เครื่องยนต์กังหันก๊าซ Rolls-Royce WR-21

Rolls-Royce WR-21 เป็นเครื่องยนต์กังหันก๊าซสำหรับใช้งานในเรือเดินสมุทร (Marine Gas Turbine) ที่ได้รับการออกแบบมาเพื่อขับเคลื่อนเรือรบผิวน้ำรุ่นล่าสุดของกลุ่มประเทศพันธมิตร โดยมีจุดเด่นที่การนำเทคโนโลยีการลดการใช้เชื้อเพลิงมาใช้ในระดับสูง

ประวัติการพัฒนา

การพัฒนา WR-21 ได้รับการสนับสนุนด้านเงินทุนจากรัฐบาลของสหราชอาณาจักร ฝรั่งเศส และสหรัฐอเมริกา โดยดำเนินการผ่านกลุ่มบริษัทร่วมทุนนานาชาติซึ่งมี Northrop Grumman เป็นผู้รับเหมาหลัก ในส่วนของตัวกังหันนั้นออกแบบโดย Rolls-Royce โดยได้รับความช่วยเหลือด้านวิศวกรรมทางเรือและสิ่งอำนวยความสะดวกในการทดสอบจาก DCN (ปัจจุบันคือ Naval Group) ขณะที่ Northrop Grumman รับผิดชอบในส่วนของระบบระบายความร้อนระหว่างขั้นตอน (Intercooler), ระบบนำความร้อนกลับมาใช้ใหม่ (Recuperator) และการบูรณาการระบบทั้งหมด

เทคโนโลยีของ WR-21 ต่อยอดมาจากตระกูลเครื่องยนต์กังหันก๊าซที่ประสบความสำเร็จอย่างสูงอย่าง Rolls-Royce RB211 และ Trent

โครงการนี้เริ่มต้นจากการออกแบบและพัฒนาโดย Westinghouse Electric Corporation (ซึ่งต่อมากลายเป็น Northrop Grumman Marine Systems) ภายใต้สัญญาของกองทัพเรือสหรัฐฯ ในเดือนธันวาคม ค.ศ. 1991 ต่อมา กองทัพเรืออังกฤษ (Royal Navy) และกองทัพเรือฝรั่งเศสได้แสดงความสนใจ ทำให้ Rolls-Royce และ DCN เข้ามามีส่วนร่วมในโครงการ

ปัจจุบัน WR-21 ถูกนำมาใช้เป็นระบบขับเคลื่อนหลักของเรือทำลายล้าง Type 45 (Daring-class destroyer) ของกองทัพเรืออังกฤษ

การออกแบบและเทคโนโลยี

WR-21 เป็นเครื่องยนต์กังหันก๊าซแบบดัดแปลงจากเครื่องยนต์อากาศยาน (Aeroderivative) รุ่นแรกที่ติดตั้งทั้งระบบ Intercooler และ Exhaust Heat Recovery เพื่อลดอัตราการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงจำเพาะ (Specific Fuel Consumption) ตลอดช่วงการทำงาน โดยสามารถลดการเผาผลาญเชื้อเพลิงลงได้ถึง 30% เมื่อเทียบกับโปรไฟล์การเดินเรือทั่วไป

กลไกการทำงานหลัก

• Intercooler: ทำหน้าที่ระบายความร้อนของอากาศที่เข้าสู่คอมเพรสเซอร์แรงดันสูง ซึ่งช่วยลดพลังงานที่ต้องใช้ในการอัดอากาศ
• Recuperator: ทำหน้าที่อุ่นอากาศที่จะเข้าสู่ห้องเผาไหม้โดยการดึงความร้อนทิ้งจากไอเสียกลับมาใช้ใหม่ ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของวัฏจักรการทำงานและลดการใช้เชื้อเพลิง

ข้อมูลทางเทคนิค

ปัญหาด้านการปฏิบัติงาน

ในปี ค.ศ. 2009 มีการตรวจพบข้อบกพร่องในการออกแบบระบบ Intercooler ของ Northrop Grumman ที่ติดตั้งในเครื่องยนต์ WR-21 บนเรือ Type 45 โดยพบว่าระบบไม่สามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพเมื่ออุณหภูมิน้ำสูงเกิน 30 องศาเซลเซียส

เหตุการณ์สำคัญที่เกิดขึ้น ได้แก่ ความล้มเหลวของระบบ Intercooler บนเรือ HMS Daring ในมหาสมุทรแอตแลนติกตอนกลางเมื่อปี ค.ศ. 2010 ซึ่งต้องส่งเรือไปซ่อมแซมที่ประเทศแคนาดา และเกิดปัญหาซ้ำอีกครั้งในปี ค.ศ. 2012 ที่ประเทศบาห์เรน

นอกจากนี้ ระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าแบบบูรณาการ (Integrated Electric Propulsion - IEP) ของเรือ Type 45 ซึ่งใช้เครื่องยนต์ WR-21 สองเครื่อง และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลของ Wartsila ขนาด 2 เมกะวัตต์ สองเครื่อง ในการจ่ายไฟให้กับทุกระบบบนเรือ รวมถึงระบบอาวุธ ทำให้เรือมีความเสี่ยงต่อภาวะ "ไฟฟ้าดับทั้งลำ" (Total Electric Failure) หากระบบหลักขัดข้อง

พลเรือเอก Philip Jones อดีต First Sea Lord ระบุว่า เครื่องยนต์ WR-21 ถูกออกแบบมาให้ประสิทธิภาพลดลงอย่างค่อยเป็นค่อยไป (Gracefully degrade) เมื่อเจอสภาพอากาศร้อนจัด แต่ในความเป็นจริง ระบบกลับเกิดความล้มเหลวอย่างรุนแรง (Catastrophically) ซึ่งนำไปสู่การปรับปรุงโดยการติดตั้งเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลเพิ่มเติมหนึ่งหรือสองเครื่อง โดยต้องทำการตัดตัวเรือเพื่อติดตั้งในอู่แห้ง