กังหันแก๊สกับกังหันไอน้ำ
กังหันเป็นเครื่องจักรประเภทเทอร์โบที่ใช้ในการแปลงพลังงานในของเหลวที่ไหลเป็นพลังงานกลโดยใช้กลไกของโรเตอร์ โดยทั่วไปแล้ว กังหันจะแปลงพลังงานความร้อนหรือพลังงานจลน์ของของเหลวให้เป็นงาน กังหันก๊าซและกังหันไอน้ำเป็นเครื่องจักรเทอร์โบความร้อน ซึ่งงานนี้เกิดจากการเปลี่ยนแปลงเอนทาลปีของของไหลทำงาน กล่าวคือ พลังงานศักย์ของของไหลในรูปของความดันจะถูกแปลงเป็นพลังงานกล
ตามทิศทางของกังหันการไหลของของไหลแบ่งออกเป็นกังหันไหลตามแนวแกนและกังหันไหลในแนวรัศมีในทางเทคนิคแล้ว เทอร์ไบน์คือเครื่องแผ่ออก ซึ่งให้ผลผลิตทางกลโดยแรงดันที่ลดลง ซึ่งเป็นการทำงานที่ตรงกันข้ามกับคอมเพรสเซอร์ บทความนี้เน้นที่ประเภทเทอร์ไบน์ไหลตามแนวแกน ซึ่งพบได้บ่อยในงานวิศวกรรมจำนวนมาก
โครงสร้างพื้นฐานของกังหันไหลตามแนวแกนได้รับการออกแบบมาเพื่อให้ของเหลวไหลอย่างต่อเนื่องในขณะที่ดึงพลังงาน ในเทอร์ไบน์เทอร์ไบน์ สารทำงานที่อุณหภูมิสูงและความดันจะถูกส่งผ่านชุดโรเตอร์ที่ประกอบด้วยใบมีดทำมุมซึ่งติดตั้งอยู่บนจานหมุนที่ติดอยู่กับเพลา ระหว่างจานโรเตอร์แต่ละอันจะติดตั้งใบมีดแบบอยู่กับที่ซึ่งทำหน้าที่เป็นหัวฉีดและนำทางไปยังการไหลของของเหลว
เพิ่มเติมเกี่ยวกับ Steam Turbine
ถึงแม้จะใช้แนวคิดเรื่องการใช้ไอน้ำในการทำงานเครื่องกลมาเป็นเวลานาน แต่กังหันไอน้ำสมัยใหม่ได้รับการออกแบบโดยวิศวกรชาวอังกฤษ Sir Charles Parsons ในปี 1884
กังหันไอน้ำใช้ไอน้ำแรงดันจากหม้อไอน้ำเป็นสารทำงานไอน้ำร้อนยวดยิ่งที่เข้าสู่กังหันจะสูญเสียแรงดัน (เอนทาลปี) ซึ่งเคลื่อนที่ผ่านใบพัดของโรเตอร์ และโรเตอร์จะเคลื่อนเพลาที่เชื่อมต่อ กังหันไอน้ำให้พลังงานในอัตราที่ราบรื่นและคงที่ และประสิทธิภาพเชิงความร้อนของกังหันไอน้ำนั้นสูงกว่าเครื่องยนต์แบบลูกสูบ การทำงานของกังหันไอน้ำนั้นเหมาะสมที่สุดที่สถานะ RPM ที่สูงขึ้น
อย่างเคร่งครัด กังหันเป็นเพียงองค์ประกอบเดียวของการทำงานแบบวนรอบที่ใช้สำหรับการผลิตไฟฟ้า ซึ่งจำลองแบบอย่างดีเยี่ยมโดยวงจรแรงคิน บอยเลอร์ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ปั๊ม และคอนเดนเซอร์เป็นส่วนประกอบในการทำงานแต่ไม่ใช่ชิ้นส่วนของเทอร์ไบน์
ในยุคปัจจุบัน กังหันไอน้ำใช้เป็นหลักสำหรับการผลิตพลังงานไฟฟ้า แต่ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 กังหันไอน้ำถูกใช้เป็นโรงไฟฟ้าสำหรับเรือและเครื่องยนต์หัวรถจักร เป็นข้อยกเว้น ในระบบขับเคลื่อนทางทะเลบางระบบที่เครื่องยนต์ดีเซลใช้งานไม่ได้ เช่น เรือบรรทุกเครื่องบินและเรือดำน้ำ เครื่องยนต์ไอน้ำยังคงใช้อยู่
เพิ่มเติมเกี่ยวกับกังหันก๊าซ
เครื่องยนต์กังหันก๊าซหรือเพียงแค่กังหันก๊าซเป็นเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้ก๊าซเช่นอากาศเป็นสารทำงาน ลักษณะทางอุณหพลศาสตร์ของการทำงานของเทอร์ไบน์ก๊าซนั้นสร้างแบบจำลองในอุดมคติโดยวัฏจักรเบรย์ตัน
เครื่องยนต์กังหันก๊าซซึ่งแตกต่างจากกังหันไอน้ำประกอบด้วยส่วนประกอบสำคัญหลายประการ ซึ่งได้แก่ คอมเพรสเซอร์ ห้องเผาไหม้ และเทอร์ไบน์ ซึ่งประกอบเข้าด้วยกันเป็นแกนหมุนเพื่อทำหน้าที่ต่างๆ ของเครื่องยนต์สันดาปภายใน ปริมาณก๊าซจากทางเข้าจะถูกบีบอัดครั้งแรกโดยใช้คอมเพรสเซอร์ตามแนวแกน ซึ่งทำงานตรงข้ามกับกังหันธรรมดา จากนั้นก๊าซที่มีแรงดันจะถูกส่งผ่านไปยังขั้นตอนดิฟฟิวเซอร์ (diverging nozzle) ซึ่งแก๊สสูญเสียความเร็ว แต่อุณหภูมิและความดันเพิ่มขึ้นอีก
ในขั้นต่อไป ก๊าซจะเข้าสู่ห้องเผาไหม้ซึ่งมีเชื้อเพลิงผสมกับก๊าซและจุดไฟ อันเป็นผลมาจากการเผาไหม้ อุณหภูมิและความดันของก๊าซเพิ่มขึ้นสู่ระดับที่สูงอย่างไม่น่าเชื่อก๊าซนี้จะไหลผ่านส่วนกังหัน และเมื่อผ่านจะทำให้เกิดการเคลื่อนที่แบบหมุนไปยังเพลา กังหันก๊าซขนาดเฉลี่ยสร้างอัตราการหมุนของเพลาสูงถึง 10,000 รอบต่อนาที ในขณะที่กังหันขนาดเล็กอาจผลิตได้มากถึง 5 เท่า
กังหันก๊าซใช้สร้างแรงบิด (โดยเพลาหมุน) แรงขับ (โดยไอเสียความเร็วสูง) หรือทั้งสองอย่างรวมกัน ในกรณีแรก เช่นเดียวกับในกังหันไอน้ำ งานเชิงกลที่ส่งโดยเพลาเป็นเพียงการเปลี่ยนแปลงของเอนทาลปี (ความดัน) ของก๊าซที่มีอุณหภูมิและความดันสูง ส่วนหนึ่งของงานเพลาใช้ขับคอมเพรสเซอร์ผ่านกลไกภายใน กังหันก๊าซรูปแบบนี้ใช้เป็นหลักในการผลิตพลังงานไฟฟ้าและเป็นโรงไฟฟ้าสำหรับยานพาหนะเช่นรถถังและแม้แต่รถยนต์ รถถัง M1 Abrams ของสหรัฐฯ ใช้เครื่องยนต์กังหันก๊าซเป็นโรงไฟฟ้า
ในกรณีที่สอง ก๊าซแรงดันสูงจะถูกส่งผ่านหัวฉีดที่บรรจบกันเพื่อเพิ่มความเร็ว และแรงขับถูกสร้างขึ้นโดยก๊าซไอเสียกังหันก๊าซประเภทนี้มักเรียกว่าเครื่องยนต์เจ็ทหรือเครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ทซึ่งให้พลังงานแก่เครื่องบินรบทางทหาร turbofan เป็นตัวแปรขั้นสูงจากด้านบน และมีการใช้ทั้งแรงขับและการสร้างงานร่วมกันในเครื่องยนต์เทอร์โบพร็อพ ซึ่งใช้เพลาเพื่อขับเคลื่อนใบพัด
กังหันก๊าซมีหลายรูปแบบที่ออกแบบมาสำหรับงานเฉพาะ เป็นที่ต้องการมากกว่าเครื่องยนต์อื่นๆ (ส่วนใหญ่เป็นเครื่องยนต์ลูกสูบ) เนื่องจากมีอัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักสูง การสั่นสะเทือนน้อยกว่า ความเร็วในการทำงานสูง และความน่าเชื่อถือ ความร้อนทิ้งจะกระจายไปเกือบหมดเป็นไอเสีย ในการผลิตพลังงานไฟฟ้า พลังงานความร้อนเหลือทิ้งนี้ใช้เพื่อต้มน้ำเพื่อขับเคลื่อนกังหันไอน้ำ กระบวนการนี้เรียกว่าการผลิตไฟฟ้าแบบวงจรรวม
กังหันไอน้ำกับกังหันก๊าซต่างกันอย่างไร
• กังหันไอน้ำใช้ไอน้ำแรงดันสูงเป็นสารทำงาน ในขณะที่กังหันก๊าซใช้อากาศหรือก๊าซอื่นเป็นสารทำงาน
• โดยพื้นฐานแล้ว กังหันไอน้ำเป็นเครื่องขยายซึ่งส่งแรงบิดเป็นผลผลิต ในขณะที่กังหันก๊าซเป็นอุปกรณ์รวมของคอมเพรสเซอร์ ห้องเผาไหม้ และกังหันที่ดำเนินการตามวัฏจักรเพื่อส่งมอบงานเป็นแรงบิดหรือแรงขับ
• กังหันไอน้ำเป็นเพียงส่วนประกอบที่ดำเนินการขั้นตอนเดียวของวงจรแรงคิน ในขณะที่เครื่องยนต์กังหันก๊าซจะทำงานตลอดทั้งวงจรเบรย์ตัน
• กังหันก๊าซสามารถให้ทั้งแรงบิดหรือแรงขับเป็นผลผลิต ในขณะที่กังหันไอน้ำส่งแรงบิดเป็นผลผลิตเกือบตลอดเวลา
• ประสิทธิภาพของกังหันก๊าซนั้นสูงกว่ากังหันไอน้ำมากเนื่องจากอุณหภูมิการทำงานของกังหันก๊าซที่สูงขึ้น (กังหันก๊าซ ~1500 0C และกังหันไอน้ำ ~550 0C)
• พื้นที่ที่จำเป็นสำหรับกังหันก๊าซน้อยกว่าการทำงานของกังหันไอน้ำมาก เนื่องจากกังหันไอน้ำต้องใช้หม้อไอน้ำและเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ซึ่งควรเชื่อมต่อภายนอกเพื่อเพิ่มความร้อน
• กังหันแก๊สใช้งานได้หลากหลายกว่าเพราะสามารถใช้เชื้อเพลิงได้หลายชนิดและของเหลวทำงานซึ่งต้องป้อนอย่างต่อเนื่องนั้นหาได้ง่ายทุกที่ (อากาศ) ในทางกลับกัน กังหันไอน้ำต้องการน้ำปริมาณมากสำหรับการทำงาน และมีแนวโน้มที่จะเกิดปัญหาในอุณหภูมิที่ต่ำลงเนื่องจากไอซิ่ง