Tính toán chu trình nhiệt động cơ tuabin khí ở các chế độ vận hành bằng phần mềm GateCyle

30 Science and Technology Development Journal, vol 20, No.K5-2017 
Tóm tắt—Động cơ tuabin khí (ĐCTBK) được 
sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực hàng không và 
trên các tàu chiến hải quân vì kích thước nhỏ 
gọn, tính cơ động cao. Ở Việt Nam, việc nghiên 
cứu, tính toán cho loại động cơ này còn ít được 
quan tâm. Trong bài báo này, nhóm tác giả 
trình bày phương pháp xây dựng mô hình và kết 
quả tính toán chu trình nhiệt bằng phần mềm 
của hang General Electric tên là GateCycleTM. 
Kết quả tính toán có thể sử dụng cho các nghiên 
cứu chuyên sâu về ĐCTBK hoặc để tham khảo 
trong quá trình khai thác, vận hành động cơ. 
Từ khóa—Áp suất, chu trình nhiệt, động cơ tuabin khí, 
GateCycleTM, nhiệt độ, UGT. 
1 GIỚI THIỆU 
ộng cơ tuabin khí là loại động cơ có nhiều 
ưu điểm, được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh 
vực quân sự và trong công nghiệp. Việc khai thác, 
bảo dưỡng động cơ tuabin khí (ĐCTBK) đòi hỏi 
người sử dụng phải có các hiểu biết chuyên sâu. 
Tuy nhiên, ở Việt Nam, việc nghiên cứu, tính toán 
chuyên sâu về ĐCTBK còn ít được thực hiện. 
 Hiện nay có rất nhiều phần mềm tính toán chu 
trình công tác của ĐCTBK như Uni_MM (Saturn, 
LB Nga), GSP (NLR- Trung tâm nghiên cứu vũ trụ 
Hà Lan) và GateCyleTM (GE, Hoa Kỳ) [1]. Các 
phần mềm này đều có chung nguyên lý tính toán 
dựa trên các phương trình trạng thái nhiệt, điểm 
khác biệt của chúng là lĩnh vực động cơ được tính 
toán, cách thức xây dựng mô hình, thư viện động 
cơ. Trong số các phần mềm này thì GateCyleTM là 
phần mềm chuyên dụng để tính toán cho động cơ 
Bài báo này được gửi vào ngày 25 tháng 06 năm 2017 và 
được chấp nhận đăng vào ngày 20 tháng 09 năm 2017. 
Vũ Đức Mạnh, Khoa Động lực, Học viện Kỹ thuật Quân sự 
(e-mail: ducmanhvu@mta.edu.vn) 
Hà Huy Thắng, Đại học Điện lực 
Đào Trọng Thắng, Khoa Động lực, Học viện Kỹ thuật Quân sự 
Nguyễn Trung Kiên, Phòng Hợp tác Quốc tế và Quản lý lưu 
học sinh, Học viện Kỹ thuật Quân sự 
trong nhà máy nhiệt điện, đồng thời nó cũng có khả 
năng tính toán cho các ĐCTBK tàu thủy [9]. Phần 
mềm này có thư viện các động cơ phong phú (có 
hầu hết động cơ của các hãng sản xuất ĐCTBK lớn 
trên thế giới), cho phép người dùng sử dụng mô 
hình trong thư viện hoặc dùng các mô đun để thiết 
lập mô hình mới, ngoài ra còn cho phép thay đổi 
loại nhiên liệu và thiết lập tính chất cho nhiên liệu 
mới [2, 9]. 
 Trên tàu thủy tại Việt Nam hiện sử dụng 
ĐCTBK họ UGT3000R, UGT6000+ và 
UGT15000R của hãng Zorya-Mashproekt (UGT 
viết tắt của chữ Ukrainian Gas Turbine). Những 
động cơ này là những biến thể của các động cơ 
công nghiệp UGT3000, UGT6000 và UGT15000 
[3, 8]. Chúng có cấu tạo tương tự nhau: động cơ 3 
trục, máy nén dọc trục gồm máy nén thấp áp và 
máy nén cao áp, buồng đốt dạng vành ống ngược 
chiều, tuabin gồm tuabin cao áp 1 tầng, tuabin thấp 
áp 1 tầng và tuabin chân vịt 3 tầng có đảo chiều [3- 5]. 
Các thông số kỹ thuật cơ bản của động cơ 
UGT3000R và động cơ cơ sở của nó UGT3000 
được trình bày ở Bảng 1, Hình 4 và Hình 5. 
 Bài báo này trình bày phương pháp xây dựng mô 
hình tính toán chu trình công tác của ĐCTBK trong 
phần mềm GateCyleTM và một số kết quả sử dụng 
mô hình để đánh giá ảnh hưởng của môi trường, 
điều kiện vận hành tới thông số của chu trình công 
tác ĐCTBK tàu thủy dòng UGT, từ đó cung cấp 
thông tin khoa học cho người khai thác vận hành. 
Bảng 1. Thông số kỹ thuật của động cơ UGT 3000 và UGT 
3000R ở chế độ định mức [4] 
Thông số UGT3000 UGT3000R 
Công suất Ne (kW) 3360 3125 
Hiệu suất ηe (%) 31,0 28,2 
Tỷ số tăng áp (πMN) 13,5 13,5 
Nhiệt độ khí thải T4 (℃) 420 428 
Tính toán chu trình nhiệt động cơ tuabin khí 
ở các chế độ vận hành 
bằng phần mềm GateCyleTM 
Đ 
Vũ Đức Mạnh, Hà Huy Thắng, Đào Trọng Thắng, Nguyễn Trung Kiên 
Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, tập 20, số K5-2017 
31 
2 CHU TRÌNH NHIỆT CỦA ĐCTBK 
Khi nghiên cứu chu trình nhiệt của ĐCTBK, các 
thông số thường được quan tâm là tỷ số tăng áp 
πMN=p2/p1, tỷ số tăng nhiệt độ ζ=T3/T1 [6], [7]. Trên 
Hình 1 trình bày sơ đồ chu trình thực của ĐCTBK 
trong hệ tọa độ T-s, trong đó 1-2 là quá trình nén 
trong máy nén, 2-3 là quá trình cháy trong buồng 
đốt; 3-4 là quá trình giãn nở trong tuabin; 4-1 là 
quá trình làm lạnh ngoài môi trường. 
 Thông số của các điểm trong chu trình công tác thực 
được tính theo các phương trình dưới đây [6], [7]. 
Hình 1. Biểu đồ chu trình thực của ĐCTBK [7] 
Hình 2. Mô hình ĐCTBK trong thư viện GateCycleTM 
Áp suất và nhiệt độ đầu vào máy nén: 
 1 0 DVp p   (1) 
 T1 ≈ T0 (2) 
 Áp suất, nhiệt độ sau máy nén: 
2 1 MN
p p  (3) 
2 1
1
1
m
MN
MN
T T

  
 (4) 
 Áp suất, nhiệt độ sau buồng đốt: 
 3 2 BCp p   (5) 
_ 2 _
3
_
kk p kk nl p nl nl nl u BC
kk nl p kc
G C T G C T G H
T
G G C
 
 (6) 
 Áp suất, nhiệt độ sau tuabin: 
4 0 KT
p p   (7) 
3
4
4 3
3
4
1
1
KC
KC
m
TBm
p
p
T T
p
p

 
 (8) 
 Công suất của chu trình thực được tính bằng 
công thức: 
3
4
_ 3 _
3
4
1
m
m
MN
n TB MN kk p kc TB p kkm
MN
p
p
N N N G C T C
p
p


 (9) 
 Hiệu suất của chu trình bằng tỷ lệ công có ích 
chia cho lượng nhiệt của nhiên liệu cấp vào buồng 
đốt, tức là 
 n
n
nl u
N
G H
 (10)
 Khi coi p4=p1 và p3=p2 thì hiệu suất của chu 
trình được tính bằng công thức: 
1
1 1
m m
MN TB MN MN
n m m
MN MN MN
   

   
 (11) 
 Nhiệt độ môi trường (T0), áp suất đường nạp p1, 
đường thải p4, chế độ tải là một số thông số thay 
đổi trong quá trình vận hành. Từ các phương trình 
trên ta thấy rằng các thông số đó sẽ có ảnh hưởng 
tới công suất, hiệu suất và các thông số của chu 
trình nhiệt ĐCTBK, trong phần 4 sẽ đánh giá định 
lượng những biến đổi này. 
3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CHU 
TRÌNH NHIỆT ĐCTBK TRONG GATECYCLETM 
Khi tính toán trong GateCycleTM có hai phương 
pháp xây dựng mô hình tính toán: 
 1) Sử dụng mô hình sẵn có trong thư viện 
theo đó thì động cơ được quy về dạng động cơ 1 
máy nén, 1 buồng đố