# เครื่องยนต์เทอร์โบแฟน
เทอร์โบแฟน (Turbofan) หรือแฟนเจ็ต (Fanjet) คือเครื่องยนต์ไอพ่นชนิดใช้อากาศภายนอกในการเผาไหม้ ซึ่งถูกใช้อย่างแพร่หลายในการขับเคลื่อนอากาศยาน คำว่า “เทอร์โบแฟน” มาจากการผสมผสานของสองเทคโนโลยี คือ เครื่องยนต์รุ่นก่อนหน้าอย่าง เทอร์โบเจ็ต (turbojet) และการเพิ่มชุดพัดลม (fan stage) เข้าไปในระบบ

เครื่องยนต์ชนิดนี้ประกอบด้วย กังหันแก๊ส (gas turbine engine) ซึ่งสร้างพลังงานกลจากการเผาไหม้ และพัดลมที่มีฝาครอบ (ducted fan) ซึ่งใช้พลังงานกลจากกังหันเพื่อผลักอากาศไปทางด้านหลัง ความแตกต่างที่สำคัญคือ ในเครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ต อากาศทั้งหมดที่ถูกดูดเข้า จะไหลผ่านห้องเผาไหม้และกังหัน แต่ในเครื่องยนต์เทอร์โบแฟน อากาศบางส่วนจะไม่ผ่านห้องเผาไหม้และกังหัน (เรียกว่า อากาศบายพาส) ซึ่งจะถูกพัดลมผลักดันไปด้านหลังโดยตรง ดังนั้นจึงสามารถกล่าวได้ว่า เครื่องยนต์เทอร์โบแฟนคือเครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ตที่ใช้ในการขับพัดลมแบบมีฝาครอบ โดยทั้งระบบพัดลมและกังหันแก๊สร่วมกันสร้างแรงขับ

อัตราส่วนบายพาส (Bypass ratio) คือ อัตราส่วนระหว่างมวลของอากาศที่ไหลผ่านรอบแกนเครื่องยนต์ (bypass) กับมวลของอากาศที่ไหลผ่านภายในแกนเครื่องยนต์ (core) เครื่องยนต์สร้างแรงขับโดยอาศัยอากาศจากทั้งสองส่วนทำงานร่วมกัน

เครื่องยนต์ที่สร้างแรงขับส่วนใหญ่จากไอพ่นจากแกนเครื่องยนต์ จะเรียกว่าเทอร์โบแฟนแบบบายพาสต่ำ (low-bypass turbofans) ในทางกลับกันหากแรงขับส่วนใหญ่เกิดจากอากาศที่ผ่านพัดลมบายพาส จะเรียกว่าเทอร์โบแฟนแบบบายพาสสูง (high-bypass turbofans)

ปัจจุบัน เครื่องยนต์เจ็ตที่ใช้ในการบินพาณิชย์ส่วนใหญ่เป็นเครื่องยนต์แบบบายพาสสูง ขณะที่เครื่องยนต์ของเครื่องบินขับไล่สมัยใหม่ ส่วนใหญ่จะเป็นแบบบายพาสต่ำ

ในกรณีของเทอร์โบแฟนแบบบายพาสต่ำ มักมีการติดตั้งห้องเผาไหม้เสริม (afterburner) โดยจะทำการ ผสมอากาศจากบายพาสและแกนกลาง ก่อนเข้าสู่ห้องเผาไหม้เสริม เพื่อเพิ่มแรงขับในระยะเวลาสั้น เช่น ขณะไล่ตามศัตรูหรือเร่งความเร็วทันที

เครื่องยนต์เทอร์โบแฟนรุ่นใหม่มักมีพัดลมแบบใดแบบหนึ่งต่อไปนี้ พัดลมขนาดใหญ่แบบขั้นตอนเดียว (single-stage fan) หรือ พัดลมขนาดเล็กที่มีหลายขั้นตอน (multi-stage fan) การออกแบบในยุคแรกเริ่มบางแบบ มีการรวม กังหันแรงดันต่ำ (low-pressure turbine) และพัดลมเข้าด้วยกันในชุดเดียวที่ติดตั้งอยู่ด้านหลังของเครื่องยนต์

 หลักการ 
เครื่องยนต์เทอร์โบแฟน ถูกคิดค้นขึ้นเพื่อปรับปรุงอัตราการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงของเครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ต ทำได้โดยผลักอากาศในปริมาณที่มากขึ้นส่งผลให้ มวลของไอพ่นเพิ่มขึ้น แต่ความเร็วของไอพ่นลดลง เมื่อเทียบกับเครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ต กระบวนการนี้ทำได้โดยการเพิ่มพัดลมแบบมีฝาครอบ (ducted fan) เข้ากับระบบเครื่องยนต์โดยตรงในเชิงกล (mechanically) แทนที่จะอาศัยเฉพาะแรงหนืด (viscous forces) ของไอพ่นเหมือนในอดีตThrust Augmentation with Mixer/Ejector systems, Presz, Reynolds, Hunter, AIAA 2002-0230, p.3 เครื่องดูดสูญญากาศ (vacuum ejector) ยังถูกนำมาใช้ร่วมกับพัดลม ตามแนวคิดดั้งเดิมของ แฟรงค์ วิตเทิล (Frank Whittle) ผู้ประดิษฐ์เครื่องยนต์เจ็ตรายแรก

วิตเทิล (Whittle) ได้จินตนาการถึงความเร็วการบินที่ 500 ไมล์ต่อชั่วโมงไว้ในสิทธิบัตรสหราชอาณาจักรหมายเลข 471,368 เมื่อเดือนมีนาคม ปี ค.ศ. 1936 ซึ่งมีชื่อว่า"Improvements relating to the propulsion of aircraft"

 (การปรับปรุงที่เกี่ยวข้องกับการขับเคลื่อนอากาศยาน)ในเอกสารฉบับนั้นเขาได้อธิบายหลักการพื้นฐานที่อยู่เบื้องหลังเครื่องยนต์เทอร์โบแฟน แม้ว่าจะยังไม่ได้เรียกชื่อว่า “เทอร์โบแฟน” โดยในขณะนั้นเครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ต (turbojet) ใช้ก๊าซร้อนที่ได้จากกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ (thermodynamic cycle) เป็นไอพ่นในการขับเคลื่อน อย่างไรก็ตามสำหรับอากาศยานที่มีความเร็ว ต่ำกว่า 500 ไมล์ต่อชั่วโมง เครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ตแบบเดิมมี ข้อเสียเปรียบอยู่ 2 ประการ ซึ่งเครื่องยนต์ เทอร์โบแฟนได้รับการออกแบบมาเพื่อแก้ไขข้อเสียเหล่านั้น

ประการแรก พลังงานที่จำเป็นในการสร้างแรงขับในระดับหนึ่ง จะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ หากอากาศไอเสียถูกผลักด้วยความเร็วสูงขึ้น ดังนั้น การเพิ่มประสิทธิภาพจึงสามารถทำได้โดย เปลี่ยนพลังงานบางส่วนไปใช้ในการผลักอากาศปริมาณมากในความเร็วต่ำ แทนที่จะใช้ความเร็วสูงเพียงอย่างเดียวผ่านแกนเครื่องยนต์ เครื่องยนต์เทอร์โบแฟน (turbofan) ทำสิ่งนี้ได้โดยใช้กังหันเสริม (additional turbine) ขับเคลื่อนพัดลมแบบมีฝาครอบ (ducted fan) เพื่อเป่าอากาศที่ไหลผ่านรอบแกนความเร็วสูง (bypass air) แทนการวิ่งผ่านเข้าไปในระบบเผาไหม้โดยตรงด้วยการที่แรงขับจากแกนกลาง (core thrust) นั้นลดลง เครื่องยนต์จะได้แรงขับส่วนใหญ่จากอากาศบายพาสปริมาณมากที่ไหลด้วยความเร็วต่ำซึ่งให้แรงขับในระดับเดียวกันแต่ใช้เชื้อเพลิงน้อยลง ส่งผลให้มีประสิทธิภาพสูงกว่าเครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ต

ประการที่สอง คือ การเผาไหม้เชื้อเพลิงมีประสิทธิภาพน้อยลงเมื่อความเร็วของอากาศยานต่ำ ความพยายามใดๆที่จะลดการใช้เชื้อเพลิงของเครื่องยนต์ โดยการเพิ่มอัตราส่วนความดัน (pressure ratio) หรือ อุณหภูมิของกังหัน (turbine temperature) เพื่อให้การเผาไหม้มีประสิทธิภาพสูงขึ้น จะทำให้เกิดการเพิ่มขึ้นของความดันและอุณหภูมิในท่อไอเสีย (exhaust duct) ตามมา ซึ่งส่งผลให้ความเร็วของไอพ่นที่ออกจากหัวฉีดขับเคลื่อน (propelling nozzle) สูงขึ้น พลังงานจลน์ (kinetic energy) ของไอพ่นเพิ่มขึ้น และในที่สุดเกิดการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงที่สูญเปล่าเพิ่มขึ้น

แม้ว่าเครื่องยนต์จะใช้เชื้อเพลิง น้อยลงต่อแรงขับหนึ่งปอนด์ (pound of thrust) แต่ก็ยังสูญเสียพลังงานในรูปแบบของไอพ่นเร็วเกินไป ซึ่งไม่ได้แปรเปลี่ยนเป็นแรงขับอย่างมีประสิทธิภาพ กล่าวอีกนัยหนึ่งคือความเป็นอิสระระหว่างประสิทธิภาพทางความร้อน (thermal efficiency) และประสิทธิภาพด้านแรงขับ (propulsive efficiency) ซึ่งเคยมีอยู่ในระบบเครื่องยนต์ลูกสูบ–ใบพัด (piston engine/propeller) ก่อนยุคของเทอร์โบเจ็ตนั้น ได้สูญเสียไป ในทางตรงกันข้าม นักวิจัยชื่อ Roth p.76 เห็นว่าความสามารถในการแยกอิสระระหว่างสองประสิทธิภาพนี้อีกครั้ง คือ คุณลักษณะที่สำคัญที่สุดของเครื่องยนต์เทอร์โบแฟน ซึ่งทำให้สามารถกำหนดค่าแรงขับจำเพาะ (specific thrust) ได้โดยไม่ขึ้นกับวงจรการทำงานของเครื่องกำเนิดแก๊ส (gas generator cycle)

การทำงานในวงจรอุณหพลศาสตร์คือมวลเพียงส่วนเดียวที่ถูกเร่งเพื่อสร้างแรงขับ ซึ่งนับเป็นข้อจำกัดสำคัญ โดยเฉพาะเมื่อใช้งานในความเร็วต่ำกว่าความเร็วเสียง เพราะจะทำให้สิ้นเปลืองเชื้อเพลิงมากสำหรับการบินที่ความเร็วต่ำความเร็วของไอพ่นที่ปล่อยออกจากเครื่องยนต์ต้องลดลง เพราะการสร้างแรงขับนั้นมี “ต้นทุนด้านพลังงาน” ซึ่งต้องใช้ในการเร่งอากาศให้เร็วขึ้น

พลังงานที่ใช้ในการเร่งแก๊สภายในเครื่องยนต์ (หรือเพิ่มพลังงานจลน์) ถูกใช้ไปใน 2 ส่วนคือ ส่วนหนึ่งกลายเป็นแรงขับโดยอาศัยการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัม อีกส่วนหนึ่งกลายเป็นกระแสลมท้าย (wake) ซึ่งเป็นพลังงานที่สูญเปล่า และเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ในการสร้างแรงขับจากเครื่องยนต์ที่ใช้อากาศจากภายนอก เช่น เทอร์โบเจ็ต หรือใบพัด

วิธีลดพลังงานที่สูญเสียใน wake และลดการใช้เชื้อเพลิงโดยยังคงแรงขับไว้เท่าเดิม คือเพิ่มมวลของอากาศที่ถูกเร่งแทนที่จะเพิ่มความเร็ว เครื่องยนต์เทอร์โบแฟนทำสิ่งนี้ได้โดยการถ่ายเทพลังงานจากแกนเครื่องยนต์ (gas generator)ไปขับพัดลมแบบมีฝาครอบ (ducted fan) ซึ่งจะเร่งอากาศอีกปริมาณหนึ่ง (ที่ไหลรอบแกนเครื่องยนต์) ให้เคลื่อนที่ไปด้านหลังช่วยสร้างแรงขับเพิ่มเติมโดยใช้พลังงานได้คุ้มค่ากว่า

 ความเป็นมา 
เครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ตรุ่นแรกๆ มีประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงต่ำ เพราะอัตราส่วนแรงดันรวมและอุณหภูมิทางเข้ากังหันถูกจำกัดอย่างมากจากเทคโนโลยีและวัสดุที่มีอยู่ในขณะนั้น

เครื่องยนต์เทอร์โบแฟนเครื่องแรก ซึ่งทำการทดสอบเฉพาะบนแท่นทดสอบ คือ ไดม์เลอร์-เบนซ์ ดีบี 007 ของเยอรมนี มีชื่อรหัสว่า 109-007 ตามการกำหนดของกระทรวงการบินเยอรมัน (RLM) โดยเริ่มเดินเครื่องครั้งแรกเมื่อวันที่ 27 พฤษภาคม 1943 หลังจากทดสอบชุดเครื่องจักรเทอร์โบด้วยมอเตอร์ไฟฟ้าเมื่อวันที่ 1 เมษายน 1943 การพัฒนาเครื่องยนต์นี้ถูกยกเลิกไปพร้อมกับปัญหาที่แก้ไม่ตก เนื่องจากสถานการณ์สงครามของเยอรมนีแย่ลงเรื่อย ๆ

ต่อมาในปี 1943 อังกฤษได้ทำการทดสอบเครื่องยนต์เทอร์โบแฟน เมโทรวิก เอฟ.3 บนพื้นดิน ซึ่งใช้เครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ต เมโทรโพลิแทน-วิกเกอร์ส เอฟ.2 เป็นแก๊สเจนเนอเรเตอร์ โดยมีการระบายไอเสียเข้าสู่แฟนตอนท้ายที่เชื่อมติดกัน ประกอบด้วยระบบกังหันแรงดันต่ำแบบหมุนสวนทางที่ขับแฟนร่วมแกนหมุนสองตัวที่หมุนสวนทางกัน

การใช้วัสดุที่พัฒนาดีขึ้นและการนำคอมเพรสเซอร์แบบคู่มาใช้ เช่น ในเครื่องยนต์บริสตอล โอลิมปัส และ แพรตต์ แอนด์ วิทนีย์ เจที3ซี ช่วยเพิ่มอัตราส่วนแรงดันรวมและเพิ่มประสิทธิภาพทางอุณหพลศาสตร์ของเครื่องยนต์ อย่างไรก็ตามเครื่องยนต์เหล่านี้ยังคงมีประสิทธิภาพเชิงขับดันต่ำ เพราะเทอร์โบเจ็ตล้วนจะมีแรงขับจำเพาะสูง/ไอเสียความเร็วสูง ซึ่งเหมาะกับการบินด้วยความเร็วเหนือเสียงมากกว่า

เครื่องยนต์เทอร์โบแฟนรุ่นแรกที่มีอัตราการบายพาสต่ำ ถูกออกแบบมาเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพเชิงขับดัน โดยการลดความเร็วไอเสียให้อยู่ใกล้กับความเร็วของตัวเครื่องบิน โรลส์-รอยซ์ คอนเวย์ ซึ่งเป็นเทอร์โบแฟนผลิตเชิงพาณิชย์รุ่นแรกของโลก มีอัตราการบายพาส 0.3 ซึ่งใกล้เคียงกับเครื่องยนต์รบสมัยใหม่อย่าง เจเนอรัล อิเล็กทริก เอฟ404 เครื่องยนต์เทอร์โบแฟนเชิงพาณิชย์ในยุค 1960 เช่น แพรตต์ แอนด์ วิทนีย์ เจที8ดี และ โรลส์-รอยซ์ สเปย์ มีอัตราการบายพาสใกล้ 1 และมีลักษณะคล้ายคลึงกับเครื่องยนต์ทางทหารในยุคนั้น

เครื่องบินโดยสารโซเวียตรุ่นแรกที่ใช้เครื่องยนต์เทอร์โบแฟน คือ ตูโปเลฟ ตู-124 ที่เปิดตัวในปี 1962 ใช้เครื่องยนต์ โซโลฟเยฟ ดี-20 ผลิตออกมา 164 ลำ ระหว่างปี 1960 ถึง 1965 เพื่อใช้กับแอโรฟลอต และสายการบินกลุ่มประเทศคอมมิวนิสต์ตะวันออกอื่น ๆ โดยยังคงใช้งานต่อเนื่องมาจนถึงต้นยุค 1990

เครื่องยนต์เทอร์โบแฟนรุ่นแรกของเจเนอรัล อิเล็กทริก คือ เจเนอรัล อิเล็กทริก ซีเจ805-23 แบบแฟนตอนท้าย ดัดแปลงจากเทอร์โบเจ็ต ซีเจ805-3 ต่อมาคือเครื่องยนต์ เจเนอรัล อิเล็กทริก ซีเอฟ700 ซึ่งมีอัตราการบายพาส 2.0 พัฒนามาจากเทอร์โบเจ็ต เจเนอรัล อิเล็กทริก เจ85/ซีเจ610 ที่ให้แรงขับ 2,850 ปอนด์ฟอร์ซ (12,700 นิวตัน) เพื่อติดตั้งกับ นอร์ท อเมริกัน เซเบอร์ไลเนอร์ 75/80 รุ่นใหญ่ รวมถึง ดาโซ ฟอลคอน 20 โดยเพิ่มแรงขับขึ้นราว 50% เป็น 4,200 ปอนด์ฟอร์ซ (19,000 นิวตัน) ซีเอฟ700 เป็นเทอร์โบแฟนขนาดเล็กรุ่นแรกที่ได้รับการรับรองจาก FAA โดยมีเครื่องบิน ซีเอฟ700 กว่า 400 ลำที่เคยปฏิบัติการทั่วโลก สะสมชั่วโมงบินมากกว่า 10 ล้านชั่วโมง ซีเอฟ700 ยังถูกใช้ฝึกนักบินอวกาศในโครงการอะพอลโล โดยใช้เป็นเครื่องยนต์ของ Lunar Landing Research Vehicle อีกด้วย