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

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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tính toán chu trình nhiệt động cơ tuabin khí ở các chế độ vận hành bằng phần mềm GateCyleScience and Technology Development Journal, vol 20, No.K5-201730Tính toán chu trình nhiệt động cơ tuabin khíở các chế độ vận hànhbằng phần mềm GateCyleTMVũ Đức Mạnh, Hà Huy Thắng, Đào Trọng Thắng, Nguyễn Trung KiênTóm tắt—Động cơ tuabin khí (ĐCTBK) đượcsử dụng rộng rãi trong lĩnh vực hàng không vàtrên các tàu chiến hải quân vì kích thước nhỏgọn, tính cơ động cao. Ở Việt Nam, việc nghiêncứu, tính toán cho loại động cơ này còn ít đượcquan tâm. Trong bài báo này, nhóm tác giảtrình bày phương pháp xây dựng mô hình và kếtquả tính toán chu trình nhiệt bằng phần mềmcủa hang General Electric tên là GateCycleTM.Kết quả tính toán có thể sử dụng cho các nghiêncứu chuyên sâu về ĐCTBK hoặc để tham khảotrong quá trình khai thác, vận hành động cơ.Từ khóa—Áp suất, chu trình nhiệt, động cơ tuabin khí,GateCycleTM, nhiệt độ, UGT.Đ1 GIỚI THIỆUộng cơ tuabin khí là loại động cơ có nhiềuưu điểm, được ứng dụng rộng rãi trong lĩnhvực quân sự và trong công nghiệp. Việc khai thác,bảo dưỡng động cơ tuabin khí (ĐCTBK) đòi hỏingười sử dụng phải có các hiểu biết chuyên sâu.Tuy nhiên, ở Việt Nam, việc nghiên cứu, tính toánchuyên sâu về ĐCTBK còn ít được thực hiện.Hiện nay có rất nhiều phần mềm tính toán chutrình công tác của ĐCTBK như Uni_MM (Saturn,LB Nga), GSP (NLR- Trung tâm nghiên cứu vũ trụHà Lan) và GateCyleTM (GE, Hoa Kỳ)… [1]. Cácphần mềm này đều có chung nguyên lý tính toándựa trên các phương trình trạng thái nhiệt, điểmkhác biệt của chúng là lĩnh vực động cơ được tínhtoán, cách thức xây dựng mô hình, thư viện độngcơ. Trong số các phần mềm này thì GateCyleTM làphần mềm chuyên dụng để tính toán cho động cơBài báo này được gửi vào ngày 25 tháng 06 năm 2017 vàđược 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 lựcĐào Trọng Thắng, Khoa Động lực, Học viện Kỹ thuật Quân sựNguyễn Trung Kiên, Phòng Hợp tác Quốc tế và Quản lý lưuhọc sinh, Học viện Kỹ thuật Quân sựtrong nhà máy nhiệt điện, đồng thời nó cũng có khảnăng tính toán cho các ĐCTBK tàu thủy [9]. Phầnmềm này có thư viện các động cơ phong phú (cóhầu hết động cơ của các hãng sản xuất ĐCTBK lớntrên thế giới), cho phép người dùng sử dụng môhình trong thư viện hoặc dùng các mô đun để thiếtlập mô hình mới, ngoài ra còn cho phép thay đổiloại nhiên liệu và thiết lập tính chất cho nhiên liệumới [2, 9].Trên tàu thủy tại Việt Nam hiện sử dụngĐCTBK họ UGT3000R, UGT6000+ vàUGT15000R của hãng Zorya-Mashproekt (UGTviết tắt của chữ Ukrainian Gas Turbine). Nhữngđộng cơ này là những biến thể của các động cơcông nghiệp UGT3000, UGT6000 và UGT15000[3, 8]. Chúng có cấu tạo tương tự nhau: động cơ 3trục, máy nén dọc trục gồm máy nén thấp áp vàmáy nén cao áp, buồng đốt dạng vành ống ngượcchiều, tuabin gồm tuabin cao áp 1 tầng, tuabin thấpáp 1 tầng và tuabin chân vịt 3 tầng có đảo chiều [3- 5].Các thông số kỹ thuật cơ bản của động cơUGT3000R và động cơ cơ sở của nó UGT3000được trình bày ở Bảng 1, Hình 4 và Hình 5.Bài báo này trình bày phương pháp xây dựng môhình tính toán chu trình công tác của ĐCTBK trongphần mềm GateCyleTM và một số kết quả sử dụngmô hình để đánh giá ảnh hưởng của môi trường,điều kiện vận hành tới thông số của chu trình côngtác ĐCTBK tàu thủy dòng UGT, từ đó cung cấpthông tin khoa học cho người khai thác vận hành.Bảng 1. Thông số kỹ thuật của động cơ UGT 3000 và UGT3000R ở chế độ định mức [4]Thông sốUGT3000UGT3000RCông suất Ne (kW)33603125Hiệu suất ηe (%)31,028,2Tỷ số tăng áp (πMN)13,513,5Nhiệt độ khí thải T4 (℃)420428Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, tập 20, số K5-20172 CHU TRÌNH NHIỆT CỦA ĐCTBKKhi nghiên cứu chu trình nhiệt của ĐCTBK, cácthông số thường được quan tâm là tỷ số tăng ápπMN=p2/p1, tỷ số tăng nhiệt độ ζ=T3/T1 [6], [7]. TrênHình 1 trình bày sơ đồ chu trình thực của ĐCTBKtrong hệ tọa độ T-s, trong đó 1-2 là quá trình néntrong máy nén, 2-3 là quá trình cháy trong buồngđốt; 3-4 là quá trình giãn nở trong tuabin; 4-1 làquá trình làm lạnh ngoài môi trường.Thông số của các điểm trong chu trình công tác thựcđược tính theo các phương trình dưới đây [6], [7].T3 31Gkk C p _ kk T2  Gnl C p _ nl Tnl  Gnl H u BC Gkk  Gnl  C p _ kc(6)Áp suất, nhiệt độ sau tuabin:p4  p0   KT(7)  p   3  1  p4 (8)T4  T3 1  TB m KCp3p 4Công suất của chu trình thực được tính bằngcông thức:m KCN n  N TB  N MNm p3  1pm G kk  C p _ kcT3  4  m TB  C p _ kk MN MN p3  p4 (9)Hiệu suất của chu trình bằng tỷ lệ công có íchchia cho lượng nhiệt của nhiên liệu cấp vào buồngđốt, tức làn n Áp suất và nhiệt độ đầu vào máy nén:T1 ≈ T0Áp suất, nhiệt độ sau máy nén:p2  p1   MN(1 ...