สาระน่ารู้ ตอน หลักการทำงานของเครื่องจักรไอน้ำ

                                                                                    ส่วนประกอบ

                                                                      รูปส่วนประกอบของเครื่องจักรไอน้ำ

รถจักรไอน้ำมีลักษณะ   ส่วนประกอบและหน้าที่การทำงานโดยละเอียด  ดังนี้
            1. หม้อน้ำ   มีลำตัวเป็นรูปทรงกระบอกในแนวนอน   ตอนท้ายของลำตัวเป็นเรือนไฟ ภายในเรือนไฟทำเป็นเตาไฟ  ตอนหัวของลำตัวเป็นห้องควันรวมทั้งปล่องไฟติดต่ออยู่  ทั้ง 3 ส่วนนี้ทำเป็นชิ้นเดียวกัน  โดยตัวห้องควันและเตาไฟเป็นส่วนที่ตั้งอยู่บนโครงประธาน
            ภายในลำตัวของหม้อน้ำระหว่างเตาไฟกับห้องควัน       มีท่อเหล็กจำนวนมากต่อวางเรียงขนานกันไปตามยาว ปลายทั้งสองของท่อเหล่านั้นยึดติดกับแผ่นโลหะซึ่งเจาะรูทะลุตามจำนวนท่อ  แผ่นโลหะตอนปลายท่อด้านหลังยึดติดกับเรือนไฟ และตอนปลายท่อด้านหน้ายึดติดกับลำตัวตอนหน้าติดกับห้องควัน
           หม้อน้ำทำหน้าที่ให้กำเนิดไอน้ำ   ก๊าซร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงบนตะกรับในเตาไฟ  จะเดินผ่านไปตามท่อที่อยู่ในหม้อน้ำซึ่งเรียกว่าท่อไฟ  และคายความร้อนผ่านผนังท่อไปให้กับน้ำอยู่ในหม้อน้ำและล้อมรอบท่อไฟ ทำให้น้ำในหม้อน้ำรอบๆบริเวณเรือนไฟและล้อมรอบท่อไฟ  เดือดกลายเป็นไอน้ำ ภายใต้ตะกรับซึ่งตั้งอยู่ ส่วนล่างของเรือนไฟจะมีกระบะเถ้า ซึ่งมีประตูบังคับให้ปิดเปิดได้โดยพนักงานที่ห้องขับ  เพื่อให้ลมภายนอกผ่านเข้าไปยังตะกรับ ช่วยให้เชื้อเพลิงได้ลุกไหม้ได้ดี   ตอนท้ายของเตาไฟมีช่องเจาะไว้เหนือตะกรับ   เพื่อใส่เชื้อเพลิง ช่องนี้จะมีประตูปิดเปิดได้เรียกว่าประตูเตา
           ห้องควัน    ทำหน้าที่รวบรวมควันและก๊าซร้อนที่เหลือจากการใช้ประโยชน์แล้ว รวมกับไอเสียที่มาจากหีบไอ    แล้วพ่นขึ้นสู่ปล่องทิ้งออกอากาศไป เนื่องจากห้องควันนี้ผนึกแน่น  ดังนั้นทุกครั้งที่ไอเสียถูกพ่นขึ้นไปจะทำให้ภายในห้องควันมีความดันอากาศต่ำกว่าบรรยากาศภายนอกทำให้เกิดแรงดูดลมจากภายนอกให้ผ่านประตูลมที่กระบะเถ้าไปทำการช่วยเผาไหม้เชื้อเพลิง แล้วก๊าซที่เกิดจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงและควันก็จะถูกดูดเดินทางผ่านไปตามท่อในหม้อน้ำเข้าไปในห้องควันออกไปทางปล่อง
           2. เครื่องจักรกลไอน้ำต้นกำลัง  ประกอบไปด้วยกระบอกสูบอยู่ในท่านอน ยึดแน่นอยู่กับโครงประธาน      ภายในมีลูกสูบเคลื่อนไปมาด้วยความดันของไอน้ำ ตัวลูกสูบมีก้านสูบโผล่ฝาสูบออกไปโดยที่ปลายก้านติดต่อกับคันชักไปทำการหมุนล้อขับ ปลายทั้งสองข้างภายในกระบอกสูบเจาะเป็นช่องไว้เพื่อให้ไอน้ำไหลมาดันลูกสูบและคายไอเสียทิ้งไป ไอน้ำจะดันลูกสูบทั้งสองข้างสลับกัน   และในทำนองเดียวกันก็ขับไอเสียออกไปสลับกันเช่นกัน
           หีบไอ  ทำหน้าที่ควบคุมไอดีซึ่งมาจากหม้อน้ำส่งเข้ากระบอกสูบ  และปล่อยไอเสียจากระบอกสูบให้ออกสู่ปล่องโดยผ่านเข้าไปยังห้องควัน หีบไอมีลักษณะรูปทรงกระบอกอยู่ในแนวนอนขนานกับกระบอกสูบ และหล่อเป็นชิ้นเดียวกัน   ภายในมีลิ้นเดินไปมาเพื่อควบคุมให้ไอดีลงสูบและไอเสียออกจากสูบ การเคลื่อนไหวของลิ้นนี้บังคับด้วยอาการหมุนของล้อขับโดยมีกลไกติดต่อกัน
           ตัวลิ้นไอมีอยู่หลายแบบ    แต่ที่นิยมใช้กันมาก    คือ   แบบลูกสูบ (piston  valve)ส่วนตัวเครื่องกลไกลิ้นก็มีหลายแบบ    และมักเรียกตามชื่อของผู้ประดิษฐ์    ที่นิยมใช้กันมากคือ    แบบวอลแชรตส์ (Walschaerts)  และสตีเฟนสัน (Stephenson) ตัวลิ้นและกลไกของลิ้นนี้จะต้องตั้งจังหวะให้สัมพันธ์กับการเคลื่อนไปมาของลูกสูบ
           กระบอกสูบและอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องโดยทั่วไปติดตั้งอยู่ข้างโครงประธานข้างละหนึ่งสูบและเราเรียกว่ารถจักรไอน้ำ 2 สูบ  แต่รถจักรชนิด 3 สูบ และ4 สูบ ก็มีเช่นกัน  ในกรณีนี้ตัวกระบอกสูบที่ 3  หรือที่  3  และ 4 จะติดตั้งอยู่ตรงกลางโครงประธาน    และคันชักจะต่อตรงไปที่ล้อขับเช่นเดียวกับของสูบอื่นๆ รถจักร 3 สูบ  และ 4 สูบนี้ กลไกบังคับลิ้นจะยุ่งยากกว่าแบบ 2 สูบบ้าง
          3. อุปกรณ์ควบคุมเครื่องจักรกลและอุปกรณ์ควบคุมตัวรถจักร
          ตรงส่วนที่เรียกว่าเรือนไฟของหม้อน้ำจะมีหลังคาซึ่งเรียกว่าเก๋งคลุมไว้ ส่วนตอนอื่นไม่มี  ส่วนที่เก๋งคลุมนั้นจะเป็นส่วนที่ใช้เป็นห้องขับ
          ตรงหน้าเรือนไฟของหม้อน้ำ    นอกจากจะมีประตูเตาสำหรับใส่เชื้อเพลิงที่เอามาจากที่บรรทุกไว้ในรถลำเลียงลงสู่ตะกรับแล้ว ก็เป็นที่ติดตั้งอุปกรณ์ต่างๆ   สำหรับควบคุมการทำงานของเครื่องจักรและตัวรถจักร   อุปกรณ์ที่สำคัญ   คือ คันบังคับลิ้นทวารกำหนดไอดีสำหรับบังคับให้ไอน้ำในหม้อเข้าสูบมากหรือน้อยหรือไม่ให้เข้า คันเปลี่ยนอาการซึ่งจะบังคับให้รถจักรเดินหน้าหรือถอยหลังและบังคับลิ้นที่หีบไอให้เปิดช่องไอลงสูบมากหรือน้อยเครื่องเติมน้ำเข้าหม้อเพื่อจะเติมน้ำ  ชดเชยจำนวนน้ำที่กลายเป็นไอน้ำและถูกนำเอาไปใช้ในการดันลูกสูบ
          ในส่วนอุปกรณ์อื่นๆ ที่เกี่ยวกับการป้องกันอันตราย ก็คือ
              ทวารนิรภัย   เพื่อป้องกันมิให้ความดันของไอน้ำในหม้อสูงเกินกว่าที่กำหนดไว้ถ้าหากสูงเกินไปก็จะระบายออกทางทวารนิรภัยนี้  มิฉะนั้นจะทำให้หม้อน้ำเกิดระเบิดได้
              หลอดแก้วดูระดับน้ำในหม้อ    เพื่อจะได้ทราบว่าน้ำในหม้อไม่พร่องเกินไปกว่าระดับที่กำหนดไว้ หากพร่องไปแล้วน้ำจะแห้งหม้อ   และความร้อนจะไปเผาตัวหม้อเปล่าๆ ทำให้เกิดอันตราย
              เครื่องแสดงแรงดันไอน้ำมีเพื่อให้ทราบไอน้ำในหม้อมีความดันพอเพียงที่จะไปดันลูกสูบหรือไม่
              เครื่องห้ามล้อสำหรับใช้ห้ามล้อตัวรถจักรเองและตัวรถพ่วงในขบวน
          4. รถลำเลียง  โดยทั่วๆ ไปแล้วรถจักรไอน้ำจะมีรถลำเลียงพ่วงต่อไว้เพื่อใช้เก็บเชื้อเพลิงและน้ำสำรองไว้ให้พอเพียงที่จะนำไปใช้ในขณะที่รถวิ่งทำการอยู่ในระยะทาง

2. หลักการทำงาน

การทำงานของเครื่องจักรไอน้ำ คือจะทำการต้มน้ำให้เดือดใน "หม้อต้มน้ำ( Boiler)” น้ำที่เดือดจะเปลี่ยนสถานะจากของเหลวกลายเป็นไอน้ำที่มีแรงดันสูง แล้วจึงนำเอาไอน้ำที่มีแรงดันสูงนั้นไปใช้ขับดันลูกสูบให้ลูกสูบเคลื่อนที่ จนเกิดงาน และนำงานที่ได้ไปใช้เป็นแหล่งต้นกำลังของเครื่องจักรต่างๆ เราจึงเรียกเครื่องยนต์ไอน้ำนี้ว่าเป็น “ เครื่องยนต์เผาไหม้ภายนอก (External Combustion Engine)”

  รูปการทำงานของเครื่องจักรไอน้ำ 

ระบบกระบวนการทำงาน

      การทำงานของลูกสูบเครื่องจักรไอน้ำที่รถจักรนี้เป็นแบบ  double acting   คือไอน้ำเข้าไปดันลูกสูบได้ทั้ง  2  ข้างของลูกสูบด้วยวิธีการทำงานอย่างเดียวกัน ซึ่ง พลังงานที่ได้มาจากไอน้ำแรงดันสูง (สีแดงในภาพ) ซึ่งได้มาจากการต้มน้ำ ด้วย ไม้ฟืน ถ่านหิน หรือน้ำมันเตา ส่วนสีน้ำเงินจะเป็นไอน้ำแรงดันต่ำ

รูปที่ 1 จังหวะที่ 1

          จังหวะ ที่หนึ่ง  จังหวะทำงาน  กล่าวคือ  ลิ้นจะเปิดให้ไอดีไหลมาดันลูกสูบ ซึ่งเริ่มต้นจากปลายสุดกระบอกสูบด้านซ้าย  ไอน้ำจะดันลูกสูบให้เคลื่อนมาทางขวาในระยะหนึ่ง แล้วลิ้นจะปิดช่องไอ  ไอน้ำที่ขังอยู่ในกระบอกสูบจะติดต่อกับส่วนอื่นไม่ได้ก็จะขยายตัวดันลูกสูบ ให้เดินเคลื่อนต่อไปจนสุดทางด้านขวามือ ในการนี้ล้อจะหมุนไปครึ่งรอบ

 รูปที่ 2 จังหวะที่ 2 

           จังหวะที่สอง   ลิ้นจะเริ่มเปิดเพื่อจะให้ไอเสียออกไปในขณะนี้ด้วยอาการหมุนของล้อและแรงดัน ของไอดีซึ่งเข้ามาดันอีกข้างหนึ่งของลูกสูบ จะทำให้ลูกสูบเคลื่อนกลับมาทางซ้าย  ในครั้งนี้ลูกสูบจะดันไอน้ำที่ขยายตัวเต็มที่จะกลายเป็นไอเสียให้ไหลออกทาง ช่องเดิมผ่านลิ้นที่เปิดไปอยู่ทางช่องเก็บไอเสียที่หีบไอ แล้วระบายออกสู่ปล่อง  ลูกสูบจะเคลื่อนตัวต่อมาจนใกล้จะสุดด้านซ้ายมือ  เมื่อลูกสูบเดินสุดทางซ้ายแล้วก็จะดำเนินการตามจังหวะที่หนึ่งต่อไปอีก
           การทำงานเช่นนี้สำหรับด้านตรงข้ามก็คงเป็นเหมือนกัน   แต่จะทำงานสลับกันไปมา ในทำนองเดียวกันสำหรับสูบอื่นๆ ก็จะทำงานเช่นนี้  แต่จะทำงานเรียงตามกันไปหรือสลับกันสุดแท้แต่การออกแบบ 

    จะเห็นได้ว่า ถ้ารถไฟเริ่มเคลื่อนที่ครั้งแรก ถ้าลูกล้ออยู่ในตำแหน่งไม่ดี เมื่อไอน้ำแรงดันสูงเข้าสู่กระบอกสูบ รถไฟอาจจะเดินหน้าหรือถอยหลัง ก็ได้ โดยคนขับไม่สามารถควบคุมได้ เพื่อให้สามารถควบคุมให้รถไฟเดินหน้าหรือถอยหลังได้ ตำแหน่งที่ก้านสูบดันล้อที่ล้อซ้ายและล้อขวาจะต่างมุมกัน 90 องศา

 รูปเครื่องจักรไอน้ำแบบลูกสูบ

คลิปประกอบ