบาทสาคัญต่อการควบคุมการไหลของเชื้อเพลิงใน ระหว่างการเดินเครื่อง นอกจากนี้ยังได้ติดตั้งระบบ Preheat เพื่อทาการอุ่นแก๊สก่อนเข้าสู่ห้องเผาไหม้ อย่างไรก็ตาม จากการใช้งานพบว่าเมื่อมีการใช้แก๊ ส LPG เป็นระยะเวลานาน อุณหภูมิของแก๊สจะลดลง ส่งผลให้ความดันของแก๊สลดลงตามไปด้วย ดังนั้นเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของระบบในอนาคต ผู้จัดทาจึง แนะนาให้มีการติดตั้ง ระบบเชื้อเพลิงแบบน้ามันร่วมด้วย (Dual Fuel System) โดยใช้แก๊สสาหรับการจุด ระเบิดในช่วงเริ่มต้น และเมื่อเครื่องสามารถเดินเครื่องได้แล้วจึงเปลี่ยนไปใช้เชื้อเพลิงชนิดน้ามันแทน นอกจากนี้ ผู้จัดทายังได้มีการพัฒนาระบบต้นแบบสาหรับการวัดความเร็วรอบของเพลาเทอร์โบ ชาร์จเจอร์ โดยใช้ Hall Effect Sensor ร่วมกับไมโครคอนโทรลเลอร์ Arduino ในการตรวจจับการหมุน ของเพลาและประมวลผลสัญญาณเพื่อแสดงค่าความเร็วรอบของระบบ โดยได้มีการจัดทาขั้นตอนการ ติดตั้งเซนเซอร์ การเชื่อมต่อวงจร และการทดสอบการทางานของระบบ เพื่อใช้เป็นแนวทางสาหรับการ นาไปติดตั้งใช้งานจริงกับเครื่องยนต์ gas turbine ในอนาคต อย่างไรก็ตาม ในโครงงานนี้ระบบวัด ความเร็วรอบดังกล่าวถูกจัดทาขึ้นในลักษณะของระบบต้นแบบสาหรับการสาธิตการทางานดังรูปที่ 4.23 และยังไม่ได้รวมเป็นส่วนหนึ่งของระบบวัดค่าหลักของเครื่องยนต์ สุดท้ายในส่วนของ ระบบวัดค่าต่าง ๆ (Instrumentation System) ไม่ว่าจะเป็นการวัดอุณหภูมิ หรือการวัดความดัน พบว่าอุปกรณ์สามารถวัดค่าได้อย่างมีความแม่นยา โดยการวัดอุณหภูมิภายในห้อง เผาไหม้และบริเวณทางเข้าเทอร์ไบน์ใช้ Thermocouple Type K จานวน 2 จุด ร่วมกับระบบประมวลผล ผ่าน Arduino ทาให้ค่าที่ได้มีความละเอียดและสามารถติดตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิได้อย่าง ต่อเนื่อง โดยตาแหน่งการติดตั้ง thermocouple และจุดวัดความดันดังแสดงในรูปที่ 4.19 รูปที่ 4.20 และรูปที่ 4.27 ในส่วนของการวัดความดันที่ทางออกของคอมเพรสเซอร์เป็นการวัดแบบ Static Pressure Measurement โดยใช้รูวัดความดันที่เจาะตั้งฉากกับทิศทางการไหลของอากาศ ซึ่งค่าที่วัดได้สามารถใช้ เป็นตัวบ่งชี้ถึงสภาวะการทางานของระบบ และช่วยประเมินได้ว่าเครื่องสามารถเข้าสู่สภาวะการทางาน ด้วยตัวเองได้หรือไม่ 76 5.2 ผลการทดสอบเครื่องยนต์ต้นแบบ 5.2.1 การทดสอบการเดินเครื่องของระบบรวม ในการทดสอบเครื่องยนต์ต้นแบบปัจจุบัน ผู้จัดทาได้ประกอบระบบต่าง ๆ เข้าด้วยกันเพื่อ ประเมินการทางานของเครื่องยนต์กังหันก๊าซขนาดเล็ก โดยมีการทดลองใช้ Blower หลายรุ่นและ ความสามารถในการจ่ายอากาศที่แตกต่างกันเพื่อหาความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการไหลของอากาศกับการ เผาไหม้ ผลการทดสอบพบว่าเครื่องยนต์สามารถเดินเครื่องด้วยตัวเองได้แล้ว ซึง่ ตัวต้นแบบเดิมเครื่องยนต์ ยังไม่สามารถทางานต่อเนื่องได้เอง ปัจจัยสาคัญที่ทาให้เกิดความสาเร็จนี้ ได้แก่ การลด pressure drop ในท่อลมและท่อเชื่อมต่อที่เรียบต่อเนื่อง การเลือก Blower ที่มีอัตราการจ่ายอากาศเพียงพอ และการ ปรับจานวนและขนาดของรูใน primary combustion zone ให้สอดคล้องกับอัตราส่วนเชื้อเพลิง-อากาศ (LPG/air) ส่งผลให้ combustion pressure และ gas energy เพียงพอต่อการปั่นเทอร์ไบน์ ระบบ เซ็นเซอร์และการควบคุมเชื้อเพลิงแบบ real-time ยังช่วยให้เครื่องยนต์รักษาแรงดันและการเผาไหม้ที่ สมบูรณ์ได้ต่อเนื่อง แม้จะยังคงมีความท้าทายในการปรับแต่งปัจจัยอื่น ๆ เพื่อให้เครื่องยนต์ทางานเสถียร และมีประสิทธิภาพสูงสุดในระยะยาว 5.2.2 การเปรียบเทียบค่าที่คานวณได้กับค่าที่ได้จากการทดลอง เป็นการนาค่าพารามิเตอร์ของระบบที่ได้จากการคานวณเชิงทฤษฎีในบทที่ 3 มาเปรียบเทียบ กับค่าที่ได้จากการทดลองจริงของชุดทดลองต้นแบบ โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อวิเคราะห์ความแตกต่างของ ผลลัพธ์ที่เกิดขึ้นระหว่างค่าทางทฤษฎีกับค่าที่เกิดขึ้นจริงจากการทางานของระบบ ทั้งนี้ค่าที่วัดได้จากการ ทดลอง ได้แก่ ค่า Pressure Ratio ประสิทธิภาพของคอมเพรสเซอร์ อุณหภูมิของอากาศก่อนเข้าสู่ คอมเพรสเซอร์ และอุณหภูมิหลังการเผาไหม้ ซึ่งนามาใช้ในการคานวณกาลังของคอมเพรสเซอร์ กาลังที่ ผลิตจากเทอร์ไบน์ และกาลังสุทธิของระบบตามหลักการของวัฏจักร Brayton นอกจากนี้ ยังได้มีการวิเคราะห์จุดการทางานของคอมเพรสเซอร์จาก Compressor Map ของเทอร์โบชาร์จเจอร์ที่ใช้ในระบบ ดังรูปที่ 5.1 เพื่อพิจารณาความสัมพันธ์ระหว่างอัตราส่วนความดัน (Pressure Ratio) ความเร็ว รอบของคอมเพรสเซอร์ และอัตราการไหลของมวลอากาศ โดยมีการ เปรียบเทียบจุดการทางานระหว่างค่าที่ได้จากการออกแบบกับค่าที่เกิดขึ้นจริงจากการทดลอง เพื่อใช้ใน การวิเคราะห์สมรรถนะการทางานของระบบกังหันก๊าซต้นแบบ 77 รูปที่ 5.1 จุดการทางานของคอมเพรสเซอร์บน Compressor Map แสดงตาแหน่งจุดการทางานของคอมเพรสเซอร์ทั้งในกรณีค่าที่ได้จากการออกแบบและค่าที่เกิดขึ้น จริงจากการทดลอง โดยจุดการทางานที่ออกแบบไว้ (เส้นสีน้าเงิน ) จะอยู่ที่บริเวณ Pressure Ratio ประมาณ 2.5 และมีอัตราการไหลของมวลอากาศประมาณ 0.27 kg/s ที่ความเร็วรอบประมาณ 77,000 rpm ในขณะที่จุดการทางานจากการทดลองจริง (เส้นสีแดง) จะอยู่ที่ Pressure Ratio ประมาณ 1.4 และ มีอัตราการไหลของมวลอากาศประมาณ 0.17 kg/s ที่ความเร็วรอบประมาณ 60,000 rpm ซึ่งแสดงให้ เห็นว่าการทางานของระบบจริงอยู่ในช่วงการทางานที่ต่ากว่าค่าที่ออกแบบไว้และมีผลการเปรียบดังตาราง ที่ 5.1 ตารางที่ 5.1 การเปรียบเทียบค่าที่คานวณได้กับค่าที่ได้จากการทดลอง พารามิเตอร์ Pressure Ratio Compressor Efficiency อุณหภูมิขาเข้า Compressor อุณหภูมิหลังการเผาไหม้ ค่าที่คานวณได้ (ทฤษฎี) 2.5 76 % 300 K 1100 K 78 ค่าที่วัดจริง 1.4 72 % 303 K 1273 K ค่าความคลาดเคลื่อน (%) 44.0 5.3 1.0 15.7 อัตราการไหลของอากาศ 0.27 kg/s 0.17 kg/s 37.0 ความเร็วรอบเทอร์โบ 77,000 rpm 60,000 rpm 22.1 กาลังที่คอมเพรสเซอร์ใช้ 35.7 kW 44.2 kW 23.8 กาลังที่เทอร์ไบน์ผลิต 57.4 kW 118 kW 105.6 กาลังสุทธิของระบบ 21.7 kW 74 kW 241 หมายเหตุ: ค่าความเร็วรอบของเทอร์โบและอัตราการไหลของมวลอากาศที่วัดได้จากการทดลองมีค่าต่า กว่าค่าที่คานวณได้ทางทฤษฎี เนื่องจากข้อจากัดของระบบจ่ายอากาศและประสิทธิภาพของ blower ที่ใช้ ในการทดลอง ส่งผลให้ค่า Pressure Ratio ที่เกิดขึ้นจริงต่ากว่าค่าที่ออกแบบไว้ พบว่าค่าพารามิเตอร์จากการทดลองมีความแตกต่างจากค่าที่คานวณได้ทางทฤษฎี โดยค่า Pressure Ratio ที่วัดได้จริงมีค่า 1.4 ซึง่ ตา่ กว่าค่าทีอ่ อกแบบไว้ท่ี 2.5 ส่งผลให้จุดการทางานของคอมเพรสเซอร์อยู่ที่ ความเร็วรอบประมาณ 60,000 rpm และมีอัตราการไหลของมวลอากาศประมาณ 0.17 kg/s ซึ่งต่ากว่า ค่าที่ออกแบบไว้ที่ 77,000 rpm และ 0.27 kg/s ตามลาดับ อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิหลังการเผาไหม้ (T₃) ที่วัดได้จริงมีค่า 1273 K ซึ่งสูงกว่าค่าที่สมมติไว้ในการคานวณที่ 1100 K ส่งผลให้พลังงานของก๊าซที่เข้าสู่ เทอร์ไบน์เพิ่มขึ้น ทาให้ กาลังที่เทอร์ไบน์ผลิตได้จากการทดลองมีค่า 118 kW สูงกว่าค่าที่คานวณได้ที่ 57.4 kW และทาให้ กาลังสุทธิของระบบมีค่า 74 kW สูงกว่าค่าทางทฤษฎีที่ 21.7 kWความแตกต่าง ระหว่างค่าทางทฤษฎีกับค่าที่ได้จากการทดลองอาจเกิดจากข้อจากัดของระบบทดลองจริง เช่น การ สูญเสียพลังงานภายในระบบ ความคลาดเคลื่อนของเครื่องมือวัด และสมมติฐานที่ใช้ในการคานวณเชิง ทฤษฎี ซึ่งไม่สามารถสะท้อนสภาพการทางานจริงได้ทั้งหมด 5.3 ข้อเสนอแนะและแนวทางสาหรับพัฒนาโครงการในอนาคต 5.3.1 ระบบจ่ายเชื้อเพลิง จากการทดลองในโครงงานนี้ ระบบจ่ายเชื้อเพลิงที่ใช้เป็น แก๊ส LPG เพียงอย่างเดียวในการจุด และการเดินเครื่อง อย่างไรก็ตามพบว่าเมื่อใช้งานต่อเนื่องเป็นระยะเวลานาน อุณหภูมิของถังแก๊สจะลดลง เนื่องจากการขยายตัวของแก๊ส ส่งผลให้ความดันของแก๊สลดลง ทาให้อัตราการไหลของเชื้อเพลิงไม่คงที่ ซึ่งอาจส่งผลต่อเสถียรภาพของการเผาไหม้ภายในห้องเผาไหม้ ดังนั้นในการพัฒนาต่อยอดของระบบใน อนาคต ควรมีการออกแบบ ระบบจ่ายเชื้อเพลิงแบบผสม (Dual Fuel System) โดยใช้แก๊สสาหรับ การ จุดติดเริ่มต้น (Ignition) และเมื่อเครื่องสามารถทางานได้อย่างต่อเนื่องแล้วจึง สลับไปใช้น้ามันเชื้อเพลิง เช่น น้ามันดีเซล หรือน้ามันก๊าด เพื่อให้สามารถเดินเครื่องได้อย่างเสถียรและต่อเนื่องมากยิ่งขึ้น ทั้งนี้ผู้วิจัย 79 ได้ทาการออกแบบไดอะแกรมของระบบจ่ายเชื้อเพลิงน้ามันดังรูปที่ 5.2 และลักษณะอุปกรณ์ต่างๆรวมถึง หน้าที่ของแต่ละอุปกรณ์ ทั่วไปในระบบเชื้อเพลิง ดังตารางที่ 5.2 ไว้เบื้องต้นเพื่อใช้เป็นแนวทางในการ พัฒนาในอนาคต รูปที่ 5.2 ไดอะแกรมของระบบจ่ายเชื้อเพลิงน้ามัน ตารางที่ 5.2 ลักษณะและหน้าที่ของอุปกรณ์ต่างๆในระบบเชื้อเพลิง อุปกรณ์ Fuel Tank หน้าที่ ลักษณะของอุปกรณ์ ใช้สาหรับเก็บน้ามันเชื้อเพลิ งก่อนส่งเข้าสู่ ระบบจ่ายเชื้อเพลิง Fuel Pump ทาหน้าที่ดูดและส่งน้ามันเชื้อเพลิงจากถัง เข้าสู่ระบบด้วยแรงดันที่เหมาะสม 80 Fuel Filter กรองสิ่งสกปรกหรืออนุภาคที่อาจปนเปื้อน ในน้ามันเชื้อเพลิงก่อนเข้าสู่ระบบ P r e s s u r e ควบคุมความดันของน้ามันเชื้อเพลิงให้มี Regulator ค่าคงที่ก่อนเข้าสู่หัวฉีด Injection ทาหน้าที่ฉีดน้ามันเชื้อเพลิงให้เป็นละออง ฝอยเข้าสู่ระบบเผาไหม้ I n j e c t i o n ควบคุ ม การทางานของหั ว ฉี ด เช่ น Controller ระยะเวลาและปริมาณการฉีดเชื้อเพลิง Fuel Return ส่งน้ามันเชื้อเพลิงส่วนเกินกลับไปยังถังเก็บ Line เพื่อลดความดันและหมุนเวียนเชื้อเพลิง 81 นอกจากนี้ ผู้จัดทาได้มีการประกอบและจัดเตรียมอุปกรณ์ของระบบจ่ายเชื้อเพลิงน้ามันในระดับ เบื้องต้นเพื่อศึกษาแนวทางการทางานของระบบดังกล่าว อย่างไรก็ตามเนื่องจากข้อจากัดด้านอุปกรณ์ที่มี อยู่เพียงบางส่วน ทาให้ยังไม่สามารถติดตั้งและทดสอบการทางานของระบบได้อย่างสมบูรณ์ ดังนั้นระบบ จ่ายเชื้อเพลิงน้ามันที่นาเสนอในงานวิจัยนี้จึงเป็นเพียงแบบจาลองแนวคิด (Conceptual Model) ดังรูปที่ 5.3 เพื่อแสดงแนวทางในการพัฒนาระบบในอนาคต ซึ่งสามารถนาไปปรับปรุงและพัฒนาเพิ่มเติมเพื่อใช้ งานจริงต่อไป รูปที่ 5.3 แบบจาลองแนวคิดระบบจ่ายเชื้อเพลิงน้ามัน 5.3.2 การพัฒนาระบบระบายความร้อนของน้าหล่อเย็น จากการทดลองเดินเครื่องของระบบกังหันก๊าซ พบว่าน้าที่ใช้เป็นตัวหล่อเย็นมีอุณหภูมิสูงขึ้น อย่างต่อเนื่องเมื่อมีการเดินเครื่องเป็นระยะเวลานาน ซึ่งอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพของการระบายความ ร้อนของระบบ แม้ว่าในงานวิจัยนี้ยังไม่ได้มีการติดตั้งอุปกรณ์วัดอุณหภูมิเพื่อบัน ทึกค่าที่แน่นอน แต่จาก การสังเกตลักษณะการทางานของระบบพบว่าน้าหล่อเย็นมีอุณหภูมิสูงขึ้นอย่างเห็นได้ชัดระหว่างการ ทางานของเครื่อง ดังนั้นในการพัฒนาระบบในอนาคตควรมีการติดตั้ง หม้อน้า (Radiator) เพื่อช่วยเพิ่ม ประสิทธิภาพในการถ่ายเทความร้อนจากน้าหล่อเย็นสู่บรรยากาศ โดยหม้อน้าจะทาหน้าที่แลกเปลี่ยน ความร้อนระหว่างน้าหล่อเย็น และอากาศภายนอก ซึ่งจะช่วยลดอุณหภูมิของน้าหล่อเย็นก่อนที่จะ หมุนเวียนกลับเข้าสู่ระบบอีกครั้ง ตัวอย่างลักษณะของหม้อน้าที่สามารถนามาประยุกต์ใช้กับระบบแสดง ดังรูปที่ 5.4 82 รูปที่ 5.4 ตัวอย่างหม้อน้าสาหรับระบบระบายความร้อน ที่มา: FLEX Radiator, Shopee (2569) 5.3.3 ข้อเสนอแนะการปรับปรุง Nozzle Nozzle หรือช่องอัดเร่งแก๊ส เป็นองค์ประกอบสาคัญในเครื่องยนต์กังหันก๊าซขนาดเล็ก ทา หน้าที่แปลงพลังงานความร้อนและพลังงานความดันของแก๊สให้เป็นพลังงานจลน์ (Kinetic Energy) เพื่อ เพิ่มความเร็วของกระแสแก๊สที่ไหลผ่าน ส่งผลให้สามารถขับเคลื่อนเทอร์ไบน์และสร้างแรงขับดัน (Thrust) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ การออกแบบ Nozzle ที่เหมาะสมจึงมีผลโดยตรงต่อพารามิเตอร์สาคัญของ เครื่ อ งยนต์ เช่ น ความเร็ ว ของแก๊ ส (Gas Velocity), Mach number, ความดั น ปลายทาง (Exit Pressure), ประสิทธิภาพเชิงความร้อน (Thermal Efficiency) และแรงขับดันของระบบ โดยตาแหน่ ง ติดตั้ง Nozzle จะอยู่บริเวณทางออกของเทอร์ไบน์ของเครื่องยนต์ดังรูปที่ 5.5 ในโครงงานนี้ได้ทาการวิเคราะห์และเปรียบเทียบรูปแบบของ Nozzle หลายลักษณะ เพื่อ ประเมินสมรรถนะของกระแสแก๊สที่ไหลออกจากเทอร์ไบน์ โดยประกอบด้วย ท่อตรง (Straight Pipe) ขนาด 3 นิ้ว, Convergent Nozzle ขนาด 3 นิ้ว ลดลงเป็น 2.5 นิ้ว, Convergent Nozzle ขนาด 3 นิ้ว ลดลงเป็น 2 นิ้ว และ Convergent Nozzle ขนาด 3 นิ้ว ลดลงเป็น 1.63 นิ้ว ดังรูปที่ 5.6, 5.7, 5.8 และ 5.9 ตามลาดับ โดยทาการเปรียบเทียบค่าพารามิเตอร์สาคัญ ได้แก่ Mach number, ความเร็วปลายแก๊ส (Exit Velocity), แรงขับดัน (Thrust) และพลังงานจลน์ของกระแสแก๊ส เพื่อใช้เป็นข้อมูลประกอบการ เลือกขนาดและรูปแบบของ Nozzle ที่เหมาะสมสาหรับการใช้งานจริงของเครื่องยนต์กังหันก๊าซขนาดเล็ก ในอนาคต 83 รูปที่ 5.5 ตาแหน่งติดตั้ง Nozzle การคานวณ Nozzle ที่ทางออก Turbine 𝑚̇ = ρe A𝑒 V𝑒 𝛾 𝛾−1 𝑚̇ = (𝑃𝑒 )(𝐴𝑒 ) [𝑀𝑒 √ (1+ 2 𝑀𝑒2 )] 𝑅𝑇0 จัดรูปสมการใหม่ได้เป็น 𝑀𝑒 √1 + 𝛾−1 2 𝑀𝑒2 = 𝑚̇ 𝑅𝑇0 (5.1) √𝛾 𝑃 𝐴 𝑒 𝑒 แทนค่า 𝑀𝑒 √1 + 1.4−1 2 𝑀𝑒2 = 0.16 (101.325×103 )𝐴 𝑀𝑒 √1 + 0.2𝑀𝑒2 = 84 √ (287)(1223.15) 𝑒 0.0007907 𝐴𝑒 1.4 (5.2) กรณีที่1 : Straight pipe 3 inch (76.2 mm.) รูปที่ 5.6 ท่อตรง (Straight Pipe) ขนาด 3 นิ้ว - พื้นที่หน้าตัด (Area) 𝐴𝑒 = 𝜋 2 𝜋 𝑑 = (0.0762)2 = 0.004560 m2 4 4 - Mach number 𝑀𝑒 √1 + 0.2𝑀𝑒2 = 0.0007907 = 0.1728 0.004560 - Static Temperature (𝑇𝑒 ) 𝑇0 𝛾−1 2 1+ 𝑀𝑒 2 1223.15 𝑇𝑒 = = 1215.888𝐾 1.4 − 1 2 1+ (0.1728) 2 𝑇𝑒 = - Velocity (Ve ) 𝑉𝑒 = 𝑀𝑒 √𝛾𝑅𝑇𝑒 𝑉𝑒 = 0.1728√(1.4)(287)(1215.888) = 120.7801 m/s 85 - Thrust (𝐹 ) ∶ (สมมติ 𝑉0 = 0, 𝑃𝑒 = 𝑃𝑎𝑡𝑚 ) 𝐹 = 𝑚̇𝑉𝑒 𝐹 = 0.16 × 120.7801 𝐹 = 19.3248 N - Kinetic Energy Rate 1 𝑃𝐾𝐸 = 𝑚̇𝑉𝑒2 2 1 𝑃𝐾𝐸 = (0.16)(120.7801)2 = 1.167 × 103 W 2 - Thermal Efficiency 𝜂𝑡ℎ = Kinetic Energy Heat input 1.167 × 103 𝜂𝑡ℎ = = 0.00621 ≈ 0.621 % (0.16)(1004.5)(1223.15 − 298.15) กรณีท2ี่ : Convergent Nozzle 2.5 inch (63.5 mm.) รูปที่ 5.7 ท่อ Convergent Nozzle ขนาด 3 นิ้ว ลดลงเป็น 2.5 นิ้ว - Area (𝐴𝑒 ) 𝐴𝑒 = 𝜋 2 𝜋 𝑑 = (0.0635)2 = 0.003167 m2 4 4 86 - Mach number 𝑀𝑒 √1 + 0.2𝑀𝑒2 = 0.0007907 = 0.2481 0.003167 - Static Temperature (𝑇𝑒 ) 𝑇𝑒 = 1223.15 = 1208.2705 𝐾 1.4 − 1 2 1+ (0.2481) 2 - Velocity (Ve ) 𝑉𝑒 = 0.2481√(1.4)(287)(1208.2705) = 172.8677 m/s - Thrust (𝐹 ) ∶ (สมมติ 𝑉0 = 0, 𝑃𝑒 = 𝑃𝑎𝑡𝑚 ) 𝐹 = 0.16 × 172.8677 = 27.6588 N - Kinetic Energy Rate 1 𝑃𝐾𝐸 = (0.16)(172.8677)2 = 2.3906 × 103 W 2 - Thermal Efficiency 2.3906 × 103 𝜂𝑡ℎ = = 0.01608 ≈ 1.68 % (0.16)(1004.5)(1223.15 − 298.15) 87 กรณีท3ี่ : Convergent Nozzle 2 inch (50.8 mm.) รูปที่ 5.8 ท่อ Convergent Nozzle ขนาด 3 นิ้ว ลดลงเป็น 2 นิ้ว - Area (𝐴𝑒 ) 𝐴𝑒 = 𝜋 2 𝜋 𝑑 = (0.0508)2 = 0.002027 m2 4 4 - Mach number 𝑀𝑒 √1 + 0.2𝑀𝑒2 = 0.0007907 = 0.3844 0.002027 - Static Temperature (𝑇𝑒 ) 𝑇𝑒 = 1223.15 = 1188.0402 𝐾 1.4 − 1 2 1+ (0.3844) 2 - Velocity (Ve ) 𝑉𝑒 = 0.3844√(1.4)(287)(1188.0402) = 265.5852 m/s - Thrust (𝐹 ) ∶ (สมมติ 𝑉0 = 0, 𝑃𝑒 = 𝑃𝑎𝑡𝑚 ) 𝐹 = 0.16 × 265.5852 = 42.4936 N - Kinetic Energy Rate 1 𝑃𝐾𝐸 = (0.16)(72.4936)2 = 5.6428 × 103 W 2 88 - Thermal Efficiency 5.6428 × 103 𝜂𝑡ℎ = = 0.03795 ≈ 3.795% (0.16)(1004.5)(1223.15 − 298.15) กรณีท4ี่ : Convergent Nozzle 1.6338 inch (41.5 mm.) รูปที่ 5.9 ท่อ Convergent Nozzle ขนาด 3 นิ้ว ลดลงเป็น 1.63 นิ้ว - Area (𝐴𝑒 ) 𝐴𝑒 = 𝜋 2 𝜋 𝑑 = (0.0415)2 = 0.001353 m2 4 4 - Mach number 𝑀𝑒 √1 + 0.2𝑀𝑒2 = 0.0007907 = 0.566 0.001353 - Static Temperature (𝑇𝑒 ) 𝑇𝑒 = 1223.15 = 1149.5 𝐾 1.4 − 1 2 1+ (0.566) 2 - Velocity (Ve ) 𝑉𝑒 = 0.566√(1.4)(287)(1149.5) = 384.6589 m/s 89 - Thrust (𝐹 ) ∶ (สมมติ 𝑉0 = 0, 𝑃𝑒 = 𝑃𝑎𝑡𝑚 ) 𝐹 = 0.16 × 384.6589 = 61.5454 N - Kinetic Energy Rate 1 𝑃𝐾𝐸 = (0.16)(384.6589)2 = 11.8369 × 103 W 2 - Thermal Efficiency 11.8369 × 103 𝜂𝑡ℎ = = 0.07962 ≈ 7.962 % (0.16)(1004.5)(1223.15 − 298.15) ตารางที่ 5.3 สรุปผลคานวณ Nozzle แบบ Nozzle ขนาด (นิ้ว) Area (m²) Mach number T_e (K) V_e (m/s) Thrust F (N) Kinetic Energy Rate (W) Thermal Efficiency (%) Straight pipe 3" 0.004560 0.1728 1215.89 120.78 19.32 1.167×10³ 0.621 Convergent 2.5" 0.003167 0.2481 1208.27 172.87 27.66 2.39 ×10³ 1.68 Convergent 2" 0.002027 0.3844 1188.04 265.59 42.49 5.64×10³ 3.80 Convergent 1.63" 0.001353 0.566 1149.5 384.66 61.5454 11.84×10³ 7.96 จากตารางที่ 5.3 สรุปผลคานวณพบว่า Convergent Nozzle ที่ลดพื้นที่หน้าตัด จะเพิ่ม Mach number, ความเร็วแก๊ส, แรงขับ และ Thermal efficiency อย่างชัดเจน สาหรับการเดินเครื่องต่อเนื่อง และเสถียร Nozzle ขนาด 2–2.5 นิ้ว เป็นตัวเลือกเหมาะสม ให้แรงขับดันเพียงพอและผลิตง่าย สาหรับ ประสิทธิภาพสูงสุดและแรงขับสูงสุด Nozzle ขนาด 1.63 นิ้ว จะให้ Mach ≈ 0.6 และ Thermal efficiency สูงสุด แต่ต้องควบคุมแรงดันและอัตราส่วนเชื้อเพลิงให้แม่นยา ดังนั้นการวิเคราะห์นี้สามารถ ใช้เป็น Option สาหรับการพัฒนาเครื่องยนต์ในอนาคต โดยเลือก Nozzle ตามเป้าหมายการใช้งานและ ความเสถียร 90 5.3.3 ข้อเสนอแนะการปรับปรุงข้อต่อระหว่างทางออกห้องเผาไหม้และทางเข้าเทอร์ไบน์ จากการทดสอบเครื่องยนต์ที่สามารถ Self-Sustained พบว่า ท่อ Divergent ที่ต่อเข้าทาง Turbine ทาให้เกิดการเร่งความเร็วของลมสูงขึ้น ซึ่งอาจส่งผลต่อความปลอดภัยและเสถียรภาพของ เครื่องยนต์ดังรูปที่ 5.10 เนื่องจากแรงดันและความเร็วของแก๊สที่สูงขึ้นสามารถก่อให้เกิดแรงสั่นสะเทือน หรือการกัดกร่อนของชิ้นส่วน Turbine ได้ เพื่อประเมินผลกระทบและประสิทธิภาพในการทางาน จึงได้ ทาการเปรียบเทียบระหว่าง ท่อ Divergent และ ท่อ Convergent ขนาดต่าง ๆ โดยใช้ Mach number, Temperature, Velocity และ Pressure เป็นเกณฑ์วิเคราะห์ โดยผลการเปรียบเทียบสามารถช่วย กาหนด Option ของการออกแบบท่อทางเข้าที่เหมาะสมกับเป้าหมายเครื่องยนต์ สาหรับโครงการใน อนาคต ทั้งในด้านการเพิ่มประสิทธิภาพการทางาน การรักษาเสถียรภาพของ Turbine และความ ปลอดภัยของระบบ รวมถึงการปรับแต่งอัตราส่วนผสมแก๊สและแรงดันเพื่อให้เครื่องยนต์สามารถทางานได้ อย่างต่อเนื่องและมีประสิทธิภาพสูงสุด รูปที่ 5.10 ท่อ Divergent ที่ต่อเข้าทาง Turbine เพื่อศึกษาผลกระทบของรูปทรงท่อที่มีต่อพฤติกรรมการไหล จึงได้ทาการออกแบบรูปแบบท่อ สาหรับการวิเคราะห์จานวน 2 รูปแบบ ได้แก่ ท่อ Divergent ขนาด 2 → 2.5 นิ้ว ดังรูปที่ ซึ่งเป็น รูปแบบที่ใช้งานอยู่ในปัจจุบัน และท่อ Convergent ขนาด 3 → 2.5 นิ้ว ซึ่งเป็นรูปแบบที่นาเสนอเพื่อ ปรับปรุงประสิทธิภาพของการไหล โดยรูปแบบของท่อทั้งสองถูกสร้างแบบจาลองด้วยโปรแกรม CAD ดังรูปที่ 5.11 และรูปที่ 5.12 91 รูปที่ 5.11 ท่อ Divergent ขนาด 2 → 2.5 นิ้ว รูปที่ 5.12 ท่อ ท่อ Convergent ขนาด 3 → 2.5 นิ้ว การคานวณท่อ Divergent/Convergent สมการ Mass Flow Parameter (MFP) สาหรับท่อทางเข้า Turbine: กรณีที่ 1 : ท่อขนาด 2 นิ้ว (50.8 มม.) - พื้นที่ (Area) 𝐴= 𝜋 2 𝜋 𝑑 = (0.0508)2 = 0.002027 m2 4 4 - Mass Flow Parameter 𝑚̇ = 𝐴𝑃0 √𝑅𝑇0 𝛾−1 2 − √𝛾 𝑀 (1+ 2 𝑀 ) 92 𝛾+1 2(𝛾−1) (5.3) จัดรูปสมการใหม่ได้เป็น 𝛾+1 𝑚̇ 𝑅𝑇0 𝛾 − 1 2 2(𝛾−1) √ 𝑀 (1+ 𝑀 ) = 2 𝐴𝑃0 𝛾 แทนค่า A = 0.002027 m2 1.4+1 0.16 287(1223.15) 1.4 − 1 2 2(1.4−1) √ 𝑀 (1+ 𝑀 ) = 2 𝐴(200 × 103 ) 1.4 𝑀 = 0.1932 - อุณหภูมิ (Temperature) 𝑇= 𝑇0 1223.15 = = 1214.0865 𝐾 1 + 0.2𝑀2 1 + 0.2(0.1953)2 - ความเร็ว (Velocity) 𝑉 = 𝑀√𝛾𝑅𝑇 = 0.1253√(1.4)(287)(1214.0865) = 134.9328 𝑚/𝑠 - ความดัน (Pressure) 𝑃= 200 200 = = 199.999 𝑘𝑃𝑎 (1+0.2𝑀2 )3.5 (1 + 0.2(0.1932)2 )3.5 กรณีที่ 2 : ท่อขนาด 2.5 นิ้ว (63.5 มม.) - พื้นที่ (Area) 𝐴= 𝜋 2 𝜋 𝑑 = (0.0635)2 = 0.003167 m2 4 4 - Mass Flow Parameter แทนค่า A = 0.003167 m2 1.4+1 0.16 287(1223.15) 1.4 − 1 2 2(1.4−1) √ 𝑀 (1+ 𝑀 ) = 2 𝐴(200 × 103 ) 1.4 𝑀 = 0.1253 93 - อุณหภูมิ (Temperature) 𝑇= 𝑇0 1223.15 = = 1219.321 𝐾 1 + 0.2𝑀2 1 + 0.2(0.1253)2 - ความเร็ว (Velocity) 𝑉 = 𝑀√𝛾𝑅𝑇 = 0.1253√(1.4)(287)(1219.321) = 87.703 𝑚/𝑠 - ความดัน (Pressure) 𝑃= 200 200 = = 197.817 𝑘𝑃𝑎 (1+0.2𝑀2 )3.5 (1 + 0.2(0.1253)2 )3.5 กรณีที่ 3 : ท่อขนาด 3 นิ้ว (76.2 มม.) - พื้นที่ (Area) 𝐴= 𝜋 2 𝜋 𝑑 = (0.0762)2 = 0.004560 m2 4 4 - Mass Flow Parameter แทนค่า A = 0.004560 m2 1.4+1 0.16 287(1223.15) 1.4 − 1 2 2(1.4−1) √ 𝑀 (1+ 𝑀 ) = 2 𝐴(200 × 103 ) 1.4 𝑀 = 0.0877 - อุณหภูมิ (Temperature) 𝑇= 𝑇0 1223.15 = = 1221.271 𝐾 1 + 0.2𝑀2 1 + 0.2(0.0877)2 - ความเร็ว (Velocity) 𝑉 = 𝑀√𝛾𝑅𝑇 = 0.1253√(1.4)(287)(1221.271) = 61.31 𝑚/𝑠 - ความดัน (Pressure) 𝑃= 200 200 = = 198.9269 𝑘𝑃𝑎 (1+0.2𝑀2 )3.5 (1 + 0.2(0.0877)2 )3.5 94 ตารางที่ 5.4 เปรียบเทียบระหว่าง ท่อ Divergent และ ท่อ Convergent Parameter Velocity Pressure Temperature ปัจจุบัน (Divergent) 2" → 2.5" แบบใหม่ (Convergent) 3" → 2.5" 134.938 m/s → 87.703 m/s 61.91 m/s → 87.703 m/s (ลดลง) (เพิม่ ขึ้น) 191.999 kPa → 197.817 kPa 198.926 kPa → 197.817 kPa (เพิ่มขึ้น) (ลดลง) 1214.086 K → 1219.321 K 1221.271K → 1219.321 K (เพิ่มขึ้น) (ลดลง) จากตารางที่ 5.4 การเปรีย บเทียบพารามิเตอร์ระหว่างท่อ Divergent (2" → 2.5") และท่อ Convergent (3" → 2.5") พบว่า การเปลี่ยนท่อส่งผลต่อพฤติกรรมของไหลอย่างชัดเจน โดยท่อ Divergent ทาให้ความเร็วของไหลลดลง ในขณะที่ความดันและอุณหภูมิสูงขึ้นเล็กน้อย ในทางตรงกันข้าม ท่อ Convergent ทาให้ความเร็วของไหลเพิ่มขึ้น พร้อมกับความดันและอุณหภูมิลดลง การวิเคราะห์นี้ ชี้ให้เห็นว่า การเลือกใช้ท่อประเภท Divergent หรือ Convergent สามารถปรับแต่งลักษณะของการไหล ได้ตามความต้องการของระบบ โดยท่อ Divergent เหมาะสาหรับกรณีที่ต้องการเพิ่มแรงดันและอุณหภูมิ ในขณะที่ท่อ Convergent เหมาะสาหรับการเร่งความเร็วของไหลเพื่อลดความดันและอุณหภูมิ ซึ่งเป็น แนวทางสาคัญในการออกแบบระบบไหลสาหรับเครื่องยนต์ Gas Turbine จากการวิเคราะห์พารามิเตอร์ของการไหล พบว่า ท่อ Convergent (3" → 2.5") มีความเหมาะสม กับระบบมากกว่า เนื่องจากสามารถเพิ่มความเร็วของแก๊สที่ทางออกได้ ซึ่งเป็นปัจจัยสาคัญสาหรับระบบ เครื่องยนต์ เนื่องจากการเพิ่มความเร็วของแก๊ส มันจะช่วยเพิ่ม พลังงานจลน์ (Kinetic Energy) ของการไหล ส่งผลให้สามารถสร้างแรงขับดัน (Thrust) และช่วยให้การไหลผ่านระบบมีประสิทธิภาพมากขึ้น ดังนั้นสาหรับระบบเครื่องยนต์ Gas Turbine ในโปรเจคนี้ จึงแนะนาให้เลือกใช้ท่อ Convergent ขนาด 3 นิ้ว ลดลงเป็น 2.5 นิ้ว เนื่องจากสามารถเพิ่มความเร็วของแก๊สที่ปลายท่อได้ดีกว่า ซึ่งส่งผลดีต่อสมรรถนะ ของระบบและการสร้างแรงขับดันของเครื่องยนต์ในภาพรวม 95 เอกสารอ้างอิง [1] Cohen, H., Rogers, G. F. C., & Saravanamuttoo, H. I. H. (2009).Gas Turbine Theory (6th ed.). Harlow: Pearson Education Limited. [January 11, 2026]. [2] Walsh, P. P., & Fletcher, P. (2004).Gas Turbine Performance (2nd ed.). Oxford: Blackwell Science Ltd. [January 11, 2026]. [3] Boyce, M. P. (2012).Gas Turbine Engineering Handbook (4th ed.). Oxford: Butterworth-Heinemann. [January 11, 2026]. [4] Çengel, Y. A., & Boles, M. A. (2015).Thermodynamics: An Engineering Approach (8th ed.). New York: McGraw-Hill Education[January 11, 2026]. [5] Mattingly, J. D. (2006).Elements of Propulsion: Gas Turbines and Rockets. Reston, VA: AIAA Education Series. [January 11, 2026]. [6] Heywood, J. B. (2018).Internal Combustion Engine Fundamentals (2nd ed.). New York: McGraw-Hill Education. [January 11, 2026]. [7] Eriksson, L., & Nielsen, L. (2014).Modeling and Control of Engines and Drivelines. Chichester: Wiley. [January 11, 2026]. [8] Lee, J., Kim, Y., & Park, S. (2015).Design and experimental study of a small turbojet engine using an automotive turbocharger.Journal of Mechanical Science and Technology, 29(5), 2141–2148. [January 11, 2026]. [9] Sinaga, N., Setyawan, A., & Nugroho, A. (2017).Performance analysis of turbocharger-based small gas turbine engine.Energy Procedia, 68, 312–320. [January 11, 2026]. 96 [10 ] SCMA Automation. Pressure Transducer Availabl e : https://scma.co.th/blog/post/pressure-transducer?utm_source=chatgpt.com [January 11, 2026]. [10] ISO. ISO 3977-4:2002 Gas turbines — Procurement — Part 4: Fuels and environment. International Organization for Standardization.https://www.iso.org/standard/25140.html[January 11, 2026]. [11] ISO. ISO 1217:2009 Displacement compressors — Acceptance tests . I n t e r n a t i o n a l O r g a n i z a t i o n f o r Standardization.https://www.iso.org/standard/42133.html[January 11, 2026]. [12] ASTM International. ASTM A409/A409M-24: Standard Specification for Welded Large Diameter Austenitic Steel Pipe for Corrosive or High -Temperature Service.https://standards.iteh.ai/catalog/standards/astm/astm-a409-a409m[January 11, 2026]. [13] ผู้จัดทา นางสาวธนัชพร พังยะ นายตติภูมิ อ่อนพลี นางสาวเขมจิรา ตั้งจิตมั่นสกุล นางสาว ณัฐกฤตา ศรีทิพย์, การออกแบบ สร้าง และพัฒนาเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์โดยใช้เทอร์โบชาร์จเจอร์ , ภาควิชาวิศวกรรมศาสตร์, คณะวิศวกรรมการบิน-อวกาศ, มหาวิทยาลัยพระจอมเกล้าพระนครเหนือ, ปีที่ จัดทา 2567 97 ภาคผนวก ก แบบ Drawing ห้องเผาไหม้ 98 99 100 101 102 103 104 ภาคผนวก ข แบบ Drawing สาหรับ Nozzle ในอนาคต 105 106 107 108 109

Abstract

The study and development of a gas turbine engine using a turbocharger aims to investigate the operating principles and related theories of gas turbine engines. This project focuses on the design and construction of a functional prototype gas turbine engine. The project team has conducted studies, analyses, and designs of the combustion chamber, as well as the electrical system of the gas turbine engine. Additionally, the working principles of the turbocharger and its associated components—such as the compressor and turbine—have been explored, based on literature reviews and the Brayton Cycle theory of gas turbines. The development process began with the design and structural analysis of the combustion chamber using JetSpecs Designer 2.0 and SolidWorks software before proceeding to prototype fabrication

อ้างอิงผลงานนี้ / Cite this

รหัสโปรเจค

AE-2568-007

ชื่อเรื่อง

การออกแบบและพัฒนาเครื่องยนต์แก๊สเทอร์ไบน์โดยใช้เทอร์โบชาร์จเจอร์ / Design and Develop Gas Turbine Engine Using Turbocharger

ผู้จัดทำ

คุณากร อุ่นดา, พงศพัศ เหลืองอรัญนภา, ศุภวิชญ์ วันนู

อาจารย์ที่ปรึกษา

ผศ.ดร.ธาดา สุขศิลา

ปีการศึกษา

2568 (C.E. 2025)

หน่วยงาน

ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลและการบิน-อวกาศ (MAE) มจพ.

URL

https://maeconnect.eng.kmutnb.ac.th/projects/cmoi2q82w001ixtyr256e5988