การออกแบบอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทางเพื่อใช้งานกับเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูติกสำหรับการผลิตพลังงานไฟฟ้า

บทคัดย่อ

ปริ ญ ญานิ พ นธ์ ฉ บั บ นี้ นาเสนอการศึ ก ษาและออกแบบอิ ม พั ล ส์ เ ทอร์ ไ บน์ แ บบสองทิ ศ ทาง เพื่อประยุกต์ใช้ร่วมกับเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกในการแปลงพลังงานอะคูสติก เป็นพลังงานไฟฟ้า งานวิจัยนี้ได้ดาเนินการสร้างชุดทดสอบโดยใช้ลาโพงเป็นอุปกรณ์จาลองแหล่งกาเนิดคลื่นอะคูสติกที่ ความถี่ 65 เฮิรตซ์ และขึ้นรูปชิ้นส่วนเทอร์ไบน์ต้นแบบด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ การศึกษานี้ มุ่งเน้นการหาตัวแปรทางเรขาคณิตที่เหมาะสมที่สุดเพื่อลดการสูญเสียทางพลศาสตร์การไหล และเพิ่ม ประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน โดยใช้วิธี Univariate search method ในการศึกษาพารามิเตอร์ 4 ตัวแปร ได้แก่ มุมใบพัดโรเตอร์ จานวนใบพัดโรเตอร์ จานวนใบพัดสเตเตอร์ และมุมใบพัดสเตเตอร์ เพื่อหาประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานที่สูงที่สุด นอกจากนี้ ยังมีการประเมินประสิทธิภาพของ เครื่องกาเนิดไฟฟ้าเพื่อเพิ่มความแม่นยาในการคานวณประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์ ผลการทดลอง พบว่า เครื่องกาเนิดไฟฟ้ามีประสิทธิภาพประมาณ 70% ขณะที่พารามิเตอร์การออกแบบที่เหมาะสม ของอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง ได้แก่ มุมใบพัดโรเตอร์ 30 องศา จานวนใบพัดโรเตอร์ 31 ใบ จานวนใบพัดสเตเตอร์ 32 ใบ และมุมใบพัดสเตเตอร์ 20 องศา ภายใต้เงื่อนไขดังกล่าว เทอร์ไบน์ให้ ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูงสุดเท่ากับ 36.29% ทั้งนี้ ผลการศึกษาสามารถใช้เป็นแนวทางใน การออกแบบและพัฒนาเทอร์ไบน์สาหรับทางานร่วมกับเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติก เพื่อการนาความ ร้อนเหลือทิ้งกลับมาใช้ผลิตพลังงานไฟฟ้าในภาคอุตสาหกรรมในอนาคต คาสาคัญ: อิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง / เครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติก / พลังงานอะคูสติก / การพิมพ์สามมิติ ก Name Thesis Title Department Advisor Academic year Mr. Phuriwat Bangsan Mr. Wongsatorn Srimeechai Mr. Peamapon Kurathong Mr. Saharat Ensan Design of a bi-directional impulse turbine applied to a thermoacoustic engine for electrical power generation Mechanical and Aerospace Engineering Assoc.Prof. Patcharin Saechan, Ph.D. 2025 Abstract This thesis presents the study and design of a bi-directional impulse turbine for integration with a thermoacoustic engine to convert acoustic energy into electrical power. In this research, an experimental setup was developed using a loudspeaker as a simulated acoustic wave source at a frequency of 65 Hz. The turbine prototype components were fabricated using 3D printing technology. The study focuses on identifying optimal geometric parameters to minimize flow dynamic losses and maximize energy conversion efficiency. The Univariate Search Method was employed to investigate four key parameters rotor blade angle, number of rotor blades, number of stator blades, and stator blade angle. Furthermore, the generator's efficiency was evaluated to improve the accuracy of the calculated turbine efficiency. The experimental results revealed that the generator operates at an efficiency of approximately 70%. The optimal design parameters for the bi-directional impulse turbine were found to be a rotor blade angle of 30°, 31 rotor blades, 32 stator blades, and a stator blade angle of 20°. Under these conditions, the turbine achieved a peak energy conversion efficiency of 36.29%. These findings serve as a guideline for designing and developing turbines compatible with thermoacoustic engines for industrial waste heat recovery and electricity generation in the future. Keywords: Bi-directional impulse turbine / Thermoacoustic engine / Acoustic energy / 3D printing ข กิตติกรรมประกาศ ปริญญานิพนธ์ฉบับนี้สามารถสาเร็จลุล่วงได้เป็นอย่างดี อันเนื่องมาจากความกรุณาของอาจารย์ รศ.ดร.พัชรินทร์ แซ่จัน ที่ให้ความกรุณาในการสละทั้งเวลา และความทุ่มเทที่จะให้ทั้งคาปรึกษา แนะนา และข้อเสนอแนะในด้านต่าง ๆ ทั้งในด้านวิชาการ ด้านการเขียนรายงาน ด้านการนาเสนอ ใน ด้านเงินทุน และรวมถึงด้านความละเอียด และความรอบคอบ ซึ่งทั้งหมดนี้เป็นส่วนประกอบที่สาคัญ อย่างยิ่งที่ส่งผลให้ปริญญานิพนธ์ฉบับนี้สามารถสาเร็จลุล่วงได้เป็นอย่างดี ผู้จัดทาขอกราบพระคุณเป็น อย่างสูงมา ณ โอกาสนี้ ขอขอบคุณคณะกรรมการประจาสาขาวิศวกรรมเครื่องกล การบิน และอวกาศทุก ๆ ท่านที่ให้ ความอนุเคราะห์ ในการให้ คาแนะนา ข้อเสนอแนะ และคาติชม ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการพัฒ นา ปริญญานิพนธ์ฉบับนี้ และเป็นส่วนสาคัญอย่างยิ่งที่ส่งผลให้ปริญญานิพนธ์ฉบับนี้สามารถสาเร็จลุลว่ ง ได้ ขอขอบคุณอาจารย์ ประจาภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล การบินและอวกาศทุก ๆ ท่านที่สละ เวลาอันเป็นประโยชน์ในการให้ข้อเสนอแนะ และคาแนะนาอันเป็น ประโยชน์ รวมไปถึงการให้ยืม อุปกรณ์ต่าง ๆ ซึ่งเป็นส่วนช่วยให้ปริญญานิพนธ์ฉบับนี้สามารถดาเนินการได้เสร็จสิ้นสมบูรณ์ ขอขอบคุณภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล การบินและอวกาศที่ให้ความอนุเคราะห์ในการใช้ สถานที่ และเครื่องจักร รวมถึงการให้ทุนสนับสนุนในการจัดซื้อและจัดยืมอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้อง รวมถึง ขอขอบคุณเจ้าหน้าที่ของภาควิชาทุก ๆ ท่านที่ให้ความอนุเคราะห์ในด้านการให้คาปรึกษาทางด้าน เทคนิค ซึ่งเป็นหนึ่งในปัจจัยสาคัญที่ช่วยอานวยให้สามารถทาการทดลอง และขึ้นรูปชิ้นงานตัวอย่า ง ออกมาได้สาเร็จลุล่วงได้เป็นอย่างดี ขอขอบคุณเพื่อน และมิตรสหาย ทุกท่านที่ให้กาลังใจ, คาแนะนา และความช่วยเหลือต่าง ๆ ซึ่งมีส่วนช่วยให้สามารถดาเนินการจัดทาปริญญานิพนธ์นี้ออกมาได้อย่างสมบูรณ์ สุดท้ายนี้ผู้จัดทาขอกราบขอบพระคุณผู้ปกครอง และครอบครัว อันเป็นที่รักยิ่ง ที่ให้การ สนับสนุนทั้งในด้านกาลังใจ เงินทุน และรวมถึงการสละเวลาเพื่อให้คาแนะนาอันเป็นประโยชน์ ซึ่ง เป็นส่วนสาคัญอย่างยิ่งที่ทาให้ผู้จัดทาสามารถจัดทาปริญญานิพนธ์ฉบับนี้ออกมาได้อย่างสาเร็ จลุล่วง ได้เป็นอย่างดี นายภูริวัจน์ บางเสน นายวงศธร ศรีมีชัย นายภีมพล คุระทอง นายสหรัฐ เอนสาร ค สารบัญ บทที่ 1 บทนา ....................................................................................................................................1 1.1 ที่มาและความสาคัญ...........................................................................................................1 1.2 กลุ่มผู้ใช้งาน .......................................................................................................................2 1.3 วัตถุประสงค์ของโครงงาน ...................................................................................................2 1.4 ขอบเขตโครงงาน ................................................................................................................3 1.5 ประโยชน์ และผลที่คาดว่าได้รับ .........................................................................................3 1.6 งบประมาณ ........................................................................................................................3 1.7 แผนการดาเนินงาน .............................................................................................................4 บทที่ 2 ทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง ...................................................................................................................5 2.1 ทฤษฎีเทอร์โมอะคูสติก .......................................................................................................5 2.1.1 เครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกคลื่นนิ่ง ....................................................................... 6 2.1.2 เครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกคลื่นเคลื่อนที่ .............................................................. 6 2.2 วิธีการแปลงพลังงานคลื่นเสียงเป็นพลังงานไฟฟ้า................................................................7 2.2.1 อุปกรณ์แม่เหล็กไฟฟ้า ........................................................................................... 8 2.2.2 อุปกรณ์เพียโซอิเล็กทริก ........................................................................................ 9 2.2.3 อุปกรณ์แม่เหล็กไฮโดรไดนามิก ........................................................................... 10 2.2.4 เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง.................................................................................... 11 2.3 การออกแบบอิมพัลส์เทอร์ไบน์ตามแนวแกนแบบสองทิศทาง .......................................... 12 2.3.1 ตัวแปรที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการแปลงพลังงานของอิมพัลส์เทอร์ไบน์ .............. 13 2.4 กำลังอะคูสติก (Acoustic power) .................................................................................. 15 2.5 มาตรฐาน ISO 10534-2:2023 สาหรับ Two-Microphone technique ....................... 16 2.6 สูตรความถี่ฮาร์มอนิกแรกของท่อปลายปิดด้านหนึ่ง ......................................................... 17 2.7 การทดลองท่อคุนท์ ( Kundt’s tube experiment) ....................................................... 18 2.8 ประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์ในการแปลงพลังงาน.............................................................. 19 2.9 Flow coefficient ........................................................................................................... 20 2.10 การทดสอบแบบฮอปกินสัน (Hopkinson’s Test) ........................................................ 22 บทที่ 3 ขั้นตอนการออกแบบ .......................................................................................................... 24 3.1 ข้อกาหนดและข้อจากัดของโครงงาน ............................................................................... 24 3.1.1 ข้อกาหนดของโครงงาน ....................................................................................... 24 ง 3.1.2 ข้อจากัดของโครงงาน .......................................................................................... 24 3.2 มาตรฐานที่เกี่ยวข้อง ........................................................................................................ 25 3.3 ความปลอดภัย................................................................................................................. 25 3.3.1 ความปลอดภัยในการทดลอง ............................................................................... 25 3.4 ผลกระทบด้านสิ่งแวดล้อม ............................................................................................... 25 3.5 ตัวแปรที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพที่นามาทาการทดสอบ ..................................................... 26 3.5.1 มุมใบพัดโรเตอร์ (Rotor blade angle, β) ........................................................ 26 3.5.2 จานวนใบพัดโรเตอร์ (Rotor blade number, Nr)............................................. 26 3.5.3 จานวนใบพัดสเตเตอร์ (Stator blade number, Ns) ......................................... 26 3.5.4 มุมทางออกของสเตเตอร์ (Stator blade exit angle, α1) ................................ 27 3.6 การเลือกโปรแกรมที่ใช้ในการออกแบบ ........................................................................... 27 3.7 การออกแบบอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง ............................................................... 27 3.7.1 การทดสอบผลกระทบของมุมใบพัดโรเตอร์ A1-A4 ............................................. 29 3.7.2 การทดสอบผลกระทบของจานวนใบพัดโรเตอร์ B1-B3 ....................................... 29 3.7.3 การทดสอบผลกระทบของจานวนใบพัดสเตเตอร์ C1-C3 .................................... 29 3.7.4 การทดสอบผลกระทบมุมใบพัดสเตเตอร์ D1-D3 ................................................. 29 3.7.5 การทดสอบค่าพารามิเตอร์ที่ส่งผลให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด E1............................ 30 3.8 การเขียนแบบอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง .............................................................. 30 3.8.1 การออกแบบใบพัดโรเตอร์ .................................................................................. 31 3.8.2 การออกแบบใบพัดสเตเตอร์ ................................................................................ 34 3.8.3 การออกแบบ Nose cone .................................................................................. 35 3.8.4 ชุดยึดมอเตอร์ (Motor mount).......................................................................... 36 3.8.5 สรุปผลการออกแบบอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง ....................................... 37 3.9 ตลับลูกปืน (Bearing) ...................................................................................................... 37 3.10 เครื่องกาเนิดไฟฟ้า (Generator) ................................................................................... 38 3.10.1 การเลือกเกณฑ์และการให้คะแนน .................................................................... 38 3.10.2 สรุปผลการเลือกเครื่องกาเนิดไฟฟ้า................................................................... 40 3.11 การขึ้นรูปอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง .................................................................. 40 3.12 การประกอบอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง ............................................................. 44 3.13 การออกแบบชุดทดสอบ ................................................................................................ 49 3.13.1 ท่อสาหรับใช้งานร่วมกับชุดทดสอบ ................................................................... 49 3.13.2 การหาจุดติดตั้งอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง ............................................. 50 จ 3.13.3 ออกแบบจุดติดตั้ง sensor และความถี่ที่สามารถทดสอบ.................................. 52 3.13.4 การประกอบชุดทดสอบ .................................................................................... 53 3.14 การทดสอบประสิทธิภาพของเครื่องกาเนิดไฟฟ้า ........................................................... 57 3.14.1 การประกอบชุดทดสอบ .................................................................................... 58 3.14.2 การต่อวงจรไฟฟ้าสาหรับการทดสอบ ................................................................ 58 3.14.3 ขั้นตอนการทดสอบและตารางการวัดผล ........................................................... 59 3.15 การทดสอบประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์ ......................................................................... 60 3.15.1 ขั้นตอนการทดสอบ ........................................................................................... 61 3.15.2 ตารางการบันทึกผล........................................................................................... 64 บทที่ 4 ผลการทดสอบ .................................................................................................................... 69 4.1 ผลการทดสอบการหาประสิทธิภาพของเครื่องกาเนิดไฟฟ้า .............................................. 69 4.2 ผลการทดสอบมุมใบพัดโรเตอร์........................................................................................ 70 4.2.1 อิทธิพลของโหลดทางไฟฟ้าต่อสมรรถนะการทางานของอิมพัลส์เทอร์ไบน์ ........... 70 4.2.2 อิทธิพลของมุมใบพัดของโรเตอร์ต่อกาลังอะคูสติก และกาลังไฟฟ้า ..................... 73 4.2.3 อิทธิพลของมุมใบพัดของโรเตอร์ต่อประสิทธิภาพในการแปลงพลังงาน ................ 76 4.2.4 สรุปอิทธิพลของมุมใบพัดของโรเตอร์ ................................................................... 80 4.3 ผลการทดสอบจานวนใบพัดของโรเตอร์ ........................................................................... 80 4.3.1 อิทธิพลของจานวนใบพัดโรเตอร์ต่อประสิทธิภาพในการแปลงพลังงาน ................ 80 4.3.2 สรุปผลอิทธิพลของจานวนใบพัดของโรเตอร์........................................................ 83 4.4 ผลการทดสอบจานวนใบพัดสเตเตอร์............................................................................... 83 4.4.1 ผลของค่าประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานต่อการเปลี่ยนจานวนใบพัดสเตเตอร์ 84 4.4.2 สรุปอิทธิพลของการเปลี่ยนจานวนใบพัดสเตเตอร์ ............................................... 85 4.5 ผลการทดสอบมุมใบพัดสเตเตอร์ ..................................................................................... 86 4.5.1 ผลของค่าประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานต่อการเปลี่ยนจานวนใบพัดสเตเตอร์ 86 4.5.2 สรุปผลอิทธิพลของการเปลี่ยนจานวนใบพัดสเตเตอร์ .......................................... 88 4.6 สรุปผลการทดสอบอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง ...................................................... 88 บทที่ 5 สรุปผล และข้อเสนอแนะ ................................................................................................... 90 5.1 สรุปผล ............................................................................................................................ 90 5.2 ข้อเสนอแนะ .................................................................................................................... 91 เอกสารอ้างอิง ................................................................................................................................. 92 ภาคผนวก ก ภาพเขียนแบบชุดอิมพัลส์เทอร์ไบน์ ............................................................................ 95 ภาคผนวก ข ภาพอุปกรณ์อิมพัลส์เทอร์ไบน์ .................................................................................. 103 ฉ ภาคผนวก ค ภาพเขียนแบบชุดทดสอบอิมพัลส์เทอร์ไบน์ .............................................................. 106 ภาคผนวก ง ภาพอุปกรณ์ชุดทดสอบอิมพัลส์เทอร์ไบน์ .................................................................. 108 ภาคผนวก จ รายการคานวณ ........................................................................................................ 116 ภาคผนวก ฉ ภาพการดาเนินงาน .................................................................................................. 119 ช สารบัญรูปภาพ รูปที่ 2.1 การขยายตัวและหดตัวของก้อนมวลในสแต็ก [4] ................................................................5 รูปที่ 2.2 ภาพภายในเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกคลื่นนิ่ง [5] .............................................................6 รูปที่ 2.3 วัฏจักรการเคลื่อนที่ของแก๊สภายในเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกประเภทคลื่นเคลื่อนที่ ........7 รูปที่ 2.4 ภาพภายในเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกคลื่นเคลื่อนที่ [5] ....................................................7 รูปที่ 2.5 Schematic of a moving coil loudspeaker [2] ............................................................8 รูปที่ 2.6 Schematic of a moving magnet linear alternator [2] ..............................................9 รูปที่ 2.7 Piezoelectric Material [6]............................................................................................ 10 รูปที่ 2.8 ส่วนประกอบและการทำงานของ อุปกรณ์แม่เหล็กไฮโดรไดนามิก [2] .............................. 10 รูปที่ 2.9 เวลส์เทอร์ไบน์ [7] ............................................................................................................ 11 รูปที่ 2.10 อิมพัลส์เทอร์ไบน์ตามแนวแกน [2] ................................................................................. 12 รูปที่ 2.11 การออกแบบของโรเตอร์-สเตเตอร์ และทิศทางการหมุนของโรเตอร์ [2] ........................ 13 รูปที่ 2.12 Kundt tube diagram .................................................................................................. 18 รูปที่ 2.13 วงจรของการทดสอบฮอปกินสัน..................................................................................... 23 รูปที่ 3.1 ภาพการประกอบอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง ......................................................... 31 รูปที่ 3.2 ระยะ seal clearance .................................................................................................... 31 รูปที่ 3.3 ตัวแปรของใบพัดโรเตอร์ และใบพัดสเตเตอร์ ................................................................... 32 รูปที่ 3.4 ใบพัดโรเตอร์ .................................................................................................................... 33 รูปที่ 3.5 ใบพัดสเตเตอร์.................................................................................................................. 35 รูปที่ 3.6 ส่วนประกอบของ Nose cone ........................................................................................ 36 รูปที่ 3.7 Nose cone ..................................................................................................................... 36 รูปที่ 3.8 Motor mount ................................................................................................................ 37 รูปที่ 3.9 ภาพประกอบแยกส่วนของอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง ........................................... 37 รูปที่ 3.10 ภาพขนาดของ Stator ที่ไม่ตรงกับขนาดที่กำหนดเอาไว้ที่ 10 มิลลิเมตร ....................... 42 รูปที่ 3.11 ภาพของใบพัดโรเตอร์ที่เกิดข้อผิดพลาดระหว่างการขึ้นรูป ............................................. 42 รูปที่ 3.12 ภาพชิ้นงานที่ไม่สามารถขึ้นรูปได้อย่างสมบูรณ์............................................................... 42 รูปที่ 3.13 ภาพชิ้นส่วน Brim .......................................................................................................... 43 รูปที่ 3.14 ภาพใบพัดโรเตอร์ที่สามารถขึ้นรูปได้สมบูรณ์ ................................................................. 43 รูปที่ 3.15 ภาพใบพัดสเตเตอร์ที่สามารถขึ้นรูปได้สมบูรณ์ ............................................................... 43 รูปที่ 3.16 ภาพของชิ้นส่วน Support ขณะที่อยู่ภายใน Nose cone ............................................. 45 รูปที่ 3.17 ภาพของชิ้นส่วน Support หลังจากได้ทำการนำออกมาจาก Nose cone ..................... 45 ซ รูปที่ 3.18 ภาพลักษณะของ String................................................................................................. 45 รูปที่ 3.19 ภาพการใส่ตัว Heat tread insert เข้ากับ Nose cone ................................................ 46 รูปที่ 3.20 ภาพการใส่แบริ่งเข้ากับใบพัดสเตเตอร์ ........................................................................... 46 รูปที่ 3.21 ภาพการประกอบชุดมอเตอร์.......................................................................................... 46 รูปที่ 3.22 ภาพการประกอบใบพัดสเตเตอร์เข้ากับ Nose cone ..................................................... 47 รูปที่ 3.23 ภาพการประกอบชุดมอเตอร์เข้ากับ Nose cone .......................................................... 47 รูปที่ 3.24 ภาพการประกอบใบพัดโรเตอร์เข้ากับเพลา .................................................................... 48 รูปที่ 3.25 ภาพการประกอบชุดเทอร์ไบน์เข้ากับท่ออะคริลิก ........................................................... 48 รูปที่ 3.26 ภาพชิ้นส่วนตัวแปลงท่อ ................................................................................................. 49 รูปที่ 3.27 ภาพการประกอบชุดเทอร์ไบน์เข้าชุดทดสอบ ................................................................. 49 รูปที่ 3.28 การทดลอง Kundt’s tube เพื่อระบุจุดปฏิบัพ .............................................................. 51 รูปที่ 3.29 ระยะติดตั้งเซนเซอร์วัดแรงดัน........................................................................................ 52 รูปที่ 3.30 ภาพชุดทดสอบ .............................................................................................................. 54 รูปที่ 3.31 Schematic diagram .................................................................................................... 56 รูปที่ 3.32 ชุดทดสอบ และอุปกรณ์ที่ใช้ในการทดสอบ .................................................................... 57 รูปที่ 3.33 โครงชุดทดสอบ .............................................................................................................. 58 รูปที่ 3.34 ชุดทดสอบเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ........................................................................................ 59 รูปที่ 3.35 ภาพการประกอบชุด ...................................................................................................... 61 รูปที่ 3.36 ภาพการประกอบ Pressure sensor เข้าสู่ชุดทดสอบ ................................................... 62 รูปที่ 3.37 ภาพการเชื่อมต่อ Pressure sensor, Signal conditioner และ oscilloscope ........... 62 รูปที่ 3.38 ภาพคำสั่งที่ใช้ภายในโปรแกรม MATLAB ...................................................................... 63 รูปที่ 3.39 ภาพอุปกรณ์ที่ใช้ในการกำเนิดคลื่นอะคูสติก .................................................................. 63 รูปที่ 4.1 ประสิทธิภาพของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเมื่อเปรียบเทียบกับแรงดันไฟฟ้า .............................. 69 รูปที่ 4.2 ค่าความเร็วรอบเมื่อเปรียบเทียบกับค่าความต้านทาน ...................................................... 70 รูปที่ 4.3 ค่าแรงดันไฟฟ้าเมื่อเปรียบเทียบกับค่าความต้านทาน ....................................................... 71 รูปที่ 4.4 ค่าแรงดันไฟฟ้าเมื่อเปรียบเทียบกับความเร็วรอบ ............................................................. 72 รูปที่ 4.5 ค่ากระแสไฟฟ้าเมื่อเปรียบเทียบกับค่าความต้านทาน ....................................................... 73 รูปที่ 4.6 ค่ากำลังทางไฟฟ้าเมื่อเปรียบเทียบกับค่าความต้านทาน ของการทดสอบชุด A ................. 74 รูปที่ 4.7 ค่ากำลังอะคูสติกเมื่อเปรียบเทียบกับค่าความต้านทาน ของชุดการทดสอบ A .................. 75 รูปที่ 4.8 ค่ากำลังทางไฟฟ้าเมื่อเปรียบเทียบกับความเร็วรอบ ของชุดการทดสอบ A ....................... 76 รูปที่ 4.9 ค่าประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์เมื่อเปรียบเทียบกับค่าความต้านทานของชุดการทดสอบ A 77 รูปที่ 4.10 ค่าประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์เมื่อเปรียบเทียบกับความเร็วรอบ ของชุดการทดสอบ A .. 78 ฌ รูปที่ 4.11 ค่าประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์เปรียบเทียบกับ Flow coefficient ของชุดการทดสอบA 79 รูปที่ 4.12 ค่าประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์เมื่อเปรียบเทียบกับค่าความต้านทานของชุดการทดสอบB 81 รูปที่ 4.13 ค่าประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์เมื่อเปรียบเทียบกับความเร็วรอบของชุดการทดสอบ B .... 82 รูปที่ 4.14 ค่าประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์เปรียบเทียบกับ Flow coefficient ของชุดการทดสอบ B82 รูปที่ 4.15 ค่าประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์เมื่อเปรียบเทียบกับความเร็วรอบของชุดการทดสอบ C.... 84 รูปที่ 4.16 ค่าประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์เปรียบเทียบกับ Flow coefficient ของชุดการทดสอบC 85 รูปที่ 4.17 ค่าประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์เมื่อเปรียบเทียบกับความเร็วรอบของชุดการทดสอบ D ... 87 รูปที่ 4.18 ค่าประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์เปรียบเทียบกับ Flow coefficient ของชุดการทดสอบD 87 รูป ก.1 ใบพัดโรเตอร์ R24-Nr35........................................................................................................96 รูป ก.2 ใบพัดโรเตอร์ R30-Ns35 .................................................................................................... 96 รูป ก.3 ใบพัดโรเตอร์ R36-Nr35 ..................................................................................................... 97 รูป ก.4 ใบพัดโรเตอร์ R42-Nr35 ..................................................................................................... 97 รูป ก.5 ใบพัดสเตเตอร์ S20-Ns26 .................................................................................................. 98 รูป ก.6 ใบพัดสเตเตอร์ S20-Ns20 .................................................................................................. 99 รูป ก.7 ใบพัดสเตเตอร์ S20-Ns32 ................................................................................................ 100 รูป ก.8 ใบพัดสเตเตอร์ S25-Ns32 ................................................................................................ 101 รูป ก.9 ใบพัดสเตเตอร์ S30-Ns32 ................................................................................................ 102 รูป ข.1 อุปกรณ์ในการประกอบอิมพัลส์เทอร์ไบน์ ......................................................................... 104 รูป ข.2 ตลับลูกปืน SKF 623 2Z .................................................................................................. 104 รูป ข.3 มอเตอร์ ............................................................................................................................ 104 รูป ข.4 เพลาขนาด 3 มิลลิเมตร .................................................................................................... 105 รูป ข.5 ท่ออะคริลิก....................................................................................................................... 105 รูป ค.1 ภาพประกอบแบบแยกส่วน .............................................................................................. 107 รูป ง.1 ท่อ PVC ขนาด 3 นิ้ว ชั้นความหนา 13.5 ......................................................................... 109 รูป ง.2 แผ่นอะคริลิก ..................................................................................................................... 109 รูป ง.3 ข้อต่อตรง PVC 3" ............................................................................................................. 109 รูป ง.4 ท่ออะแดปเตอร์ PVC 3" เส้นผ่านศูนย์กลางใน 80 มิลลิเมตร ............................................ 110 รูป ง.5 ฝาครอบ PVC 3" ............................................................................................................... 110 รูป ง.6 L Bracket long type ...................................................................................................... 110 รูป ง.7 PVC support ................................................................................................................... 111 รูป ง.8 ซิลิโคนยาแนว ................................................................................................................... 111 รูป ง.9 กาวปะเก็นซิลิโคน ............................................................................................................. 111 ญ รูป ง.10 Reducer ........................................................................................................................ 112 รูป ง.11 ไม้ MDF .......................................................................................................................... 112 รูป ง.12 Power amplifier DZ-2000.1D .................................................................................... 112 รูป ง.13 Subwoofer PM0408 300W ........................................................................................ 113 รูป ง.14 PCB piezotronics pressure sensor 113B28............................................................. 113 รูป ง.15 PCB piezotronics sensor signal conditioner model 482C ................................... 113 รูป ง.16 Rigol DS2072A digital oscilloscope ......................................................................... 114 รูป ง.17 Testo 470 digital tachometer................................................................................... 114 รูป ง.18 Sanwa CD732 Digital multimeter............................................................................. 114 รูป ง.19 ตัวต้านทาน ..................................................................................................................... 115 รูป ง.20 คอมพิวเตอร์.................................................................................................................... 115 รูป ฉ.1 การเตรียมไม้ MDF สำหรับการขึ้นรูปชุดทดสอบ .............................................................. 120 รูป ฉ.2 การเตรียมไม้ MDF สำหรับรองรับท่อ ............................................................................... 120 รูป ฉ.3 การประกอบฐานชุดทดสอบ ............................................................................................. 120 รูป ฉ.4 การติดตั้ง Pressure sensors........................................................................................... 121 รูป ฉ.5 เครื่องพิมพ์สามมิติที่ใช้ในการขึ้นรูปอิมพัลส์เทอร์ไบน์ ....................................................... 121 รูป ฉ.6 การทดสอบประสิทธิภาพของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า .............................................................. 122 รูป ฉ.7 การทดสอบประสิทธิภาพของอิมพัลส์เทอร์ไบน์ ................................................................ 122 ฎ สารบัญตาราง ตารางที่ 1.1 รายการงบประมาณ .......................................................................................................3 ตารางที่ 1.2 แผนการดำเนินงาน ........................................................................................................4 ตารางที่ 2.1 ตารางชื่อตัวแปรในการออกแบบโรเตอร์และสเตเตอร์ ................................................. 13 ตารางที่ 3.1 รูปแบบการทดสอบตัวแปรของชุดเทอร์ไบน์................................................................ 28 ตารางที่ 3.2 จำนวนอุปกรณ์ขึ้นรูปสามมิติ ...................................................................................... 30 ตารางที่ 3.3 ค่าพารามิเตอร์ในการออกแบบของโรเตอร์.................................................................. 33 ตารางที่ 3.4 ค่าพารามิเตอร์ในการออกแบบของสเตเตอร์ ............................................................... 34 ตารางที่ 3.5 การให้คะแนนของมอเตอร์ในแต่ละประเภท................................................................ 40 ตารางที่ 3.6 อุปกรณ์อิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง................................................................... 44 ตารางที่ 3.7 วัสดุชุดทดสอบ ........................................................................................................... 53 ตารางที่ 3.8 อุปกรณ์กำเนิดคลื่น และวัดค่าในการทดสอบ .............................................................. 55 ตารางที่ 3.9 อุปกรณ์วงจรไฟฟ้า ...................................................................................................... 58 ตารางที่ 3.10 ตารางเก็บผลการทดสอบหาประสิทธิภาพเครื่องกำเนิดไฟฟ้า.................................... 60 ตารางที่ 3.11 ตารางบันทึกผลแรงดัน และค่า Phase shift ที่เก็บค่าด้วย Pressure sensor ......... 65 ตารางที่ 3.12 ตารางบันทึกค่าความเร็วรอบของเทอร์ไบน์จากการวัดค่าด้วย Tachometer ........... 66 ตารางที่ 3.13 ตารางที่บันทึกค่าแรงดัน และกระแสไฟฟ้าที่วัดค่าด้วย Multimeter........................ 67 ตารางที่ 3.14 ตารางบันทึกผลการคำนวณค่าพลังงานอะคูสติก และค่าพลังงานของเทอร์ไบน์ ........ 68 ฏ บทที่ 1 บทนา 1.1 ที่มาและความสาคัญ ในปัจจุบันการผลิตพลังงานไฟฟ้าส่วนใหญ่ยังคงพึ่งพาการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล เช่น ถ่าน หิน น้ามัน และก๊าซธรรมชาติ ถึงแม้จะสามารถผลิตพลังงานได้ในปริมาณมาก และต่อเนื่องแต่กลับ ก่อให้เกิดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมอย่างรุนแรง ทั้งในรูป แบบของการปล่อยก๊าซเรือนกระจก การเกิด ฝุ่นละอองขนาดเล็ก ด้วยเหตุ ผลนี้ แนวคิดการผลิตพลังงานจากแหล่งพลังงานทางเลือกที่สะอาดและ ยั่งยืน จึงได้รับ ความสนใจมากขึ้น หนึ่งในเทคโนโลยีที่มีการพัฒ นา เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม คือ เครื่องยนต์ความร้อนเทอร์โมอะคูสติก (Thermoacoustic Heat Engine) ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่อาศัย หลักการแลกเปลี่ยนความร้อนให้กลายเป็นคลื่นเสียง และนาคลื่นเสียงมาแปลงเป็นพลังงานกลและ พลังงานไฟฟ้า เทคโนโลยีเทอร์โมอะคูสติกสามารถนามาใช้ประโยชน์ โดยการนาความร้อนเหลือทิ้ง (Waste heat) หรือพลังงานความร้อนที่ไม่ได้ใช้ประโยชน์ มาใช้เป็นแหล่งกาเนิดพลังงานความร้อน สาหรับเครื่องยนต์ความร้อนเทอร์โมอะคูสติก [1-2] เทคโนโลยีเทอร์โมอะคูสติก (Thermoacoustic technology) เป็นแนวทางหนึ่งในการผลิ ต พลังงานทางเลือกที่ได้รับความสนใจเพิ่มขึ้นในปัจจุบัน เนื่องจากสามารถนาพลังงานความร้อนที่เหลือ ทิ้งจากเครื่องจักรอุตสาหกรรม หรือแหล่งพลังงานธรรมชาติ อื่น ๆ มาใช้ใหม่ได้ อีกทั้งยังไม่สร้าง ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมในรูปของมลพิษ หรือการปล่อยก๊าซเรือนกระจก โดยระบบนี้อาศัยหลักการ ความแตกต่างของอุ ณหภู มิ และการกาเนิด คลื่นเสียง ซึ่ง มีส่ว นประกอบหลั กเป็น 1. อุปกรณ์ แลกเปลี่ยนความร้อน (Heat exchanger) 2. แหล่งกาเนิดพลังงานความร้อน 3. วัสดุรูพรุน โดยเกิด การแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างแหล่งกาเนิดความร้อนกับอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน ส่งผลให้ เกิดการขยายตัวของอนุภาคอากาศสลับเป็นจังหวะอย่างต่อเนื่องนาไปสู่การเกิดคลื่นเสียง โดยคลื่น เสียงที่เกิดขึ้นนี้เกิดขึ้นในลักษณะการเคลื่อนที่แบบกลับไปกลับมา ซึ่งมีศักยภาพเพียงพอที่จะนาไปใช้ เป็นแหล่งพลังงานสาหรับขับเคลื่อนอุปกรณ์ กาเนิดไฟฟ้าโดยการใช้อุปกรณ์ เช่น อิมพัลส์เทอร์ไบน์ วัสดุประเภทเพียโซอิเล็กทริก (Piezoelectric materials) อุปกรณ์แม่เหล็กไฟฟ้าจาพวกลาโพง และ เครื่องกาเนิดไฟฟ้าเชิงเส้น [2] จากการศึกษากระบวนการแปลงพลังงานอะคูสติกที่ได้กล่าวมาแล้วข้างต้น พบว่าอิมพัลส์เทอร์ ไบน์ แ บบสองทิ ศ ทาง (Bi-directional impulse turbine) มี คุ ณ สมบั ติ ที่ เ หมาะสมต่ อ การนาไป ประยุกต์ใช้งานในการแปลงพลังงานอะคูสติก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านความสามารถในการแปลง พลั ง งานจากการไหลของอากาศที่ มีลั ก ษณะเคลื่ อ นที่ ส ลับ ทิ ศ ทางกลั บ ไปกลั บมา (Oscillating 1 motion of flow) ให้กลายเป็น การเคลื่อนที่ ห มุนได้อย่างมีประสิทธิภาพ อิมพัลส์ เทอร์ไบน์ แ บบ สองทิศทาง เดิมได้มีการนาไปประยุกต์ใช้งานในการแปลงพลังงานคลื่นทะเลแบบ Oscillating Water Column (OWC) ซึ่งได้แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการทางานกับการไหลที่ไม่สม่าเสมอ และมี การสลับทิศทางได้อย่างมีประสิทธิภาพ คุณสมบัติเหล่านี้จึงสามารถนามาประยุกต์ใช้ในบริบทของการ แปลงพลังงานอะคูสติกที่กาเนิดจากเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกได้ [1] แม้เทอร์ไบน์ชนิดดังกล่าวจะมีพื้นฐานการทางานที่เหมาะสมกับลักษณะของคลื่นเสียงในระบบ เทอร์โมอะคูสติกแต่ยังมี ตัวแปรที่มีผลต่อประสิทธิ ภาพในการแปลงพลังงานของอิมพัลส์เทอร์ ไบน์ หลายด้านที่จาเป็นต้องศึกษาเพิ่มเติม เช่น มุมใบพัด จานวนใบพัด ให้มีความเหมาะสมกับความถี่ และ แอมพลิจูดของคลื่นเสียงที่ต้องการนาไปใช้งาน รวมถึงการวิเคราะห์แรงเสียดทาน และการแยกตัวของ การไหลที่เกิดจากการเปลี่ยนทิศทางการไหลของอากาศ ซึ่งปัจจัยเหล่านี้ล้วนส่งผลต่อประสิทธิภาพ การแปลงพลังงานโดยรวมทั้งสิ้น [1-2] ทั้งนี้โครงงานนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อออกแบบอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง สาหรับการใช้ งานร่วมกับเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกประเภทคลื่นเคลื่อนที่ โดยจะนาอิมพัลส์เทอร์ไบน์มาทดสอบ ประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานกับชุดทดลองที่ใช้ลาโพงเป็นแหล่งกาเนิดพลังงานอะคูสติก เพื่อใช้ สาหรับการวิเคราะห์ ตัวแปรที่ได้กล่าวมาข้างต้นต่อประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานอะคูสติกเป็น พลังงานไฟฟ้าได้ 1.2 กลุ่มผู้ใช้งาน บริษัทที่ประกอบธุรกิจประเภทโรงไฟฟ้า และโรงงานอุตสาหกรรมที่ต้องการนาพลังงานความ ร้อนเหลือทิ้งไปใช้ให้เกิดประโยชน์ 1.3 วัตถุประสงค์ของโครงงาน 1. เพื่อศึกษาความเป็นไปได้ในการใช้งานอิมพัลส์เทอร์ไบน์ในการแปลงพลังงานอะคูส ติก เป็นพลังงานไฟฟ้า 2. เพื่ อ ออกแบบอิ ม พั ล ส์ เ ทอร์ ไ บน์ แ บบสองทิ ศ ทางสาหรั บ แปลงพลั ง งานอะคู ส ติกเป็น พลังงานไฟฟ้า 3. เพื่อศึกษาตัวแปรที่มีอิทธิพลต่อประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานของอิมพัลส์เทอร์ไบน์ แบบสองทิศทาง 2 1.4 ขอบเขตโครงงาน 1. ศึกษาในช่วงความถี่ที่ 0 ถึง 100 เฮิรตซ์ 2. ศึกษาในระบบปิด 3. ทดสอบประสิ ท ธิ ภาพของอิ ม พั ล ส์ เ ทอร์ ไ บน์ แ บบสองทิ ศ ทางด้ ว ยการใช้ ลาโพงเป็ น แหล่งกาเนิดพลังงานอะคูสติก 1.5 ประโยชน์ และผลที่คาดว่าได้รับ 1. สามารถออกแบบอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง เพื่อใช้งานกับ เครื่องยนต์เทอร์ โ ม อะคูสติกคลื่นเคลื่อนทีไ่ ด้ 2. สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าโดยใช้เครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกประเภทคลื่นเคลื่อนที่ เป็น แหล่งกาเนิดพลังงานอะคูสติก และใช้อิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทางในการแปลงเป็น พลังงานไฟฟ้า 3. สามารถสรุปความเป็นไปได้ในการใช้งานพลังงานอะคูสติก เป็นแหล่งพลังงานสาหรับการ กาเนิดพลังงานไฟฟ้า 1.6 งบประมาณ ตารางที่ 1.1 รายการงบประมาณ รายละเอียด 1) ค่าอุปกรณ์ทดสอบ 2) ค่าวัสดุสาหรับใช้พิมพ์สามมิติ 3) ค่าพิมพ์สามมิติ 4) ค่าอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ งบประมาณรวม งบประมาณ (บาท) 3,000 2,000 3,000 2,000 10,000 3 1.7 แผนการดาเนินงาน ตารางที่ 1.2 แผนการดาเนินงาน 4 บทที่ 2 ทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง 2.1 ทฤษฎีเทอร์โมอะคูสติก เทอร์โมอะคูสติก คือ ทฤษฎีที่เกี่ยวเนื่องในด้านเทอร์โมไดนามิก และอะคูสติก ในขณะที่ คลื่นอะคูสติกจะเกี่ยวข้องกับความดัน (Pressure) และการเคลื่อนที่แบบแกว่งไกว (Oscillation) ใน ด้านเทอร์โมไดนามิกเกี่ยวข้องกับการแลกเปลี่ยนพลังงานความร้อนของชิ้นส่วน ซึ่งสามารถใช้เพิ่มแอม พลิจูดของคลื่นอะคูสติกด้วยการเพิ่ม และลดความร้อนในระบบ ปรากฏการณ์เทอร์โมอะคูส ติ ก (Thermoacoustic effects) สามารถเเปลงจากความร้อนเป็นพลังงานอะคูสติก ซึ่งสามารถผลิตคลื่น อะคูสติกที่มแี อมพลิจูดขนาดใหญ่ได้ [2] กลไกการเเปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานคลื่น เสียงของเครื่องยนต์ เทอร์โ มอะคูส ติ ก สามารถเกิดได้จากความต่างของอุณหภูมิที่อยู่ในวัสดุรูพรุนที่เรียกว่า สแต็ก (Stack) เป็นวัสดุที่มีความ จุความร้อนสูง ซึ่งอยู่ระหว่างเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่อยู่ปลายสแต็กทั้งสองด้านทั้งอุณหภูมิต่า และอุณหภูมิสูง ทาให้แผ่นสแต็กไม่สามารถรักษาอุณหภูมิที่คงที่ได้ จึงมีการถ่ายเทความร้อนจากแผ่น สแต็กไปสู่ก้อนมวลสารทาให้มวลของสารที่อยู่ภายในสแต็กเกิดการเคลื่อนที่แบบแกว่งไกว อันเกิดมา จากปรากฏการณ์เทอร์โมอะคูสติก เมื่อก้อนมวลสารเคลื่อนที่ไปทางซ้าย ดังในรูป 2.1 ก้อนมวลจะถูก บีบอัด และมีความร้อนสูงขึ้น หลังจากนั้นก้อนมวลสารจะเคลื่อนที่ไปทางขวา ทาให้ก้อนมวลสารมี การขยายตัวจากความดันที่ต่า และมีอุณหภูมิที่ลดลงอันเกิดจากการถ่ายเทความร้อนกับปลายสแต็กที่ ฝั่งเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนอุณหภูมิต่า เมื่อแผ่นสแต็กไม่สามารถเข้าสู่อุณหภูมิที่สมดุลได้ทั้งแผ่น จึงเกิดการเคลื่อนที่ของก้อนมวลสารจากปลายสแต็กที่มีอุณหภูมิสูงไปต่า การเคลื่อนที่ของก้อนมวล สารในระบบจะเกิดการเคลื่อนที่แบบแกว่งไกว ทาให้ระบบเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกสามารถผลิต คลื่นอะคูสติกที่มีแอมพลิจูดขนาดใหญ่ได้ และสามารถนามาแปลงเป็นพลังงานกลและไฟฟ้าต่อได้ [3] รูปที่ 2.1 การขยายตัวและหดตัวของก้อนมวลในสแต็ก [4] 5 2.1.1 เครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกคลื่นนิ่ง วัตถุประสงค์ของการใช้เครื่องยนต์ความร้อน คือ การสร้างพลังงานจากแหล่งพลังงานความ ร้อนสูง เช่น เดีย วกับ เครื่องยนต์เทอร์โ มอะคูส ติก จากรูป 2.2 จะเห็นได้ว่าลักษณะภายในของ เครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกประเภทคลื่นนิ่งจะเป็นท่อกาทอนผิวเรียบที่มีปลายด้านหนึ่งปิด และในอีก ด้านเปิดอยู่ ซึ่งภายในท่อจะมีวัสดุรูพรุนที่ซ้อนเป็นชั้น โดยเมื่อสังเกตจากรูป วัสดุรูพรุนจะมีลักษณะ เป็นเส้นแนวนอนเนื่องจากตัววัสดุมีช่องว่างภายใน ส่งผลให้แก๊สที่ถูกกักเก็บไว้ภายในท่อจะเคลื่อนที่ ตามแนวเส้นสีฟ้า ผ่านช่องว่างของวัสดุรูพรุน เปรียบเสมือนกลุ่มก้อนควันบาง ๆ ที่เคลื่อนที่ เมื่อแก๊ส เคลื่อนที่ไปอยู่ฝั่งซ้าย แก๊สกระจุกอยู่ใกล้กับด้านปิดของท่อ ความหนาแน่นและความดันของแก๊สจะ สูงขึ้น นอกเหนือจากนี้ ภายในท่อกาทอนจะมีส่วนประกอบที่ทาให้เกิดกลไกการแปลงพลังงานความ ร้อนเพิ่มเติมอยู่ 2 อย่าง คือ 1. เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนอุณหภูมิสูงที่แหล่งกาเนิดความร้อน (Thermal reservoirs) และ 2. เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนกับบรรยากาศ ซึ่งทาให้สามารถรักษา อุณหภูมิที่ปลายวัสดุรูพรุนได้ โดยช่องว่างของวัสดุรูพรุนจะทาให้เกิดการสั่นที่เป็นลักษณะคลื่นนิ่งตาม การเปลี่ยนแปลงของเวลา โดยคลื่นนิ่งที่สร้างออกมาจะสร้างแรงดัน และการเคลื่อนที่ ในลักษณะการ แกว่งไกว ซึ่งส่งผลให้แก๊สภายในวัสดุรูพรุนเผชิญกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ จากการขยายตัว และหดตัวทางความร้อน จึงส่งผลให้ความเร็วของแก๊สตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิภายในวัสดุรู พรุน โดยมีความต่างเฟสจากการแกว่ง ไกวของความดันอยู่ที่ 90 องศา เมื่อวัดจากคาบเวลาที่ เปลี่ยนแปลง [5] รูปที่ 2.2 ภาพภายในเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกคลื่นนิ่ง [5] 2.1.2 เครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกคลื่นเคลื่อนที่ แนวคิ ด สาคั ญ ของเครื่ อ งยนต์ เ ทอร์ โ มอะคู ส ติ ก ประเภทคลื่ น เคลื่ อ นที่ คื อ แก๊ ส ภายใน รีเจนเนอเรเตอร์ (Regenerator) จะขยายตัวทางความร้อนเมื่อมีความดันสูง และบีบอัดตัวทางความ ร้อนเมื่อมีความดันตา่ ซึ่งรีเจเนอเรเตอร์จะเป็นวัสดุรูพรุนที่มีความคล้ายคลึงกับสแต็ก มีความสามารถ ในการจุความร้อนที่สูงแต่ความสามารถถ่ายเทความร้อนได้ต่าเป็นทางผ่านให้แก๊สภายในเครื่องยนต์ เคลื่อนที่ได้ และจะทาหน้าที่จ่ายพลังงานอะคูสติกเข้าสู่โมเลกุลของแก๊สด้วยการแลกเปลี่ยนความร้อน ภายในวัสดุกับแก๊ส ส่งผลให้แก๊สภายในท่อกาทอนจะทางานได้ในวัฏจั กรอะคูสติก โดยกลไกของ วัฏจักรอะคูสติกจะสามารถเกิดได้จากการไล่ระดับของความร้อนภายในรีเจนเนอเรเตอร์ เมื่อมีความ ร้อนที่เพียงพอต่อการทางานของเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติก และจะส่งผลให้มีการเปลี่ยนแปลงของ 6 ความดัน และปริมาตรตามการเคลื่อนที่ของแก๊ส ซึ่งสามารถอ้างอิงได้จากรูป ที่ 2.3 ที่แสดงให้เห็น ถึ ง วั ฏ จั ก รของแก๊ ส ภายในเครื่ อ งยนต์ เ ทอร์ โ มอะคู ส ติ ก ประเภทคลื่ น เคลื่ อ นที่ โดยถ้า หาก รีเจนเนอเรเตอร์ และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนถูกวางในเครือข่ายความร้อนเดียวกันตามรูป ที่ 2.4 ที่จะแสดงให้เห็นถึงแก๊สที่อยู่ระหว่างช่องว่างของรีเจนเนอเรเตอร์ โดยมีเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ติดอยู่ทั้งสองด้าน จะส่งผลให้การเคลื่อนที่ของแก๊สที่ผ่านรีเจนเนอเรเตอร์ที่มีอุณหภูมิภายในแตกต่าง กันทั้งสองฝั่ง อนุภาคของแก๊สจะเคลื่อนที่ใกล้เคียงกั บการแกว่งของความดันอย่างมี นัยสาคัญ ดังนั้น การถ่ายเทความร้อนระหว่างแก๊ส และรีเจนเนอเรเตอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงจึงจาเป็นต่อการขยายตัว ทางความร้อน และบีบ อัดตัวทางความร้อนเกิดขึ้นโดยมีความต่างเฟสเดียวกับความดันที่มีการ แกว่งไกว โดยสามารถทาได้ผ่านการออกแบบให้ขนาดของช่องทางผ่านในรีเจนเนอเรเตอร์มีขนาด เล็ ก กว่า ความลึ ก ของความสามารถในการแทรกซึ ม ของความร้ อ น ซึ่ ง แตกต่า งจากเครื่องยนต์ เทอร์โมอะคูสติกชนิดคลื่นนิ่ง ที่ไม่มีการถ่ายเทความร้อนที่ดีทาให้ความเร็วและแรงดันไม่อยู่ในเฟสที่ ใกล้เคียงกัน [5] รูปที่ 2.3 วัฏจักรการเคลื่อนที่ของแก๊สภายในเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกประเภทคลื่นเคลื่อนที่ รูปที่ 2.4 ภาพภายในเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกคลื่นเคลื่อนที่ [5] 2.2 วิธีการแปลงพลังงานคลื่นเสียงเป็นพลังงานไฟฟ้า การแปลงพลังงานจากคลื่นเสียง (กาลังอะคูสติก) ให้กลายเป็นพลังงานไฟฟ้า สามารถจาแนก ออกเป็ น 4 ประเภทหลั ก ดั ง นี้ 1. อุ ป กรณ์ แ ม่ เ หล็ ก ไฟฟ้า (Electromagnetic Devices) 2. อุ ป กรณ์ เ พี ย โซอิ เ ล็ ก ทริ ก (Piezoelectric Devices) 3. อุ ป กรณ์ แ ม่ เ หล็ ก ไฮโดรไดนามิ ก (Magnetohydrodynamic Devices) 4. เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง (Bi-directional Turbines) [2] 7 2.2.1 อุปกรณ์แม่เหล็กไฟฟ้า พลังงานเสียงทาให้เกิดการเคลื่อนไหวเชิงกลของชิ้นส่วนภายในอุปกรณ์ ซึ่งการเคลื่อนไหวนี้จะ เหนี่ยวนาให้เกิดกระแสไฟฟ้าในขดลวด (Coil) โดยอุปกรณ์ประเภทนี้ประกอบด้วย แม่เหล็กถาวร ขดลวด และมักใช้เหล็ก (Iron) ร่วมด้วย เพื่อช่วยลดต้นทุน และเพิ่มประสิทธิภาพในการแปลงพลังงาน มีดังนี้ 1. ลาโพง (Loudspeaker) 2. เครื่องกาเนิดไฟฟ้าเชิงเส้น (Linear alternators) โดยจะ แตกต่างไปตามหลักการทางาน [2] 2.2.1.1 ลาโพง เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวดที่เชื่อมต่อกับแผ่นไดอะแฟรม ขดลวดจะทาหน้าที่เป็น แม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งจะเกิดแรงดูดหรือ แรงผลักกับสนามแม่เหล็กจากแม่เหล็กถาวร ทาให้เกิดการ เคลื่อนไหวของขดลวด และแผ่นไดอะแฟรมตามไปด้วย ซึ่งการเคลื่อนไหวนี้ทาให้แผ่นไดอะแฟรมสั่น และส่งแรงกระทบไปยังโมเลกุลของอากาศจนเกิดเป็นคลื่นเสียง ในการแปลงกาลังอะคูสติกเมื่อเสียง กระทบกรวยลาโพงจะทาให้ขดลวดเคลื่อนที่ และเกิดกระแสไฟฟ้า แม้จะถูกออกแบบมาเพื่อสร้างคลื่น เสียง แต่สามารถใช้งานในทางกลับกันเพื่อแปลงคลื่นเสียงเป็นไฟฟ้าได้ โดยมีจุดเด่นหลายอย่าง เช่น ราคาถูก และหาได้ง่ายในท้องตลาด ทาให้เหมาะสาหรับการทดลองเบื้องต้น หรือโครงการต้นทุนต่า แต่ก็มีข้อเสียเนื่องจาก ประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานต่า เนื่องจากไม่ได้ออกแบบมาเพื่อการแปลง พลังงานโดยตรง ต้องการช่วงความถี่ที่กว้าง และมีการตอบสนองที่สม่าเสมอ ซึ่งอาจไม่สอดคล้องกับ ลักษณะของพลังงานเสียงในระบบเทอร์โมอะคูสติก [2] รูปที่ 2.5 Schematic of a moving coil loudspeaker [2] 2.2.1.2 เครื่องกาเนิดไฟฟ้าเชิงเส้น เครื่องกาเนิดไฟฟ้าเชิงเส้นเป็นอุปกรณ์ที่ใช้สาหรับการแปลงพลังงาน อะคูสติกเป็นพลังงาน ไฟฟ้าโดยเฉพาะ สามารถแบ่งได้เป็น 2 ชนิดหลัก ๆ คือ 1. ชนิดขดลวดเคลื่อน โดยหลักการทางาน เหมือนกับลาโพงแต่ไม่มีชิ้นส่วน โคน ที่มีลักษณะเปราะและบาง 2. ชนิดแม่เหล็กเคลื่อนที่ จะต่างจาก 8 ชนิดก่อนหน้าเนื่องจาก ขดลวดจะถูกติดตั้งให้อยู่กับที่ ส่วนแม่เหล็กจะถูกควบคุมให้เคลื่อนที่ไปและ กลับ ตามทิศทางของเครื่อง เมื่อคลื่นกระทบกับแม่เหล็กทาให้เกิดการเคลื่อนที่ตัดกับขดลวดทาให้เกิด กระแสไฟฟ้า อุปกรณ์ชนิดนี้มีประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานไฟฟ้าที่สูง แต่มีต้นทุนในการผลิตที่สูง เนื่องจากแม่เหล็กมีราคาแพง [2] รูปที่ 2.6 Schematic of a moving magnet linear alternator [2] 2.2.2 อุปกรณ์เพียโซอิเล็กทริก อุปกรณ์เพียโซอิเล็กทริกสามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าได้เมื่อเกิดการเปลี่ยนรูปทางกลที่ผิวทั้งสอง ด้าน ซึ่งในระบบเทอร์โมอะคูสติก การเปลี่ยนรูปนี้เกิดจากคลื่นเสียงที่กระทบวัสดุ เมื่อเชื่อมต่อวัสดุ เพียโซอิเล็กทริกเข้ากับวงจรไฟฟ้า ความต่างศักย์ที่เกิดขึ้นจะทาให้เกิดแรงดัน และกระแสไฟฟ้า ส่งผล ให้สามารถแปลงพลังงานเสียงเป็นพลังงานไฟฟ้าได้โดยตรง วัสดุที่นิยมใช้ในเครื่องยนต์เทอร์โมอะคู สติกคือ ตะกั่วเซอร์โคเนตไททาเนต อุปกรณ์เพียโซอิเล็กทริก ซึ่งมีคุณภาพสูง และให้ประสิทธิภาพใน การถ่ายเทพลังงานได้ดี อุปกรณ์เพียโซอิเล็กทริก มีข้อจากัดในด้านความเปราะบาง ทาให้ไม่สามารถ รับแรงเครียดสูงได้โดยไม่เกิดการแตกร้าว นอกจากนี้ ยังมีวัสดุชนิดอื่นที่นามาใช้ด้วย เช่น พอลิไวนิลิ ดีนฟลูออไรด์ (PVDF) ซึ่งมีความยืดหยุ่นสูง และทนต่อการแตกร้าวได้ดีกว่า อุปกรณ์เพียโซอิเล็กทริก วัสดุผสมเส้นใยเพียโซอิเล็กทริก (Piezoelectric Fiber Composite : PFC) ที่ให้ความยืดหยุ่น และ ความทนทานต่อแรงดัดได้ดีกว่าเช่นกัน โดยอุปกรณ์เพียโซอิเล็กทริกมีขนาดเล็ก สามารถติดตั้งเข้ากับอุปกรณ์เทอร์โมอะคูสติกได้ง่าย บารุงรักษาง่าย สามารถทางานในช่วงความถี่สูงซึ่ งเหมาะกับระบบนี้ แต่ก็ยังมีข้อจากัด เนื่องจาก ปริมาณพลังงานที่ผลิตได้มีค่าน้อยมาก และข้อจากัดเรื่องขนาดการทดลอง [2] 9 รูปที่ 2.7 Piezoelectric Material [6] 2.2.3 อุปกรณ์แม่เหล็กไฮโดรไดนามิก อุปกรณ์แม่เหล็กไฮโดรไดนามิก คือ การศึกษาพลศาสตร์ของไหลนาไฟฟ้า แนวคิดของอุปกรณ์ แม่เหล็กไฮโดรไดนามิก คือ สนามแม่เหล็กเหนี่ยวนาของไหลที่มีสภาพนาไฟฟ้าเคลื่อนที่ ซึ่งจะสร้าง แรงบนของไหล และเปลี่ยนตัวสนามแม่เหล็กเอง อุปกรณ์แม่เหล็กไฮโดรไดนามิก สามารถประยุกต์ใช้ กับเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกด้วยการใช้ของไหลที่มี คุณสมบัตินาไฟฟ้าเคลื่อนที่จากการสั่นของคลื่น ที่เกิดจากปรากฏการณ์เทอร์โมอะคูสติก สามารถนามาผลิตไฟฟ้าได้ ในการผลิตไฟฟ้าด้วย อุปกรณ์ แม่เหล็กไฮโดรไดนามิกไม่มีชิ้นส่วนกลไกที่เคลื่อนไหว จึงเหมาะแก่งานที่ไม่ต้องบารุงรักษาขณะใช้งาน อย่างเช่น ในงานอวกาศ เครื่องกาเนิดไฟฟ้า อุป กรณ์แม่เหล็กไฮโดรไดนามิก สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าแรงสูงได้ ที่ แรงดันไฟฟ้าต่า ซึ่งโดยทั่วไปจะไม่นิยมใช้แทนแรงดันไฟฟ้าที่ปรับได้ของทรานสดิวเซอร์ อุปกรณ์ แม่เหล็กไฮโดรไดนามิก แบบเหนี่ยวนา และของไหลที่มีแรงดันสูงอาจจะทาให้ผนึกส่วนของการ เชื่อมต่ออิเล็กโทรไลต์ที่มีการรั่วไหลเป็นเรื่องยาก ของไหลที่ใช้ในการทางานจึงจะต้องมีความหนาแน่น ที่ต่า มีการนาไฟฟ้าที่สูง และต้องไม่ทาปฏิกิริยาเคมีกับอุปกรณ์ของเทอร์โมอะคูสติก อุปกรณ์แม่เหล็กไฮโดรไดนามิก แบ่งออกได้เป็น 2 ประเภทคือ inductive และ conductive ในส่วนของ inductive สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าสลับที่สามารถปรับกระแสไฟฟ้าและแรงดันได้ conductive มีความคล้ายคลึงกับ Inductive แต่จะแตกต่างตรงการใช้อิเล็กโทรดแทนขดลวดในการ ผลิตกระแสไฟฟ้า [2] รูปที่ 2.8 ส่วนประกอบและการทางานของ อุปกรณ์แม่เหล็กไฮโดรไดนามิก [2] 10 2.2.4 เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง เทอร์ไบน์แบบสองทิศทางเป็นเทอร์ไบน์ชนิดพิเศษ เทอร์ไบน์จะหมุนในทิศทางเดียวเท่านั้น ไม่ ขึ้นกับทิศทางการไหลที่กระทบเทอร์ไบน์ สามารถเรียกได้ในอีกรูปแบบคือ Self-rectifying turbine ซึ่งเหมาะแก่การนาการเคลื่อนที่ของอากาศแบบแกว่งไกวจากเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกมาเป็น พลังงานกลในการทางานของเทอร์ไบน์ การใช้เทอร์ไบน์ แบบสองทิศทางมีความเป็นไปได้ ในการใช้ แปลงพลังงานไฟฟ้า มากที่สุด เพราะว่า เทอร์ไบน์แบบสองทิศทางมีราคาถูก สามารถใช้ร่ว มกับ แหล่งกาเนิดไฟฟ้าที่หาได้ทั่วไป และสามารถปรับขนาดสาหรับใช้ในอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ได้ เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง สามารถแบ่งประเภทตามการใช้งานออกได้เป็นสองแบบนั้นก็ คือ เวลส์เทอร์ไบน์ (Wells turbine) และอิมพัลส์เทอร์ไบน์ตามแนวแกน (Axial impulse turbine) [2] 2.2.4.1 เวลส์เทอร์ไบน์ เวลส์เทอร์ไบน์ คือ เทอร์ไบน์ความดันต่าที่สามารถหมุนได้อย่างต่อเนื่องในทิศทางเดียวโดยไม่ ขึ้นกับทิศทางของกระแสลม หรืออากาศที่ไหลผ่านใบพัด เวลส์เทอร์ไบน์ จะมีลักษณะของใบพัดเป็น Airfoil ที่สมมาตร และตั้งฉากกับทิศทางการไหลของอากาศ เทอร์ไบน์นี้ถูกพัฒนาเพื่อใช้ในการแปลง พลังงานจากคลื่นน้าทะเลโดยระบบ Oscillating Water Column (OWC) ซึ่งจะใช้การเคลื่อนที่ ขึ้น-ลงของน้าทะเลสร้างการไหลของอากาศหมุนกับใบพัดของเทอร์ไบน์เพื่อผลิตไฟฟ้า [7] รูปที่ 2.9 เวลส์เทอร์ไบน์ [7] 2.2.4.2 อิมพัลส์เทอร์ไบน์ตามแนวแกน อิมพัลส์เทอร์ไบน์ตามแนวแกน คือ เทอร์ไบน์หมุนทิศทางเดียวที่หมุนตามทิศทางการไหลของ อากาศในแนวตรง เทอร์ไบน์จะเริ่มหมุนเมื่อมีการเคลื่อนที่ของมวลในอากาศที่สัมผัสใบพัดของโรเตอร์ 11 (Rotor) จากนั้นโรเตอร์จึงสามารถผลิตแรงบิดจากการหมุน โดยอากาศจะถูกควบคุมทิศทางการไหล จาก สเตเตอร์ (Stator) ที่ออกแบบเป็น Fix Guide Vanes ประกบทั้งสองฝั่งของใบพัดโรเตอร์ ซึ่ง ส่งผลต่อประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานจลน์ให้เป็นพลังงานกล [2,8] รูปที่ 2.10 อิมพัลส์เทอร์ไบน์ตามแนวแกน [2] จากหัวข้อที่ 2.2.1-2.2.4 ซึ่งแสดงถึงวิธีการแปลงพลังงานไฟฟ้าจากเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติก ในโครงงานนี้ได้เลือกการใช้อิมพั ลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง เนื่องจากอิมพัลส์เทอร์ไบน์แ บบ สองทิศทางสามารถขึ้นรูปด้วยวัสดุ หลากหลายรูปแบบ มีราคาถูกเมื่อเทียบกับวิธีการแปลงพลังงาน ไฟฟ้าในรูปแบบอื่น และสามารถแปลงพลังงานได้อย่างต่อเนื่องโดยไม่มีช่วงเวลาที่ความเร็วเป็นศูนย์ ซึ่งเป็นผลมาจากรูปแบบของเทอร์ไบน์ที่สามารถหมุนได้โดยไม่ขึ้นกับทิศทางการไหลของอากาศ ซึ่งทา ให้เหมาะสมกับการนามาประยุกต์ใช้กับเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกประเภทคลื่นเคลื่อนที่ 2.3 การออกแบบอิมพัลส์เทอร์ไบน์ตามแนวแกนแบบสองทิศทาง การประยุกต์ใช้ อิมพัลส์เทอร์ไบน์ตามแนวแกนแบบสองทิศทางร่วมกับเครื่องยนต์เทอร์โ ม อะคูสติกสามารถทาได้ด้วยการออกแบบให้ชุดเทอร์ไบน์ ควบคุมทิศทางการไหลของอากาศที่ไหลเข้า ใบพัด ของเทอร์ไบน์ให้ได้มากที่สุด จะทาให้การหมุนของเทอร์ไบน์มีประสิทธิภาพมากที่สุด จึง จาเป็นต้องมีชุดสเตเตอร์ ที่ออกแบบเป็น Guide vanes ซึ่ งทาหน้าที่ในการควบคุมทิศทางการไหล ของอากาศให้สัมผัสโรเตอร์ โดยอากาศจะถูกส่งต่อมาจาก Nose cone ที่ทาการควบคุมการไหลของ อากาศที่พุ่งเข้าสู่ชุดเทอร์ไบน์ส่งผลให้โรเตอร์เกิดการหมุน ซึ่งเป็นการแปลงจากพลังงานจลน์มาเป็น พลังงานกลได้ [2] การออกแบบโรเตอร์และสเตเตอร์ของอิมพัลส์เทอร์ไบน์ตามแนวแกน มีตัวแปรตาม รูปที่ 2.11 12 รูปที่ 2.11 การออกแบบของโรเตอร์-สเตเตอร์ และทิศทางการหมุนของโรเตอร์ [2] ตารางที่ 2.1 ตารางชื่อตัวแปรในการออกแบบโรเตอร์และสเตเตอร์ Rotor items Rotor blade chord length, 𝑙𝑟 Rotor blade ellipse major axis, 𝑙𝑚 Rotor blade ellipse minor axis, 𝑙𝑛 Rotor blade circle arc radius, 𝑅𝑟 Rotor blade inlet/exit angle, β Leading edge circle arc radius, 𝑅𝑙𝑒 Trailing edge circle arc radius, 𝑅𝑡𝑒 Rotor blade thickness, 𝑡𝑟 Rotor blade spacing, 𝑆𝑟 Rotor number of blades, 𝑛𝑟 Rotor blade throat, 𝑡𝑎 Stator items Stator blade chord length, 𝑙𝑠 Straight-line section of the stator, 𝑙𝑡 Stator blade axial chord, 𝑙𝑎 Stator blade circle arc radius, 𝑅𝑠 Stator blade inlet angle, 𝛼0 = 𝛼0, Stator blade exist angle, 𝛼1 = 𝛼1, Stator blade thickness, 𝑡𝑠 Stator blade spacing, 𝑆𝑠 Stator number of blades, 𝑛𝑠 2.3.1 ตัวแปรทีส่่งผลต่อประสิทธิภาพการแปลงพลังงานของอิมพัลส์เทอร์ไบน์ ในการใช้อิมพัลส์เทอร์ไบน์ ตามแนวแกนแบบสองทิศทางสาหรับการใช้ในการแปลงพลังงาน อะคูสติกเป็นพลังงานกล ซึ่งประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานจะขึ้นกับ การควบคุมทิศทางการไหล ของอากาศที่ไหลผ่านเทอร์ไบน์ โดยตัวแปรจากตารางที่ 2.1 เป็นตัวแปรที่ผลกระทบต่อประสิทธิภาพ ในการไหลของอากาศ โดยผลกระทบของตัวแปรอธิบายได้ดังข้อต่อไปนี้ 13 2.3.1.1 Space to chord ratio of rotor (SL/LL) คือ อัตราส่วนระหว่างช่องว่างของใบพัดต่อระยะความกว้างของหน้าตัดใบพัด ซึ่งสามารถลด การสูญเสียพลังงานจากแรงเสียดทานที่ผิวใบพัด และการแยกการไหล เป็นผลมาจาก 1. จานวนใบพัด ที่มีน้อยเกินไปจะทาให้มีช่องว่างระหว่างใบพัด อากาศในช่องว่างเกิดการไหลกลับส่งผลให้เกิดความ ปั่นป่วนในคลื่นส่งผลต่อประสิทธิภาพการทางาน 2. จานวนใบที่มีมากเกินไป ส่งผลให้แรงเสียดทานที่ ผิวใบสัมผัสกับอากาศมากขึ้น และประสิทธิภาพลดลงเช่นกัน [1] 2.3.1.2 Space to chord ratio of stator (Ss/Ls) คือ อัตราส่วนระหว่างช่องว่างต่อความยาวเส้นโค้งของใบพัด สเตเตอร์ ซึ่งส่งผลเช่นเดียวกับ Space to chord ratio of rotor หากจานวนใบพัดน้อยเกินไปจะทาให้เกิดการไหลของอากาศที่ ปั่นป่วน ส่งผลให้ประสิทธิภาพลดลง และจานวนใบพัดที่มากเกินไปทาให้เกิดแรงเสียดทานที่สัมผัสกับ อากาศมากยิ่งขึ้น ส่งผลให้ประสิทธิภาพลดลงเช่นกัน [1] 2.3.1.3 Rotor blade angle (β) คือ มุมของใบพัดที่มีการสัมผัสกับอากาศ การเลือกมุมใบพัดที่เหมาะสมจะทาให้การไหลของ อากาศไหลได้ราบรื่นขึ้น สามารถลดการสูญเสียพลัง งานระหว่างการหมุนของโรเตอร์ ได้ดี และ ประสิทธิภาพการแปลงคลื่นอะคูสติก เป็นพลังงานกลจะไปสู่จุดที่ได้ประสิทธิภาพดีที่สุด [1] 2.3.1.4 Stator blade exit angle (α1) คือ มุมทางออกของสเตเตอร์ เมื่อวัดแนวตั้งฉากการทางานของโรเตอร์ ที่สามารถเปลี่ยนทิศ ทางการไหลของอากาศเข้าสู่โรเตอร์ได้ [1] 2.3.1.5 Seal clearance (Sc) คือ ระยะห่างระหว่างปลายใบพัด และเส้นผ่านศูนย์กลางด้านในท่อ ถ้าระยะห่างมากเกินไป อาจจะทาให้เกิดการรั่วไหลของอากาศในการหมุนของโรเตอร์ ซึ่งทาให้เกิดความปั่นป่วนในอากาศ ส่งผลต่อประสิทธิภาพ แต่ถ้าระยะห่างน้อยเกินไปจะทาให้โรเตอร์เกิดการเสียดสีกับท่อด้านใน [1] 14 2.3.1.6 Hub to tip ratio เป็นอัตราส่วนระหว่างรัศมีของจุดศูนย์กลางส่วนดุมยึดใบพัด หรือระยะ Hub ต่อกับรัศมีของ ปลายใบ หรือระยะ Tip เป็นตัวแปรที่สาคัญต่อการออกแบบเทอร์ไบน์ เพราะสามารถควบคุมอัตรา การไหลของอากาศที่ผ่านชุดเทอร์ไบน์ได้ ป้องกันการสูญเสียแรงยกของอากาศ ป้องกันการรั่วไหลของ อากาศในโรเตอร์ และสามารถเร่งความเร็วการทางานของใบพัดจากศูนย์ไปจนถึงความเร็วในการ ทางาน [8] 2.4 กำลังอะคูสติก (Acoustic power) กาลังอะคูสติก คือ พลังงานที่อยู่ในรูปแบบของคลื่นเสียง โดยในโครงงานนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อ ออกแบบอิมพัลส์เทอร์ไบน์สาหรับใช้ในการแปลงพลังงานอะคูสติกเป็นพลังงานไฟฟ้า จึงจาเป็นต้องมี การวิเคราะห์ค่ากาลังของอะคูสติกที่สูญเสียให้กับเทอร์ไบน์ แต่เนื่องด้วยกาลังอะคูสติกไม่สามารถวัด ได้โดยตรง [2] จึงจาเป็นต้องใช้ความดัน และอัตราการไหลคลื่นเสียง ที่อยู่ในรูปแบบของ Sinusoidal โดยใช้ Amplitude และมุมต่างเฟส [5] ซึ่งสามารถหาได้จากสมการที่ (2.1) เพื่อนาไปใช้สาหรับการ คานวณหาค่าประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานของเทอร์ไบน์ 1 (2.1) 𝐸 = |ρ||U| cos ϕpU 2 โดย E คือ พลังงานอะคูสติก (W) ρ คือ Complex pressure amplitude (Pa) U คือ Flow rate amplitude (m3/s) ΦpU คือ มุมต่างเฟสระหว่าง ρ1 และ U1 (Rad) โดยในโครงงานนีก้ารคานวณกาลังอะคูสติกจะใช้เทคนิค two microphone method ซึ่ง ใช้หลักการ วัดค่าแรงดัน และมุมต่างเฟสของคลื่นจากเซนเซอร์แรงดัน ทั้ง 2 จุด โดยค่าสัญญาณของ คลื่นที่เปลี่ยนแปลงไปตามระยะทาง จะสามารถสามารถนาไปคานวณความเร็วการเคลื่อนที่ของ อากาศ (particle velocity) ที่บริเวณกึ่งกลางของระยะห่างไมโครโฟนได้ จากงานวิจัยของคุณ Fusco [20] เมื่อได้ทั้งค่าแรงดัน และความเร็วของอากาศก็จะสามารถนามาหากาลังอะคูสติค ในสมการ (2.2) โดยจะรวมผลของแรงหนืด ที่เกิดจากผลของ viscous boundary layer คือบริเวณใกล้ผนังท่อที่ อากาศถูกความหนืดฉุดไว้ ทาให้ความเร็วของอากาศใกล้ผนังมีค่าเข้าใกล้ศูนย์ (no-slip condition) ส่งผลให้ความเร็วของอากาศไม่ได้เท่ากันทั้งหน้าตัดท่อ และทาให้ค่ากาลังเสียงที่คานวณได้อาจ คลาดเคลื่อน 15 𝐸≅ π𝑟 2ωρ Δ𝑥 δ δ 𝑟 2𝑟 [(1 − 𝑣 ) |𝑝𝐴 ||𝑝𝐵 | sin ϕ + 𝑣 (|𝑝𝐴 |2 − |𝑝𝐵 |2 )] (2.2) โดย r คือ รัศมีภายในท่อชุดทดสอบ (m) ω คือ ความถี่เชิงมุม (rad/s) ρ คือ ความหนาแน่นของตัวกลาง (kg/m3) ∆x คือ ระยะห่างของไมโครโฟน (m) δv คือ ความลึกชั้นหนืดของตัวกลาง (m) PA คือ แรงดันของเซนเซอร์ ตัวที่ 1 (Pa) PB คือ แรงดันของเซนเซอร์ ตัวที่ 1 (Pa) โดยความลึกชั้นหนืดของตัวกลางสามารถหาได้จากสมการ (2.3) 2μ δ𝑣 = √ ωρ (2.3) 𝜇 คือ ความหนืดไดนามิก (kg/m*s) การคานวณกำลังที่เทอร์ไบน์ดูดซับ ใช้การเปรียบเทียบ ค่าพลังงานที่ได้จากการคานวณช่วง ทางเข้าและทางออกมาหาผลต่างกาลังอะคูสติก [2] โดยมีความสัมพันธ์ตามสมการที่ (2.4) ∆E = Ein − Eout (2.4) โดย ∆E คือ กาลังที่เทอร์ไบน์ดูดซับ (W) Ein คือ พลังอะคูสติกฝั่งขำเข้ำเทอร์ไบน์ (W) Eout คือ พลังอะคูสติกฝั่งขาออกเทอร์ไบน์ (W) 2.5 มาตรฐาน ISO 10534-2:2023 สาหรับ Two-Microphone technique การหาพลั ง อะคู ส ติ ก เป็ น ตั ว แปรที่ ยากต่ อ การวั ด โดยตรงจึ ง จาเป็ น ต้ อ งอาศั ย เทคนิ ค Two-Microphone เพื่อใช้ในการหาพลังอะคูสติก ตามมาตรฐานสากล ISO 10534-2 ที่มีข้อกาหนด ของระยะติดตั้งเซนเซอร์ และช่วงความถี่ภายในท่อ [10] ดังสมการที่ (2.5) ช่วงความถี่ทางานภายในท่อ f1 < f < fu 16 (2.5) โดย f1 คือ ช่วงควำมถี่ทำงำนต่ำที่สุดภำยในท่อ (Hz) f คือ ช่วงควำมถี่ทำงำน (Hz) fu คือ ช่วงควำมถี่ทำงำนสูงที่สุดภำยในท่อ (Hz) ซึง่ fu พิจารณาจากเส้นผ่านศูนย์กลางด้านในท่อ สามารถหาได้จากสมการที่ (2.6) d × fu < 0.50 × c0 (2.6) โดย fu คือ ช่วงควำมถี่ทำงำนสูงที่สุดภำยในท่อ (Hz) C0 คือ ความเร็วของเสียงในอากาศ (m/s) d คือ เส้นผ่ำนศูนย์กลำงภำยในของท่อ (m) เนื่องจากระยะห่างในการติดตั้งเซนเซอร์มีผลต่อช่วงความถี่ที่สามารถวัดได้ จึงจาเป็นต้องเลือก ความถี่ให้เหมาะสมกับระยะเซนเซอร์ที่ใช้งาน โดยใช้สมการที่ (2.7) (2.7) fu × s < 0.45 × c0 โดย s คือ ระยะห่างไมโครโฟน (m) fu คือ ช่วงควำมถี่ทำงำนสูงที่สุดภำยในท่อ (Hz) c0 คือ ความเร็วของเสียงในอากาศ (m/s) 2.6 สูตรความถี่ฮาร์มอนิกแรกของท่อปลายปิดด้านหนึ่ง ในโครงงานนี้ใช้การทดสอบหาประสิทธิภาพเทอร์ไบน์ โดยสร้างชุดทดสอบประกอบไปด้วย ลาโพงทาหน้าที่เป็นตัวกาเนิดคลื่นอะคูสติ กตั้งที่ปลายด้านหนึ่งของท่อ ส่วนปลายอีกด้านหนึ่งมี ลักษณะปลายปิด โดยความยาวของท่อจากจุดที่กาเนิดคลื่นจนถึงจุดติดตั้งเทอร์ไบน์มีผลต่อแรงดันที่ จะทาให้อากาศเกิดการเคลื่อนที่ทาให้เทอร์ไบน์หมุน ดังนั้นการหาตาแหน่งที่มีแรงดันแปรปรวนสูง ที่สุด หรือจุดแรงดันปฏิบัพ (pressure antinode) [21] จะส่งผลให้ประสิทธิภาพเทอร์ไบน์ที่ทาได้มี แนวโน้มสูงกว่าจุดอื่นๆ ในการคานวณนี้ต้องใช้ฮาร์มอนิกแรกเนื่องจากเป็นจุดที่เกิดปฏิบัพแรงดันขึ้น ครั้งแรก ในการออกแบบจะทาให้ชุดทดสอบมีขนาดที่เหมาะสม โดยระยะที่คานวณจากสมการ (2.8) คือ ระยะที่วัดจากแผ่นไดอะแฟรมของลาโพงไปจนถึงจุดติดตั้งเทอร์ไบน์ [11] V L= ×f (2.8) 4 17 โดย L คือ ระยะที่เกิดปฏิบัพแรงดันแรกนับจากแผ่นไดอะแฟรมจนถึงจุดติดตั้งเทอร์ไบน์ (m) 𝜆 คือ ความยาวคลื่น (m) f คือ ความถี่ (Hz) V คือ ความเร็วของเสียงในอากาศ (m/s) (2.9) V = 331 + (0.6 × T) โดย T คือ อุณหภูมิ (°c) 2.7 การทดลองท่อคุนท์ ( Kundt’s tube experiment) การทดลองนี้เป็นการนาวัสดุที่มีขนาดเล็กบรรจุในท่อเช่น เม็ดโฟมขนาดเล็ก โดยปลายด้านหนึ่ง ติดกับลาโพงซึ่งทาหน้าที่เป็นแหล่งกาเนิดความถี่ และปลายอีกด้านหนึ่งเป็นท่อปลายปิด เมื่อทาการ ทดลองเปิดลาโพงตามความถี่ที่ต้องการจะเกิดแรงดันภายในท่อส่งผลให้อากาศเกิดการเคลื่อนที่ส่งผล ให้วัสดุที่มีขนาดเล็กเคลื่อนที่ จะสังเกตได้ว่าบริเวณบางช่วงของเม็ดโฟมจะถูกกวาดออกไป และไม่กอง รวมกัน ซึ่งจะแสดงถึงตาแหน่งที่อากาศสั่นน้อยที่สุดเรียกว่าจุดบัพของแรงดัน และบริเวณที่มีการ กระจุกตัวของเม็ดโฟมคือจุดที่มีแรงดันแปรปรวนสูงเรียกว่าจุดปฏิบัพของแรงดันส่งผลให้อากาศ เคลื่อนที่มากกว่าบริเวณอื่น [12] ดังรูปที่ 2.12 ซึง่ สาเหตุที่เลือกใช้เม็ดโฟมขนาดเล็ก เนื่องจากต้นทุน ตา่ หาซื้อได้ง่าย และสามารถเห็นแอมพลิจูดชัดเจน เนื่องจากชุดทดสอบมี ข้อจากัดเรื่องขนาดของลาโพงที่มีขนาดใหญ่กว่าท่อซึ่งไม่สามารถทาให้ แผ่นไดอะแฟรมกับตัวท่อติดกันได้ จึงต้องมีการทาท่อลดขนาดเพื่อให้ใส่เข้ากับท่อได้ ด้วยข้อจากัดนี้ ทาให้ ค่าที่คานวณได้จากสูตรมีการคลาดเคลื่อนจากการทดลองจริง ด้วยนี้จึงจาเป็นต้องอาศัยการ ทดลองนี้เพื่อหาจุดปฏิบัพของแรงดันจากอุปกรณ์จริงเพื่อเปรียบเทียบผลการคลาดเคลื่อนในการหา จุดติดตั้งเทอร์ไบน์ รูปที่ 2.12 Kundt tube diagram 18 2.8 ประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์ในการแปลงพลังงาน พลังงานเสียงที่เทอร์ไบน์ดูดซับจะถูกแปลงเป็นพลังงานกลผ่านการหมุนของเพลาเทอร์ไบน์ ซึ่ง เพลานี้จะถูกติดตั้งเข้ากับเครื่องกาเนิดไฟฟ้า โดยสมการที่ (2.10) จะแสดงถึงกาลังกลที่แปลงเป็น ไฟฟ้า โดยประสิทธิภาพในการแปลงจะขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพของเครื่องกาเนิดไฟฟ้า [2] Pm (2.10) ηt = ΔE โดย ηt คือ ประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์ Pm คือ กำลังกลที่เพลำของเทอร์ไบน์ (W) โดยกำลังกลที่เพลำของเทอร์ไบน์ มาจากพลังงานเสียงที่เทอร์ไบน์ดูดซับจะถูกแปลงเป็น พลังงานกลผ่านการหมุนของเพลาเทอร์ไบน์ ซึ่งเพลาจะถูกติดตั้งเข้ากับเครื่องกาเนิดไฟฟ้า โดยสมการ ที่ (2.11) จะแสดงถึงกาลังกลที่แปลงเป็นกาลังทางไฟฟ้า โดยประสิทธิภาพในการแปลงจะขึ้นอยู่กับ ประสิทธิภาพของเครื่องกาเนิดไฟฟ้า [9] P (2.11) Pm = ηgen โดย P คือ กาลังไฟฟ้าที่วัดได้จากเครื่องกาเนิด (W) ηgen คือ ประสิทธิภำพของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ำ กาลังไฟฟ้าที่ได้ขึ้นอยู่กับปริมาณกระแสไฟฟ้า และความต่างศักย์ไฟฟ้าที่ไหลผ่านขั้วของเครื่อง กาเนิดไฟฟ้า โดยกาลังไฟฟ้าเกิดจากเครื่องกาเนิดไฟฟ้าหมุนขดลวดตัดสนามแม่เ หล็ก โดยการหมุนนี้ เกิดจากการต่อเพลาของเทอร์ไบน์เข้ากับเครื่องกาเนิดไฟฟ้า [9] จะสามารถหาค่าได้จากสมการ (2.12) (2.12) P=I×V โดย I คือ กระแสไฟฟ้ำ (A) V คือ ความต่างศักย์ไฟฟ้า (V) สำมำรถหำความต่างศักย์ไฟฟ้าได้จำกกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน และค่าความต้านทานของวงจร จากการ ต่อโหลดทางไฟฟ้า โดยอาศัยกฎของโอห์ม จากสมการ (2.13) (2.13) V=I×R โดย R คือ ตัวต้านทาน (Ω) จากการรวมผลของสมการ (2.12) และ (2.13) จะสามารถสรุปได้เป็นสมการ (2.14) 19 V2 P= = I2 R R (2.14) 2.9 Flow coefficient ตัวแปร Flow coefficient คือ อัตราส่วนระหว่างความเร็วอนุภาคของไหลกับความเร็วที่ปลาย ใบพัด ดังสมการที่ (2.15) ซึ่งเป็นตัวแปรไร้หน่วยที่นิยมมาใช้ในการสร้างกราฟความสัมพันธ์ระหว่าง Flow Coefficient และ Efficiency of Turbine เพื่อช่วยในการระบุช่วงการทางานที่เหมาะสม และ สามารถนาผลลัพธ์จากกราฟของตัวโมเดลขนาดเล็กไปคาดการณ์สมรรถนะของเทอร์ไบน์ขนาดอื่นได้ ภายใต้เงื่อนไขของ Dynamic similarity คือ เมื่อรูปร่างเหมือนกันทุกประการแต่ขนาดต่างกัน และ ใช้ของไหลชนิดเดียวกัน จะส่งผลให้ลักษณะการไหล และสมรรถนะที่ได้ไกล้เคียงกันซึ่งเป็นประโยชน์ ต่อการออกแบบและพัฒนาเทอร์ไบน์ในอนาคต [1, 29-30] |𝑢𝑎𝑏 | (2.15) ϕ= 𝑢𝑚 โดย 𝑢𝐴𝐵 คือ Magnitude of complex velocity between point a and b (m/s) 𝑢𝑚 คือ ความเร็วที่ปลายใบพัดเทอร์ไบน์ (m/s) การวัดความเร็วของไหลในโครงงานนี้ใช้เทคนิค two-microphone method เพื่อช่วยในการ หาค่าแรงดันเสียง และค่าความต้านทานเสียงของตัว กลาง (acoustic impedance) เพื่อนาไป คานวณหาค่าความเร็วของไหล [1] หาได้จากสมการ (2.16) 𝑝𝑎𝑏 (2.16) 𝑢𝑎𝑏 = 𝑍𝑎𝑏 โดย 𝑝𝑎𝑏 คือ แรงดันที่จุดกึ่งกลางระหว่างเซนเซอร์ที่จุด a และ b 𝑍𝑎𝑏 คือ อิมพีแดนซ์เสียงจาเพาะเชิงซ้อน (Pa*s/m) การหาค่า ความต้า นทานเสี ย งของตั ว กลางในปั จ จุ บั น ได้ มี การศึ ก ษา และปรั บ ปรุ ง โดย Champoux et al. [31] ซึ่งใช้เซนเซอร์วัดความดันเสียงจานวนหนึ่งคู่ เพื่อทาการหาค่าการดูดกลืน ของเสียง โดยในโครงงานนี้ได้มีการนาหลักการบางส่วน เพื่อคานวณค่าความต้านเสียงของตัวกลาง โดยใช้ Transfer function ซึ่งเป็นค่าระหว่างความดันเสียง และ Acoustic particle velocity ดัง สมการ (2.17) (2.17) −𝑗ωρΔ𝑥 [1 + 𝐻𝑎𝑏 (ω)] 𝑍𝑎𝑏 = 2[1 − 𝐻𝑎𝑏 (ω)] 20 โดย 𝑗 คือ จานวนจินตภาพ ω คือ ความเร็วเชิงมุม (rad/s) ρ คือ ความหนาแน่นของตัวกลาง (kg/m^3) 𝐻𝑎𝑏 (𝜔) คือ complex pressure transfer function between microphones a,b ค่าแรงดันที่วัดได้จากเซนเซอร์ฝั่งขาเข้าทั้ง 2 จุด และค่ามุมต่างเฟสจะนาไปคานวณเป็น Transfer function เพื่อหาอิมพีแดนซ์เสียงจาเพาะเชิงซ้อน ดังสมการที่ (2.18) |𝑝𝐵 | cos(θ𝐴𝐵 ) |𝑝𝐵 | sin(θ𝐴𝐵 ) (2.18) 𝐻𝐴𝐵 (𝜔) = + 𝑗 |𝑝𝐴 | |𝑝𝐴 | แรงดันที่จุดกึ่งกลางของเซนเซอร์ทั้ง 2 ตัวได้มีการคานวณจาก monofrequency wave equation ซึ่งเป็นสัญญาณแรงดันที่อยู่ในแต่ละจุดของเซนเซอร์โดยมีการ รวมผลของคลื่นที่เกิดการ สูญเสียจาก ความหนืด ได้มีการกล่าวถึงในสมการที่ (2.3) และความร้อนที่เกิดการแลกเปลี่ ยน (thermal relaxation) บริเวณผนังท่อ [20] อยู่ในรูปของ wave vector (K) โดยจะสามารถหา แรงดันที่จุดกึ่งกลางของเซนเซอร์จาก สมการ (2.19) |𝑝𝑎 | + |𝑝𝑏 | (2.19) 𝑝𝑎𝑏 = 2 cos(𝐾Δ𝑥/2) โดย 𝐾 = wave vector (1/m) (2.20) (1 − 𝑖) δν (1 − 𝑖) ω δκ (γ − 1) ) 𝐾 ≃ (1 + + 𝑎 2 𝑟 2 𝑟 โดย 𝛿𝜅 = ระยะห่างจากผนังท่อที่ตัวกลางเกิดการแลกเปลี่ยนความร้อน (m) 𝛾 = อัตราส่วนความร้อนจาเพาะ เมื่อเกิดการเคลื่อนที่ของคลื่นภายในท่อ จะมีการถ่ายเทความร้อนระหว่างตัวกลางที่คลื่นอาศัย ในการเคลื่อนที่กับผิวของท่อ ซึ่งผลกระทบของความร้อนจะ โดยระยะที่คานวณได้จากสมการ (2.21) คือระยะห่างจากผนังท่อที่ตัวกลางเกิดการแลกเปลี่ยนความร้อน [20] (2.21) 2𝑘 δκ = √ ωρ𝐶𝑝 โดย 21 𝑘 = thermal conductivity of air (W/m*K) 𝐶𝑝 = The specific thermal capacity at constant pressure (kJ/kg*K) ในการทดสอบอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง จาเป็นต้องวัดความเร็วรอบของใบพัดด้วย tachometer ค่าที่วัดได้มีหน่วยเป็นรอบต่อนาที ซึ่งสามารถนาไปใช้คานวณความเร็วที่ปลายใบพัด โดยในการหมุนครบ 1 รอบ ใบพัดจะเคลื่อนที่เป็นระยะทางเท่ากับเส้นรอบวง เมื่อทราบความเร็วรอบ จะสามารถหาระยะทางต่อหน่วยเวลาได้ จากนั้นทาการแปลงหน่วยของเวลาเป็ นวินาที ดังนั้นจึง สามารถคานวณความเร็วที่ปลายใบพัด ดังสมการ (2.22) 𝜋𝑑𝑁 (2.22) 𝑢𝑚 = 60 โดย d = เส้นผ่านศูนย์กลางใบพัดเทอร์ไบน์ (m) N = ความเร็วรอบเทอร์ไบน์ (rpm) 2.10 การทดสอบแบบฮอปกินสัน (Hopkinson’s Test) ในการแปลงพลังงานไฟฟ้าด้วยอิมพัลส์เทอร์ไบน์สองทิศทาง จาเป็นต้องมีเครื่องกาเนิดไฟฟ้าที่ สามารถรับพลังงานกลจากเทอร์ไบน์ มาแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้า ในโครงงานนี้จึงได้เลือกมอเตอร์ ขนาดเล็กมาประยุกต์ แต่เนื่องด้วยตัวมอเตอร์นั้นมีการสูญเสียพลังงานจากแรงเสียดทานภายใน ดังนั้นจาเป็นต้องหาค่าประสิทธิภาพของมอเตอร์เพื่อนามาคานวณถึงกาลังของอิมพัลส์เทอร์ไบน์ที่ทา ได้ จ ริ ง จึ ง นาการทดสอบของฮอปกิ น สั น มาเป็ น ต้ น แบบในการทดสอบ และการคานวณหา ประสิทธิภาพ การทดสอบของฮอปกินสันเป็นวิธีการทดสอบประสิทธิภาพของเครื่องจักรกระแสตรง (DC motor) โดยจาเป็นต้องใช้เครื่องจักรสองเครื่องต่อเข้าด้วยกัน โดยให้เครื่องจักรตัวแรกทาหน้าที่ เป็นมอเตอร์ (Motor) และอีกด้านหนึ่งทาหน้าที่เป็นเจนเนอเรเตอร์ (Generator) มอเตอร์จะรับ พลังงานไฟฟ้าจากแหล่งกาเนิดพลังงาน (Power Supply) เกิดพลังงานกลไปขับที่เจนเนอเรเตอร์ ในขณะที่เจนเนอเรเตอร์รับพลังงานกลมาผลิตกระแสไฟฟ้าแต่ก็เกิดการสูญเสียพลังงาน เนื่องจากเกิด การตกคร่อมของแรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตของเครื่องกาเนิดไฟฟ้า จึงจาเป็นต้องมีแหล่งจ่ายแรงดันเสริม เพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่ถูกต้องสาหรับมอเตอร์ ซึ่งจะมาจากพลังงานของเจนเนอเรเตอร์รวมเข้า กับแหล่งกาเนิดไฟฟ้า พลังงานจากภายนอกนี้จะเข้ามาช่วยชดเชยการสูญเสียภายในชุดมอเตอร์ - 22 เครื่องกาเนิดไฟฟ้าการทดสอบในลักษณะนี้สามารถเรียกได้ในอีกชื่อคือ การทดสอบแบบย้อนกลับ (Back-to-back test) หรือ การทดสอบแบบคืนพลังงาน (Regenerative test) [22] รูปที่ 2.13 วงจรของการทดสอบฮอปกินสัน การทดสอบแบบฮอปกินสันจะมีเงื่อนไขในการทดสอบหลัก คือ เครื่องจักรกระแสตรงทั้งสองเครื่อง จะต้องเป็นเครื่องจักรชนิดเดียวกัน ถูกผลิตพร้อมกัน ซึ่งจะทาให้ประสิทธิภาพที่ได้ออกมาจะมีค่า เท่ากัน โดยการต่อวงจรจะสามารถทาได้ตามรูปที่ 2.13 โดยสามารถคานวณหาประสิทธิภาพของ เครื่องจักรทั้งสองได้โดยสมการที่ 2.23 𝜂𝑚 = √ 𝐼1 𝐼1 + 𝐼2 โดย I1 คือ กระแสไฟจากเครื่องกาเนิดไฟฟ้า (A) I2 คือ กระแสไฟจากแหล่งกาเนิดพลังงานภายนอก (A) ηm คือ ประสิทธิภาพของเครื่องจักรกระแสตรง 23 (2.23) บทที่ 3 ขั้นตอนการออกแบบ 3.1 ข้อกาหนดและข้อจากัดของโครงงาน โครงงานนี้มุ่งเน้นในการออกแบบ และพัฒนาอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง เพื่อนามาใช้ใน การแปลงพลังงานอะคูสติกจากเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกประเภทคลื่นเคลื่อนที่เป็นพลังงานไฟฟ้า โดยในช่วงเริ่มต้นจะทดสอบประสิทธิภาพการทางานของอิมพัลส์เทอร์ไบน์ด้วยชุดทดสอบที่ใช้ลาโพง เป็นแหล่งกาเนิดพลังงานอะคูสติกเพื่อจาลองสภาวะการทางานของเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติก และ ศึกษาตัวแปรที่มีผลต่อประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานของอิมพัลส์เทอร์ไบน์ โดยมีการกาหนด ข้อกาหนด และข้อจากัดของโครงงานเพื่อให้การดาเนินงานนั้นเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ มีความ ถูกต้อง และสามารถควบคุมปัจจัยอื่น ๆ ได้อย่างเหมาะสม 3.1.1 ข้อกาหนดของโครงงาน อิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทางที่นามาทดสอบต้องมีความสามารถในการแปลงพลังงาน อะคูสติกเป็นพลังงานไฟฟ้าได้ 3.1.2 ข้อจากัดของโครงงาน เพื่อให้ได้ผ ลการทดสอบตัว แปรที่ มีผ ลกระทบต่อ ประสิ ทธิภาพในการแปลงพลั งงานของ อิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทางออกมาคงที่ จึงได้มีการกาหนดเงื่อนไข ประกอบไปด้วยข้อดังต่อไปนี้ 1. มุมใบพัดโรเตอร์ (Rotor Blade Angle) จะทดสอบอยู่ในช่วงระหว่าง 20° – 45° 2. มุมใบพัดสเตเตอร์ (Stator Blade Angle) จะทดสอบโดยใช้มุม 20° – 30° 3. จานวนใบพัดของโรเตอร์จะทดสอบอยู่ในช่วงจานวนใบ 20 – 40 ใบ 4. จานวนใบพัดของสเตเตอร์จะทดสอบอยู่ในช่วงจานวนใบ 20 – 40 ใบ 5. Hub to tip ratio ของใบพัดโรเตอร์จะถูกกาหนดไว้ที่ 0.7 เนื่องจากเป็นค่าอัตราส่วนที่ เหมาะสม ที่ไม่ส่งผลต่อประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานของเทอร์ไบน์ ซึ่งเป็นผลมาจาก การไหลของอากาศ 6. ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของอิมพัลส์เทอร์ไบน์มีขนาดไม่เกิน 74 มิลลิเมตร โดยข้อจากัดนี้กาหนดขึ้นเนื่องจากข้อจากัดทางด้านระยะเวลา และงบประมาณ ซึ่งการกาหนด ข้อจากัดนี้อ้างอิงจากงานวิจัยของ Elhavary [1] และ Timmer [2] ที่ได้ทาการศึกษาการใช้ 24 อิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทางในการแปลงพลังงานอะคูสติกเป็นพลัง งานไฟฟ้า จึงได้ตั้งช่วงการ ปรับค่าพารามิเตอร์ครอบคลุมในช่วงนี้ เพื่อสามารถวิเคราะห์ และเปรียบเทียบผลการทดสอบได้ 3.2 มาตรฐานที่เกี่ยวข้อง ในการออกแบบอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทางสาหรับใช้งานในการแปลงพลังงานอะคูสติก เป็นพลังงานไฟฟ้าส่วนมากยังอยู่ในขั้นตอนการศึกษาวิจัย จึงส่งผลให้ยังไม่มีมาตรฐานที่กาหนด ออกมาเฉพาะด้านการออกแบบ ในหัวข้อนี้จึงได้กาหนดมาตรฐานที่เกี่ยวข้องกับขั้นตอนการเก็บผล การทดสอบประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานของเทอร์ไบน์ โดยใช้มาตรฐาน ISO 10534-2 : Acoustics-Determination of sound absorption coefficient and impedance in impedance tubes ในหั ว ข้ อ ของการเก็ บ ผลการทดสอบด้ ว ยเทคนิ ค ไมโครโฟนสองตั ว (Two-Microphones Technique) ซึ่ ง เป็ น มาตรฐานที่ ก ล่า วถึ ง ตาแหน่ ง การติ ด ตั้ ง เซนเซอร์ วัดความดัน [10] 3.3 ความปลอดภัย 3.3.1 ความปลอดภัยในการทดลอง ในการทดสอบการทางานของอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทางจาเป็นต้องมีการคานึงถึงความ ปลอดภัยต่อร่างกาย โดยการทดสอบการทางานจาเป็นต้องมีการใช้งานชุดลาโพงเป็นแหล่งกาเนิด พลังงานอะคูสติก ซึ่งอาจส่งผลกระทบต่อระบบการได้ยิน ในระหว่างการทดสอบจึงจาเป็นต้องมีการ จัดหาอุปกรณ์ป้องกันเสียงที่มีระดับการป้องกัน ที่เหมาะสม ในที่นี้จึงได้มีการจัดหาอุปกรณ์ป้องกัน เสียง ยี่ห้อ 3M™ รุ่น E-A-Rsoft™ Yellow Neons™ 312-1250 ซึ่งมีค่าการลดเสียงในระดับ 33 เดซิเบล ตามมาตรฐาน ANSI S3.19-1974 [13] 3.4 ผลกระทบด้านสิ่งแวดล้อม ในการออกแบบอิ ม พัล ส์ เ ทอร์ ไบน์ แบบสองทิ ศ ทางที่ มีวั ตถุ ประสงค์ เ พื่ อ ที่จะนาไปใช้ ใ น เครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกประเภทคลื่นเคลื่อนที่ ซึ่งหลักการทางานของเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติก ทางานโดยการนาความร้อนจากแหล่งกาเนิดความร้อนอุณหภูมิสูงมาแลกเปลี่ยนกับแหล่ง ความร้อน อุณหภูมิต่าซึ่งส่งผลให้ เกิดคลื่นอะคูสติกที่มีแอมพลิจูดสูงสาหรับการไปขับเคลื่อนอุปกรณ์ต่าง ๆ เพื่อ นาไปกาเนิดพลังงานไฟฟ้าต่อไป ซึ่งแหล่งกาเนิดความร้อนอุณหภูมิสูงที่นามาใช้งานร่วมกับเครื่องยนต์ เทอร์โมอะคูสติกสามารถนามาจากแหล่งใดก็ได้ ซึ่งสามารถรวมได้ถึงแหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานความร้อนจากเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ และแหล่งพลังงานความร้อนเหลือทิ้ง จากอุตสาหกรรมต่าง ๆ [5] ในโครงงานนี้เป็นการศึกษาการนาเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกมาใช้งาน ร่วมกับอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทางสาหรับการกาเนิดพลังงานไฟฟ้า ซึ่งถ้าหากสามารถแสดงได้ 25 ถึงแนวโน้ม และความเป็นไปได้ในการประยุกต์ใช้อิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง ร่วมกับเครื่องยนต์ เทอร์โมอะคูสติกที่ใช้แหล่งพลังงานหมุนเวียน ซึ่งจะสามารถช่วยลดผลกระทบทางด้านสิ่งแวดล้อมได้ ในภายภาคหน้าได้ [2] 3.5 ตัวแปรที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพที่นามาทาการทดสอบ เนื่องจากตัวแปรของอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทางนั้นมีความสัมพันธ์กันทั้งหมด และส่งผล กระทบโดยตรงต่อประสิทธิภาพในการแปลงพลังงาน จากงานวิจัยของ Elhawary [1] ที่ได้มีการนาตัว แปรหลากหลายตัวนามาวิเคราะห์ ซึ่งจากผลการศึกษาแสดงให้เห็นถึงความเชื่อมโยงของแต่ละตัวแปร ต่อประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานของอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง ดังนั้นในโครงงานนี้จึงได้ กาหนดสมมติฐานในการทดสอบโดยอ้างอิงจากผลการศึกษา และได้เลือกตัวแปรหลัก 4 ตัว ซึ่งคาดว่า จะมีอิทธิพลต่อประสิทธิภาพของการแปลงพลังงานมากที่สุด ดังนี้ 3.5.1 มุมใบพัดโรเตอร์ (Rotor blade angle, β) มุมของใบพัดที่มีการสัมผัสกับอากาศ การเลือกมุมใบพัดที่เหมาะสมจะส่งผลให้การไหลของ อากาศไหลได้ราบรื่นขึ้น ลดการสูญเสียพลังงานระหว่างการหมุนของโรเตอร์ได้ และส่งผลกระทบ โดยตรงต่อประสิทธิภาพการแปลงพลังงานอะคูสติก [1] 3.5.2 จานวนใบพัดโรเตอร์ (Rotor blade number, Nr) ใบพัดที่อยู่บนโรเตอร์ ทาหน้าที่ในการแปลงพลังงานจลน์จากการสั่นของคลื่นเป็นพลังงานกล จากการที่ใบพัดโดนคลื่นกระทบ จึงทาให้โรเตอร์สามารถเริ่มเกิดการหมุนได้ ดังนั้นการเปลี่ยนจานวน ใบพัด จึงส่งผลต่อประสิทธิภาพในการแปลงพลังงาน เนื่องจาก 1. การใช้ใบพัดที่มีจานวนน้อยเกินไป จะทาให้เกิดช่องว่างระหว่างใบพัดที่กว้าง ทาให้การไหลของอากาศเกิดการไหลกลับส่งผลให้เกิดความ ปั่นป่วนในคลื่นส่งผลต่อประสิทธิภาพการทางาน 2. จานวนใบพัดที่มีมากเกินไป ส่งผลให้เกิดแรงเสียด ทานที่ผิวใบที่สัมผัสกับอากาศมากขึ้นทาให้ประสิทธิภาพการไหลของอากาศลดลง การเลือกจานวนใบ ที่เหมาะสมจะทาให้ลดการสูญเสียพลังงานในการทางานได้ และการเลือกจานวนใบพัดยังส่งผลต่อ อัตราส่วนระหว่างช่องว่างของใบพัดต่อระยะความกว้างของหน้าตัดใบพัด (Space to chord ratio of rotor, Sr/Lr) ในการออกแบบ [1] 3.5.3 จานวนใบพัดสเตเตอร์ (Stator blade number, Ns) ใบพัดที่อยู่บนสเตเตอร์ จะทาหน้าที่ในการควบคุมทิศทางการไหลของอากาศที่เคลื่อนที่ผ่าน ชุดเทอร์ไบน์ ให้สามารถแปลงพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากที่สุด การเลือกใช้จานวนใบของ สเตเตอร์จะส่งผลเช่นเดียวกับจานวนใบพัดโรเตอร์ ซึ่งเมื่อจานวนใบของสเตเตอร์มีน้อยเกินไปทาให้ 26 เกิดช่องว่างระหว่างใบที่กว้าง อากาศที่ไหลผ่านจะเกิดการปั่นป่วน และการที่มีจานวนใบมากเกินไป จะทาให้เกิดแรงเสีย ดทานที่ผิว ใบเยอะขึ้น ซึ่งจะส่งผลต่อความสามารถในการไหลของอากาศ การเลือกใช้จานวนใบของสเตเตอร์ จะส่งผลต่อตัวแปรอัตราส่วนระหว่างช่องว่างต่อความยาวเส้นโค้ง ของใบพัดสเตเตอร์ (Space to chord ratio of stator, Ss/Ls) [1] 3.5.4 มุมทางออกของสเตเตอร์ (Stator blade exit angle, α1) มุมทางออกของสเตเตอร์ เป็นมุมที่วัดแนวตั้งฉากการทางานของโรเตอร์ ซึ่งสามารถเปลี่ยนทิศ ทางการไหลของอากาศเข้าสู่โรเตอร์ได้ ถ้าหากกาหนดมุมทางออกสเตเตอร์มากเกินไป จะส่งผลให้การ ไหลของอากาศเกิดการสูญเสียพลังงานจากแรงเสียดทานที่เกิดจากอากาศสัมผัส กับพื้นที่ผิวของใบที่ ในช่วงทางออก แต่ในอีกด้านหนึ่ง การเลือกใช้มุมขนาดเล็กเกินไปก็จะส่งผลให้ไม่ได้ประสิทธิภาพ ตามที่ต้องการ จึงจาเป็นต้องมีการพิจารณาเลือกใช้มุมให้เหมาะสม [1] 3.6 การเลือกโปรแกรมที่ใช้ในการออกแบบ ในการเลือกใช้โปรแกรมเขียนแบบสาหรับการออกแบบ จาเป็นต้องมีการคานึงถึงลักษณะ และ คุณสมบัติเฉพาะที่แตกต่างกันออกไปในแต่ละโปรแกรม ในที่นี้การเขียนแบบอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบ สองทิศทางสาหรับการนาไปขึ้นรูปด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติ มีความเหมาะสมกับโปรแกรมเขียน แบบประเภท 3D CAD และอีกปัจจัยสาคัญที่ต้องคานึงถึงนั้นคือปัจจัยในด้านค่าใช้จ่ายสาหรับการใช้ งานโปรแกรม ด้วยองค์ประกอบในการพิจารณาที่ได้กล่าวมาข้างต้น ในโครงงานนี้จึงได้เลือ กใช้ โปรแกรม SolidWorks เนื่องจากเป็นโปรแกรมที่มีชิ้นส่วนมาตรฐาน และเครื่องมือครบถ้วนเหมาะสม ต่อการออกแบบอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง อีกทั้งนักศึกษายังสามารถใช้งานโปรแกรมได้โดย ไม่จาเป็นต้องเสียค่าใช้จ่ายเพิ่มเติม 3.7 การออกแบบอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง ในการออกแบบอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทางได้มีการทดสอบการปรับค่าตัวแปรทั้งหมด 4 ตัวแปรได้แก่ 1. มุมใบพัดโรเตอร์ 2. จานวนใบพัดโรเตอร์ 3. มุมใบพัดสเตเตอร์ 4. จานวนใบพัด สเตเตอร์ และดาเนินการทดสอบ โดยใช้หลักการ Univariate Search Method ซึ่งเป็นวิธีที่ให้ปรับ ค่าพารามิเตอร์ทีละตัว ขณะที่ค่าพารามิเตอร์อื่น ๆ ยังคงที่อยู่ เพื่อให้สามารถวิเคราะห์ผลกระทบของ ตัวแปรแต่ละชนิดได้อย่างชัดเจน และเป็นระบบ ดังนั้น การทาการทดลองจะกาหนดค่าพารามิเตอร์ของตัวแปรแต่ละตัวที่ส่งผลกระทบต่อ ประสิทธิภาพเพื่อดูแนวโน้มในการแปลงพลังงานทั้งหมด 11 แบบ ซึ่งแบ่งเป็น 5 การทดสอบ ซึ่งใน ขั้นตอนการทดสอบ ได้กาหนดให้มีการปรับค่าพารามิเตอร์แยกตามกลุ่ม ได้แก่ การเปลี่ยนมุมใบพัด ของโรเตอร์ (β) การเปลี่ยนจานวนใบพัดของโรเตอร์ (Nr) การเปลี่ยนจานวนใบพัดของสเตเตอร์ (Ns) 27 และการเปลี่ยนมุมใบพัดสเตเตอร์ (α) ซึ่งในแต่ละการทดสอบจะคงค่าพารามิเตอร์อื่นไว้คงที่ โดยการ เรียงลาดับตัวแปรนี้เนื่องจากงานวิจัย [1] ที่ได้เคยทดสอบลาดับตัวแปรที่กล่าวมาแล้วซึ่งให้เหตุผลที่ว่า เป็นการเลือกชิ้นส่วนที่มีความสาคั ญมากที่สุดในการแปลงพลังงานมาเป็นการปรับพารามิเตอร์ก่อน นั้นก็คือ ที่มุมของโรเตอร์ที่มีความละเอียดสูง จากนั้นค่อยทาการทดสอบต่อไปที่ตัวของสเตเตอร์เป็น ต้น และอีกหนึ่งสาเหตุ ที่เลือกเรียงทาการทดสอบแบบนี้เนื่องจากเวลาในการทดสอบด้วย เพื่อให้ สามารถเปรียบเทียบผลได้อย่างชัดเจน และหาค่าที่ให้ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานที่ดีที่สุด จากนั้น จึงนาค่าพารามิเตอร์ที่เหมาะสมในแต่ละขั้นไปใช้เป็นค่าพื้นฐานในการทดสอบตัวแปรถัดไป ซึ่งใน โครงงานนี้ได้กาหนดค่าตัวแปรเป็นกลุ่ม โดยใช้อักษรภาษาอังกฤษ ตามด้วยตัวเลขเพื่อแสดงถึงชุดการ ทดสอบ และหมายเลขแสดงถึง ลาดับการทดสอบ และได้ใช้สัญลักษณ์ A, B, C และ D แทนชุดของ พารามิเตอร์ที่ผ่านการคัดเลือกแล้วจากการทดสอบก่อนหน้าซึ่งแสดงดังตารางที่ 3.1 ตารางที่ 3.1 รูปแบบการทดสอบตัวแปรของชุดเทอร์ไบน์ Rotor Test. A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 C1 C2 C3 D1 D2 D3 E1 Stator Note. β Nr Ns α Sc 24˚ 30˚ 36˚ 42˚ A A A A A A A A A 35 35 35 35 27 31 35 B B B B B B 26 26 26 26 26 26 26 20 26 32 C C C 20˚ 20˚ 20˚ 20˚ 20˚ 20˚ 20˚ 20˚ 20˚ 20˚ 20˚ 25˚ 30˚ 1 mm 1 mm 1 mm 1 mm 1 mm 1 mm 1 mm 1 mm 1 mm 1 mm 1 mm 1 mm 1 mm A B C D 1 mm 28 ทดลองผลกระทบของมุมใบพัดโรเตอร์ ทดลองผลกระทบของจานวนใบพัดโรเตอร์ ทดลองผลกระทบของจานวนใบพัดสเตเตอร์ ทดลองผลกระทบมุมใบพัดสเตเตอร์ ค่าพารามิเตอร์ที่ส่งผลให้ประสิทธิภาพดีที่สุด 3.7.1 การทดสอบผลกระทบของมุมใบพัดโรเตอร์ A1-A4 ในการเลือกตัวแปรที่นามาทดสอบผลกระทบของมุมใบพัดโรเตอร์ โครงงานนี้ได้เลือกพิจารณา มุมระหว่าง 24˚ ถึง 42˚ ซึ่งอ้างอิงมาจากงานวิจัยของ Elhawary [1] ที่ได้มีการทดลองค่ามุมที่ 20˚ ถึง 40˚ และมีการแบ่งช่วงการทดสอบค่าพารามิเตอร์ครั้งละ 10˚ ซึ่งได้ข้อสรุปว่า มุมที่ 30˚ สามารถ ทาประสิทธิภาพได้สูงสุด ในโครงงานนี้จึงได้ตั้งสมมติฐานว่า การเลือกออกแบบในช่วงมุมที่แคบกว่า โดยกาหนดค่าการเปลี่ยนแปลงมุมทีละ 6˚ จะสามารถได้ค่ามุมที่ให้ประสิทธิภาพสูงสุดได้ และ เหมาะสมกับช่วงความถี่ที่ใช้ในการทดสอบ 3.7.2 การทดสอบผลกระทบของจานวนใบพัดโรเตอร์ B1-B3 ในส่วนของการเลือกค่าพารามิเตอร์ของการทดสอบผลกระทบของตัวแปรจานวนใบพัดโรเตอร์ ในโครงงานนี้ได้เลือกพิจารณาจานวนใบพัดที่ 27, 31 และ35 โดยได้อ้างอิงค่าพารามิเตอร์จาก ผลการวิจัย [1] ที่ได้มีข้อสรุปว่าจานวนใบพัดของโรเตอร์ที่ 35 ใบ นั้นสามารถทาประสิทธิภาพได้ สูงสุด ดังนั้น โครงงานนี้จึงได้นาจานวนใบดังกล่าวมาใช้เป็นค่ามาตรฐานในการทดสอบ และทาการ ปรับลดค่าพารามิเตอร์ลดลงของจานวนใบพัดด้วยการเปลี่ยนแปลงค่าพารามิเตอร์ครั้งละ 4 ใบ เนื่องจากข้อจากัดในด้านการขึ้นรูปชิ้นงาน ส่งผลให้ไม่สามารถออกแบบให้มีจานวนใบพัดโรเตอร์ มากกว่า 35 ใบได้ ดังนั้น โครงงานนี้จึงได้ตั้งสมมติฐานว่า การเลือกจานวนใบพัดในช่วงดังกล่าวจะ สามารถให้ค่าประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานอะคูส ติกเป็นพลังงานกลได้ดีที่สุด และมีความ เหมาะสมกับช่วงความถี่ที่ใช้ในการทดสอบ 3.7.3 การทดสอบผลกระทบของจานวนใบพัดสเตเตอร์ C1-C3 ในส่วนของการเลือกค่าพารามิเตอร์ที่นามาทดสอบผลกระทบของจานวนใบพัดสเตเตอร์ ใน โครงงานนี้ได้พิจารณาเลือกจานวนใบพัดที่ 20, 26 และ32 ใบ ซึ่งจากการอ้างอิงจากงานวิจัย [1] ได้ สรุปไว้ว่า จานวนใบพัดสเตเตอร์ 26 ใบ สามารถทาประสิทธิภาพสูงที่สุด และได้ทดสอบ เปลี่ยนแปลง ค่าพารามิเตอร์ทีละ 8 ใบ ดังนั้นในโครงงานนี้ได้ตั้งสมมติฐานให้จานวนใบพัด 26 ใบ เป็นค่าพื้นฐานใน การทดสอบ และทาการปรับค่าพารามิเตอร์ทีละ 6 ใบ ซึ่งเป็นช่วงการปรับค่าพารามิเตอร์ที่แคบกว่า งานวิจัยที่นามาอ้างอิง เพื่อเพิ่มความละเอียดในการวิเคราะห์แนวโน้มของประสิทธิภาพ ทั้งนี้ ช่วงค่า ดังกล่าวยังเป็นค่าที่ไม่เคยถูกทดสอบมาก่อน จึงอาจแสดงให้เห็นผลการเปลี่ยนแปลงประสิทธิภาพที่ แตกต่างออกไป 3.7.4 การทดสอบผลกระทบมุมใบพัดสเตเตอร์ D1-D3 การเลือกตัวแปรที่นามาทดสอบผลกระทบของมุมใบพัดสเตเตอร์ โดยโครงงานนี้ได้เลื อ ก พิจารณาในช่วงมุมระหว่าง 20˚ ถึง 30˚ โดยจากการอ้างอิงจากงานวิจัย [1] ที่ได้ข้อสรุปว่ามุมใบพัด 29 สเตเตอร์ที่ 20˚ สามารถทาประสิทธิภาพได้สูงที่สุด และมุมที่ 30˚ ที่ให้ประสิทธิภาพรองลงมา ดังนั้น โครงงานนี้จึงได้ตั้งสมมติฐานว่า มุม 25˚ ซึ่งเป็นค่ากลางระหว่างสองมุมดังกล่าว อาจมีแนวโน้มที่จะ ให้ประสิทธิภาพที่ดียิ่งขึ้น เนื่องจากเป็นค่าที่อยู่ในช่วงระหว่างมุมที่ให้ประสิทธิภาพสูงสุด และมุมที่ให้ ค่าประสิทธิภาพรองลงมา อีกทั้งยังไม่เคยถูกนามาทดสอบในงานวิจัยก่อนหน้า การเลือกช่วงมุมนี้จึงมี เป้าหมายเพื่อวิเคราะห์แนวโน้มการเปลี่ยนแปลงของประสิทธิภาพ 3.7.5 การทดสอบค่าพารามิเตอร์ที่ส่งผลให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด E1 ในการทดสอบนี้เป็นการนาค่าพารามิเตอร์ A B C และ D มาทดสอบประสิทธิภาพเพื่อนามา เปรียบเทียบกับประสิทธิภาพที่ได้ทดสอบมาทั้งหมด โดยโครงงานนี้ได้ตั้งสมมติฐานว่าการทดสอบ E1 จะส่งผลให้มีประสิทธิ ภาพสูงที่สุด จากการทดสอบมาทั้งหมด และในส่วนการกาหนดระยะ Seal clearance หรือระยะระหว่างปลายใบพัดและท่อด้านใน โดยจากงานวิจัยของ Timmer [2] ที่ได้ ทดสอบในส่วนของระยะห่างปลายใบกับผนังท่อด้านใน ไว้ว่าประสิทธิภาพของอิมพัลส์เทอร์ไบน์จะ แปรผันตรงกับระยะความห่างถ้าหากยิ่งห่างมากยิ่ง ได้ประสิทธิภาพน้อย ซึ่งเป็นผลจากกระแสอากาศ ที่ไหลวนที่บริเวณปลายใบ ดังนั้นทางโครงงานนี้ได้มีการกาหนดค่าไว้ที่ 1 มิลลิเมตร ค่าที่น้อยที่สุดเมื่อ พิจารณาข้อจากัดในด้านกระบวนการขึ้นรูปอิมพัลส์เทอร์ไบน์ด้วยการพิมพ์สามมิติ และคาดการณ์ จานวนการขึ้นรูปของการทดสอบทั้งหมดตามตารางที่ 3.2 ตารางที่ 3.2 จานวนอุปกรณ์ขึ้นรูปสามมิติ อุปกรณ์ Stator Rotor Nose cone จานวน จานวน (คู่) (ชิน้ ) 5 10 6 2 4 Motor mount - 2 รวมทั้งหมด - 22 หมายเหตุ ตัวใช้ทดสอบ 1 คู่, ตัวสารอง 1 คู่ ตัวใช้ทดสอบ 1 ชิ้น, ตัวสารอง 1 ชิ้น - 3.8 การเขียนแบบอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง ในการเขียนแบบอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง ด้วยการใช้โปรแกรม SolidWorks โดยจาก รูปที่ 3.1 จะแสดงถึงภาพการประกอบอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทางที่ได้ทาการออกแบบขึ้นมา 1. โรเตอร์ 2. สเตเตอร์ 3. Nose cone ซึ่งได้กาหนดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของเทอร์ไบน์อยู่ที่ 72 มิล ลิเมตร เนื่องด้ว ยข้อจากัดในด้านขนาดท่อของชุดทดสอบที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางที่ 74 30 มิลลิเมตร และได้กาหนด seal clearance เท่ากับ 1 มิลลิเมตร โดยได้อ้างอิงค่าระยะห่างนี้จาก งานวิจัยของ Timmer [2] ซึ่งแสดงดังรูปที่ 3.2 และขนาดของอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทางโดย อ้างอิงจากงานวิจัยของ Elhawary [1] รูปที่ 3.1 ภาพการประกอบอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง รูปที่ 3.2 ระยะ seal clearance 3.8.1 การออกแบบใบพัดโรเตอร์ ในการเขียนแบบใบพัดโรเตอร์สามารถแสดงได้ ดังรูปที่ 3.3 จากรูปจะแสดงถึงตัวแปรที่ใช้ สาหรับการกาหนดลักษณะของใบพัด โดยตัวแปรจะสามารถแบ่งออกเป็นสองกลุ่ม คือ 1. กลุ่มตัวแปร 31 ที่ใช้สาหรับปรับค่าซึ่งจะประกอบไปด้วย 𝑙𝑚 , 𝑙𝑛 , 𝑅𝑟 และ 2. กลุ่มตัวแปรที่กาหนดลักษณะจาเพาะ ของใบพัดโรเตอร์ ซึ่งจะประกอบไปด้วย มุม β, 𝑡𝑟 , 𝑙𝑟 , 𝑅𝑙𝑒 โดยขั้นตอนการวาดใบพัดโรเตอร์จะ เริ่มจากการกาหนด มุมของใบด้วยการสร้างวงกลมซึ่งทาหน้าที่เป็นรัศมีปลายใบ (𝑅𝑟 ) จากนั้นทาการ สร้างเส้นตรงมาสัมผัสกับส่วนโค้งของรัศมีปลายใบ เพื่อใช้เป็นเส้นอ้างอิงสาหรับกาหนดมุมของใบ สาหรับการวัดมุมทาได้ด้วยการสร้างเส้นตรงตั้งฉากกับทิศทางการไหลของอากาศที่ไหลออกจาก ใบพัดสเตเตอร์ หลังจากนั้นทาการสร้างกรอบสี่เหลี่ยมขนาดเท่ากับความยาวของใบ (𝑙𝑟 ) และนา วงกลมรัศมีปลายใบไปสัมผัสที่กรอบสี่เหลี่ยมเพื่อใช้กาหนดความยาวของใบ จากนั้นทาการสร้าง วงกลม และวงรีขึ้นมา พร้อมกาหนดระยะห่างระหว่างขอบนอกของวงกลม และขอบด้านยาวของวงรี เป็นขนาดของความหนาใบ (𝑡𝑟 ) จากนั้นนาวงกลมมาสัมผัสกับวงกลมรัศมีปลายใบ และจากนั้นนาไป สัมผัสกับเส้นที่ใช้สาหรับการกาหนดมุมของใบ ต่อจากนั้นเป็นการนาวงรีมาสัมผัสกับวงกลมรัศมีปลาย ใบ ซึ่งจะทาให้ได้ค่าตัวแปร 𝑙𝑚 , 𝑙𝑛 และ 𝑅𝑟 โดยตารางที่ 3.3 จะแสดงถึงค่าของตัวแปรต่าง ๆ ของ ใบพัดโรเตอร์ R30-35 และเมื่อได้รูปทรง และขนาดของใบพัดเรียบร้อยแล้ว ขั้นตอนต่อไปจะเป็นการ นาไปวาดลงบนผิวของแกนกลางของเทอร์ไบน์ซึ่งมีขนาดเท่ากับ Diameter Hub จากนั้นจะทาการ extrude ใบพัดตลอดเส้นรอบวงตามจานวนใบพัดที่ได้กาหนดมาศึกษา (𝑁𝑟 ) โดยลักษณะใบพัดโร เตอร์สามารถแสดงได้ดังรูปที่ 3.4 รูปที่ 3.3 ตัวแปรของใบพัดโรเตอร์ และใบพัดสเตเตอร์ 32 ตารางที่ 3.3 ค่าพารามิเตอร์ในการออกแบบของโรเตอร์ Dimension Rotor Rotor items Elhavary Rotor R30-35 Tip Diameter 66 mm 72 mm Rotor blade chord length, 𝑙𝑟 11.9 mm 12.98 mm Rotor blade ellipse major axis, 𝑙𝑚 27.8 mm 12.15 mm Rotor blade ellipse minor axis, 𝑙𝑛 9.1 mm 7.33 mm Rotor blade circle arc radius, 𝑅𝑟 6.7 mm 8.22 mm Rotor blade inlet/exit angle, β Leading/trailing edge circle arc radius, 𝑅𝑙𝑒 = 𝑅𝑡𝑒 Leading/trailing edge circle arc radius, 𝑅𝑙𝑒 = 𝑅𝑡𝑒 30˚ 30˚ 0.1 mm 0.11 mm 0.1 mm 0.11 mm Rotor blade thickness, 𝑡𝑟 3.6 mm 3.93 mm Rotor blade spacing, 𝑆𝑟 5.9 mm 6.4 mm 30 35 2.3 mm 2.53 mm Rotor number of blades, 𝑁𝑟 Rotor blade throat, 𝑡𝑎 รูปที่ 3.4 ใบพัดโรเตอร์ 33 3.8.2 การออกแบบใบพัดสเตเตอร์ ในขั้นตอนกาหนดขนาดสเตเตอร์นี้ได้อ้างอิงข้อมูลจากค่าตัวแปรของงานวิจัย Elhawary [1] ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางปลายใบระยะ (Tip Diameter) อยู่ที่ 66 มิลลิเมตร และได้ทาการเปลี่ยนระยะ เส้นผ่านศูนย์กลางอยู่ที่ 72 มิลลิเมตร ตามที่โครงงานนี้กาหนดไว้ตามเหตุผลเบื้องต้น ซึ่งสามารดู ค่าตัวแปรได้ตามตารางที่ 3.4 การวาดสเตเตอร์สามารถทาได้โดยเริ่มจากการสร้างเส้นอ้างอิงในระนาบที่ต้องการ จากนั้นจึง สร้างรูปทรงวงกลมที่มีรัศมี 𝑅𝑠 เป็นส่วนโค้งของใบพัดหลัก โดยให้เส้นตรงที่ต่อจากจุดศูนย์กลางของ วงกลมทามุม α กับเส้นแนวตั้ง ดังแสดงแนวทางในรูป ที่ 3.3 ของแบบอ้างอิง ซึ่งจุดปลายของเส้น วงกลมจะอยู่ในตาแหน่ง 90 องศา ทาให้ได้รูปทรงของขอบใบพัดที่มีลักษณะโค้งต่อเนื่อง ขอบปลาย ของวงกลมทั้งสองด้านจะถูกจากัดด้วยความหนาของใบพัด 𝑡𝑠 โดยให้ระยะห่างระหว่างใบ 𝑆𝑠 ขึ้นอยู่ กับจานวนใบพัดที่ออกแบบไว้ จากนั้นระยะของ 𝑙𝑠 และ 𝑙𝑎 จะเป็นตัวกาหนดในเรื่องของความกว้าง และยาวของใบเป็นค่าที่กาหนดให้เท่ากันตลอดในการเปลี่ยนค่าของ มุมใบพัดสเตเตอร์ (𝛼1 ) เพื่อ สามารถนามาเปรี ย บเที ย บในผลกระทบของมุ ม ใบพั ด สเตเตอร์ ไ ด้ ซึ่ ง ในโครงงานนี้กาหนดให้ ค่าพารามิเตอร์ต่าง ๆ ของใบพัดสเตเตอร์ S20-26 ใช้ในการทดสอบที่ A1-A4 ตามตารางที่ 3.4 และ เมื่อได้รูปทรง และขนาดของใบพัดเรียบร้อยแล้ว ขั้นตอนต่อไปจะเป็นการนาไปวาดลงบนผิว ของ แกนกลางของเทอร์ไบน์ซึ่งมีขนาดเท่ากับ Diameter Hub จากนั้นจะทาการ extrude ใบพัดตลอด เส้นรอบวงตามจานวนใบพัดที่ได้กาหนดมาศึกษา (Ns) โดยลักษณะใบพัดสเตเตอร์สามารถแสดงได้ดัง รูปที่ 3.5 ตารางที่ 3.4 ค่าพารามิเตอร์ในการออกแบบของสเตเตอร์ Dimension Stator items Elhavary Stator S20-26 Tip Diameter 66 mm 72 mm Stator blade chord length, 𝑙𝑠 15.5 mm 16.16 mm Straight-line section of the stator, 𝑙𝑡 4.46 mm 4.57 mm Stator blade axial chord, 𝑙𝑎 11 mm 11.56 mm Stator blade circle arc radius, 𝑅𝑠 9.85 mm 10.64 mm Stator blade thickness, 𝑡𝑠 0.4 mm 0.44 mm Stator blade spacing, 𝑆𝑠 6.8 mm 6 mm 34 Dimension Stator items Elhavary Stator S20-26 Stator blade inlet angle, 𝛼0 = 𝛼0, 90˚ 90˚ Stator blade exit angle, 𝛼1 = 𝛼1, 20˚ 20˚ Stator number of blades, 𝑁𝑠 26 26 รูปที่ 3.5 ใบพัดสเตเตอร์ 3.8.3 การออกแบบ Nose cone ในการออกแบบ Nose cone จะสามารถแบ่งออกได้เป็นสองส่วนหลักได้แก่ 1. ส่วนวงรี และ 2. ส่วนเส้นตรง ซึ่งสามารถแสดงได้ดังรูปที่ 3.6 โดยวิธีการกาหนดขนาดในส่วนของวงรีได้อ้างอิงจาก งานวิจัยของ Gary A. Cromwell Sr. [14] ซึ่งได้แสดงถึงวิธีการกาหนดขนาดในส่วนของวงรีของ Nose cone และในการออกแบบในโครงงานนี้ได้มีการออกแบบให้ Nose cone มีจุดที่ใช้สาหรับการ เชื่อมต่อเข้ากับสเตเตอร์ และได้ทาการออกแบบจุดติดตั้งเพื่อรองรับกับมอเตอร์ที่จะนามาใช้งานโดย ลักษณะของจุดติดตั้งมอเตอร์จะมีลักษณะเป็นช่องเจาะรูลงไปพร้อมกับเจาะจุดยึดเพื่อใช้งานร่วมกับ ชุดยึดมอเตอร์ โดยลักษณะของ Nose cone สามารถแสดงได้ดังรูปที่ 3.7 35 รูปที่ 3.6 ส่วนประกอบของ Nose cone รูปที่ 3.7 Nose cone 3.8.4 ชุดยึดมอเตอร์ (Motor mount) ชุดยึดมอเตอร์ถูกออกแบบขึ้นมาเพื่อใช้สาหรับยึดติดมอเตอร์เข้ากับ Nose cone และเพื่อให้ สามารถยึดติดมอเตอร์เข้ากับ Nose cone ได้อย่างมั่นคง โดยได้ทาการออกแบบโดยอ้างอิงขนาดของ มอเตอร์ และขนาดของจุดยึดติดจากมอเตอร์รุ่น RF-370 [15] ซึ่งเป็นมอเตอร์ที่ได้เลือกมาใช้งานใน โครงงานนี้ ลักษณะจุดยึดติดระหว่างชุดยึดมอเตอร์กับ Nose cone จะมีลักษณะเป็นเครื่องหมายลบ พร้อมกับรูเจาะสาหรับยึดติด และได้ออกแบบร่องสาหรับร้อยสายไฟผ่านไว้ที่ตาแหน่งด้านบนของ ชิ้นงาน โดยลักษณะของชุดยึดมอเตอร์สามารถแสดงได้ดัง รูปที่ 3.8 36 รูปที่ 3.8 Motor mount 3.8.5 สรุปผลการออกแบบอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง จากการออกแบบส่ว นประกอบของอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง ซึ่งในโครงงานนี้มี ส่วนประกอบหลักทั้งหมด 4 ชิ้น ได้แก่ 1. ใบพัดโรเตอร์ 2. ใบพัดสเตเตอร์ 3. Nose cone และ 4. ชุดยึดมอเตอร์ เมื่อนาชิ้นส่วนทั้ง 4 ประกอบเข้าด้วยกันแล้วจะสามารถแสดงได้ดังภาพที่ 3.9 ซึ่ง แสดงถึงภาพ isometric แบบแยกส่วนของอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง โดยจากภาพจะแสดงให้ เห็นถึงลักษณะการประกอบแต่ละชิ้นส่วน และส่วนประกอบเสริมต่าง ๆ ซึ่งมีได้แก่ 1. ตลับลูกปืน 2. เพลา 3. มอเตอร์ และ 4. คัปปลิ้ง (Coupling) รูปที่ 3.9 ภาพประกอบแยกส่วนของอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง 3.9 ตลับลูกปืน (Bearing) ในโครงงานนี้ได้นาตลับลูกปืนมาประกอบเข้ากับสเตเตอร์ เพื่อลดแรงเสียดทานระหว่างเพลา และสเตเตอร์ ช่วยให้เพลาสามารถหมุนได้อย่างลื่นไหลส่งผลให้การสูญเสียพลังงานจากแรงเสียดทาน 37 ลดน้อยลง ในการเลือกใช้ตลับลูกปืนที่ใช้ในชุดอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง จาเป็นต้องคานึงถึง ลักษณะ และคุณสมบัติเฉพาะที่แตกต่างกันออกไปของตลับลูกปืนแต่ละประเภท ในที่นี้ต้องการแบริ่ง ที่สามารถรับแรงได้ทั้งแนวแกน คือ แรงในแนวแกน และในแนวรัศมี สามารถรองรับการเยื้องแนวได้ดี (Misalignment) สามารถรองรับรอบความเร็วการหมุนที่สูง และอีกปัจจัยสาคัญคือ เรื่องของแรง เสี ย ดทานที่ ต้ อ งต่า เนื่ อ งจากแรงเสี ย ดทานอาจจะเป็ น อุ ป สรรคในการหมุ น ของโรเตอร์ ด้ ว ย องค์ประกอบในการพิจารณาที่ได้กล่าวมาในข้างต้น ในโครงงานนี้จึงเลือกตลับลูกปืนเม็ดกลม (Ball bearing) เนื่องจากตลับลูกปืนเม็ดกลมถูกใช้งานในอุตสาหกรรมต่าง ๆ สามารถเลือกขนาดได้จาก เอกสารที่เป็นมาตรฐานของผู้ผลิต ซึ่งบอกถึงความสามารถในการรับแรงและรอบการหมุนของตลับ ลูกปืนได้ชัดเจน ตลับลูกปืนเม็ดกลมที่ถูกเลือกมา คือ MR623 ZZ อ้างอิงจาก NSK Miniature Ball Bearings [16] จะมีขนาดแรงที่รับได้สูงสุดอยู่ที่ 630 นิวตัน ในขณะที่แรงที่ได้จากการคานวณมีค่า 0.8488 นิว ตัน อ้างอิงจาก Calculation sheet ในภาคผนวกหน้า 46 และความเร็วรอบสูงสุดของตลับลูกปืนจะ อยู่ที่ 50,000 รอบต่อนาที ซึ่งมากกว่าความเร็วรอบการหมุนของชิ้นงานสูงสุดที่ 3,500 รอบต่อนาที โดยอ้างอิงจากงานวิจัยของ Elhawary [1] ส่งผลให้ตลับลูกปืน MR623 ZZ สามารถใช้งานได้โดยไม่ เกิดความเสียหาย 3.10 เครื่องกาเนิดไฟฟ้า (Generator) ในการแปลงพลังงานอะคูสติกมาเป็นพลังงานไฟฟ้า จากการใช้เครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกเป็น แหล่งกาเนิดพลังงานอะคูสติกจาเป็นจะต้องเลือกใช้เครื่องกาเนิดไฟฟ้าที่เหมาะสม โดยในโครงงานนี้ ได้เลือกใช้มอเตอร์ถือเป็นแหล่งกาเนิดพลังงานไฟฟ้า เนื่องจากเมื่อมอเตอร์ได้รับพลังงานกลการหมุน ที่มาจากเพลา จะสามารถผลิต กระแสไฟฟ้าได้เปรียบเสมือนเครื่องกาเนิดไฟฟ้า โดยการคัดเลือก มอเตอร์ที่สามารถนามาใช้ได้ โดยการอธิบายเกณฑ์ที่ใช้ในการประเมิน และจัดลาดับความสาคัญของ แต่ละเกณฑ์ ข้อได้เปรียบในการออกแบบ และการประเมินมอเตอร์ในแต่ละประเภท ซึ่งมอเตอร์ที่จะ นามาเปรียบเทียบมีทั้งหมด 2 แบบ ได้แก่ 1. มอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่าน (DC motor) และ 2. มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน (Brushless DC motor) 3.10.1 การเลือกเกณฑ์และการให้คะแนน ในหัวข้อนี้จะนาเสนอเกณฑ์ที่จะใช้ในการประเมินความเหมาะสมของมอเตอร์พร้อมทั้งอธิบาย เหตุผลในการเลือกใช้เกณฑ์ดังกล่าว โดยมีการใช้ Weight Factor เพื่อสะท้อนความสาคัญของแต่ละ เกณฑ์ โดยค่า Weight Factor จะอยู่ในช่วง 1-3 เกณฑ์ที่มีความสาคัญสูงสุดจะได้รับค่า Weight Factor เท่ากับ 3 สาหรับการประเมินจะให้คะแนนอยู่ในช่วงคะแนน 4 ถึง 1 โดยรายละเอียดของ คะแนน จะแยกตามความเหมาะสมของหัวข้อที่ได้ยกมาเป็นเกณฑ์ 38 1) ความซับซ้อน เกณฑ์ด้านความซับซ้อน ขึ้นอยู่กับขั้นตอนการประกอบมอเตอร์รวมเข้ากับชุดเทอร์ไบน์ โดย ความซับซ้อนที่น้อยจะช่วยในการลดเวลาในการออกแบบจุดติดตั้ง ในทางกลับกันหากมีความซับซ้อน มากเกินไปอาจส่งผลให้เวลาที่ใช้ในการออกแบบจุดติดตั้งเพิ่มขึ้น ซึ่งเป็นปัจจัยสาคัญที่ต้องพิจารณา ด้วยเหตุนี้เกณฑ์ด้านความซับซ้อนจึงถูกกาหนดให้มีค่า Weight Factor เท่ากับ 3 และในด้านเกณฑ์ คะแนน หมายเลข 4 แสดงให้เห็นถึงความซับซ้อนที่น้อย ง่ายต่อการออกแบบ หมายเลข 3 แสดงให้ เห็นถึงความซับซ้อนปานกลางมีเงื่อนไขเล็กน้อยต่อการออกแบบ หมายเลข 2 แสดงให้เห็นถึงความ ซับซ้อนมากเนื่องจากต้องทาตามเงื่อนไขหลาย ๆ อย่าง และหมายเลข 1 แสดงให้เห็นความซับซ้อนที่ มากที่สุดถึงขั้นที่ไม่สามารถทาตามเงื่อนไขได้ 2) ราคา เกณฑ์ด้านราคา ขึ้นอยู่กับความคุ้มค่าในการใช้งานที่เมื่อเปรียบเทียบที่รอบการหมุน และ แรงดันไฟฟ้าของมอเตอร์ที่ทาได้ เนื่องจากมอเตอร์ทั้งสองชนิดมีราคาที่แตกต่างกัน เกณฑ์ราคาจึงเป็น หนึ่งในตัวเลือกการประเมินที่เหมาะสม ด้วยเหตุนี้เกณฑ์ด้านราคาจึงถูกกาหนดให้มีค่า Weight Factor เท่ากับ 2 และในด้านเกณฑ์คะแนน หมายเลข 4 แสดงให้เห็นถึงราคาที่ต่าที่สุดสามารถจัดซื้อ ได้ในจานวนมาก หมายเลข 3 แสดงให้เห็นถึงราคาที่ถูกสามารถซื้อได้หลายชุด หมายเลข 2 แสดงให้ เห็นถึงราคาแพงสามารถซื้อได้จานวนจากัด และหมายเลข 1 แสดงให้เห็นถึงสินค้าที่ ราคาแพงที่ไม่ สามารถซื้อได้ด้วยงบประมาณที่มี 3) ความสะดวก ในหัวข้อนี้จะพูดถึงในเรื่องของความสะดวกในการต่อวงจรใช้งานมอเตอร์ที่ถูกแปลงมาเป็น เครื่องกาเนิดไฟฟ้า กล่าวได้ว่าการผลิตไฟฟ้านั้นจะต้องต่ออุปกรณ์ไฟฟ้าให้ครบวงจรจึงจะสามารถทา ให้กระแสไฟฟ้าในระบบนามาใช้จริงได้ ด้วยเหตุผลนี้เกณฑ์ด้านความสะดวกจึงถูกกาหนดให้มีค่า Weight Factor เท่ากับ 2 คะแนน และในด้านของเกณฑ์คะแนน หมายเลข 4 จะแสดงให้เห็นถึง ความง่ายในการผลิตกระแสไฟฟ้า ซึ่งจะได้ไฟฟ้าจากเครื่องกาเนิดไฟฟ้าโดยไม่ต้องต่อวงจรใด ๆ หมายเลข 3 จะแสดงให้เห็นถึงความซับซ้อนที่เพิ่มขึ้นมาเนื่องจากต้องต่อวงจรที่มีตัวต้านทานเพิ่มเข้า ไป หมายเลข 2 จะแสดงให้เห็นถึ งความยากในการต่อวงจรที่มีการใช้ตัวต้านทานหลากหลายชนิดใน การผลิตกระแสไฟฟ้า และหมายเลข 1 แสดงให้เห็นถึงความซับซ้อนที่มากที่สุดซึ่งต้องใช้อุปกรณ์ไฟฟ้า หลากหลายชนิดในการผลิตกระแสไฟฟ้า 4) อายุการใช้งาน อายุการใช้งานของมอเตอร์ก็เป็นอีกหนึ่งสิ่งสาคัญในการนามาประยุกต์ใช้เพื่อแปลงพลังงานกล เนื่องจาก การผลิตกระแสไฟฟ้าจะทาในระยะเวลาที่ยาวนาน การที่มอเตอร์มีอายุการใช้งานที่ มาก ทาให้โอกาสการสูญเสียศักยภาพในการผลิตกระแสไฟฟ้าในระยะยาวลดน้อยลง ด้วยเหตุผลนี้เกณฑ์ 39 ด้านอายุการใช้งานของมอเตอร์จึงถูกกาหนดให้มีค่า Weight Factor มีค่าอยู่ที่ 1 คะแนน และในด้าน ของเกณฑ์คะแนน หมายเลข 4 แสดงให้เห็นถึงการที่สามารถใช้งานต่อเนื่องได้ยาวนานที่สุด หมายเลข 3 แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการใช้งานต่อเนื่องได้นาน หมายเลข 2 แสดงให้เห็นถึงความสามารถ ในการใช้งานต่อเนื่องได้ปานกลาง และหมายเลข 1 แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการใช้งานต่อเนื่อง ที่ต่าที่สุด ตารางที่ 3.5 การให้คะแนนของมอเตอร์ในแต่ละประเภท Weight factor ความซับซ้อน ราคา ความสะดวก อายุการใช้งาน Total 3 2 2 1 - DC motor Total Score score 4 12 3 6 3 6 2 2 26 Brushless DC motor Total Score score 2 6 2 4 2 4 4 4 18 3.10.2 สรุปผลการเลือกเครื่องกาเนิดไฟฟ้า จากตารางที่ 3.5 จึงสามารถสรุปผลการเลือกชนิดมอเตอร์ได้เป็นมอเตอร์กระแสตรงแบบมี แปรงถ่าน เนื่องจากได้รับคะแนนสูงที่สุด ซึ่งเป็นผลจากความเรียบง่ายในการนามาใช้งานเป็นเครื่อง กาเนิดไฟฟ้าเนื่องจากไม่จาเป็นต้องใช้วงจรแปลงไฟฟ้าเพิ่มเติม และเหตุผลในด้านต้นทุนต่อตัวที่ต่า กว่าเมื่อเทียบกับมอเตอร์กระแสตรงแบบไร้แปรงถ่านที่มีคุณสมบัติเท่ากัน โดยในโครงงานนี้ได้เลือก มอเตอร์ในรุ่น R-370-09920 ซึ่งมีคุณสมบัติตรงกับความต้องการของโครงงาน 3.11 การขึ้นรูปอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง ในการขึ้นรูปอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง ทาขึ้นโดยการใช้กระบวนการพิมพ์สามมิติ ประเภท FDM ซึ่งเป็นกระบวนการขึ้นรูปสามมิติด้วยการเพิ่มเนื้อวัสดุขึ้นเป็นชั้น ในการขึ้นรูปอิมพัลส์ เทอร์ไบน์แบบสองทิศทางได้มีการใช้เครื่องพิมพ์สามมิติยี่ห้อ Bambulab™ รุ่น A1 และใช้หัวพิมพ์ ขนาด 0.4 มิลลิเมตร สาหรับการพิมพ์ชิ้นส่วน Nose cone และ Motor mount และเพื่อให้ได้ความ ละเอียดในการพิมพ์ที่สูงยิ่งขึ้น จึงได้มีการใช้หัวพิมพ์ขนาด 0.2 มิลลิเมตร ในการพิมพ์ชิ้นส่วนใบพัด สเตเตอร์ และใบพัดโรเตอร์ ในส่วนของวัสดุที่ใช้สาหรับการขึ้นรูปใช้ วัสดุพลาสติกประเภท PLA ของ 40 ยี่ห้อ Polymaker™ ในรุ่น Panchoma™ PLA matte ซึ่งได้แนะนาให้ใช้อุณหภูมิหัวพิมพ์ที่ 220 ºc อุณหภูมิฐานพิมพ์ที่ 60 ºc และความเร็วในการพิมพ์ที่ไม่เกิน 300 มิลลิเมตรต่อนาที ในส่วนของการตั้งค่าการพิมพ์ขึ้นรูปจะสามารถแบ่งออกได้เป็นสองกลุ่มหลักได้แก่ กลุ่มที่ 1 คือ กลุ่มที่ต้องการความละเอียดในการพิมพ์ที่สูง เช่น ใบพัดสเตเตอร์ และใบพัดโรเตอร์ ได้มีการปรับตั้ง ค่าการพิมพ์สามมิติแบ่งออกได้เป็น 5 ส่วนหลัก ๆ ได้แก่ 1. อุณหภูมิหัวพิมพ์ถูกตั้งค่าไว้ที่ 220 ºc และอุณหภูมิฐานพิมพ์ถูกตั้งค่าไว้ที่ 60 ºc ตามคาแนะนาของผู้ผลิตวัสดุ 2. การตั้งค่าระยะสูงของชั้น การพิมพ์ได้มีการกาหนดค่าเอาไว้ที่ 0.08 มิลลิเมตร เพื่อให้ได้ความละเอียดของชิ้นงานมากที่สุด 3. ในการตั้งค่าคุณภาพพื้นผิวได้มีการปรับตั้งค่าให้มีการใช้เทคนิคการรีดผิวชั้นบนสุด (Ironing) เพื่อให้ได้ผิวชั้นบนออกมาเรียบมากที่สุด 4. ได้มีการกาหนดค่าการเติมเนื้อวัสดุภายในชิ้นงานเอาไว้ที่ 10 เปอร์เซ็นต์ ของปริมาตรรวมของชิ้นงาน เพื่อลดน้าหนัก และระยะเวลาในการขึ้นรูปชิ้นงานลง 5. ได้ มี การกาหนดให้ มี การสร้า งชิ้ น ส่ ว นค้า ยั น (Support Component) แบบ Tree support ประเภท Slim เพื่อรองรับส่วนของชิ้นงานที่เกิดการยื่น (Overhang) และลดโอกาสการเกิดชิ้นงาน หลุดออกจากฐานพิมพ์ (Warping) และต่อไปในส่วนของกลุ่มที่ 2 ซึ่งเป็นชิ้นส่วนที่ต้องการความ ละเอียดต่าลงมา ได้แก่ Nose cone และ Motor mount จะมีการปรับตั้งค่าเครื่องพิมพ์ที่แตกต่าง ออกไปอยู่ 2 หัวข้อหลัก ๆ ได้แก่ 1. ความสูงของชั้นการพิมพ์ได้ถูกตั้งค่าเอาไว้ที่ 0.2 มิลลิเมตร และ 2. ปิดการตั้งค่าการทา Ironing ที่ผิวด้านบนสุดของชิ้นงาน ซึ่งเหตุผลที่จาเป็นต้องมีการแบ่งแยกการ ตั้งค่าออกเป็น 2 กลุ่มอันเนื่องมาจากจะส่งผลให้ลดระยะเวลาในการขึ้นรูปชิ้นงานสาหรับชิ้นงานที่ ไม่ได้ต้องการความละเอียดสูง หลังจากที่ได้ทาการขึ้นรูปอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทางด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติ จึง ทาให้ค้นพบข้อจากัดในด้านความแม่นยาในการขึ้นรูปชิ้นงานของเทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติ ซึ่งทาให้ พบข้อบกพร่องในด้านความแม่นยาของขนาดชิ้นงาน ข้อบกพร่องซึ่งส่งผลให้ไม่สามารถขึ้นรูปชิ้นงาน ได้อย่างสมบูรณ์ และข้อบกพร่องอื่น ๆ ซึ่งในรูปที่ 3.10 แสดงให้เห็นถึงข้อบกพร่องในด้านขนาดของ ชิ้นงาน และในรูปที่ 3.11-3.12 แสดงให้เห็นถึงข้อบกพร่องที่ส่งผลให้ไม่สามารถขึ้นรูปชิ้นงานได้อย่าง สมบูร ณ์ ซึ่งจากข้อบกพร่ องที่ ได้ พบ จึงมี แนวทางการแก้ ไขที่สามารถดาเนิน การได้ ดัง ต่ อ ไปนี้ 1. เพิ่มพิกัดความเผื่อขึ้นไป 0.1-0.2 มิลลิเมตร จากขนาดเป้าหมายเพื่อลดข้อบกพร่องในด้านความ แม่นยาในการขึ้นรูป [25] 2. ทาการปรับเทียบเครื่องมือการผลิตตามข้อกาหนดของผู้ผลิต [26] 3. ปรับการตั้งค่าการผลิตภายในโปรแกรม [27] 4. การออกแบบโครงสร้างยึดติดกับฐานพิมพ์ (Brim) เพื่อแก้ปัญหาขอบชิ้นงานหลุดออกจากฐานพิมพ์ ซึ่งโครงสร้างดังกล่าวสามารถแสดงได้ดังรูปที่ 3.13 ซึ่งจากการดาเนินการตามแนวทางดังกล่าวทาให้ได้ผลการผลิตที่สามารถใช้งานได้อย่างสมบูรณ์ ดังรูปที่ 3.14-3.15 41 รูปที่ 3.10 ภาพขนาดของ Stator ที่ไม่ตรงกับขนาดที่กาหนดเอาไว้ที่ 10 มิลลิเมตร รูปที่ 3.11 ภาพของใบพัดโรเตอร์ที่เกิดข้อผิดพลาดระหว่างการขึ้นรูป รูปที่ 3.12 ภาพชิ้นงานที่ไม่สามารถขึ้นรูปได้อย่างสมบูรณ์ 42 รูปที่ 3.13 ภาพชิ้นส่วน Brim รูปที่ 3.14 ภาพใบพัดโรเตอร์ที่สามารถขึ้นรูปได้สมบูรณ์ รูปที่ 3.15 ภาพใบพัดสเตเตอร์ที่สามารถขึ้นรูปได้สมบูรณ์ 43 3.12 การประกอบอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง หลังจากกระบวนการขึ้นรูปอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทางด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติ ในกระบวนการประกอบชุดอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทางจะสามารถแบ่งออกได้เป็น 4 ขั้นตอน หลัก ๆ ได้แก่ 1. ขั้นตอนการทาความสะอาดชิ้นงาน 2. การประกอบชิ้นส่วนสนับสนุน 3. การ ประกอบชุดอิมพัลส์เทอร์ไบน์เข้าด้วยกัน และ 4. การนาชุดอิมพัลส์เทอร์ไบน์เข้าไปประกอบเข้ากับชุด ทดสอบ โดยตารางที่ 3.6 จะแสดงถึงอุปกรณ์ที่ใช้ในการประกอบอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง ตารางที่ 3.6 อุปกรณ์อิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง อุปกรณ์อิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง ชื่ออุปกรณ์ จานวน ใบพัดโรเตอร์ 1 ใบพัดสเตเตอร์ 2 Motor mount 1 Nose cone 2 เพลาขนาด 3 มิลลิเมตร ยาว 60 มิลลิเมตร 1 สลักเกลียวขนาด M2x14 8 สลักเกลียวขนาด M2x4 2 สลักเกลียวขนาด M3x4 2 ตัวหนอนเกลียวทองเหลือง 10 แบริ่งแบบ 623 2z 2 ท่ออะคริลิกขนาด 72 มิลลิเมตร ยาว 41 มิลลิเมตร 1 1) ขั้นตอนการทาความสะอาดชิ้นงาน ในขั้นตอนการทาความสะอาดชิ้นงาน จะเป็นขั้นตอนในการนาส่วนที่ไม่จาเป็นต่อการนาไป ใช้งาน ซึ่งเกิดขึ้นจากกระบวนการผลิตออก ซึ่งจะมีได้แก่ 1. Support component ซึ่งเกิดขึ้นจาก การพิมพ์ขึ้นรูปในส่วนของชิ้นงานที่เป็น Overhang ดังรูปที่ 3.16-3.17 2. ส่วนของ Brim ซึ่งเป็น ชิ้นส่วนที่สร้างขึ้นเพื่อป้องกันไม่ให้ชิ้นงานหลุดออกจากฐานพิมพ์ และ 3. พลาสติกส่วนเกินที่เกิดจาก กระบวนการพิมพ์สามมิติ เช่น เส้นใยพลาสติก (String) ดังรูปที่ 3.18 44 รูปที่ 3.16 ภาพของชิ้นส่วน Support ขณะที่อยู่ภายใน Nose cone รูปที่ 3.17 ภาพของชิ้นส่วน Support หลังจากได้ทาการนาออกมาจาก Nose cone รูปที่ 3.18 ภาพลักษณะของ String 45 2) ขั้นตอนการประกอบชิ้นส่วนการสนับสนุน ในขั้นตอนนี้จะเป็นการประกอบชิ้นส่วนที่ใช้ในการนาไปประกอบเข้าเป็นชุดอิมพัลส์เทอร์ไบน์ ซึ่งจะมีชิ้นส่วนได้แก่ 1. ตัวหนอนเกลียวทองเหลือง (Heat threaded insert) ขนาด M2 จานวน 10 ตัว ซึ่งประกอบเข้ากับชุด Nose cone ด้วยการใช้ความร้อนจากหัวแร้งบัดกรี ในการฝังตัวหนอน เกลียวทองเหลืองเข้ากับเนื้อพลาสติก แสดงได้ดังรูปที่ 3.19 2. ตลับลูกปืนขนาด 623 2z จานวน 2 ตัว ซึ่งประกอบเข้ากับใบพัดสเตเตอร์ฝั่ง ละ 1 ตัว แสดงดังรูป 3.20 และ 3. การประกอบชุดมอเตอร์ เข้ากับคัปปลิ้ง และ Motor mount แสดงดังรูปที่ 3.21 รูปที่ 3.19 ภาพการใส่ตัว Heat tread insert เข้ากับ Nose cone รูปที่ 3.20 ภาพการใส่แบริ่งเข้ากับใบพัดสเตเตอร์ รูปที่ 3.21 ภาพการประกอบชุดมอเตอร์ 46 3) ขั้นตอนการประกอบชุดอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง หลังจากขั้นตอนการจัดเตรียมชิ้นงาน และการประกอบชิ้นส่วนสนับสนุนได้ดาเนินการจนเสร็จ สิ้นแล้ว ในขั้นตอนนี้จะเป็นการนาชิ้นส่วนของอิมพัลส์เทอร์ไบน์ มาประกอบเข้าด้วยกัน ซึ่ง สามารถ จัดเรียงได้เป็นลาดับดังนี้ 1. ประกอบชุด Nose cone ฝั่งขาเข้า เข้ากับใบพัดสเตเตอร์ฝั่งขาเข้าด้วย สลักเกลียวขนาด M2x14 ดังรูปที่ 3.22 2. ประกอบชุดมอเตอร์เข้ากับ Nose cone ฝั่งขาออก ด้วย สลักเกลียวขนาด M2x4 ดังรูปที่ 3.23 3. ประกอบเพลาเข้ากับคัปปลิ้ง 4. ประกอบใบพัดสเตเตอร์ฝั่ง ขาออกเข้ากับ Nose cone ฝั่งขาออกด้วยสลักเกลียว M2x14 5. ประกอบใบพัดโรเตอร์เข้ากับเพลา ดังรูปที่ 3.24 และ 6. ประกอบชุดเทอร์ไบน์ฝั่งขาเข้า และขาออกเข้าด้วยกัน และนาไปสวมเข้ากับท่อ อะคริลิกที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 72 มิลลิเมตร และมีความยาว 41 มิลลิเมตร ซึ่งแสดงได้ ดังรูปที่ 3.25 รูปที่ 3.22 ภาพการประกอบใบพัดสเตเตอร์เข้ากับ Nose cone รูปที่ 3.23 ภาพการประกอบชุดมอเตอร์เข้ากับ Nose cone 47 รูปที่ 3.24 ภาพการประกอบใบพัดโรเตอร์เข้ากับเพลา รูปที่ 3.25 ภาพการประกอบชุดเทอร์ไบน์เข้ากับท่ออะคริลิก 4) ขั้นตอนการประกอบชุดอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทางเข้ากับชุดทดสอบ ในขั้นตอนนี้จะเป็นการนาชุดอิมพั ลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทางไปประกอบเข้ากับชุดทดสอบ ด้วยการนาชุดเทอร์ไบน์เข้าไปสวมเข้ากับตัวแปลงที่ถูกออกแบบขึ้น เพื่อให้สามารถนาท่ออะคริลิกมา ประกอบเข้ากับท่อ PVC ได้ โดยลักษณะของตัวแปลงจะถูกทาขึ้นจากส่วนของท่อ PVC ขนาด 3 นิ้ว เบอร์ 13.5 ความยาว 25 เซนติเมตร และทาการกลึงขยายขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายในเป็นระยะ 4 มิลลิเมตร ให้ได้ขนาดเท่ากับขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของท่ออะคริลิ ก เพื่อใช้สาหรับการ สวมใส่ท่ออะคริลิกเข้าไป ซึ่งลักษณะของตัวแปลง และการประกอบชุดเทอร์ไบน์เข้ากับชุดทดสอบ สามารถแสดงได้ดังรูป 3.26-3.27 48 รูปที่ 3.26 ภาพชิ้นส่วนตัวแปลงท่อ รูปที่ 3.27 ภาพการประกอบชุดเทอร์ไบน์เข้าชุดทดสอบ 3.13 การออกแบบชุดทดสอบ การออกแบบชุดทดสอบเพื่อจาลองหลักการทางานของเครื่องยนต์เทอร์โ มอะคูส ติก ตาม ความถี่ของเครื่องยนต์ เทอร์โมอะคูสติกส ซึ่งอยู่ที่ 65 เฮิรตซ์ และออกแบบตาแหน่งจุดติดตั้งให้ เหมาะสม พร้อมกับจุดติดตั้งเซนเซอร์ในการวัดค่าของแรงดัน และคานึงเรื่องระยะเวลาที่ใช้ในการ ทดสอบรวมถึงเรื่องขั้นตอนการถอดประกอบได้ง่ายไม่ซับซ้อน เนื่องจากจะช่วยลดระยะเวลาในการ ถอดประกอบเมื่อทาการเปลี่ยนชุดเทอร์ไบน์ที่นามาทดสอบ 3.13.1 ท่อสาหรับใช้งานร่วมกับชุดทดสอบ ในการทดสอบประสิ ท ธิ ภาพของอิ ม พั ล ส์ เ ทอร์ ไ บน์ แ บบสองทิ ศ ทาง ท่ อ ถื อ ได้ ว่า เป็ น ส่วนประกอบหลักของชุดทดสอบที่จะเป็นตัวนาคลื่นความถี่ไหลเข้าสู่ชุดเทอร์ไบน์ ซึ่งมีหลายปัจจัยใน การเลือกใช้งานในเรื่องของ ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางท่อ ราคา และความซับซ้อนในการประกอบ ซึ่ง ได้มีการคัดเลือกประเภทของท่อที่นามาประกอบเป็นชุดทดสอบอยู่ 2 แบบ ได้แก่ 49 3.13.1.1 ท่อพีวีซี (PVC Tube) ท่อพีวีซีเป็นวัสดุที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในงานด้านของไหล เนื่องจากมีความแข็งแรง มี น้าหนักเบา และสามารถตัด เจาะ หรือประกอบกับข้อต่อและอุปกรณ์ได้ง่าย อีกทั้งยังมีราคาถูก แต่ ท่อ PVC มีข้อจากัดคือไม่สามารถมองเห็นชุดอิมพัลส์เทอร์ไบน์ ซึ่งอาจทาให้ไม่สามารถสังเกตการ ทางานของโรเตอร์ได้ 3.13.1.2 ท่ออะคริลิกใส (Acrylic Tube) ส่วนท่ออะคริลิกใสเป็นวัสดุที่มีจุดเด่นในด้านความโปร่งแสง ทาให้สามารถมองเห็นชุดอิมพัลส์ เทอร์ไบน์และการทางานของใบพัดโรเตอร์ได้อย่างชัดเจน แต่ข้อจากัดทางด้านของราคาที่สูง และวัสดุ มีความเปราะบาง ต้องระมัดระวังในการประกอบและใช้งาน โดยเฉพาะเมื่อมีแรงกระแทกหรือแรงดัน สูง 3.13.1.3 สรุปความเหมาะสมในการออกแบบท่อชุดทดสอบ ในการออกแบบชุดทดสอบ มีการใช้ท่ออะคริลิ ก และท่อ PVC ที่มีขนาดใกล้เคียงกัน โดยท่อ อะคริลิกมีเส้นผ่านศูนย์กลางภายในอยู่ที่ 74 มิลลิเมตร และท่อ PVC 76.2 มิลลิเมตร โดยเลือกขนาด ดังกล่าวเพื่อให้ใช้ใกล้เคียงกับชุดทดลองของ Elhawary [1] ซึ่งส่งผลให้ง่ายต่อการออกแบบ และการ เปรียบเทียบผลการทดสอบ นอกจากนี้การใช้ท่อสองชนิดมีเหตุผลด้านการใช้ทดสอบเนื่องจากท่อ PVC ราคาถูกและง่ายต่อการประกอบชุดทดสอบ แต่เนื่องด้วยท่อผิวทึบแสงทาให้ไม่สามารถวัด ความเร็วรอบด้วยแทคโคมิเตอร์แบบออปติคัล ที่ต้องอาศัยการสะท้อนแสงจากจุดอ้างอิงบนใบพัด จึง มีการใช้ท่ออะคริลิ กที่ผิวโปร่งใส สาหรับช่วงที่ติดตั้ งชุดอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทางเพื่อวัด ความเร็วรอบ และสังเกตการณ์หมุนของโรเตอร์ 3.13.2 การหาจุดติดตั้งอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง จุดติดตั้งเทอร์ไบน์พิจารณาจากตาแหน่งที่เกิดปฏิบัพภายในท่อ จากงานวิจัยของ Fatimah Al Zahrah Mohd Saat [17] ที่ทดสอบวางเทอร์ไบน์ทั้งหมดสองตาแหน่ง ได้แก่ 1. ใกล้จุดปฏิบัพของ แรงดัน (pressure antinode) และ 2. ใกล้จุดปฏิบัพของความเร็ว (velocity antinode) พบว่า ตาแหน่งใกล้จุดปฏิบัพของแรงดัน ทาให้แรงดันไฟฟ้า และกาลังไฟฟ้าสูงกว่าตาแหน่งใกล้จุดปฏิบัพ ของความเร็ว ดังนั้นจึงเลือกออกแบบจุดติดตั้ง เทอร์ไบน์ให้ใกล้เคียง หรือตรงกับจุดปฏิบัพของแรงดัน เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงกว่าตาแหน่งติดตั้งอื่นๆ โดยจากผลการทดสอบของงานวิจัยที่นามาอ้างอิง ที่ ได้แสดงผลถึงผลกระทบของการวางตาแหน่งเทอร์ไบน์ การหาจุดปฏิบัพของแรงดัน สามารถคานวณได้จากสูตรความถี่ฮาร์มอนิกแรกของท่อปลายปิด ด้านหนึ่ง [11] โดยการทดลองจะใช้ความถี่ที่ 65 เฮิรตซ์ ซึ่งเป็นค่าทีใ่ กล้เคียงกับเครื่องยนต์เทอร์โมอะ 50 คูสติก ณ อุณหภูมิห้องที่ 26 องศาเซลเซียส โดยระยะที่ได้จากการคานวณ คือ 1.33 เมตร อ้างอิง calculation sheet จากภาคผนวกหน้า 47 และเนื่องจากลาโพงที่ใช้มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 185 มิลลิเมตร ซึ่งใหญ่กว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อชุดทดสอบที่มีขนาด 76.2 มิลลิเมตร จึงไม่สามารถต่อ ไดอะแฟรมของลาโพงเข้ากับปากท่อได้โดยตรง จาเป็นต้องใช้ท่อลดขนาดเพื่อเชื่อมต่อให้พอดีเข้ากับ ท่อ ด้วยข้อจากัดนี้ส่งผลให้ค่าที่ได้จากการคานวณทางทฤษฎีมีความคลาดเคลื่อนจากตาแหน่งปฏิบัพ ของแรงดันที่วัดได้จากการทาการทดลอง ดังนั้นในโครงงานนี้จึงจาเป็นต้องอาศัยการทดลองเพื่อหา เปอร์เซ็นต์ความคลาดเคลื่อนจากการทดลองจริง โดยได้ทาการทดลอง การทดลองท่อคุนท์จากหัวข้อ 2.10 [12] เพื่อหาจุดที่เกิดปฏิบัพของแรงดันภายในท่อด้วยวิธีการใส่เม็ดโฟมขนาดเล็กเข้าไปในท่อ และเริ่มการทดลองโดยเปิดสัญญาณเสียงความถี่ 65 เฮิรตซ์ ด้วยการใช้ลาโพงเป็นแหล่งกาเนิดคลื่น เมื่อเริ่มเปิดคลื่นความถี่เสียงจะสังเกตได้ว่าบริเวณบางช่วงของท่อทดสอบเม็ดโฟมจะถูกกวาดออกไป และไม่กองรวมกัน แสดงดังรูปที่ 3.28 ซึ่งแสดงถึงตาแหน่งที่อากาศสั่นน้อยที่สุดเรียกว่า จุดบัพ ของ แรงดัน และบริเวณที่มีการกระจุกตัวของเม็ดโฟมคือจุดที่มีแรงดันสูงเรียกว่า จุดปฏิบัพ ของแรงดัน ซึ่ง เป็นจุดที่อากาศเคลื่อนที่มากกว่าบริเวณอื่น ซึ่งจะส่งผลให้เทอร์ไบน์สามารถทางานได้มีประสิทธิภาพ มากกว่าช่วงอื่น ๆ รูปที่ 3.28 การทดลอง Kundt’s tube เพื่อระบุจุดปฏิบัพ โดยจากการเปรียบเทียบผลการทดลองกับ ค่าที่ได้จากการคานวณทางทฤษฎี พบว่ามีความ คลาดเคลื่อนอยู่ที่ 11.27% จากผลการทดลอง โดยอ้างอิง calculation sheet จากภาคผนวกหน้า 47 สาเหตุเกิดจากเส้นผ่านศูนย์กลางลาโพงที่มากกว่าท่อชุดทดสอบ จึงจาเป็นต้องติดตั้งส่วนลดขนาด ซึ่งมีลักษณะเป็นกรวย จึงส่งผลให้เกิดค่าคลาดเคลื่อนขึ้น และเนื่องด้วยท่อที่ใช้ในการสร้างชุดทดสอบ เป็นท่อ PVC ทึบ ซึ่งไม่สามารถดาเนินการทดลองแบบ Kundt’s tube [12] เพื่อระบุจุดปฏิบัพของ แรงดันจริงได้ จึงจาเป็นต้องอาศัยการประมาณตาแหน่งเชิงทฤษฎี ซึ่งค่าคลาดเคลื่อนที่ 11.27% อยู่ ในระดับที่สามารถยอมรับได้ ด้วยข้อจากัดในด้านอุปกรณ์ และงบประมาณ 51 3.13.3 ออกแบบจุดติดตั้ง sensor และความถี่ที่สามารถทดสอบ การคานวณหา กาลังอะคูสติกจาเป็นต้องใช้เทคนิค two microphone method เข้ามาช่วย ซึ่งอ้างอิงจากมาตรฐาน ISO 10534-2 มีข้อกาหนดเรื่องความถี่ที่สามารถทดสอบได้ในท่อ โดยขึ้นกับ ขนาดของเส้นผ่านศูนย์กลางในท่อ เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดการแพร่ของคลื่นที่ไม่เป็นระนาบ [10] โดยการออกแบบระยะห่างของ เซนเซอร์ตัวแรกที่ใกล้กับแหล่งกาเนิด โดยพิจารณาจากคู่มือ Notes on Absorption and Impedance Measurements [18] เนื่องจากลาโพงกาเนิดคลื่นทรง กลม ซึ่งจะค่อย ๆ พัฒนาเป็นคลื่นระนาบ (plane wave) เดินทางภายในท่อ ในคู่มือมีกาหนดให้ ตาแหน่งวัดอยู่ห่างจากแหล่งกาเนิด อย่างน้อย 3 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางท่อ เพื่อให้คลื่นที่ไม่เป็น ระนาบสลายตัวจนเหลือเพียงคลื่นระนาบ และควรเผื่อเป็น 10–15 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางท่อ เพื่อให้คลื่นเป็นระนาบนิ่ง แต่เนื่องด้วยในโครงงานนี้ มีข้อจากัดด้านขนาดชุดทดสอบ จึงกาหนดระยะ จากปลายท่อหลังท่อลดขนาดลาโพง ถึงเซนเซอร์ตัวแรก 0.50 เมตร ซึ่งเท่ากับประมาณ 6.56 เท่าของ เส้นผ่านศูนย์กลางท่อ โดยระยะดังกล่าวมากกว่า 3 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางท่อ ระยะเซนเซอร์ที่ ใกล้กับ เทอร์ ไบน์ทั้ งฝั่งขาเข้าและออก หากพิจารณาจากมาตรฐาน ISO 10534-2 ซึ่งมีการกล่าวถึงเรื่อง ระยะเซนเซอร์ที่ใกล้กับชิ้นงาน ควรมีระยะห่างมากกว่า ½ เท่าของ เส้นผ่านศูนย์กลางท่อ โดยระยะดังกล่าวเพื่อหลีกเลี่ยงค่าที่วัดได้เกิดการคลาดเคลื่อน โดยระยะที่ได้ ออกแบบมาคือ 19 เซนติเมตร ซึง่ คิดเป็น 2.5 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางท่อ [10] เมื่อกาหนดระยะเซนเซอร์ ทั้ง 2 ตัวได้แล้ว เป็นระยะห่างที่ได้คือ 41 เซนติเมตร และเมื่อ คานวณช่วงความถี่ที่สามารถวัดได้จากระยะเซนเซอร์ โดยใช้มาตรฐาน ISO 10534-2 จะอยู่ในช่วง 12.68-380.41 เฮิรตซ์ โดยอ้างอิงจาก calculation sheet ในภาคผนวกหน้า 47 ซึ่งครอบคลุมช่วง 65 เฮิรตซ์ ที่เป็นความถี่ที่ใกล้เคียงกับเครื่องเทอร์โมอะคูสติก และสุดท้ายจุดติดตั้งเซนเซอร์ควร หลีกเลี่ยงไม่ให้ตรงจุดบัพของความดัน เพราะบริเวณดังกล่าวเป็นจุดที่มีความดันต่า ทาให้สัญญาณที่ วัดได้มีขนาดเล็ก และถูกรบกวนจากสัญญาณรบกวนได้ง่าย ส่งผลให้ค่าที่วัดมีความคลาดเคลื่อนสูง โดยจากการคานวณ จุดบัพของแรงดันอยู่ที่ 2.6 เมตร ดังนั้นจึงออกแบบให้ เซนเซอร์ตัวที่ 3 และ 4 ให้ไม่ตรงกับช่วงระยะ 2.6 เมตร เพื่อหลีกเลี่ยงผลกระทบนี้ [19-20] ภาพชุดทดสอบที่ได้ออกแบบเป็น ระยะติดตั้งเซนเซอร์วัดแรงแสดงดังรูปที่ 3.29 รูปที่ 3.29 ระยะติดตั้งเซนเซอร์วัดแรงดัน 52 3.13.4 การประกอบชุดทดสอบ สาหรับการทดสอบเพื่อหาประสิทธิภาพของอิมพัลส์เทอร์ ไบน์แบบสองทิศทาง นั้นต้องใช้ อุปกรณ์ในการทดสอบทีเ่ ป็นส่วนประกอบหลักอยู่ 2 ส่วนได้แก่ 1. ชุดทดสอบ และ 2. อุปกรณ์กาเนิด คลื่นและวัดค่าในการทดสอบ ซึ่งทางผู้จัดทาได้ทาการจัดหาวัสดุที่เหมาะสม ขั้นตอนกระบวนการขึ้น รูปตามหลักการวิศวกรรม และทาการจัดเตรียมอุปกรณ์กาเนิดคลื่นและวัดค่าในการทดสอบ 3.13.4.1 ชุดทดสอบ โดยการประกอบและขึ้นโครงสร้างชุดทดสอบ ต้องคานึงถึงปัจจัยอยู่หลากหลายเช่นในเรื่องของ คุณสมบัติของวัสดุ งบประมาณ ขั้นตอนการประกอบ และระยะเวลาใน ซึ่งทางผู้จัดทาจึงได้พิจารณา เลือกใช้วัสดุที่เป็นมาตรฐานและสามารถจัดหาได้ง่ายในท้องตลาด โดยมีรายละเอียดของวัสดุอุปกรณ์ ที่ใช้ในการสร้างชุดทดสอบ ดังแสดงในตารางที่ 3.7 ตารางที่ 3.7 วัสดุชุดทดสอบ วัสดุชุดทดสอบ ชื่อวัสดุ ขนาด (มิลลิเมตร) จานวน Subwoofer PM0408 300 W Ø203.2 1 Reducer Ø 185 x Ø 80 ท่ออะคริลิก Ø 80 x 3 x 40 1 1 Acrylic flange 150 x 150 x 10 2 ท่อ PVC 3" 13.5 Ø 89 x 6.2 x 550 2 ท่อ PVC 3" 13.5 ข้อต่อตรง PVC 3" ท่อ Adapter PVC 3" เส้นผ่านศูนย์กลางใน 80 mm Ø 89 x 6.2 x 480 Ø 89 x 6.2 x 480 Ø 89 x 6.2 x 92 2 5 2 ฝาครอบท่อ PVC 3" Ø 90 x 65 ไม้ MDF ฐานชุดทดสอบ 380 x 2400 x 15 1 1 ไม้ MDF Support 150 x 150 x 30 4 L Bracket long type 60 x 60 x 27 12 Bolt M6 x 50 16 Self Drill Screw 10 X 3/4" 32 53 วัสดุชุดทดสอบ ชื่อวัสดุ ขนาด (มิลลิเมตร) จานวน Socket head cap M4 x 30 10 Metal nuts M6 16 Metal nuts M4 10 Washer M6 32 Washer M4 10 กาวปะเก็นซิลิโคน THREEBOND - 1 ซิลิโคนยาแนว ชนิดกรด TOA รุ่น GP Silicone - 1 ขั้นตอนการประกอบนั้นเริ่มจากนาไม้ MDF ที่ได้ขนาดจากการตัดแล้วนามาเป็นฐานรองไว้ สาหรับวางลาโพงที่เป็นเครื่องกาเนิดพลังงานอะคูสติกและชุดท่อจากนั้นประกอบตัวของลาโพงกับ อุปกรณ์ Reducer ที่มีหน้าที่ลดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของลาโพงให้เท่ากับตัวท่อ PVC จากนั้นนา Acrylic flange ประกอบเข้ากับหน้าแปลนของ Reducer เพื่อที่จะสามารถนาท่อ PVC ประกอบเข้า กับ Reducer โดยได้กาหนดขนาดความยาวท่อจากการคานวณจุดปฏิบัพของแรงดัน และใช้อุปกรณ์ เชื่อมต่อเป็นข้อต่อตรง PVC เพื่อเชื่อมกับท่อ PVC อีกความยาว และในส่วนของท่ออะคริลิกที่ ใช้ สาหรับการสังเกตการณ์การหมุนโรเตอร์ของอิมพัลส์เทอร์ไบน์ แต่เนื่องจากพบปัญหาในการเชื่อมต่อ ของ ท่อ PVC และท่ออะคริลิก ที่มีขนาดเส้นผ่า นศูนย์กลางที่แตกต่างกันจึงได้นาท่อ PVC นามา ดัดแปลง โดยนาท่อไปลดขนาดของเส้นผ่า นศูนย์กลางภายในท่อเพื่อที่จะนาไปประกอบเข้ากับท่อ อะคริลิกได้ และตั้งชื่ออุปกรณ์นี้ว่า Adapter และ ในส่วนของอุปกรณ์ปิดท่อใช้เป็น ฝาครอบท่อ PVC เพื่อปิดท่อ จากนั้นนาไม้ MDF มาทาเป็น Support เพื่อรองรับท่อให้ได้ระยะของศูนย์กลาง โดยจะ นาไปเข้าเครื่อง CNC กัดตรงส่วนโค้งเพื่อไว้สาหรับวางท่อ PVC จากนั้นนา L Bracket นามาประกอบ เข้ากับตัวของ ไม้ MDF Support โดยใช้ โบลท์ M6x50 กับ Nut M6 ในการประกอบ และใช้สกรูป ลายสว่านหัวกลมเป็นตัวยึดเข้ากับฐานไม้ MDF โดยจากขั้นตอนการประกอบที่กล่าวมาทั้งหมด นั้นจะ ได้ชุดทดสอบ แสดงดังรูปที่ 3.30 รูปที่ 3.30 ภาพชุดทดสอบ 54 3.13.4.2 อุปกรณ์กาเนิดคลื่น และวัดค่าในการทดสอบ ในการทดสอบเพื่อหาประสิทธิภาพของอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง นั้นจาเป็นต้องใช้ อุป กรณ์วัดค่าพารามิเตอร์ของตัว แปรต่างๆ เพื่อนามาวิเคราะห์และตั้งข้อสังเกตของการแปลง พลังงานอะคูสติกเป็นพลังงานไฟฟ้า ซึ่งต้องใช้อุปกรณ์วัดค่าหลากหลายชนิด โดยมีรายชื่อของอุปกรณ์ กาเนิดคลื่นที่นามาวัดค่าในการทดสอบตามตารางที่ 3.8 และแผนผังของอุปกรณ์แสดงให้เห็น ดังรูปที่ 3.31 ตารางที่ 3.8 อุปกรณ์กาเนิดคลื่น และวัดค่าในการทดสอบ อุปกรณ์กาเนิดคลื่น และวัดค่าในการทดสอบ ชื่ออุปกรณ์ จานวน Computer Power amplifier DZ-2000.1D 1 1 Subwoofer PM0408 300 W 1 Pressure Sensors 4 Signal Conditioner 1 Digital Oscilloscope 2 Digital Tachometer Digital Multimeter 1 2 55 รูปที่ 3.31 Schematic diagram โดยจากรูปที่ 3.31 จะแสดงให้เห็นได้ว่าสามารถแบ่งประเภทการใช้งานของอุปกรณ์ที่ใช้ในการ ทดสอบได้ 3 ประเภทได้แก่ 1.) แหล่งกาเนิดพลังงานอะคูสติ ก จะประกอบด้วยคอมพิวเตอร์ที่มีหน้าที่สร้างสัญญาณคลื่นผ่าน โปรแกรม MATLAB สามารถควบคุ ม ความถี่ และระยะเวลาตามที่ต้ อ งการจากนั้ นใช้ Power amplifier เป็นตัวขยายสัญญาณคลื่นความถี่จากคอมพิวเตอร์ส่งต่อเข้าลาโพง ซึ่งสามารถควบคุม กาลังของลาโพงและกรองสัญญาณเพื่อลดเสียงรบกวนที่เข้าสู่ลาโพง Subwoofer ที่เป็นอุปกรณ์ที่ กาเนิดพลังงานอะคูสติก 2.) การวัดแรงดันอะคูสติก ประกอบด้วย Pressure sensor ที่ติดตั้งอยู่บนท่อของชุดทดสอบ ทา หน้าที่ในการวัดแรงดันจากคลื่นอะคูสติกภายในชุดทดสอบ หลังจากนั้นสัญญาณของแรงดัน จะถูกส่ง ต่อมายัง Signal Conditioner ซึ่งทาหน้าที่ในการกรองสัญญาณลดการรบกวนในคลื่น จากนั้น สัญญาณที่ถูกกรองแล้วจะสามารถอ่านค่าได้โดยใช้ Oscilloscope ที่ได้รับออกมาเป็นกราฟและอ่าน ค่าสัญญาณคลื่นแรงดัน มาเป็นหน่วยทางไฟฟ้า เป็น mV จากนั้นนามาแปลงหน่วยเป็น Pa โดยใช้ค่า Sensitivity ของ Pressure sensor ตามที่กาหนดมาของรุ่นที่ใช้ในการทดสอบ เพื่อนาค่าของแรงดัน นาไปวิเคราะห์หาประสิทธิภาพของอิมพัลส์เทอร์ไบน์ 56 3.) การวัดค่าการแปลงพลังงานของอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง ในประเภทนี้เป็นการวัด ความเปลี่ยนแปลงของพลังงานอะคูสติกที่เกิดการหมุนของเทอร์ไบน์ ซึ่งสามารถแบ่งการวัดออกมาได้ เป็นสองรูปแบบ คือ การวัดความเร็วรอบของโรเตอร์ โดยจะใช้ Tachometer วัดที่ตัวใบพัดที่ติดเทป เรืองแสง ที่สามารถสะท้อนแสงที่ส่งมาจากเครื่อง Tachometer จะได้ความเร็วรอบของโรเตอร์ใน ขณะที่หมุนตามเวลาจริงออกมาเป็นหน่วย รอบต่อนาที (RPM) และ การวัดพลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้ โดยส่วนนี้จะเป็นการวัดจากมอเตอร์ที่ต่อกับเพลาของโรเตอร์ เมื่อเทอร์ไบน์เกิดการหมุน มอเตอร์ ได้รับพลังงานกล จะทาหน้าที่ในการเป็น เครื่องกาเนิดไฟฟ้า ซึ่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า และการต่อตัว ต้านทานทาให้มอเตอร์นั้นสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าที่เป็นกระแสตรงออกมาได้ จึงจาเป็นต้อง นา Digital Multimeter ที่สามารถเปลี่ยนย่านการวัดทางไฟฟ้าได้ทั้งแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้า มาวัด พารามิเตอร์สองค่านี้ โดยแรงดันไฟฟ้าจะออกมาเป็นหน่วยโวลต์ (V) และกระแสไฟฟ้าที่ผ่านตัว ต้านทานในหน่วยแอมแปร์ (A) ทั้งสองค่านี้สามารถนามาคิดเป็นพลังงานไฟฟ้าที่ผลิตออกมาได้ใน หน่วยวัตต์ (W) ซึ่งอุปกรณ์ที่ใช้ในการทดสอบทั้งหมดได้นามาติดตั้งเข้ากับชุดทดสอบ และทาการจัด วางตาแหน่งจุดติดตั้งอุปกรณ์ได้ดังภาพที่ 3.32 รูปที่ 3.32 ชุดทดสอบ และอุปกรณ์ที่ใช้ในการทดสอบ 3.14 การทดสอบประสิทธิภาพของเครื่องกาเนิดไฟฟ้า เนื่องจากพลังงานที่อิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทางสามารถแปลงออกมาได้ จะอยู่ใน รูปแบบของพลังงานไฟฟ้าที่ออกมาจากเครื่องกาเนิดไฟฟ้า ที่ต่อเข้าด้วยกัน ซึ่งพลังงานที่นามาหา ประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์ คือ พลังงานไฟฟ้าจากการคานวณแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้า จึง จาเป็นต้องหาประสิทธิภาพของเครื่องกาเนิดไฟฟ้า เพื่อแปลงออกมาเป็นพลังงานที่เทอร์ไบน์ แปลง ออกมาจากพลังงานอะคูสติกได้ ซึ่งการหาประสิทธิภาพของเครื่องกาเนิดไฟฟ้า จะนาทฤษฎีในเรื่องการทดสอบของฮอปกินสัน มาเป็นต้นแบบในการใช้มอเตอร์ที่ได้คัดเลือกในหัวข้อที่ 3.10 มาต่อเข้ากับวงจรไฟฟ้าเพื่อการวัดความ ต้านทานไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้า ที่จะนาไปใช้คิดหาประสิทธิภาพในขั้นตอนต่อไป 57 3.14.1 การประกอบชุดทดสอบ โดยการหาประสิทธิภาพของตัวมอเตอร์ที่นามาดัดแปลงเป็น เครื่องกาเนิดไฟฟ้านั้น จะต้องนา เพลาของมอเตอร์ทั้งสองตัวนั้นมาต่อเข้า ด้วยคัปปลิ้ง จากนั้นนามอเตอร์ที่ต่อเพลาร่วมกันมาวางบน ฐานรองมอเตอร์ที่ขึ้นรูปด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติ โดยใช้วัสดุเส้นพลาสติก PLA แล้วนาเคเบิลไทล์รัด ระหว่างมอเตอร์และฐานรองมอเตอร์ จากนั้นนาไม้ MDF ที่เหลือจากการทาฐานของชุดทดสอบ มา เจาะรูให้ตรงกับฐานรองมอเตอร์ จากนั้นนาเคเบิลไทล์ทั้งสี่เส้น ร้อยผ่านรูระหว่างไม้และฐานรอง มอเตอร์ แล้วนาชุดมอเตอร์ที่เราจะทดสอบมายึดติดกับโต๊ะด้วยเอฟแคลมป์ (F-clamp) เพื่อความ มั่นคงของชุดทดสอบไม่ให้เพลาของมอเตอร์ทั้งสองหลุดออกจากกัน ซึ่งเกิดจากการสั่นของมอเตอร์ที่ รุนแรงตามแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายจากแหล่งกาเนิดพลังงานไฟฟ้า (Power supply) หลังจากทาการยึดชุด มอเตอร์แล้วเป็นลักษณะดังรูปที่ 3.33 รูปที่ 3.33 โครงชุดทดสอบ 3.14.2 การต่อวงจรไฟฟ้าสาหรับการทดสอบ ในขั้นตอนต่อมา เป็นส่วนประกอบของวงจรไฟฟ้าที่ใช้ในการทดสอบของฮอปกินสันซึ่ ง มี ส่วนประกอบตามตารางที่ 3.9 ตารางที่ 3.9 อุปกรณ์วงจรไฟฟ้า อุปกรณ์ต่อวงจรไฟฟ้า ชื่ออุปกรณ์ จานวน Power supply 1 ตัวต้านทาน 1 โอห์ม 1 ตัวต้านทาน 2.2 โอห์ม 1 สายแพ (Jumper) 6 สายไฟคลิปปากจระเข้ 6 เริ่มต้นจากการต่อพ่วงสายไฟจากแหล่งกาเนิดไฟฟ้าเข้าแถบจ่ายไฟที่อยู่ด้านข้างของเบรดบอร์ด (Breadboard) โดยแยกขั้วบวกและขั้วลบที่ปลายสุดของเบรดบอร์ดเพื่อกันการลัดวงจร จากนั้นเริ่ม ต่อวงจรจ่ายไฟของเครื่องกาเนิดไฟฟ้าด้วยการใช้ตัวต้านทาน 2.2 โอห์ม โดยให้ขั้วลบของเครื่องกาเนิด 58 ไฟฟ้าต่อเข้าที่แถบจ่ายไฟด้านขั้วลบเช่นเดียวกับแหล่งกาเนิดไฟฟ้า เพื่อให้เป็น กราวด์ร่วมกัน จากนั้น ต่อสายไฟขั้วบวกเพิ่มเติมจากแถบจ่ายไฟลงที่ขาของตัวต้านทาน 2.2 โอห์ม เพื่อให้ไฟจากทั้งสอง แหล่งรวมกัน แล้วจึงต่อตัวต้านทาน 1 โอห์ม เพื่อให้สามารถวัดกระแสไฟที่ รวมกันจากทั้งสองแหล่ง แล้วผ่านเข้าสู่มอเตอร์ได้ ในขั้นตอนสุดท้ายจะเป็นการต่อสายไฟขั้วบวกหลังจากต่อตัวต้านทาน 1 โอห์ม เข้าสู่มอเตอร์ และสายไฟขั้วลบที่แถบจ่ายไฟฝั่งขั้วลบ จึงจะได้วงจรไฟฟ้าแบบการทดสอบของฮ อปกินสัน ในส่วนของสายไฟคลิปปากจระเข้จะทาหน้าที่ในการคี บขาของตัวต้านทาน และสายไฟขั้ว ลบ ต่อเข้ากับดิจิทัลมัลติมิเตอร์ (Digital Multimeter) เมื่อนามาต่อเข้ากับชุดทดสอบจะออกมาใน ลักษณะดังรูปที่ 3.34 รูปที่ 3.34 ชุดทดสอบเครื่องกาเนิดไฟฟ้า 3.14.3 ขั้นตอนการทดสอบและตารางการวัดผล เครื่องมือที่จะใช้วัดการทดสอบของฮอปกินสัน จะเป็น ดิจิทัลมัลติมิเตอร์ 2 เครื่องด้วยกัน ดิจิทัลมัลติมิเตอร์ เครื่องแรกจะทาการวัดแรงดันไฟฟ้า (Voltage) ที่เครื่องกาเนิดไฟฟ้า ในการดู แรงดันไฟฟ้าที่เ ครื่องกาเนิดไฟฟ้า ทาได้ ดิจิทัล มัลติมิเตอร์ เครื่องที่ 2 จะทาการวัดกระแสไฟฟ้า (Current) ผ่านตัวต้านทาน 2.2 โอห์ม เป็นกระแสไฟฟ้าที่เครื่องกาเนิดไฟฟ้าผลิตได้ และ จะทาการ วัดกระแสไฟฟ้าที่ตัวต้านทาน 1 โอห์ม ซึ่งเป็นกระแสไฟฟ้ารวมจากแหล่งกาเนิดไฟฟ้าทั้งสองแหล่ง ก่อนเข้าสู่มอเตอร์ ที่จะนาไปทาการคานวณประสิทธิภาพต่อไป การทดสอบหาประสิทธิภาพนั้นจะควบคุมโดยการปรับแรงดันจากแหล่งกาเนิดไฟฟ้า ให้เพิ่มขึ้น ครั้งละ 2 โวลต์ จุดเริ่มต้นของการทดสอบจะอยู่ที่ 4 โวลต์ ซึ่งสามารถมองเห็นการหมุนของมอเตอร์ได้ ในตัวของมอเตอร์ที่ได้เลือกมีแรงดันไฟฟ้าที่รับได้สูงสุดที่ 24 โวลต์ ฉะนั้นค่าแรงดันไฟฟ้าสูงสุดในการ ทดสอบจะมีค่าที่ 24 โวลต์ เมื่อเริ่มการทดสอบจะทาการวัดแรงดันที่เครื่องกาเนิดไฟฟ้า ซึ่งให้ตัวแปรที่ อ้างอิงนั้นเป็น V โดยจะทาการสังเกตค่าแรงดันที่นิ่งที่สุด ลาดับถัดมาจะเป็นการวัดกระแสไฟจาก เครื่องกาเนิดไฟฟ้า ซึ่งเป็นกระแสไฟที่ได้จากการแปลงพลั งงานกลที่รับจากมอเตอร์ จึงให้ตัวแปรใน การวัดเป็น I1 และสุดท้ายเป็นการวัดกระแสไฟจากแหล่งกาเนิดไฟฟ้า ที่จ่ายไฟฟ้าให้มอเตอร์โดยตรง ตัวแปรในตารางผลการทดลองจึงเป็น I2 ในทุกๆค่าแรงดันไฟฟ้า นาค่าพารามิเตอร์ที่ได้จากการวัดมา ทาการคิดหาประสิทธิภาพ ด้วยสมการของการทดสอบของฮอปกินสัน ซึ่งเป็นสมการที่ 2.13 จึงจะได้ 59 ค่าประสิทธิภาพในตารางการเก็บผล หลังจากที่ทาการทดสอบครั้งแรกจบ จะนาค่าจากการทดสอบไป ใส่ในตารางการเก็บผล ดังที่แสดงให้เห็นในตาราง 3.10 จากนั้นจึงทาการทดสอบใหม่ทั้งหมดอีกสอง ครั้ง เพื่อดูค่าความคลาดเคลื่อนของข้อมูลที่ได้จากการทดสอบ ซึ่งช่วยให้ข้อมูลที่ ได้มีความน่าเชื่อถือ ยิ่งขึ้น ตารางที่ 3.10 ตารางเก็บผลการทดสอบหาประสิทธิภาพเครื่องกาเนิดไฟฟ้า ผลการทดสอบหาประสิทธิเครื่องกาเนิดไฟฟ้า No. V I1 I2 Efficiency 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 3.15 การทดสอบประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์ ในการทดสอบประสิทธิภาพ จะใช้สมการที่ (2.9) เพื่อคานวณหาประสิทธิภาพเทอร์ ไบน์ โดย กาลังขาเข้า (Input power) จะได้จากการวัด แรงดัน และค่าความต่างเฟสของเซนเซอร์ เพื่อนาไป คานวณ Acoustic power จากสมการที่ (2.2) และหาผลต่างกาลังอะคูสติกของเซนเซอร์คู่หน้าและคู่ หลังเพื่อให้ได้ กาลังขาเข้าที่ป้อนเข้ากับเทอร์ไบน์ตามสมการที่ (2.4) ส่วนกาลังขาออก (Output power) วัดจากวงจรไฟฟ้าที่ต่อร่วมกับเทอร์ไบน์ โดยทาการวัด กระแสและแรงดันที่ได้ เพื่อหากาลังไฟฟ้าจากสมการที่ (2.7) แต่เนื่องจากกาลังที่ได้จากการคานวณ จะรวมประสิทธิภาพของเครื่องกาเนิดไฟฟ้าอยู่ด้วยจึงต้องมีการแยกกาลังไฟฟ้าของเทอร์ไบน์ที่ทาได้ โดยใช้สมการที่ (2.8) โดยหาประสิทธิภาพของเครื่องกาเนิดไฟฟ้าจากการทดลองในหัวข้อ 3.14 60 เมื่อคานวณกาลังขาเข้าและกาลังขาออกได้ จะทาการหาประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์ตาม สมการที่ (2.9) ในขณะทาการทดลองจะต่อโหลดตัวต้านทานเพื่อจาลองการใช้งานจริง โดยในแต่ละ การทดสอบจะใช้ตัวต้านทานในช่วง 1 ถึง 200 โอห์ม เพื่อวิเคราะห์แนวโน้มของกระแสไฟฟ้า และ ประสิทธิภาพของเทอร์ ไบน์สาหรับนาไปพิจารณาหาชุ ด อิม พัล ส์เ ทอร์ ไบน์ แบบสองทิศ ทางที่ มี ประสิทธิภาพสูงที่สุด ซึ่งในการทดสอบของอิมพัลส์เทอร์ไบน์ 1 ชุด และจะทาการทดสอบ ภายใต้ เงื่อนไขเดียวกันจานวน 3 ครั้งเพื่อประเมินความสม่าเสมอของข้อมูล และเพิ่มความน่าเชื่อถือของผล การทดสอบ และลดผลกระทบจากความคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดจากผู้ทดสอบ (human error) 3.15.1 ขั้นตอนการทดสอบ ในหัว ข้อนี้จะแสดงถึงรายละเอียด และขั้นตอนในการทดสอบประสิทธิภาพในการแปลง พลังงานอะคูสติกของอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทางด้วยชุดทดสอบที่ใช้ลาโพงเป็นแหล่งกาเนิด พลังงานอะคูสติก ซึ่งขั้นตอนในการทดสอบจะมีทั้งหมด 12 ขั้นตอนดังต่อไปนี้ ขั้นตอนที่ 1 จัดเตรียมชุดอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง ตรวจสอบความสมบูรณ์ของสายสัญญาณ จัดเตรียมเครื่องมือวัดค่าการทดสอบ และเตรียมอุปกรณ์ที่ใช้สาหรับการประกอบชุดทดสอบ ขั้นตอนที่ 2 ประกอบชุดอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทางเข้ากับชุดทดสอบ โดยทาการตรวจสอบให้ ชุดเทอร์ไบน์สามารถประกอบเข้ากับชุดทดสอบได้อย่างสมบูรณ์ เพื่อป้องกันไม่ให้อากาศรั่วไหล ออกมาจากภายในชุดทดสอบ โดยรูปการประกอบอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศ ทางเข้าสู่ชุดทดสอบ สามารถแสดงได้ดังภาพที่ 3.35 รูปที่ 3.35 ภาพการประกอบชุด เทอร์ไบน์เข้ากับชุดทดสอบ ขั้นตอนที่ 3 ติดตั้ง Pressure sensor ยี่ห้อ PCB Piezotronics รุ่น 113B28 จานวน 4 ตัว ซึ่ง Pressure sensor จะทาการใช้เทปสาหรับพันรอบเกลียว พันโดยรอบเกลียวของ Pressure sensor เพื่อป้องกันอากาศรั่ว ไหลออกจากชุดทดสอบ จากนั้นนา Pressure sensor ไปติดตั้งเข้ากับ ชุด ทดสอบโดยอ้างอิงตาแหน่งการติดตั้งจากมาตรฐาน ISO 10534-2 [10] และการติดตั้งจะใช้ประแจ เบอร์ 19 ในการขันเข้า โดยข้อแนะนาของผู้ผลิต ในด้านระยะในการขัน เข้าจะต้องทาการขันให้ 61 ตาแหน่งปลายของ Pressure sensor ตรงกับผิวของท่อด้านในพอดีเพื่อให้สามารถอ่านค่าแรงดัน ออกมาได้อย่างแม่นยาที่สุด [24] โดย Pressure sensor จะนามาใช้งานเพื่อวัดแรงดัน ณ ตาแหน่งที่ ทาการติดตั้ง Sensor และวัด Phase shift ที่เป็นการวัดเทียบกันระหว่าง Sensor สองตัวเพื่อนาไปใช้ ในการวิเคราะห์ความเร็วของการเคลื่อนที่ของอากาศภายในชุดทดสอบ โดยภาพที่ 3.36 จะแสดงถึง การดาเนินการประกอบ Pressure sensor เข้าสู่ชุดทดสอบ และการตรวจสอบการรั่วไหลของอากาศ ที่รั่วไหลออกจากภายในชุดทดสอบ รูปที่ 3.36 ภาพการประกอบ Pressure sensor เข้าสู่ชุดทดสอบ ขั้นตอนที่ 4 เชื่อมต่อสายสัญญาณระหว่าง Pressure sensor เข้าสู่ Signal conditioner โดย Signal conditioner จะทาหน้าที่ในการจ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับ Pressure sensor และทาหน้าที่ในการกรอง สัญญาณรบกวน และจากนั้น จะทาการเชื่ อมต่ อสายสั ญญาณจาก Signal conditioner เข้า สู่ Oscilloscope เพื่ อ อ่า นค่า สั ญ ญาณ และนาไปวิ เ คราะห์ ค่า แรงดัน และ Phase shift ต่ อ ไป โดยรูปที่ 3.37 จะแสดงถึงการเชื่อมต่อสายสัญญาณระหว่าง Pressure sensor, Signal Conditioner และ Oscilloscope รูปที่ 3.37 ภาพการเชื่อมต่อ Pressure sensor, Signal conditioner และ oscilloscope ขั้นตอนที่ 5 เตรียมแหล่งกาเนิดเสียง ซึ่งในโครงงานนี้ได้เลือกใช้คอมพิวเตอร์ในการกาเนิดคลื่นเสียง ด้วยการใช้โปรแกรม MATLAB ในการกาเนิดคลื่นที่เป็นลักษณะ Sine wave ด้วยความถี่ 65 เฮิรตซ์ ซึ่งคาสั่งที่ใช้ภายในโปรแกรม MATLAB สามารถแสดงได้ดัง รูปที่ 3.38 จากนั้นจะทาการเชื่อมต่อ สายสัญญาณจากคอมพิวเตอร์เข้าสู่ Power amplifier และต่อ Power amplifier เข้าสู่ลาโพง Subwoofer รุ่น PM0408 ที่พิกัดกาลัง 300 วัตต์ โดยเหตุผลที่จาเป็นต้องใช้งาน Power amplifier 62 เป็นตัวกลางระหว่างแหล่งกาเนิด คลื่นเสียง และลาโพง เนื่องจาก Power amplifier จะทาหน้าที่ใน การขยายสัญญาณเสียง และจ่ายพลังงานที่ใช้ในการขับลาโพงที่ใช้เป็นแหล่งกาเนิดพลังงานอะคูสติก โดยรูปที่ 3.39 จะแสดงถึงชุดอุปกรณ์ที่ใช้ในการกาเนิดคลื่นเสียง รูปที่ 3.38 ภาพคาสั่งที่ใช้ภายในโปรแกรม MATLAB รูปที่ 3.39 ภาพอุปกรณ์ที่ใช้ในการกาเนิดคลื่นอะคูสติก ขั้นตอนที่ 6 จัดเตรียมวงจรไฟฟ้าที่ใช้สาหรับการทดสอบวัดค่ากาลังไฟฟ้าที่อิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบ สองทิศทางสามารถผลิตได้ โดยใช้ตัวต้านทานที่ได้เลือกมาทั้งหมด 11 ตัว ได้แก่ 1, 3, 5.3, 7.8, 10, 15, 25, 50, 75, 100 และ 200 โอห์ม สาหรับใช้ในการจาลองเป็น load ทางไฟฟ้า ขั้น ตอนที่ 7 เริ่มต้น การทดสอบด้ว ยการให้ คลื่นอะคูส ติ กที่ กาเนิดจากลาโพงและใช้โ ปรแกรม MATLAB ในการควบคุมคาสั่งทาการเปิดคลื่นเอาไว้ โดยที่ชุดเทอร์ไบน์ยังไม่มีการต่อ load ทางไฟฟ้า เพื่อทดสอบการทางานของอิมพัลส์ เทอร์ไบน์ และตรวจสอบการรั่วไหลของอากาศจากภายในชุด ทดสอบ ขั้นตอนที่ 8 ต่อตัวต้านทาน ขนาด 1 โอห์มเข้ากับวงจร เมื่อเริ่มทาการทดสอบ จะทาการเก็บค่าการ ทดสอบเมื่อค่าแรงดันทางไฟฟ้าเข้าสู่สภาวะคงที่ เป็นระยะเวลาไม่น้อยกว่า 5 วินาที โดยค่าทดสอบที่ จะทาการเก็บผลจะมีได้แก่ 1. ค่าแรงดันทางไฟฟ้าที่ผลิตได้ 2. ค่าสัญญาณแรงดันฝั่งขาเข้าเทอร์ไบน์ และฝั่งขาออกเทอร์ไบน์ 3. ค่ามุมต่างเฟสระหว่างสัญญาณทั้งฝั่งขาเข้าและฝั่งขาออกของเทอร์ไบน์ ขั้นตอนที่ 9 ดาเนินการทดสอบซ้าในขั้นตอนที่ 8 อีกทั้งหมด 10 ครั้ง โดยแต่ละครั้งจะทาการเปลี่ยน ค่าความต้านทานตามที่ได้กาหนดในขั้นตอนที่ 6 ขั้นตอนที่ 10 ทาการทดสอบชุดเทอร์ไบน์ชุดเดิมซ้าอีกเป็นจานวน 3 ครั้งเพื่อประเมินความสม่าเสมอ ของข้อมูล เมื่อทาการทดสอบจนครบแล้วจะนาผลการทดสอบมาวิเคราะห์แนวโน้มของประสิทธิภาพ 63 ในการแปลงพลังงานของอิมพัลส์เทอร์ ไบน์แบบสองทิศทาง เพื่อใช้ในการวิเคราะห์ และเลือกขนาด ของตัวแปรที่ให้ผลของประสิทธิภาพดีที่สุดสาหรับนาไปใช้ในการทดสอบเทอร์ไบน์ในชุดถัด ๆ ไป ขั้นตอนที่ 11 ทาการทดสอบในขั้นตอนที่ 7-10 ซ้า โดยทาการเปลี่ยนชุดอิมพัลส์เทอร์ไบน์ แบบ สองทิศทางที่นามาทดสอบ ขั้นตอนที่ 12 สรุปผลที่ได้จากการทดสอบอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง ที่ทดสอบประสิทธิภาพ ในการแปลงพลังงานอะคูสติกด้วยการใช้ลาโพงเป็นแหล่งกาเนิดพลังงานอะคูสติก 3.15.2 ตารางการบันทึกผล ในส่วนตารางบันทึกผลการทดสอบอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทางจะสามารถแบ่งออกได้ เป็น 2 กลุ่มหลัก ๆ ได้แก่ กลุ่มที่ 1 จะเป็นตารางที่ใช้บันทึกผลการทดสอบที่ได้จากเครื่องมือวัด โดยตรง โดยยังไม่ได้นาผลที่ได้ไปทาการคานวณใด ๆ จะเป็นดังตารางที่ 3.12-3.14 ซึ่งตารางบันทึก ผลในกลุ่มที่ 1 จะแบ่งแยกย่อยออกได้เป็น 3 ตารางตามกลุ่มเครื่องมือที่ใช้ในการเก็บค่าการทดสอบ โดยในตารางที่ 3.11 จะเป็นการบันทึกผลการทดสอบที่เก็บค่าได้จาก Pressure sensor สาหรับ นาไปใช้ในการคานวณกาลังอะคูสติก ตารางที่ 3.12 จะเป็นการบันทึกผลการทดสอบที่เก็บค่าได้จาก Tachometer และตารางที่ 3.13 จะเก็บค่าการทดสอบที่วัดผลจาก Multimeter เพื่อใช้สาหรับการ คานวณกาลังของเทอร์ไบน์ ส่วนกลุ่มที่ 2 ซึ่งเป็นตารางที่ 3.14 จะเป็นตารางที่ใช้บันทึกผลการคานวณ ที่ได้จากการคานวณค่าการทดสอบที่ได้จากตารางบันทึกผลกลุ่มแรก โดยตารางบันทึกผลทั้งสองกลุ่ม จะบันทึกผลโดยการอ้างอิงกับค่าความต้านทานที่มีการปรับเปลี่ยนในช่วง 1-200 โอห์ม แต่เนื่องจาก ไม่สามารถจัดหาค่าความต้านทานที่มีค่า ลงตัวได้ ส่งผลให้จาเป็นต้องเลือกใช้ค่าความต้านทานที่มีค่า ใกล้เคียงทดแทน โดยได้เลือกค่าตัวต้านทานที่มีค่าได้แก่ 1, 3, 5.1, 7.8, 10, 15, 25, 50, 75, 100 และ 200 โอห์ม มาใช้สาหรับการทดสอบ 64 Resistance (Ω) 1 3 5.3 7.8 10 15 25 50 75 100 200 Pa (mV) Pb (mV) ตารางบันทึกผลการทดสอบเทอร์ไบน์ชุดที่....... ครั้งที่...... Pressure sensor Pc Pd PA PB PC PD θ In (mV) (mV) (Pa) (Pa) (Pa) (Pa) (mms) θ Ex (mms) θ In (rad) θ Ex (rad) ตารางที่ 3.11 ตารางบันทึกผลแรงดัน และค่า Phase shift ที่เก็บค่าด้วย Pressure sensor 65 ตารางที่ 3.12 ตารางบันทึกค่าความเร็วรอบของเทอร์ไบน์จากการวัดค่าด้วย Tachometer ตารางบันทึกผลการทดสอบเทอร์ไบน์ชุดที่....... ครั้งที่...... Tachometer Resistance (Ω) ความเร็วรอบเทอร์ไบน์ (RPM) Turbine speed (m/s) 1 3 5.3 7.8 10 15 25 50 75 100 200 66 ตารางที่ 3.13 ตารางที่บันทึกค่าแรงดัน และกระแสไฟฟ้าที่วัดค่าด้วย Multimeter ตารางบันทึกผลการทดสอบเทอร์ไบน์ชุดที่....... ครั้งที่...... Multimeter Resistance (Ω) Volt (V) Current(A) Motor efficiency 1 3 5.3 7.8 10 15 25 50 75 100 200 67 68 200 100 75 50 25 15 10 7.8 5.3 3 1 Resistance (Ω) Acoustic power intake (W) Efficiency Acoustic power exhaust (W) Power in (W) Power Out (W) ตารางบันทึกค่าการคานวณจากการทดสอบเทอร์ไบน์ชุดที่....... ครั้งที่...... Efficiency of turbine ตารางที่ 3.14 ตารางบันทึกผลการคานวณค่าพลังงานอะคูสติก และค่าพลังงานของเทอร์ไบน์ บทที่ 4 ผลการทดสอบ ในหัวข้อนี้ได้แสดงผลการทดสอบ และการวิเคราะห์ผลของตัวแปรของอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบ สองทิศทางที่ได้จากการดาเนินการทดสอบตามขั้นตอนในหัวข้อที่ 3.14 และ 3.15 เพื่อใช้ในการ พัฒนาอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศสาหรับการใช้งานร่วมกับเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกในอนาคต 4.1 ผลการทดสอบการหาประสิทธิภาพของเครื่องกาเนิดไฟฟ้า จากหัวข้อที่ 3.14 ผู้วิจัยได้ทาการทดสอบเพื่อประเมินประสิทธิภาพของเครื่องกาเนิดไฟฟ้า โดยการปรับ เพิ่มค่าแรงดัน ไฟฟ้า และนาข้อมูล ที่ได้มาแสดงในรูปแบบกราฟ เพื่อเปรียบเทียบ ความสัมพันธ์ระหว่างประสิทธิภาพของเครื่องกาเนิดไฟฟ้ากับค่าแรงดันไฟฟ้า ซึ่งผลการทดสอบแสดง ดังรูปที่ 4.1 80 78 76 Effciency (%) 74 72 70 68 66 64 62 60 0 2 4 6 8 10 12 14 Volt (V) 16 18 20 22 24 26 รูปที่ 4.1 ประสิทธิภาพของเครื่องกาเนิดไฟฟ้าเมื่อเปรียบเทียบกับแรงดันไฟฟ้า จากรูปที่ 4.1 พบว่า ประสิทธิภาพของเครื่องกาเนิดไฟฟ้าที่วัดได้ในแต่ละระดับแรงดันไฟฟ้ามี ค่าเฉลี่ยประมาณ 70% โดย error bar แสดงค่าความคลาดเคลื่อนของการทดสอบอยู่ที่ประมาณ ±3% เมื่อพล็อตกราฟความสัมพันธ์ระหว่างประสิทธิภาพกับแรงดันไฟฟ้า พบว่าเส้นแนวโน้ ม มี ลักษณะเป็นเส้นตรงที่มีแนวโน้มลดลงเล็กน้อย โดยสามารถเขียนสมการได้เป็น 69 Y = −0.0177X + 70.064 โดยค่าประสิทธิภาพเฉลี่ยที่ได้จะถูกนาไปใช้ในการคานวณกาลังกลของ เพลาโรเตอร์ หรือกาลังขาออก ตามสมการที่ (2.10) 4.2 ผลการทดสอบมุมใบพัดโรเตอร์ จากหัวข้อ 3.15.1 เป็นการทดสอบอิทธิพลของมุมใบพัดโรเตอร์ทมี่ีผลต่ออิทธิพลของสมรรถนะ ของเทอร์ไบน์ โดยในการทดสอบนี้ จะทาการพิจารณาถึงอิทธิพลของความต้านทาน ความเร็วรอบ และ Flow coefficient ซึ่งสามารถแสดงได้ดังนี้ 4.2.1 อิทธิพลของโหลดทางไฟฟ้าต่อสมรรถนะการทางานของอิมพัลส์เทอร์ไบน์ การทดสอบสมรรถนะของชุดอิมพัลส์เทอร์ไบน์ในหัวข้อ นี้ มุ่งเน้นการวิเคราะห์ผลกระทบจาก การปรับเปลี่ยนภาระทางไฟฟ้า ที่มีผลต่อความเร็วรอบ แรงดันไฟฟ้า และกระแสไฟฟ้า เพื่อศึกษา คุณลักษณะการทางานของอิมพัลส์เทอร์ไบน์และเครื่องกาเนิดไฟฟ้า โดยสรุปความสัมพันธ์ในรูปแบบ กราฟได้ดังนี้ 2000 Rotor A1: R24 1800 Rotor A2:R30 Rotational speed (RPM) 1600 1400 Rotor A3:R36 1200 Rotor A4:R42 1000 Trendline of Rotor A1 Trendline of Rotor A2 Trendline of Rotor A3 Trendline of Rotor A4 800 600 400 200 0 0 20 40 60 80 100 120 Resistance (Ω) 140 160 180 200 220 รูปที่ 4.2 ค่าความเร็วรอบเมื่อเปรียบเทียบกับค่าความต้านทาน รูปที่ 4.2 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วรอบและค่าความต้านทานไฟฟ้า พบว่าความเร็ว รอบของชุดอิมพัลส์เทอร์ไบน์เพิ่มสูงขึ้นตามค่าความต้านทานอย่างมีนัยสาคัญ เนื่องจากสภาวะความ ต้านทานต่าส่งผลให้เกิดภาระโหลดไฟฟ้าสูง ตามกฎของเลนซ์ (Lenz's Law) ความต้านทานที่ต่าจะ ทาให้มกี ระแสไฟฟ้าไหลในขดลวดในปริมาณมาก ซึ่งสร้างสนามแม่เหล็กเหนี่ยวนาและเกิดแรงบิดต้าน 70 กลับ ภายในเครื่องกาเนิดไฟฟ้า ส่งผลให้ความเร็วรอบของโรเตอร์ลดลง ทั้งนี้ เมื่อเพิ่มค่า ความ ต้านทาน ภาระโหลดทางไฟฟ้าจะลดลงตามลาดับ ทาให้ความเร็วรอบของโรเตอร์เพิ่มสูงขึ้นสอดคล้อง กัน นอกจากนี้ จากผลการทดสอบยังพบว่า ที่ค่าความต้านทานเดียวกัน อิมพัลส์เทอร์ไบน์แต่ละชุด จะมีความเร็ว รอบที่แตกต่างกัน ซึ่งเป็นผลโดยตรงจากความแตกต่างของมุมใบพัดโรเตอร์ที่ถูก ปรับเปลี่ยนในการทดสอบ 2.40 Rotor A1:R24 2.10 Rotor A2:R30 1.80 Voltage (V) Rotor A3:R36 1.50 Rotor A4:R42 1.20 Trendline of Rotor A1 0.90 Trendline of Rotor A2 0.60 Trendline of Rotor A3 0.30 Trendline of Rotor A4 0.00 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 Resistance (Ω) รูปที่ 4.3 ค่าแรงดันไฟฟ้าเมื่อเปรียบเทียบกับค่าความต้านทาน รูปที่ 4.3 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้ากับความต้านทาน ซึ่งมีแนวโน้มสอดคล้องกับ ความเร็วรอบในรูปที่ 4.2 กล่าวคือ เมื่อความต้านทานเพิ่มขึ้น ความเร็วรอบของเทอร์ไบน์จะสูงขึ้น ตามไปด้วย เนื่องจากเทอร์ไบน์และเครื่องกาเนิดไฟฟ้าติดตั้งอยู่บนเพลาร่วมกัน (Coaxial) การที่ ความเร็วรอบสูงขึ้นจึงทาให้ขดลวดอาร์เมเจอร์ตัดกับสนามแม่เหล็กได้เร็วขึ้น และสร้างแรงดันไฟฟ้าได้ มากขึ้น ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าจึงมีแนวโน้มเพิ่มขึ้นตามความต้านทานในลักษณะเดียวกับความเร็วรอบ โดยชุดอิมพัลส์เทอร์ไบน์ A2 ซึ่งทาความเร็วรอบได้สูงสุด จะสามารถผลิตแรงดันไฟฟ้าได้สูงที่สุด รองลงมาคือชุด A4, A3 และ A1 ตามลาดับ 71 2.20 Rotor A1:R24 2.00 1.80 Rotor A2:R30 1.60 Rotor A3:R36 Voltage (V) 1.40 1.20 Rotor A4:R42 1.00 Trendline of Rotor A1 0.80 Trendline of Rotor A2 0.60 Trendline of Rotor A3 0.40 0.20 Trendline of Rotor A4 0.00 0 120 240 360 480 600 720 840 960 1080 1200 1320 1440 1560 1680 1800 1920 Rotational speed (RPM) รูปที่ 4.4 ค่าแรงดันไฟฟ้าเมื่อเปรียบเทียบกับความเร็วรอบ รูปที่ 4.4 แสดงความสัมพันธ์เชิงเส้นระหว่างแรงดันไฟฟ้าและความเร็วรอบ ซึ่งเป็นผลจากการ ปรับค่าความต้านทานที่ส่งผลต่อตัวแปรทั้งสองสอดคล้องกัน ดังรูปที่ 4.2 และ 4.3 พฤติกรรมดังกล่าว อธิบายได้ด้วยการทางานร่วมกันของ กฎของเลนส์ (Lenz’s Law) และกฎการเหนี่ยวนาของฟาราเดย์ (Faraday's Law of Induction) กล่าวคือ เมื่อเพิ่มความต้านทานในวงจร กระแสไฟฟ้าจะลดลง ส่งผลให้แรงบิดต้านทานแม่เหล็กไฟฟ้า ที่หน่วงการหมุนของเพลาลดลงตามไปด้วย เทอร์ไบน์จึง สามารถทาความเร็วรอบได้สูงขึ้นภายใต้แรงขับคงที่ เมื่อความเร็วรอบเพิ่มขึ้น ขดลวดอาร์เมเจอร์จะหมุนตัดสนามแม่เหล็กด้วยอัตราที่ สูงขึ้น ส่งผล ให้อัตราการเปลี่ยนแปลงฟลักซ์แม่เหล็กต่อหน่วยเวลาเพิ่มขึ้นตามกฎของฟาราเดย์ และเหนี่ยวนาให้ เกิดแรงดันไฟฟ้าสูงขึ้นในทิศทางเดียวกัน ดังนั้น การเพิ่มค่าความต้านทานในวงจรจะส่งผลให้อิมพัลส์ เทอร์ไบน์ทาความเร็วรอบได้สูงขึ้นและสร้างแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสาคัญ ทั้งนี้ ชุดอิมพัลส์ เทอร์ไบน์ A2 เป็นชุดเทอร์ไบน์ที่มีสมรรถนะสูงสุด โดยทาความเร็วรอบได้ 1,772 รอบต่อนาที และ สร้างแรงดันไฟฟ้าได้ 2.03 โวลต์ 72 0.110 Rotor A1:R24 0.100 Rotor A2:R30 0.090 0.080 Rotor A3:R36 Current (A) 0.070 Rotor A4:R42 0.060 0.050 Trendline of Rotor A1 0.040 Trendline of Rotor A2 0.030 Trendline of Rotor A3 0.020 Trendline of Rotor A4 0.010 0.000 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 Resistance (Ω) รูปที่ 4.5 ค่ากระแสไฟฟ้าเมื่อเปรียบเทียบกับค่าความต้านทาน ในรูปที่ 4.5 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าและความต้านทาน โดยค่ากระแสไฟฟ้า คานวณจากแรงดันตกคร่อมตัวต้านทาน ด้วยสมการที่ (2.13) จากผลการทดสอบพบว่า แม้การเพิ่ม ความต้านทานจะช่ว ยให้ แรงดัน ไฟฟ้า สูงขึ้น แต่กระแสไฟฟ้ากลับมีแนวโน้มลดลงอย่างต่อเนื่ อง ลักษณะความสัมพันธ์ดังกล่าวเป็นไปตามกฎของโอห์ม เนื่องจากอัตราการเพิ่มขึ้นของความต้านทานมี สัดส่วนที่มากกว่าการเพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้า ส่งผลให้กระแสรวมในระบบลดลงตามลาดับ 4.2.2 อิทธิพลของมุมใบพัดของโรเตอร์ต่อกาลังอะคูสติก และกาลังไฟฟ้า ต่อเนื่องจากหัวข้อ 4.2.1 ซึ่งแสดงอิทธิพลของโหลดไฟฟ้าต่อแรงดันและกระแสไฟฟ้า ในหัวข้อ นี้จะนาผลการทดสอบดังกล่าวมาคานวณหากาลังไฟฟ้า ต่อความต้านทานและความเร็วรอบ พร้อมทั้ง วิเคราะห์ความสัมพันธ์ของกาลังอะคูสติกเทียบกับความต้านทาน เพื่อวิเคราะห์อิทธิพลของมุมใบพัด โรเตอร์ที่มีต่อการแปลงพลังงานของอิมพัลส์เทอร์ไบน์ 73 0.08 Rotor A1:R24 Rotor A2:R30 Rotor A3:R36 Rotor A4:R42 0.07 Power output (W) 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 0 10 20 30 40 50 60 Resistance (Ω) 70 80 90 100 รูปที่ 4.6 ค่ากาลังทางไฟฟ้าเมื่อเปรียบเทียบกับค่าความต้านทาน ของการทดสอบชุด A จากรูปที่ 4.6 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างกาลังไฟฟ้าและความต้านทานของอิมพัลส์เทอร์ไบน์ ซึ่งคานวณจากแรงดันไฟฟ้าจากรูปที่ 4.3 และกระแสไฟฟ้าจากรูปที่ 4.5 ตามสมการที่ (2.12) ผลการ ทดสอบพบว่าเทอร์ไบน์ทั้ง 4 ชุดมีแนวโน้มไปในทิศทางเดียวกัน โดยกาลังไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นในช่วงความ ต้านทาน 1–25 โอห์ม และค่อยๆ ลดลงในช่วง 50–100 โอห์ม ทั้งนี้ ชุดทดสอบ A2 ให้กาลังไฟฟ้า สูงสุดที่ 0.071 W ตามด้วยชุด A4, A3 และ A1 ตามลาดับ ปรากฏการณ์ที่กาลังไฟฟ้ามีค่าสูงสุดในช่วงความต้านทานต่า เกิดจากความสัมพันธ์ระหว่าง แรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นและกระแสไฟฟ้าที่ลดลงตามค่าความต้านทาน โดยในช่วงความต้านทานสูง กาลังไฟฟ้าจะมีค่าลดลงเนื่องจากอัตราการลดลงของกระแสไฟฟ้ามีอิทธิพลมากกว่าการเพิ่มขึ้นของ แรงดันไฟฟ้า 74 110 0.42 Rotor A1:R24 0.36 Rotor A2:R30 Rotor A3:R36 Power input (W) 0.3 Rotor A4:R42 0.24 Trendline of Rotor A1 0.18 Trendline of Rotor A2 0.12 Trendline of Rotor A3 0.06 Trendline of Rotor A4 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Resistance (Ω) รูปที่ 4.7 ค่ากาลังอะคูสติกเมื่อเปรียบเทียบกับค่าความต้านทาน ของชุดการทดสอบ A รูปที่ 4.7 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างกาลังอะคูสติกและความต้านทาน ซึ่งคานวณตามขั้นตอน ในหัวข้อ 2.4 จากกราฟพบว่าเมื่อปรับมุมใบพัดโรเตอร์ แนวโน้มของกาลังอะคูสติกจะมีลักษณะ สอดคล้องกับกาลังไฟฟ้าในรูปที่ 4.6 กล่าวคือ มีการเพิ่มขึ้นในช่วงความต้านทาน 1–25 โอห์ม และมี แนวโน้มลดลงในช่วง 50–100 โอห์ม ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเนื่องจากอัตราการดูดซับพลังงาน อะคูสติกของอิมพัลส์เทอร์ไบน์ มีความสัมพันธ์โดยตรงกับลักษณะการเปลี่ยนแปลงของกาลังไฟฟ้าที่ เทอร์ไบน์ผลิตได้ 75 0.08 Rotor A1:R24 0.07 Rotor A2:R30 Power output (W) 0.06 Rotor A3:R36 0.05 Rotot A4:R42 0.04 Trendline of Rotor A1 0.03 Trendline of Rotor A2 0.02 Trendline of Rotor A3 0.01 Trendline of Rotor A4 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Rotational speed (RPM) 1600 1800 2000 รูปที่ 4.8 ค่ากาลังทางไฟฟ้าเมื่อเปรียบเทียบกับความเร็วรอบ ของชุดการทดสอบ A รูปที่ 4.8 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างกาลังไฟฟ้าของอิมพัลส์เทอร์ไบน์และความเร็วรอบที่ ดาเนินการทดสอบตามหัวข้อ 3.15.1 ผลการทดสอบพบว่า กาลังไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นตามความเร็วรอบ จนถึงจุดสูงสุดจุดหนึ่ง ซึ่งแตกต่างกันไปในแต่ละชุดทดสอบ โดยชุด A2 ให้กาลังไฟฟ้าสูงสุดที่ 0.071 วัตต์ ณ ความเร็วรอบ 1,159 rpm ตามด้วยชุด A4, A3 และ A1 ตามลาดับ หลังจากผ่านจุดสูงสุดนี้ กาลังไฟฟ้าของทุกชุดจะมีแนวโน้มลดลงเมื่อความเร็วรอบเพิ่มขึ้น ปรากฏการณ์ดังกล่าวสามารถอธิบายได้ด้วยความสัมพันธ์จากรูปที่ 4.2 และ 4.6 เนื่องจาก ความเร็วรอบของเทอร์ไบน์แปรผันตามค่าความต้านทานไฟฟ้า เมื่อความต้านทานสูงเกิน 25 โอห์ม กาลังไฟฟ้าจะเริ่มลดลงจากรูปที่ 4.6 จึงส่งผลให้กาลังไฟฟ้าลดลงเช่นเดียวกันเมื่อความเร็วรอบเพิ่มสูง เกินกว่าจุดวิกฤตของเทอร์ไบน์แต่ละชุด 4.2.3 อิทธิพลของมุมใบพัดของโรเตอร์ต่อประสิทธิภาพในการแปลงพลังงาน ต่อเนื่องจากหัวข้อ 4.2.2 ซึ่งแสดงอิทธิพลของโหลดไฟฟ้าที่มีต่อแรงดันและกระแสไฟฟ้า ใน หัวข้อนี้จะนาผลการทดสอบดังกล่าวมาคานวณหาประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน จากพลังงาน อะคูสติกเป็นพลังงานไฟฟ้า เพื่อวิเคราะห์อิทธิพลของมุมใบพัดโรเตอร์ที่มีต่อสมรรถนะโดยรวมของ อิมพัลส์เทอร์ไบน์ 76 40 35 Efficientcy (%) 30 25 20 15 Rotor A1:R24 Rotor A2:R30 Rotor A3:R36 Rotor A4:R42 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Resistance (Ω) รูปที่ 4.9 ค่าประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์เมื่อเปรียบเทียบกับค่าความต้านทาน ของชุดการทดสอบ A จากรูป ที่ 4.9 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน จากพลังงาน อะคูสติกเป็นพลังงานไฟฟ้า ของอิมพัลส์เทอร์ไบน์กับค่าความต้านทาน จากผลการทดสอบพบว่า ประสิทธิภาพมีแนวโน้มเพิ่มขึ้นในช่วงความต้านทาน 1-20 โอห์ม และทาค่าสูงสุดที่ 25 โอห์ม โดยชุด เทอร์ไบน์ A2 ให้ประสิทธิภาพสูงสุดที่ 35.62% ตามด้วยชุด A4, A1 และ A3 ตามลาดับ และหลังจาก ผ่านจุดสูงสุดไปแล้ว ประสิทธิภาพของทุกชุดจะเริ่มลดลงในช่วง 50-100 โอห์ม ปรากฏการณ์ดังกล่าวสามารถอธิบายได้ด้วยสมการที่ (2.10) ซึ่งคานวณประสิทธิภาพจาก สัดส่วนกาลังไฟฟ้าจากรูปที่ 4.6 และกาลังอะคูสติกในรูปที่ 4.7 เนื่องจากกาลังอะคูสติก (พลังงานขา เข้า) มีค่าลดลงอย่างต่อเนื่องเมื่อความต้านทานเพิ่มขึ้น ในขณะที่กาลังไฟฟ้า (พลังงานขาออก) มีการ เพิ่มขึ้นจนถึงจุดสูงสุดที่ 25 โอห์มก่อนจะลดลง จึงส่งผลให้กราฟประสิทธิภาพมีทิศทางแปรผันตาม พฤติกรรมของกาลังไฟฟ้า 77 110 40 Rotor A1:R24 35 Rotor A2:R30 30 Efficiency (%) Rotor A3:R36 25 Rotor A4:R42 20 Trendline of Rotor A1 15 Trendline of Rotor A2 10 Trendline of Rotor A3 5 Trendline of Rotor A4 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Rotational speed (RPM) 1400 1600 1800 2000 รูปที่ 4.10 ค่าประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์เมื่อเปรียบเทียบกับความเร็วรอบ ของชุดการทดสอบ A รูปที่ 4.10 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างประสิทธิภาพการแปลงพลังงานอะคูสติกเป็นพลังงาน ไฟฟ้ากับความเร็วรอบของอิมพัลส์เทอร์ไบน์ เนื่องจากชุดทดสอบแต่ละชุดมีความเร็วรอบสูงสุดที่ แตกต่างกัน อ้างอิงจากรูปที่ 4.2 การนาข้อมูลประสิทธิภาพจากรูปที่ 4.9 มาพิจารณาร่วมกับความเร็ว รอบ จึงช่วยให้เห็นถึงสมรรถนะการทางานที่เหมาะสมของแต่ละชุดทดสอบได้ชัดเจนยิ่งขึ้น จากผลการทดสอบพบว่า ชุดทดสอบ A2 ให้ประสิทธิภาพสูงสุดที่ 35.62% ณ ความเร็วรอบ 1,159 รอบต่อนาที ทั้งนี้ แนวโน้ม ของประสิทธิภาพที่แปรผันตามความเร็วรอบ มีความสอดคล้องกับ พฤติกรรมของกาลังไฟฟ้าในรูปที่ 4.8 และผลการวิเคราะห์ในรูปที่ 4.9 อย่างชัดเจน 78 40 Rotor A1:R24 35 Rotor A2:R30 30 Efficinency (%) Rotor A3:R36 25 Rotor A4:R42 20 Trendline of Rotor A1 15 Trendline of Rotor A2 10 Trendline of Rotor A3 5 Trendline of Rotor A4 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Flow coefficient รูปที่ 4.11 ค่าประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์เปรียบเทียบกับ Flow coefficient ของชุดการทดสอบ A จากรูปที่ 4.11 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างประสิทธิภาพการแปลงพลังงานของอิมพัลส์เทอร์ ไบน์และค่า Flow coefficient ซึ่งคานวณตามสมการที่ (2.15) เนื่องจากการทดสอบนี้ อาศั ย แหล่งกาเนิดคลื่นที่ความถี่เดียว ความเร็วของไหลในระบบจึงมีลักษณะค่อนข้างคงที่ ส่งผลให้ค่า Flow coefficient ผกผันกับความเร็วรอบของเทอร์ไบน์โดยตรง เมื่อเพิ่มค่าความต้านทานไฟฟ้า ความเร็ว รอบของเทอร์ไบน์จะสูงขึ้น ดังแสดงในรูปที่ 4.2 ทาให้ค่า Flow coefficient มีแนวโน้มลดลงจากค่า สูงไปสู่ค่าต่า จากกราฟพบว่า ประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์จะเพิ่มขึ้นจนถึงจุดสูงสุด และจะลดลงเมื่อ ค่า Flow coefficient ออกจากช่วงที่เหมาะสม ทั้งนี้ ความแตกต่างของแนวโน้มประสิทธิภาพในแต่ ละชุดทดสอบเป็นผลมาจากการปรับมุมใบพัดโรเตอร์ ซึ่งส่งผลให้ความเร็ว รอบและจุดทางานที่ เหมาะสมของเทอร์ไบน์แต่ละชุดแตกต่างกัน นอกจากนี้ ค่า Flow coefficient ซึ่งเป็นตัวแปรไร้มิติ ยังสามารถใช้กราฟผลการทดสอบนี้เป็นเกณฑ์อ้างอิงในการเปรียบเทียบและคาดการณ์สมรรถนะของ เทอร์ไบน์ที่มีขนาดแตกต่างกันได้ ดังที่อธิบายไว้ในหัวข้อ 2.9 ซึ่งจะเป็นประโยชน์ต่อการศึกษา ค้นคว้า และพัฒนาต่อยอดในอนาคต โดยชุดเทอร์ไบน์ A1 ซึ่งมีมุมใบพัดโรเตอร์ 24 องศา และเป็นมุมที่น้อยที่สุดในการทดสอบ ให้ ค่าประสิทธิภาพต่า เนื่องจากมุมปะทะของการไหลไม่เหมาะสม ทาให้การไหลของอากาศกระทบกับ ใบพัดโรเตอร์ได้น้อย ส่งผลให้แรงบิดและประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์ในการแปลงพลังงานอะคูสติก 79 เป็นพลังงานไฟฟ้าต่ากว่าชุดอื่น ต่อมาที่เทอร์ไบน์ชุด A4 ซึ่งมีมุมใบพัดโรเตอร์ 42 องศา จะเห็นได้ว่า โดยการปรับมุมใบพัดให้มีค่าสูงเกินไป จะทาให้การไหลบริเวณผิวใบพัดทั้งด้านบนและด้านล่างเกิด การแยกตัว ส่งผลให้เกิดการไหลหมุนวนบริเวณด้านหลังใบพัด ซึ่งทาให้เกิดการสูญเสียพลังงานและ ประสิทธิภาพลดลง โดยการปรับมุมใบพัดที่ เหมาะสมในชุดเทอร์ไบน์ A2 ที่มีมุมใบพัดโรเตอร์ 30 องศา มีค่าประสิทธิภาพสูงสุดที่ 35.62% ที่ความเร็วรอบ 1159 รอบต่อนาที ดังแสดงในรูป 4.10 เนื่องจากมุมปะทะของการไหลมีความเหมาะสม ทาให้ของไหลถ่ายเทพลังงานให้กั บใบพัดได้อย่างมี ประสิทธิภาพ และเกิดการแยกตัวของการไหลน้อยกว่าชุดอื่นๆ 4.2.4 สรุปอิทธิพลของมุมใบพัดของโรเตอร์ ในการศึกษาอิทธิพลของมุมใบพัดโรเตอร์ที่มีต่อประสิทธิภาพของอิมพัลส์เทอร์ไบน์ ผู้วิจัยได้ ตั้งสมมติฐานว่า มุมปะทะที่เหมาะสมจะช่วยให้การไหลของอากาศผ่านใบพัดเป็นระเบียบมากขึ้น ส่งผลให้การสูญเสียพลังงานระหว่างการหมุนลดลง จากผลการทดสอบดังแสดงในรูปที่ 4.10 พบว่าชุด ทดสอบ A2 ที่มมีุมใบพัด 30 องศา ให้ประสิทธิภาพสูงสุดที่ 35.62% ณ ความเร็วรอบ 1,159 รอบต่อ นาที ซึ่งสูงที่สุดเมื่อเทียบกับชุดทดสอบอื่นภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน ผลลัพธ์ดังกล่าวสอดคล้องกับสมมติฐานที่ตั้งไว้ ดังนั้นค่ามุมใบพัด 30 องศา จึงถูกกาหนดให้ เป็นพารามิเตอร์อ้างอิง สาหรับการศึกษาอิทธิพลของจานวนใบพัดโรเตอร์ในหัวข้อถัดไป 4.3 ผลการทดสอบจานวนใบพัดของโรเตอร์ หัวข้อนี้ศึกษาอิทธิพลของจานวนใบพัดโรเตอร์ตามตารางที่ 3.1 ที่มีต่อสมรรถนะของอิมพัลส์ เทอร์ไบน์ โดยอ้างอิงผลสรุปจากหัวข้อ 4.2.4 ซึ่งกาหนดให้มุมใบพัดที่ 30 องศาเป็นพารามิเตอร์ อ้างอิง การทดสอบนี้จะเปรียบเทียบค่าประสิทธิ ภาพของเทอร์ไบน์ในแต่ละจานวน ใบพัดผ่าน ความสัมพันธ์ของ 3 ตัวแปรหลัก ได้แก่ ค่าความต้านทานไฟฟ้า ความเร็วรอบ และ Flow Coefficient ในการทดสอบของหัวข้อนี้ พบว่าสมรรถนะการทางานของอิมพัลส์เทอร์ไบน์ภายใต้โหลดไฟฟ้า ที่เปลี่ยนแปลง มีแนวโน้มสอดคล้องกับผลการทดสอบในหัวข้อ 4.2.1 เนื่องจากคุณลักษณะเฉพาะของ เครื่องกาเนิดไฟฟ้าที่ความเร็วรอบและแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นแบบเชิงเส้นเมื่อลดภาระโหลดทาให้ แนวโน้มของผลการทดสอบจะขึ้นอยู่กับโหลดทางไฟฟ้า แต่ความแตกต่างของค่าความเร็วรอบ แรงดัน และกระแสที่เกิดขึ้นนั้น เป็นผลมาจากการปรับเปลี่ยนพารามิเตอร์ของอิมพัลส์เทอร์ไบน์โดยเฉพาะ 4.3.1 อิทธิพลของจานวนใบพัดโรเตอร์ต่อประสิทธิภาพในการแปลงพลังงาน หัว ข้อนี้เป็น การศึกษาอิทธิพลของจานวนใบพัดโรเตอร์ที่มี ผลต่อประสิทธิภาพการแปลง พลังงานอะคูส ติกเป็น พลังงานไฟฟ้า คานวณตามสมการที่ (2.10) เพื่อคัดเลือกจานวนใบพัดที่ 80 เหมาะสมที่สุด สาหรับนาไปใช้เป็นพารามิเตอร์อ้างอิงในการทดสอบจานวนใบพัดสเตเตอร์ในลาดับ ถัดไป โดยมีรายละเอียดผลการทดสอบดังต่อไปนี้ 40 35 Efficiency (%) 30 25 20 15 10 Rotor B1:Nr27 Rotor B2:Nr31 5 Rotor B3:Nr35 0 0 10 20 30 40 50 60 Resistance (Ω) 70 80 90 100 110 รูปที่ 4.12 ค่าประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์เมื่อเปรียบเทียบกับค่าความต้านทานของชุดการทดสอบ B ในรูปที่ 4.12 แสดงผลของประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานอะคูสติกเป็นพลังงานไฟฟ้า ของอิมพัลส์เทอร์ไบน์ เทียบกับความต้านทาน ที่มีแนวโน้มการเปลี่ยนแปลงของค่าประสิทธิภาพ คล้ายคลึงกับ แนวโน้มของประสิทธิภาพในรูปที่ 4.9 ซึ่งแสดงให้เห็นถึง ค่าความต้านทานที่ทาให้ ประสิทธิภาพสูงสุดที่ 25 โอห์ม 81 40 35 Rotor B1:Nr27 Efficientcy (%) 30 Rotor B2:Nr31 25 Rotor B3:Nr35 20 Trendline of rotor B1 15 Trendline of rotor B2 10 Trendline of rotor B3 5 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Rotational speed (RPM) 1800 2000 รูปที่ 4.13 ค่าประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์เมื่อเปรียบเทียบกับความเร็วรอบของชุดการทดสอบ B จากรูปที่ 4.13 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างประสิทธิภาพการแปลงพลังงานและความเร็วรอบ ของอิมพัลส์เทอร์ไบน์ ผลการทดสอบพบว่า ชุดทดสอบ B3 ให้ประสิทธิภาพสูงสุดที่ 35.9% ณ ความเร็วรอบ 1,215 รอบต่อนาที 40 35 Rotor B1:Nr27 30 Efficientcy (%) Rotor B2:Nr31 25 Rotor B3:Nr35 20 Trendline of Rotor B1 15 10 Trendline of Rotor B2 5 Trendline of Rotor B3 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 Flow Coefficient รูปที่ 4.14 ค่าประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์เปรียบเทียบกับ Flow coefficient ของชุดการทดสอบ B 82 รู ป ที่ 4.14 แสดงความสั ม พั น ธ์ ระหว่า งประสิ ท ธิ ภาพของอิ ม พั ล ส์ เ ทอร์ ไ บน์ กั บ Flow coefficient ซึ่งคานวณตามสมการที่ (2.15) เมื่อความต้านทานเพิ่มขึ้น ความเร็วรอบของเทอร์ไบน์จะ สูงขึ้นดัง รูปที่ 4.12 ในขณะที่ความเร็วของไหลค่อนข้างคงที่ จึงส่งผลให้ Flow coefficient มีทิศทาง ลดลงจากค่าสูงไปสู่ค่าต่า อ้างอิงผลการวิเคราะห์จากหัวข้อ 4.11 เมื่อพิจารณาอิทธิพลของจานวนใบพัดภายใต้มุมโรเตอร์ 30 องศาเท่ากัน พบว่าชุดทดสอบ B1 ที่มีจานวนใบพัด 27 ใบ มีประสิทธิภาพต่าที่สุด เนื่องจากระยะห่างระหว่างใบพัดที่กว้างเกินไป ทาให้ ของไหลไม่เกาะติดผิวใบพัด (Flow separation) ในขณะที่การเพิ่มจานวนใบพัดจะช่วยให้ของไหล ไหลแนบไปกับโครงร่างใบพัดได้ดีขึ้น ทว่าหากมีจานวนใบพัดมากเกินไปดังเช่นชุดทดสอบ B3 ที่มี จานวนใบพัด 35 ใบ ช่องว่างที่แคบลงจะไปรบกวนทิศทางการไหลและก่อให้เกิดการสูญเสียจากแรง เสียดทาน ที่ผิวใบพัดสูงขึ้น ดังนั้น การเลือกจานวนใบพัดที่เหมาะสมจึงเป็นปัจจัยสาคัญในการรักษา สมดุลทางอากาศพลศาสตร์ ซึ่งผลการทดสอบยืนยันว่า ชุดทดสอบ B2 ที่มจีานวนใบพัด31 ใบ เป็นจุด ออกแบบที่เหมาะสมที่สุด โดยสามารถทาประสิทธิภาพได้สูงสุดถึง 35.98% 4.3.2 สรุปผลอิทธิพลของจานวนใบพัดของโรเตอร์ ในการศึกษาอิทธิพลของจานวนใบพัดโรเตอร์ที่มีต่อประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน ตาม ขั้นตอนการทดสอบในหัวข้อ 3.15.1 ผู้วิจัยได้ตั้งสมมติฐานว่า จานวนใบพัดมีผลโดยตรงต่อพฤติกรรม การไหลและการสูญเสียพลังงานทางอากาศพลศาสตร์ กล่าวคือ หากโรเตอร์มีจานวนใบพัดมากเกินไป ช่องว่างระหว่างใบพัดที่แคบลงจะช่วยลดปัญหาการไหลย้อนกลับได้ แต่จะก่อให้เกิดการสูญเสีย พลังงานจากแรงเสียดทานที่ผิวใบพัดสูงขึ้น ในทางกลับกัน หากมีจานวนใบพัดน้อย ช่องว่างที่กว้างขึ้น จะช่วยลดแรงเสียดทาน แต่จะเอื้อให้ของไหลเกิดการไหลย้อนกลับและมีความปั่นป่วนสูงขึ้น ซึ่ง ลดทอนประสิทธิภาพโดยรวมลง ดังนั้น จานวนใบพัดที่เหมาะสมจึงต้องสามารถรักษาสมดุลระหว่าง ปัจจัยทั้งสอง เพื่อลดการสูญเสียพลังงานให้เหลือน้อยที่สุด จากผลการทดสอบดังแสดงในรูปที่ 4.13 พบว่า ชุดทดสอบ B2 (จานวน 31 ใบพัด) ให้ ประสิทธิภาพสูงสุดที่ 35.98% ณ ความเร็วรอบ 1,215 รอบต่อนาที ซึ่งสูงที่สุดเมื่อเทียบกับชุด ทดสอบอื่นภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน ผลลัพธ์ดังกล่าวสอดคล้องกับสมมติฐานที่ตั้งไว้ ดังนั้นจานวนใบพัด โรเตอร์ที่ 31 ใบ จึงถูกนาไปใช้เป็นพารามิเตอร์อ้างอิงสาหรับการศึกษาอิทธิพลของจานวนใบพัด สเตเตอร์ในหัวข้อถัดไป 4.4 ผลการทดสอบจานวนใบพัดสเตเตอร์ หัวข้อนี้ศึกษาอิทธิพลของจานวนใบพัดสเตเตอร์ตามตารางที่ 3.1 ทีม่ีต่อสมรรถนะของอิมพัลส์ เทอร์ไบน์ โดยใช้มุมใบพัดโรเตอร์ที่ 30 องศา และจานวนใบพัด 31 ใบ เป็นพารามิเตอร์อ้างอิง จาก ผลสรุปใน 2 หัวข้อก่อนหน้า การทดสอบนี้จะเปรียบเทียบประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์ในแต่ละจานวน 83 ใบพัดสเตเตอร์ ผ่านความสัมพันธ์ ของ 3 ตัวแปรหลัก ได้แก่ ค่าความต้านทานไฟฟ้า ความเร็วรอบ และ Flow Coefficient ดังรายละเอียดต่อไปนี้ 4.4.1 ผลของค่าประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานต่อการเปลี่ยนจานวนใบพัดสเตเตอร์ หัวข้อนี้เป็นการศึกษาอิทธิพลของจานวนใบพัด สเตเตอร์ที่มีผลต่อประสิทธิภาพการแปลง พลังงาน คานวณตามสมการที่ (2.10) เพื่อวิเคราะห์จานวนใบพัดสเตเตอร์ที่เหมาะสมที่สุด สาหรับ นาไปใช้เป็นพารามิเตอร์อ้างอิงในการทดสอบมุมพัดสเตเตอร์ในลาดับถัดไป โดยมีรายละเอียดผลการ ทดสอบดังต่อไปนี้ Efficiency (%) 40 35 Stator C1:Ns20 30 Statot C2:Ns26 25 Stator C3:Ns32 20 Trendline of stator C1 15 10 Trendline of stator C2 5 Trendline of stator C3 0 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 Rotational speed (RPM) รูปที่ 4.15 ค่าประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์เมื่อเปรียบเทียบกับความเร็วรอบของชุดการทดสอบ C จากผลการทดสอบความสัมพันธ์ระหว่างประสิทธิภาพการแปลงพลังงานและความเร็ว รอบ ในรูป ที่ 4.15 พบว่าการเปลี่ย นแปลงจานวนใบพัด สเตเตอร์ส่งผลต่อสมรรถนะการทางานของ อิมพัลส์เทอร์ไบน์ โดยชุดทดสอบ C3 สามารถทาประสิทธิภาพได้สูงสุดถึง 36.2% ที่ความเร็วรอบ 1,360 รอบต่อนาที 84 40 Stator C1:Ns20 35 Efficiency (%) 30 Stator C2:Ns26 25 Stator C3:Ns32 20 Trendline of Stator C1 15 Trendline of Stator C2 10 5 Trendline of Stator C3 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 Flow Coefficient 0.5 0.6 0.7 รูปที่ 4.16 ค่าประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์เปรียบเทียบกับ Flow coefficient ของชุดการทดสอบ C รู ป ที่ 4.16 แสดงความสั ม พั น ธ์ ระหว่า งประสิ ท ธิ ภาพของอิ ม พั ล ส์ เ ทอร์ ไ บน์ แ ละ Flow coefficient ตามสมการที่ (2.15) เมื่อความต้านทานเพิ่มขึ้น ความเร็วรอบของเทอร์ไบน์จะเพิ่มขึ้น ตาม ทาให้ค่า Flow coefficient มีแนวโน้มลดลงจากค่าสูงไปสู่ค่าต่า อ้างอิงผลการวิเคราะห์จาก หัวข้อ 4.11 เมื่อพิจารณาอิทธิพลของจานวนใบพัดสเตเตอร์ พบว่าชุดทดสอบ C1 ที่มีจานวนใบ 20 ใบ ให้ ประสิทธิภาพต่าที่สุดที่ 26.8% เนื่องจากช่องว่างระหว่างใบพัดที่กว้างเกินไป ทาให้มีพื้นที่ผิวสาหรับ ควบคุมทิศทางการไหลไม่เพียงพอ ของไหลจึงเบี่ยงเบนออกจากทิศทางที่ออกแบบไว้ ในขณะที่การ เพิ่มจานวนใบพัดเป็น 26 และ 32 ใบ จะช่วยลดช่องว่างดังกล่าว ส่งผลให้สเตเตอร์สามารถบังคับทิศ ทางการไหล เข้าสู่โรเตอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ดังนั้น ประสิทธิภาพโดยรวมจึงแปรผันตาม จานวนใบพัดที่เพิ่มขึ้น โดยชุดทดสอบ C3 ที่มีจานวนใบ 32 ใบ สามารถทาประสิทธิภาพได้สูงสุดถึง 36.2% 4.4.2 สรุปอิทธิพลของการเปลี่ยนจานวนใบพัดสเตเตอร์ ในการศึกษาอิทธิพลของจานวนใบพัดสเตเตอร์ ผู้วิจัยได้ตั้งสมมติฐานว่า จานวนใบพัดมีผล โดยตรงต่อการจัดระเบียบการไหลของอากาศก่อนส่งต่อไปยังโรเตอร์ กล่าวคือ หากสเตเตอร์มีจานวน 85 ใบพัดน้อย (ช่องว่างระหว่างใบพัดกว้าง) จะเอื้อให้เกิดการไหลย้อนกลับและความปั่นป่วน ซึ่งนาไปสู่ การสูญเสียพลังงาน ในทางกลับกัน หากมีจานวนใบพัดมากทาให้ช่องว่างระหว่างใบพัดแคบ แม้จะ ช่วยควบคุมทิศทางการไหลเข้าสู่โรเตอร์ได้ดีขึ้น แต่จะก่อให้เกิดการสูญเสียจากแรงเสียดทานที่ผิว ใบพัดเพิ่มขึ้น ดังนั้น การทดสอบนี้จึงมุ่งหาจานวนใบพัดสเตเตอร์ที่เหมาะสมที่สุด เพื่อรักษาสมดุล และยกระดับประสิทธิภาพการแปลงพลังงานของระบบ จากผลการทดสอบดังแสดงในรูปที่ 4.15 พบว่า ชุดทดสอบ C3 ที่มีจานวน 32 ใบพัด ให้ ประสิทธิภาพสูงสุดที่ 36.2% ณ ความเร็วรอบ 1,360 rpm ซึ่งสูงที่สุดเมื่อเทียบกับชุดทดสอบอื่น ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน ผลลัพธ์ดังกล่าวสอดคล้องกับสมมติฐานที่ตั้งไว้ ดังนั้น จานวนใบพัดสเตเตอร์ที่ 32 ใบ จึงถูกนาไปใช้เป็นพารามิเตอร์อ้างอิงสาหรับการศึกษาอิทธิพลของมุมใบพัดสเตเตอร์ในหัวข้อ ถัดไป 4.5 ผลการทดสอบมุมใบพัดสเตเตอร์ หัวข้อนี้เป็นการศึกษาอิทธิพลของมุมใบพัดสเตเตอร์ตามตารางที่ 3.1 ที่มีต่อสมรรถนะของ อิมพัลส์เทอร์ไบน์ โดยกาหนดให้มุมใบพัดโรเตอร์ที่ 30 องศา, จานวนใบพัดโรเตอร์ 31 ใบ และจานวน ใบพัดสเตเตอร์ 32 ใบ เป็นพารามิเตอร์อ้างอิงที่ได้จากการสรุปผลใน 3 หัวข้อก่อนหน้า การทดสอบนี้ จะเปรียบเทียบประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์ในแต่ละมุมใบพัดสเตเตอร์ ผ่านความสัมพันธ์ของ 3 ตัว แปรหลัก ได้แก่ ค่าความต้านทานไฟฟ้า ความเร็วรอบ และ Flow Coefficient ดังรายละเอียดต่อไปนี้ 4.5.1 ผลของค่าประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานต่อการเปลี่ยนจานวนใบพัดสเตเตอร์ หัว ข้อนี้เป็น การศึกษาอิทธิพลของมุมใบพัดสเตเตอร์ต่อประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน อะคูสติกเป็นพลังงานไฟฟ้า คานวณตามสมการที่ (2.10) เพื่อคัดเลือกมุมใบพัดสเตเตอร์ที่เหมาะสม ที่สุด ซึ่งเป็นตัวแปรสุดท้ายของการทดสอบ ที่อ้างอิงจากหัวข้อที่ 3.7 และแสดงผลการทดสอบได้ ดังต่อไปนี้ 86 40 35 Stator D1:S20 Efficiency (%) 30 Stator D2:S25 25 Stator D3:S30 20 15 Trendline of Stator D1 10 Trendline of Stator D2 5 Trendline of Stator D3 0 0 250 500 750 1000 1250 1500 Rotational speed (RPM) 1750 2000 2250 รูปที่ 4.17 ค่าประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์เมื่อเปรียบเทียบกับความเร็วรอบ ของชุดการทดสอบ D จากผลการทดสอบในรูปที่ 4.17 แสดงให้เห็นว่า การปรับมุมใบพัดสเตเตอร์ส่งผลโดยตรงต่อ ประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน เนื่องจากเป็นตัวแปรที่ควบคุมทิศทางการไหลเข้าสู่ใบพัดโรเตอร์ โดย ชุดทดสอบ D1 สามารถทาประสิทธิภาพได้สูงสุด 36.2% ที่ความเร็วรอบ 1,360 รอบต่อนาที 40 35 Stator D1:S20 30 Efficiency (%) Stator D2:S25 25 Stator D3:S30 20 Trendline of Stator D1 15 Trendline of Stator D2 10 Trendline of Stator D3 5 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Flow coefficient 0.6 0.7 0.8 0.9 รูปที่ 4.18 ค่าประสิทธิภาพของเทอร์ไบน์เปรียบเทียบกับ Flow coefficient ของชุดการทดสอบ D 87 รู ป ที่ 4.18 แสดงความสั ม พั น ธ์ ระหว่า งประสิ ท ธิ ภาพของอิ ม พั ล ส์ เ ทอร์ ไ บน์ แ ละ Flow coefficient ตามสมการที่ (2.15) โดยค่า Flow coefficient จะลดลงเมื่อความต้านทานและความเร็ว รอบเพิ่มขึ้น อ้างอิงผลการวิเคราะห์จากหัวข้อ 4.11 จากการสังเกตพบว่า เส้นแนวโน้มของเทอร์ไบน์ ชุด D มีการเลื่อนตาแหน่ง แตกต่างกันอย่างเห็นได้ชัด ซึ่งเป็นผลมาจากการปรับมุมสเตเตอร์ที่ส่งผล โดยตรงต่อทิศทางการไหลก่อนเข้าสู่โรเตอร์ และมีอิทธิพลต่อความเร็วรอบของเทอร์ไบน์อย่างมี นัยสาคัญ เมื่อพิจารณาการทดสอบชุด D กาหนดจานวนใบพัดสเตเตอร์เท่ากันที่ 30 ใบ พบว่าชุดทดสอบ D3 มีมุมใบพัดสเตเตอร์ที่ 30 องศา ให้ประสิทธิภาพต่าที่สุด เนื่องจากมุมใบพัดที่กว้างเกินไปทาให้ อากาศไหลผ่านสเตเตอร์ไปโดยไม่ถูกเบี่ยงเบนทิศทางอย่างเหมาะสม ในทางกลับกัน การลดมุมสเต เตอร์ให้แคบลงจะช่วยบังคับทิศทางการไหลให้พุ่งเข้าปะทะใบพัดโรเตอร์ตามมุมที่ออกแบบไว้ได้ดี ยิ่งขึ้น ด้วยเหตุนี้ ชุดทดสอบ D1 มีมุมใบพัดสเตเตอร์ที่ 20 องศา จึงสามารถทาประสิทธิภาพได้สูงสุด ของการทดสอบที่ 36.2% 4.5.2 สรุปผลอิทธิพลของการเปลี่ยนจานวนใบพัดสเตเตอร์ ในการศึกษาอิทธิพลของมุมใบพัดสเตเตอร์ ผู้จัดทาได้ตั้งสมมติฐานว่ามุมส่วนโค้งของใบพัดเป็น ตัวแปรสาคัญที่กาหนดทิศทางการไหลของอากาศเข้าสู่โรเตอร์ หากมุมใบพัดของสเตเตอร์กว้างเกินไป ทิศทางการไหลของอากาศจะไม่ปะทะกับใบพัดโรเตอร์ในตาแหน่งที่เหมาะสม แต่หากมุม แคบเกินไป จะส่งผลให้เกิดการสูญเสียพลังงานจากแรงเสียดทาน บริเวณพื้นที่ผิวของสเตเตอร์ที่เพิ่มขึ้น ดังนั้น การออกแบบมุมใบพัดที่เหมาะสมจึงช่วยลดการสูญเสียพลังงานในระบบได้อย่างมีนัยสาคัญ จากผลการทดสอบดังแสดงในรูปที่ 4.17 พบว่า ชุดทดสอบ D1 ที่มีมุมใบพัด 20 องศา ให้ ประสิทธิภาพสูงสุดที่ 36.2% ณ ความเร็วรอบ 1,360 rpm ซึ่งสูงที่สุดเมื่อเทียบกับชุดทดสอบอื่น ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน ผลลัพธ์ดังกล่าวสอดคล้องกับสมมติฐานที่ตั้งไว้ ดังนั้น มุมใบพัดสเตเตอร์ที่ 20 องศา ที่เป็นตัวแปรลาดับสุดท้ายในการทดสอบของหัวข้อที่ 3.7 จะถูกนาไปใช้เป็นพารามิเตอร์อ้างอิง สาหรับการออกแบบอิมพัลส์เทอร์ไบน์ที่ให้ค่าประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานอะคูสติกเป็นพลังงาน ไฟฟ้าที่สูงที่สุด 4.6 สรุปผลการทดสอบอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง การศึกษานี้ได้ดาเนินการปรับปรุงสมรรถนะของอิมพัลส์เทอร์ไบน์ด้วยวิธี Univariate Search Method โดยทาการหาค่าพารามิเตอร์ที่เหมาะสมที่สุด 4 ตัวแปรตามลาดับ ภายใต้สภาวะจาลองของ เครื่ อ งยนต์ เ ทอร์ โ มอะคู ส ติ ก ที่ ค วามถี่ 65 Hz ผลการทดสอบสามารถสรุ ป พารามิ เ ตอร์ ที่ ใ ห้ ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูงสุดในแต่ละขั้นตอนได้ดังนี้: 88 ขั้นตอนที่ 1 การปรับมุมใบพัดโรเตอร์ ชุด A ชุดทดสอบ A1 ที่มุมใบพัด 30 องศา ให้ประสิทธิภาพสูงสุดที่ 35.62% (นาไปใช้เป็นค่าอ้างอิง ในขั้นถัดไป) ขั้นตอนที่ 2 การปรับจานวนใบพัดโรเตอร์ ชุด B ชุดทดสอบ B2 ที่จานวนใบพัด 31 ใบ ให้ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นเป็น 35.90% ขั้นตอนที่ 3 การปรับจานวนใบพัดสเตเตอร์ ชุด C ชุดทดสอบ C3 ที่จานวนใบพัด 32 ใบ ให้ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นเป็น 36.20% ขั้นตอนที่ 4 การปรับมุมใบพัดสเตเตอร์ ชุด D ชุ ด ทดสอบ D1 ที่ มุ ม ใบพั ด 20 องศา ให้ ป ระสิ ท ธิ ภาพสู งสุด ทัด เที ยมกั บขั้น ตอนที่สาม ที่ 36.20% จากผลการทดสอบทั้ง 4 ขั้นตอน นาไปสู่ข้อสรุปของการออกแบบชุดเทอร์ไบน์ต้น แบบที่ เหมาะสมที่สุด สาหรับนาไปใช้งานร่วมกับเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติก โดยมีองค์ประกอบสุดท้ายคือ มุมใบพัดโรเตอร์ 30 องศา, จานวนโรเตอร์ 31 ใบ, จานวนสเตเตอร์ 32 ใบ และมุมสเตเตอร์ 20 องศา ซึ่งให้ประสิทธิภาพรวมสูงสุดของการทดสอบที่ 36.20% 89 บทที่ 5 สรุปผล และข้อเสนอแนะ ปริญญานิพนธ์ฉบับนี้นาเสนอการออกแบบและสร้างอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง เพื่อ ทดสอบประสิทธิภาพการแปลงพลังงานอะคูสติกเป็นพลังงานไฟฟ้า โดยใช้ลาโพงจาลองสภาวะการ ทางานของเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติก ผลการทดสอบยืนยันความเป็นไปได้ในการใช้งานระบบ ดังกล่าว และแสดงให้เห็นถึงอิทธิพลของตัวแปรต่างๆ ที่มีต่อประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน ซึ่งบรรลุ ตามวัตถุประสงค์ที่ตั้งไว้ ข้อมูลจากการศึกษาครั้งนี้สามารถใช้เป็นแนวทางในการพัฒนาอิมพัลส์เทอร์ ไบน์เพื่อใช้งานร่วมกับเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกในอนาคต 5.1 สรุปผล จากการทดสอบประสิทธิภาพการแปลงพลังงานของอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง โดยใช้ ลาโพงจาลองแหล่งกาเนิดพลังงานอะคูสติกจากเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติก ดังหัวข้อที่ 3.15 และ สามารถสรุปผลการศึกษาได้ดังนี้ 1.) การออกแบบและการขึ้นรูป ใบพัดถูกออกแบบโดยอาศัยรูปทรงวงกลมและวงรี เพื่อกาหนดมุมตัดที่แม่นยา และทาการผลิต ชิ้นงานต้นแบบด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติ (FDM) ชนิดพลาสติก PLA ซึ่งสามารถขึ้นรูปชิ้นงานได้สมบูรณ์ ตามแบบจาลอง ดังรายละเอียดทีแ่ สดงในหัวข้อ 3.11-3.12 2.) ผลกระทบของตัวแปรต่อประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน จากการศึกษาตัวแปรทางเรขาคณิตพบว่ามีอิทธิพลต่อประสิทธิภาพ 4 ข้อดังนี้ 2.1) มุมใบพัดโรเตอร์ ทาการศึกษาในช่วง 27-35 ใบ พบว่า การใช้มุมที่กว้างหรือแคบเกินไปจะทาให้ประสิทธิภาพ ลดลง โดยมุมที่เหมาะสมที่สุดคือ 30 องศา ซึ่งให้ประสิทธิภาพสูงสุดในกลุ่มนี้ที่ 35.62% 2.2) จานวนใบพัดโรเตอร์ ทาการศึกษาในช่วง 27-35 ใบ พบว่า จานวนใบพัดที่มากเกินไปจะเพิ่มแรงเสียดทานทาง อากาศ ในขณะที่ จานวนใบพั ด ที่ น้ อ ยเกิ น ไปจะก่ อ ให้ เ กิ ด การไหลแบบปั่ น ป่ ว น ซึ่ ง ล้ ว นทาให้ ประสิทธิภาพลดลง โดยจานวนที่เหมาะสมที่สุดคือ 31 ใบ ให้ประสิทธิภาพที่ 35.90% 2.3) จานวนใบพัดสเตเตอร์ ศึกษาในช่วง 20-32 ใบ พบว่า มีผลต่อทิศทางการไหลและแรงเสียดทานของอากาศ ซึ่งส่งผล ต่อความเร็วลม โดยจานวนใบพัดที่ 32 ใบ ให้ประสิทธิภาพสูงสุดที่ 36.29% 90 2.4) มุมใบพัดสเตเตอร์ ศึกษาในช่วง 20-30 องศา พบว่า ส่งผลในลักษณะเดียวกับจานวนใบพัด สเตเตอร์ โดยมุมที่ 20 องศา เป็นค่าที่ให้ประสิทธิภาพสูงสุด 3.) สรุปผลการออกแบบอิมพัลส์เทอร์ไบน์ จากผลการทดสอบทั้งหมด สภาวะที่อิมพัลส์เทอร์ไบน์ให้ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูงสุด ที่ 36.29% ภายใต้ความถี่การทางาน 65 เฮิรตซ์ โดยการใช้ค่าตัวแปรดังนี้ 1. มุมใบพัดโรเตอร์ 30 องศา 2. จานวนใบพัดโรเตอร์ 31 ใบ 3. มุมใบพัดโรเตอร์ 30 องศา 4. จานวนใบพัดโรเตอร์ 31 ใบ และ 5. มุมใบพัดสเตเตอร์ 20 องศา 5.2 ข้อเสนอแนะ จากการศึกษาและสร้างอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทาง พบข้อจากัดบางประการในระหว่าง การดาเนินงาน เพื่อเป็นแนวทางในการพัฒนาและต่อยอดปริญญานิพนธ์ในอนาคต จึงมีข้อเสนอแนะ 6 ประการ ดังนี้ 1. การขึ้นรูปชิ้นงาน ควรพิจารณาเปลี่ยนกระบวนการพิมพ์สามมิติจากเทคนิค FDM เป็นเทคนิค SLA (Stereolithography) หรือ SLS (Selective Laser Sintering) ซึ่งมีความละเอียดและคุณภาพผิว งานที่สูงกว่า เพื่อลดข้อบกพร่องของชิ้นส่วนและเพิ่มประสิทธิภาพทางพลศาสตร์ไหล 2. ช่วงความถี่ในการทดสอบ ควรขยายช่วงความถี่อะคูสติกในการทดสอบให้หลากหลายมากขึ้น เนื่องจากการศึกษานี้ทดสอบที่ 65 เฮิรตซ์เพียงค่าเดียว เพื่อให้สามารถวิเคราะห์พฤติกรรมและ แนวโน้มสมรรถนะของเทอร์ไบน์ในสภาวะการทางานที่กว้างขึ้น 3. เครื่องกาเนิดไฟฟ้า ควรพิจารณาเปลี่ยนเครื่องกาเนิดไฟฟ้าจากมอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงถ่าน เป็นชนิดไร้แปรงถ่าน เพื่อลดแรงเสียดทานทางกล เพิ่มความทนทาน และยกระดับประสิทธิภาพการ แปลงพลังงาน 4. การวิเคราะห์การสูญเสียพลังงาน ควรบันทึกข้อมูลกาลังไฟฟ้าขาเข้าของแหล่งกาเนิดคลื่นอะคูสติก เพิ่มเติม เพื่อนามาใช้วิเคราะห์การสูญเสียพลังงาน ในระบบโดยรวม ซึ่งจะช่วยให้การประเมิน ประสิทธิภาพมีความสมบูรณ์ยิ่งขึ้น 5. โหลดทางไฟฟ้า ควรเพิ่มช่วงการทดสอบของโหลดทางไฟฟ้า หรือใช้ตัวต้านทานที่ปรับค่าได้ ละเอียดขึ้น เพื่อให้สามารถสร้างเส้นโค้งสมรรถนะ และวิเคราะห์แนวโน้มการดึงพลังงานได้อย่าง แม่นยา 6. ระบบบันทึกข้อมูล ควรติดตั้งอุปกรณ์ DAQ (Data Acquisition) เพื่อรับสัญญาณจาก Signal Conditioner เข้าสู่ คอมพิวเตอร์ โ ดยตรง วิธีนี้จะช่ว ยลดความคลาดเคลื่อนจากการอ่านค่าผ่าน ออสซิลโลสโคป (Oscilloscope) ด้วยสายตา และทาให้การประมวลผลข้อมูลกาลังอะคูสติกเป็นไป อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพมากขึ้น 91 เอกสารอ้างอิง [1] M.A. Elhawary, Abdelmaged H. Ibrahim, Ashraf S. Sabry, Ehab Abdel-Rahman, “Experimental study of a small scale bi-directional axial impulse turbine for acoustic-to-mechanical power conversion”, Renewable Energy, Vol. 159, 2020, pp. 414-426. [2] Michal Andreas Gerardus Timmer, BIDIRECTIONAL IMPULSE TURBINES FOR THERMOACOUSTIC DEVICE, PhD, Thermal Engineering, Faculty of Engineering Technology, University of Twente, 2020, pp. 1-35. [3] อิศเรศ ธุชกัลยา, พัชรินทร์ แซ่จัน, “การออกแบบและสร้างเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกแบบ คลื่นนิ่งสาหรับการประยุกต์ใช้งานของการทาความเย็นเทอร์โมอะคูสติก ,” วารสารวิจัยและ พัฒนา มจธ., ปีที่ 38, ฉบับที่ 4, 2558. [4] Usama Ali, Omar Al-Mufti, Isam Janajreh, “Harnessing sound waves for sustainable energy: Advancements and challenges in thermoacoustic technology”, Vol.15, 2024. [5] Gregory W. Swift, Thermoacoustics: A Unifying Perspective for Some Engines and Refrigerators, Second Edition, ASA Press / Springer, Switzerland, 2017. [6] Exploring Piezoelectric Materials: Types, Properties, and Technological Impact [Online], 2023, Available: https://shorturl.asia/PeRj0 [วันที่สืบค้น: 1 สิงหาคม 2025]. [7] Rasool Soltanmohamadi, Esmail Lakzian, “Improved design of Wells turbine for wave energy conversion using entropy generation”, Meccanica, Vol. 15, 2015, pp.1713-1722. [8] Falcão AFO and Gato LMC, “Air Turbines”, Comprehensive Renewable Energy, Vol.8, 2012, pp. 111–149. [9] Mehta, V.K. and Mehta, R., Basic Electrical Engineering, 1st edition, S. Chand & Company Ltd., New Delhi, 1988. [10]International Organization for Standardization, ISO 10534-2: Acoustics — Determination of sound absorption coefficient and impedance in impedance tubes — Part 2: Transfer-function method [Online], 2001, Available: https://www.iso.org/standard/81294.html [วันที่สืบค้น: 1 สิงหาคม 2025] 92 [11] Physics Stack Exchange. “Pressure standing wave nodes at the end of the open side of a tube” [Online], 2023, Available: https://physics.stackexchange.com/questions/256008/pressure-standing-wavenodes-at-the-end-of-the-open-side-of-a-tube [วันที่สืบค้น 3 ตุลาคม 2025] [12] Papacosta P. and Linscheid N., “An Inexpensive and Versatile Version of Kundt’s Tube for Measuring the Speed of Sound in Air”, The Physics Teacher, Vol. 54, 2016, pp.50-51. [13] 3M Australia Pty Ltd., 3M™ E-A-RSoft™ Yellow Neons™ Disposable Foam Earplugs: Technical Data Sheet, 3M Personal Safety Division, Sidney, Australia, 2022. [14] Garry A. Crowell Sr., “The Descriptive Geometry of Nose Cone”, 1996 [15] Mabuchi Motor Co., Ltd., EG-530AD Series DC Motor Datasheet [Online], 2015, Available: https://www.mabuchi-motor.co.jp [สืบค้นเมื่อวันที่ 3 ตุลาคม 2568] [16] NSK Ltd., Miniature Ball Bearing Catalog (CAT. No. E126h), NSK Ltd, Tokyo, Japan, 2015. [17] Fatimah Al Zahrah Mohd Saat, “A 3D Printed Bi-Directional Turbine for Thermoacoustic Standing Wave Environment at an Atmospheric Pressure”, Journal of Advanced Research in Experimental Fluid Mechanics and Heat Transfer, Vol. 15, No. 1, 2024, pp.1–13. [18] Seybert, Andrew F, "Notes on absorption and impedance measurements.", Astm E1050, 2010, pp.1-6. [19] Wolkesson Martin, Evaluation of impedance tube methods-A two microphone in-situ method for road surfaces and the three microphone transfer function method for porous materials, M.S., Sound and Vibration, Department of Civil and Environmental Engineering, Chalmers University of Technology, 2013. [20] Fusco, Andrew M., William C. Ward, and Gregory W. Swift, "Two‐sensor power measurements in lossy ducts.", The Journal of the Acoustical Society of America, Vol. 91, No. 4, 1992, pp.2229-2235. [21] XM Physics. 10.8.1 Displacement vs Pressure [Online]. 2023.Available: https://xmphysics.com/2023/01/02/10-8-1-displacement-vs-pressure/ [Accessed: 24 December, 2026]. 93 [22]Electrical4U, “Hopkinson’s Test” [Online], Available: https://www.electrical4u.com/hopkinsons-test/ [Accessed 27 December 2025]. [23] School of Physics, UNSW. Flutes vs. Clarinets [Online].Available : https://www.phys.unsw.edu.au/jw/flutes.v.clarinets.html [Accessed 25 December 2025]. [24] PCB Model 113B28 Installation and Operating Manual [Online], Available: https://www.pcb.com/contentstore/docs/pcb_corporate/pressure/products/m anuals/113b28.pdf [Accessed 25 December 2025]. [25] Design Rules & Best Practices for FFF 3D Printing [Online], Available: https://www.hydraresearch3d.com/design-rules [Accessed 27 December 2025]. [26] Printer Calibration [Online], Available: https://wiki.bambulab.com/en/general/printer-calibration [Accessed 27 December 2025] [27] Panchroma™ Matte PLA [Online], Available: https://wiki.polymaker.com/polymaker-products/polymakerfilaments/panchroma-tm/panchroma-tm-matte-pla [Accessed 27 December 2025] [28] Radek Boháč, Václav Kopecký, Jiří Primas, Michal Malík and Lubomír Slavík, “Educational device for demonstrating Lenz’s law,” Physics Education, Vol. 60, No. 1, 2025, pp.1-12. [29] Korpela, A., Principles of Turbomachinery, พิมพ์ครั้งที่ 2, John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey, 2011. [30] Lewis, R. I., Turbomachinery Performance Analysis, Arnold, London, 1996. [31] Champoux, Y., Nicolas, J., and Allard, J. F., “Measurement of Acoustic Impedance in a Free Field at Low Frequencies,” Journal of Sound and Vibration, Vol. 125, No. 2, 1988, pp. 313–323. 94 ภาคผนวก ก ภาพเขียนแบบชุดอิมพัลส์เทอร์ไบน์ 95 รูป ก.1 ใบพัดโรเตอร์ R24-Nr35 รูป ก.2 ใบพัดโรเตอร์ R30-Ns35 96 รูป ก.3 ใบพัดโรเตอร์ R36-Nr35 รูป ก.4 ใบพัดโรเตอร์ R42-Nr35 97 รูป ก.5 ใบพัดสเตเตอร์ S20-Ns26 98 รูป ก.6 ใบพัดสเตเตอร์ S20-Ns20 99 รูป ก.7 ใบพัดสเตเตอร์ S20-Ns32 100 รูป ก.8 ใบพัดสเตเตอร์ S25-Ns32 101 รูป ก.9 ใบพัดสเตเตอร์ S30-Ns32 102 ภาคผนวก ข ภาพอุปกรณ์อิมพัลส์เทอร์ไบน์ 103 รูป ข.1 อุปกรณ์ในการประกอบอิมพัลส์เทอร์ไบน์ รูป ข.2 ตลับลูกปืน SKF 623 2Z รูป ข.3 มอเตอร์ 104 รูป ข.4 เพลาขนาด 3 มิลลิเมตร รูป ข.5 ท่ออะคริลิก 105 ภาคผนวก ค ภาพเขียนแบบชุดทดสอบอิมพัลส์เทอร์ไบน์ 106 รูป ค.1 ภาพประกอบแบบแยกส่วน 107 ภาคผนวก ง ภาพอุปกรณ์ชุดทดสอบอิมพัลส์เทอร์ไบน์ 108 รูป ง.1 ท่อ PVC ขนาด 3 นิ้ว ชั้นความหนา 13.5 รูป ง.2 แผ่นอะคริลิก รูป ง.3 ข้อต่อตรง PVC 3" 109 รูป ง.4 ท่ออะแดปเตอร์ PVC 3" เส้นผ่านศูนย์กลางใน 80 มิลลิเมตร รูป ง.5 ฝาครอบ PVC 3" รูป ง.6 L Bracket long type 110 รูป ง.7 PVC support รูป ง.8 ซิลิโคนยาแนว รูป ง.9 กาวปะเก็นซิลิโคน 111 รูป ง.10 Reducer รูป ง.11 ไม้ MDF รูป ง.12 Power amplifier DZ-2000.1D 112 รูป ง.13 Subwoofer PM0408 300W รูป ง.14 PCB piezotronics pressure sensor 113B28 รูป ง.15 PCB piezotronics sensor signal conditioner model 482C 113 รูป ง.16 Rigol DS2072A digital oscilloscope รูป ง.17 Testo 470 digital tachometer รูป ง.18 Sanwa CD732 Digital multimeter 114 รูป ง.19 ตัวต้านทาน รูป ง.20 คอมพิวเตอร์ 115 ภาคผนวก จ รายการคานวณ 116 117 118 ภาคผนวก ฉ ภาพการดาเนินงาน 119 รูป ฉ.1 การเตรียมไม้ MDF สาหรับการขึ้นรูปชุดทดสอบ รูป ฉ.2 การเตรียมไม้ MDF สาหรับรองรับท่อ รูป ฉ.3 การประกอบฐานชุดทดสอบ 120 รูป ฉ.4 การติดตั้ง Pressure sensors รูป ฉ.5 เครื่องพิมพ์สามมิติที่ใช้ในการขึ้นรูปอิมพัลส์เทอร์ไบน์ 121 รูป ฉ.6 การทดสอบประสิทธิภาพของเครื่องกาเนิดไฟฟ้า รูป ฉ.7 การทดสอบประสิทธิภาพของอิมพัลส์เทอร์ไบน์ 122

Abstract

This thesis presents the study and design of a bi-directional impulse turbine for integration with a thermoacoustic engine to convert acoustic energy into electrical power. In this research, an experimental setup was developed using a loudspeaker as a simulated acoustic wave source at a frequency of 65 Hz. The turbine prototype components were fabricated using 3D printing technology. The study focuses on identifying optimal geometric parameters to minimize flow dynamic losses and maximize energy conversion efficiency. The Univariate Search Method was employed to investigate four key parameters rotor blade angle, number of rotor blades, number of stator blades, and stator blade angle. Furthermore, the generator's efficiency was evaluated to improve the accuracy of the calculated turbine efficiency. The experimental results revealed that the generator operates at an efficiency of approximately 70%. The optimal design parameters for the bi-directional impulse turbine were found to be a rotor blade angle of 30°, 31 rotor blades, 32 stator blades, and a stator blade angle of 20°. Under these conditions, the turbine achieved a peak energy conversion efficiency of 36.29%. These findings serve as a guideline for designing and developing turbines compatible with thermoacoustic engines for industrial waste heat recovery and electricity generation in the future.

อ้างอิงผลงานนี้ / Cite this

รหัสโปรเจค

TF-2568-003

ชื่อเรื่อง

การออกแบบอิมพัลส์เทอร์ไบน์แบบสองทิศทางเพื่อใช้งานกับเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูติกสำหรับการผลิตพลังงานไฟฟ้า / Design of a bi-directional impulse turbine applied to a thermoacoustic engine for electrical power generation

ผู้จัดทำ

ภูริวัจน์ บางเสน, วงศธร ศรีมีชัย, ภีมพล คุระทอง, สหรัฐ เอนสาร

อาจารย์ที่ปรึกษา

รศ.ดร.พัชรินทร์ แซ่จัน

ปีการศึกษา

2568 (C.E. 2025)

หน่วยงาน

ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลและการบิน-อวกาศ (MAE) มจพ.

URL

https://maeconnect.eng.kmutnb.ac.th/projects/cmoi2racd00apxtyrjblnw7ns