โดย อาคม รวมสุวรรณ 27 ส.ค. 2558 10:25
เครื่องยนต์ Gas Turbine ถูกคิดค้นและสร้างขึ้นเป็นเครื่องแรกของโลกในปี ค.ศ. 1930 โดยนักบินทดสอบชาวอังกฤษ Frank Whittle ซึ่งนับไ้ด้ว่ามันคือเครื่องยนต์กังหันไอพ่นเครื่องแรกที่เกิดจากมันสมองของมนุษย์ แต่เครื่องเจ็ตต้นแบบเครื่องแรกของโลกก็ยังไม่ได้ถูกนำไปใช้งานบนอากาศยานแต่อย่างใดเนื่องจาก Frank Whittle สร้างเจ้าเครื่องยนต์พลังสูงตัวนี้ด้วยขนาดที่เล็กเพื่อการทดสอบการทำงานแต่เพียงอย่างเดียว เครื่องยนต์ชนิดนี้ต่อมาในภายหลังถูกเรียกว่า Turbo Jet Engine อีก 6 ปีต่อมา ในช่วงปีค.ศ. 1936 นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันชื่อ Dr.Hans Von Ohain ได้ทำการสร้างเครื่องยนต์ Gas Turbine เพื่อนำไปใช้งานกับเครื่องบินทดสอบ Heinkel He178 ของกองทัพอากาศเยอรมัน ซึ่งกลายเป็นอากาศยานแบบแรกของโลกที่ติดตั้งเครื่องยนต์เจ็ตหรือเครื่องแบบ Gus Turbine และทำการขึ้นบินเพื่อประเมินประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ Gus Turbine รวมถึงทดสอบสมรรถนะที่มีความแตกต่างจากเครื่องยนต์แบบลูกสูบในด้านของพลังและการขับเคลื่อน




หลักการทำงานของเครื่องยนต์ Gus Turbine หรือ Gus Generator นั้นแตกต่างจากเครื่องยนต์ลูกสูบมาก มันให้พลังหรือแรงขับดันที่จะทำให้อากาศยานบินด้วยความสูงและความเร็วมากกว่าเครื่องยนต์ลูกสูบหลายเท่า ซึ่งส่งผลไปถึงสมรรถนะในการบินทุกรูปแบบที่มีข้อดีมากกว่าเครื่องยนต์แบบลูกสูบในเรื่องของกำลังและความเร็วที่ใช้ในการบิน แนวคิดของการออกแบบ พัฒนาและสร้างเครื่องยนต์ Gus Turbine หรือ Gus Generator นั้นเกิดขึ้นจากหลักคิดในกฎของนิวตันเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของวัตถุว่า ทุกแรงกริยามีค่าเท่ากับแรงปฏิกิริยาเสมอ การทำงานของเครื่องยนต์ Gus Turine เกิดจากการปลดปล่อยแก๊สร้อนความเร็วสูงออกทางท่อท้ายของเครื่องยนต์หรือ Nozzle เมื่อเริ่มต้นวงจรการทำงานของเครื่องยนต์ Gus Turbine อากาศภายนอกจะถูกดูดเข้ามาโดยกังหันหรือ Fan อากาศที่ไหลผ่านเข้ามาจะถูกแบ่งออกเป็นสองส่วน ส่วนหนึ่งจะพุ่งตรงเข้าสู่เครื่องยนต์หรือ Engine Core อากาศอีกส่วนหนึ่งจะไหลผ่านรอบเครื่องยนต์ไปออกทางท่อท้าย



วิศวกรการบินเรียกอากาศในส่วนนี้ว่า Bypass Air เพื่อสร้างแรงขับดันโดยแรงขับที่มาจาก Fan นั้นจะมีค่าทางการคำนวณคิดเป็น 75% ของแรงขับทั้งหมดที่ได้รับจากเครื่องยนต์ อากาศส่วนแรกที่ไหลเข้าสู่เครื่องยนต์จะถูก Compressed Air บีบอัดจันมีความดัน อุณหภูมิ และความเร็วสูงขึ้นมาก อากาศที่ถูกอัดโดย Compressed Air นี้จะถูกจัดเรียงอย่างเป็นระเบียบเพื่อเข้าสู่ห้องเผาไหม้หรือ Combustor เมื่อเผาไหม้แล้วจะได้แก๊สร้อนความเร็วสูงออกมาหมุนชุด Turbine และผ่านออกไปยังท่อท้ายโดยมีชุด Mixture ซึ่งทำหน้าที่ผสม Bypass Air กับอากาศร้อน Exhaust ที่ออกมาจากเครื่องยนต์เพื่อการลดเสียงการทำงานของเครื่อง Gus Turbine เมื่อชุด Turbine หมุนขุด Compressor ซึ่งรวมถึง Fan ก็จะหมุนไปด้วยเนื่องจากชุด Turbine จะมีแกนต่อไปยัง Compressor และ Fan ด้วย ผลลัพธ์ที่เกิดขึ้นเมื่อเครื่องยนต์ถูกสตาร์ตคือ กระบวนการทำงานจะเป็นไปอย่างต่อเนื่องไปเรื่อยๆ หรือที่เรียกว่า Self Sustention จนกว่าเชื้อเพลิงจะหมดลงหรือถูกตัดการทำงานจากการยกเลิกการจ่ายเชื้อเพลิงให้กับเครื่องยนต์



GP7200 เกิดจากการพัฒนาเครื่องยนต์รุ่นใหม่ๆ ที่ให้แรงขับดันสูงเพื่อใช้ในเครื่องบินพาณิชย์ขนาดยักษ์ของบริษัท Airbus รุ่น A380 โดยความร่วมมือในการค้นคว้า ทดสอบและพัฒนาระหว่างสองบริษัทยักษ์ใหญ่แห่งวงการบินและการผลิตเครื่องยนต์อากาศยาน นั่นก็คือบริษัท Pratt & Whitney และบริษัท GE Aircraft Engines ซึ่งเกิดจาการรวมตัวกันของ Engine Alliance LLC บริษัทลูกที่แตกแขนงมาจาก Boeing มันเป็นเครื่องยนต์ Turbofan ที่ผลิตขึ้นใหม่หมดโดยใช้ส่วนประกอบของตัวเครื่องร่วมกันทั้งสองบริษัทซึ่งเป็นการนำเอาข้อดีของเครื่องยนต์ที่ผลิตโดย Pratt & Whitney และบริษัท GE Aircraft Engines มาร่วมกันพัฒนาเพื่อทำให้เกิดเครื่องยนต์รุ่นใหม่ที่มีคุณลักษณะเหมาะสมที่จะนำไปใช้งานในเครื่องบินโดยสารที่ได้ชื่อว่ามีขนาดใหญ่โตที่สุดในโลกอย่าง Airbus A380



จากความต้องการเครื่องยนต์ Turbofan ที่มีแรงขับดันระหว่าง 70,000 lbs หรือมากกว่านั้นเพื่อใช้เป็นเครื่องยนต์ของเครื่องบินโดยสาร Boeing 747/800 การลงมือร่วมทุนระหว่าง Pratt & Whitney และบริษัท GE Aircraft Engines จึงเกิดขึ้นโดยใช้ทุนวิจัยกว่า 1,000 ล้านเหรียญ ทั้งสองบริษัทคาดการได้อย่างแม่นยำว่า ในอนาคตเครื่องยนต์ Turbofan แบบใหม่ที่มีแรงขับดันมหาศาลนี้จะแพร่หลายและกลายเป็นเครื่องยนต์ที่เข้าประจำการภายใต้ปีกของเครื่องบินโดยสารรุ่นใหม่ต่อไป หนึ่งในคุณลักษณะที่โดดเด่นของเครื่องยนต์รุ่นใหม่นี้คือการมี Fan Blaed เป็นลักษณะ Swept Back ช่วยเพิ่มในเรื่องประสิทธิภาพของอากาศพลศาสตร์ ทำให้อากาศที่ไหลเข้าสู่เครื่องยนต์มีความเป็นระเบียบ ช่วยลดกระแสลมหมุนวนบริเวณปลาย Blade ก่อนจะเข้าสู่เครื่องจะที่ส่งผลให้เครื่องยนต์ทำงานได้ไม่เต็มประสิทธิภาพ วิศวกรของ Engine Allance ทำการทดสอบและพัฒนาวัสดุประเภทกราไฟร์ คาร์บอนคอมโพสิต ซึ่งมีน้ำหนักเบา ทนทาน มีความน่าเชื่อถือสูง การออกแบบ Fan Blade กับชุดอัดอากาศเกิดจากการใช้เทคนิค 3D Aerodynamics บนโปรแกรมการออกแบบชิ้นส่วนรุ่นก้าวหน้า เพื่อประสิทธิภาพสูงสุดในการเตรียมอากาศก่อนเข้าสู่ห้องเผาไหม้โดยใช้ระบบ Fan Module/Blade Containment และ Low Pressure Compressor โดยระบบทั้งหมดถูกพัฒนาต่อยอดมาจากเครื่องยนต์ Turbofan ที่ผลิตโดยบริษัท Pratt & Whitney



หลักสำคัญที่สุดในการทำงานของเครื่องยนต์ Gus Turbine คือระบบควบคุมการจ่ายเชื้อเพลิงให้กับเครื่องยนต์ เนื่องจากเครื่องยนต์ชนิดนี้มีช่วงของการทำงานกว้างมากในด้านความสูงและความเร็ว รวมถึงอุณหภูมิและปัจจัยต่างๆ ที่มีค่าไม่คงที่และมีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลาในระหว่างทำการบิน โดยจะส่งผลต่อการทำงานของเครื่องยนต์ อัตราการจ่ายเชื้อเพลิงเข้าสู่ห้องเผาไหม้จึงต้องผ่านการคำนวณและทดสอบอย่างหนัก การสั่งการด้วยสมองกลคอมพิวเตอร์ที่มีความแม่นยำสูงสุดจากกล่องควบคุมของเครื่องยนต์ GP7200 วิศวกรของ Engine Alliance ได้นำเอาเทคโนโลยีที่ก้าวหน้าของเครื่องยนต์รุ่น GE90 และ CFM มาควบรวมเป็นระบบ Fadec III ซึ่งทำการปรับปรุง เพิ่มระบบการตรวจสอบ รวมถึงการวิเคราะห์ปัญหา สามรถช่วยลดการซ่อมบำรุงและเข้าถึงปัญหาที่เกิดขึ้นได้อย่างรวดเร็ว ทำให้ปัญหาความล่าช้าในการบินซึ่งมักเกิดการ Delay ในระหว่างการเตรียมขึ้นทำการบินเดินทางลดลง



GP7200 ถูกออกแบบให้มีชุดอัดอากาศก่อนเข้าสู่ห้องเผาไหม้ถึงสองชุด ชุดแรกคือ Low Pressure Compressor จากการออกแบบของบริษัท Pratt & Whitney ซึ่งนำเอาแบบของเครื่องยนต์ของ Airbus A330 รุ่น PW400 มาปรับใช้ ส่วนชุดที่สองเป็น Hi Pressure Compressor จากการคิดค้นของ GE Aircraft Engines ในเครื่องยนต์ตระกูล GE90 โอกาศที่จะก่อให้เกิด Compressor Stall มีน้อยมากหรือไม่มีเลย ลดค่าใช้จ่ายในการซ่อมบำรุงเมื่อเทียบกับเครื่องยนต์รุ่นเก่า เนื่องจากการออกแบบชุด Hi Pressure Compressor ให้ง่ายต่อการเข้าถึงและบำรุงรักษา Compressor Blades บริเวณใต้ปีกของอากาศยาน โดยไม่ต้องถอดเครื่องยนต์ออกทั้งตัวแต่อย่างใด ในส่วนของห้องเผาไหม้นั้นวิศวกรของ Engine Alliance ได้นำเทคโนโลยีของเครื่องยนต์ CF6 CMS มาใช้งานโดยมีลักษณะเป็นวงแหวน มีห้องเผาไหม้เดี่ยว การปรับปรุงระบบต่างๆ ภายในตัวเครื่องช่วยลดค่าไอเสีย และผ่านการตรวจสอบตามมาตรฐานของ CAEP4 ในระหว่างการทำงานของเครื่องยนต์ Turbofan GP7200 ชิ้นส่วนที่มีความร้อนสูงสุดคือชุด Turbine ซึ่งถูกเป่าพ่นด้วยแก๊สร้อนจากห้องเผาไหม้ตลอดการทำงาน การออกแบบระบบ Hi Pressure Compressor จึงนำเอาเทคโนโลยีของ GE มาพัฒนาปรับใช้ โดยใช้การออกแบบระบบระบายความร้อนของ Blade ใหม่หมด มีการพ่นสารเคลือบป้องกันความร้อนเพื่อยึดอายุการใช้งานให้มีความคงทนมากกว่าปกติ



เครื่องยนต์ Turbofan GP7200 ถูกผลิตขึ้นโดยบริษัท Engine Alliance ซึ่งเป็นบริษัทที่เกิดจากการร่วมกันของ Pratt & Whitney กับ GE Aircraft Engines ดังกล่าวนั้น ทำให้เครื่องยนต์รุ่นล่าสุดนี้มีเทคโนโลยีใหม่ล่าสุดในวงการบินในด้านการใช้งาน และกลายเป็นจุดแข็งของทั้งสองบริษัท ไม่ว่าจะเป็นข้อดีในระบบต่างๆ จากเครื่องยนต์ในตระกูล GE90-115B ซึ่งประจำการอยู่ภายใต้ปีกของเครื่องบินโดยสารไฮเทคอย่าง Boeing777 เครื่องยนต์รุ่นนี้สามารถผลิตแรงขับดันมหาศาลจนขึ้นสู่ทำเนียบสถิติโลกในด้านเครื่องยนต์ Turbofan ที่มีกำลังมากที่สุดในโลกเมื่อปีค.ศ. 2001 ด้วยแรงขับดันที่มากถึง 115,000 lbs และถูกนำไปใช้เป็นเครื่องยนต์ของ Boeing777/300ER รวมถึงการนำเอาข้อดีและสมรรถนะอันสุดยอดของเครื่อง PW400 ซึ่งเป็นเครื่องยนต์ของอากาศยานพาณิชย์แบบ Airbus A330 มาพัฒนาปรับใช้ หลังจากผ่านการทดสอบอย่างหนักเพื่อความน่าเชื่อถือในตัวเครื่องยนต์ด้วยมาตรฐานที่สูงกว่าการทดสอบของ ETOPS ที่ใช้ในการทดสอบเครื่องบินสองเครื่องยนต์และผ่านการรับรองความปลอดภัยจากสมาพันธ์การบินนานาชาติหรือ FAA เมื่อวันที่ 4 มกราคม 2005 หลังจากนั้นมันจึงถูกติดตั้งที่บริเวณใต้ปีกของเครื่องบินโดยสาร Airbus A380 เพื่อใช้เป็นเครื่องยนต์อีกรุ่นของเจ้ายักษ์ใหญ่บนท้องฟ้า