Luận văn thạc sĩ ứng dụng logic mờ thiết kế bộ điều khiển tốc độ tuabin khí

..

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN PHẠM CÔNG ĐỨC

ỨNG DỤNG LOGIC MỜ THIẾT KẾ
BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TUABIN KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Đà Nẵng - Năm 2018


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN PHẠM CÔNG ĐỨC

ỨNG DỤNG LOGIC MỜ THIẾT KẾ
BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TUABIN KHÍ
Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số
:
60 52 02 16

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN HOÀNG MAI

Đà Nẵng - Năm 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.Các số liệu, kết quả nêu
trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ cơng trình nào
khác.
Tác giả luận văn

Nguyễn Phạm Công Đức


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮC
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. Đặt vấn đề ............................................................................................................... 1
2. Tính cấp thiết của đề tài .......................................................................................... 1
3. Mục tiêu của đề tài .................................................................................................. 1
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................... 1
5. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................... 2
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn................................................................................. 2
7. Cấu trúc luận văn .................................................................................................... 2
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN TUABIN KHÍ ........................ 4
1.1. Giới thiệu chung ..................................................................................................... 4

1.2. Cấu tạo Tuabin khí .................................................................................................. 5
1.2.1. Khối nén khí ...................................................................................................... 5
1.2.2. Buồng đốt .......................................................................................................... 6
1.2.3. Tuabin ............................................................................................................... 7
1.2.4. Hệ thống thấp áp – cao áp ................................................................................. 8
1.3. Các phương pháp điều khiển Tua bin khí hiện nay .............................................. 11
1.3.1. Các nghiên cứu trong nước ............................................................................. 11
1.3.2. Các nghiên cứu nước ngoài ............................................................................. 13
CHƢƠNG 2. MƠ HÌNH HĨA TỔ HỢP TUA BIN KHÍ ....................................... 21
2.1. Nguyên lý hoạt động của tua bin khí ...................................................................... 21
2.2. Mơ hình tốn học của hệ thống tua-bin khí (GT- Gas Turbine)............................. 22
CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ PID CHO HỆ THỐNG
TUABIN KHÍ............................................................................................................... 35
3.1. Logic mờ và điều khiển mờ ................................................................................... 35
3.1.1. Khái quát về lý thuyết điều khiển mờ .............................................................. 35
3.1.2. Định nghĩa tập mờ ........................................................................................... 35
3.1.3. Biến mờ, hàm biến mờ, biến ngôn ngữ ........................................................... 37
3.1.4. Suy luận mờ và luật hợp thành ........................................................................ 37
3.1.5. Bộ điều khiển .................................................................................................. 39
3.1.6. Bộ điều khiển mờ PID (F-PID) ....................................................................... 42


3.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ PID cho hệ thống tua bin khí ........................................ 44
3.2.1. Xây dựng cấu trúc bộ điều khiển ..................................................................... 44
3.2.2. Tính tốn các thơng số của bộ điều khiển mờ PID. ......................................... 47
CHƢƠNG 4. MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ .............................................................. 50
4.1. Sơ đồ hệ thống mơ phịng bằng mờ PID .............................................................. 50
4.2. Mơ phỏng bộ điều khiển mờ PID cho hệ thống tua bin khí.................................... 55
4.2.1. Khối điều khiển mờ. ....................................................................................... 55
4.2.2. Kết quả mô phỏng ........................................................................................... 57

KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ......................................... 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 65


ỨNG DỤNG LOGIC MỜ THIẾT KẾ
BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TUABIN KHÍ
Học viên:Nguyễn Phạm Cơng Đức. Chun ngành: Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa
Mã số: 60.52.02.16
Khóa: K31Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Tóm tắt - Động cơ tua bin khí với khối lượng và kích thước nhỏ gọn so với các loại động cơ
cùng cơng suất khác, có tính cơ động cao, cơng suất lớn hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong các
trạm phát điện tĩnh và trên các phương tiện giao thông vận tải. Từ khi xuất hiện cho đến nay, động cơ
tua bin khí đã khẳng định được tính ưu việt của mình và là loại động cơ không thể thay thế trong
ngành hàng không và trong lĩnh vực tàu thủy. Đặc điểm cơ bản của tuabin khí là cấu tạo đơn giản, ít
hỏng hóc và tuổi thọ lớn. Nhược điểm của chúng là đặc tính điều khiển phức tạp, độ phi tuyến cao và
khó biến đổi thơng số trực tiếp. Chính vì vậy việc nghiên cứu điều khiển tuabin khí hiện vẫn cịn nhiều
khả năng mở để các nhà khoa học tham gia nghiên cứu phát triển ứng dụng. Từ đó tác giả đã chọn
hướng nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho tổ hợp tua bin khí với mục đích xây dựng cấu trúc khơng
q phức tạp, nhưng đảm bảo được tính đáp ứng nhanh và khả năng kháng nhiễu tốt, các thay đổi
tham số hệ thống, đề tài “Ứng dụng logic mờ thiết kế bộ điều khiển tốc độ tuabin khí” được thực hiện
nhằm nâng cao chất lượng động học của bộ điều khiển tua bin khí.
Từ khóa - Gas Turbine; Heavy Duty Gas Turbine; PID controller; Fuzzy logic;

Abstract - Gas turbine engines with compact size and light weight compared to other types of
engines with the same power, have high mobility and are currently being widely used in static power
stations and transportation vehicles. Since its appearance, Gas turbine engines have proved their
superiority and they are engines that can’t be replaced in aviation and ship industry. The principal
characteristics of gas turbines are simple structure, less failure and long life. Their disadvantages are
complex controllability, high nonlinearity and difficulty to change parameters directly. Therefore,
research into gas turbine control is still open to scientists to participate in research and development.

In light of this,the authors have chosen to study and design a controller for gas turbine engines with
the following goals: building structure is not too complicated, but ensures fast response, resistance to
interference of the changes taking system number and easy to change system parameters. This paper
"Design of fuzzy controller to control the speed of gas turbine" will present the design of the a gas
turbine controller that has improved kinetic quality..

Keyword - Gas Turbine; Heavy Duty Gas Turbine; PID controller; Fuzzy logic;


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Pa
P1

Áp suất ở biên máy nén
Áp suất đường ống vào

P2
P3

Áp suất cửa xả máy nén
Áp suất đầu vào Tuabin

P4

Áp suất đầu ra Tuabin

P5

Áp suất đầu ra Ống xả

w1

Dịng khí vào máy nén

w2
w3

Dịng khí ra máy nén
Dịng khí vào tuabin

w4
w5
WFe
Ta

Dịng khí ra tuabin
Dịng khí ra ống xả
Tỉ lệ lượng nhiên liệu động cơ
Nhiệt độ ở biên máy nén

T1
T2
T3
T4
T5

Nhiệt độ đường ống vào
Nhiệt độ phân phối trong máy nén
Nhiệt độ đầu vào tuabin
Nhiệt độ ra khỏi tuabin

Nhiệt độ ra ống xả
Tỉ số gia nhiệt

N
QT

Tốc độ rotor
Mômen của tuabin

QC
ŋc

Mômen máy nén
Hiệu suất đường ống vào

JR
e1
Wf
f1
W

Nhiệt dung trung bình của khí chảy trong tuabin
Mơ men qn tính của rotor
Đầu ra Hệ thống nhiên liệu
Đầu ra phân phối khí gas nhiên liệu
Tốc độ của tuabin
Công suất tăng tốc máy phát

maxF
minF

kNL
b

Giới hạn lớn nhất yêu cầu nhiên liệu
Giới hạn nhỏ nhất yêu cầu nhiên liệu
Lượng nhiên liệu tiêu thụ khi không tải
Hằng số thời gian định vị Van nhiên liệu (s)


TFS

Thời gian trễ hệ thống nhiên liệu (s)

kF
TCR
TTD

Độ lợi phản hồi hệ thống nhiên liệu
Thời gian trễ của buồng đốt (s)
Thời gian trễ của tuabin đến hệ thống xả (s)

TCD
A

Thời gian trễ của máy nén (s)
Thông số khối mômen tuabin khí

B
C

Thơng số khối mơmen tuabin khí
Thơng số khối nhiệt độ khí thải của tua bin khí (oC)

D

Thơng số khối nhiệt độ khí thải của tua bin khí (oC)


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮC
GT
ŋGT

Gas Turnbine
Hiệu suất của GT

HDGT
KP , KI , KD

Heavy Duty Gas Turbine
PID parameters


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1. Bảng luật hợp thành của hệ số KP ...................................................... 48
Bảng 3.2. Bảng luật hợp thành của hệ số KI....................................................... 49
Bảng 3.3. Bảng luật hợp thành của hệ số KD...................................................... 49
Bảng 4.1. Thông số định danh mơ hình hệ HDGT ............................................. 50
Bảng 4.2. Các thơng số tính tốn hiệu suất của máy nén và tuabin khi hoạt động
............................................................................................................................. 50

Bảng 4.3. Lượng nhiên liệu tối thiểu để duy trì buồng đốt và hoạt động khơng tải
............................................................................................................................. 52
Bảng 4.4. Dữ liệu để tính độ trễ hệ thống nhiên liệu .......................................... 52
Bảng 4.5. Dữ liệu để tính độ trễ của khâu xả máy nén ....................................... 52
Bảng 4.6. Bảng giá trị các tham số được sử dụng cho mơ hình HDGT ............. 53
Bảng 4.7. So sánh kết quả mô phỏng của hai bộ điều khiển với tham số nhiễu
bằng 0.005 ........................................................................................................... 57
Bảng 4.8. So sánh kết quả mô phỏng của hai bộ điều khiển với tham số nhiễu
bằng 0.01 ............................................................................................................. 58
Bảng 4.9. So sánh kết quả mô phỏng của hai bộ điều khiển với tham số nhiễu
bằng 0.05 ............................................................................................................. 59
Bảng 4.10. So sánh kết quả mô phỏng của hai bộ điều khiển với tham số nhiễu
bằng 0.1 ............................................................................................................... 60
Bảng 4.11.So sánh kết quả mô phỏng của hai bộ điều khiển với tham số nhiễu
bằng 0.15 ............................................................................................................. 61
Bảng 4.12. So sánh kết quả mô phỏng của hai bộ điều khiển với tham số nhiễu
bằng 0.2 ............................................................................................................... 62


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Mơ hình tua bin khí ................................................................................... 4
Hình 1.2: Các tầng rotor của máy nén khí dọc trục (các tầng cánh quạt quay),
ở đây phần Stator bị dỡ ra nên khơng nhìn thấy các cánh dẫn hướng trung
gian giữa các tầng là các cánh cố định gắn vào stator .............................................. 5
Hình 1.3: Các ống lửa của buồng đốt ........................................................................ 6
Hình 1.4: Các tầng cánh tuốc bin .............................................................................. 7
Hình 1.5: Sơ đồ động cơ tuốc bin cánh quạt ............................................................. 8
Hình 1.6: Sơ đồ động cơ tuốc bin phản lực .............................................................. 9
Hình 1.7: Sơ đồ động cơ tuốc bin hai viền khí ....................................................... 10
Hình 1.8: Động cơ tuốc bin phản lực cánh quạt. .................................................... 10

Hình 1.9: Mơ hình hóa cấu trúc van nhiêu liệu theo Rowen . ................................ 12
Hình 1.10:Mơ hình hệ thống tua bin khí ................................................................. 15
Hình 1.11:Cấu trúc của bộ điều khiển ..................................................................... 15
Hình 1.12: Sự thay đổi khi có tải ............................................................................ 16
Hình 1.13: Kết quả của bộ quan sát khi có tải ........................................................ 14
Hình 1.14: Sơ đồ khối hệ thống tua bin khí ............................................................ 17
Hình 1.15: Kết quả bộ điều PID và Fuzzy .............................................................. 17
Hình 1.16: Sơ đồ khối hệ thống tua bin khí với bộ điều khiển PID và Fuzzy ........ 18
Hình 1.17: Kết quả bộ điều PID .............................................................................. 16
Hình 1.18: Kết quả bộ điều khiển tuabin khí khi có tải .......................................... 17
Hình 1.19: Kết quả bộ điều Fuzzy .......................................................................... 17
Hình 1.20: Kết quả bộ điều Fuzzy .......................... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.21: Sơ đồ khối hệ thống tua bin khí với bộ điều khiển FuzzyError! Bookmark not
Hình 1.22: Sơ đồ khối hệ thống tua bin khí ............................................................ 19
Hình 1.23: Các bộ điều khiển .................................................................................. 19
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý của tua bin khí .............................................................. 21
Hình 2.2: Chu trình Brayton lý tưởng ..................................................................... 22
Hình 2.3: Chu kỳ Brayton thực tế ........................................................................... 23
Hình 2.4: Sơ đồ khối truyền ngược ......................................................................... 24
Hình 2.5: Chu trình Brayton có làm lạnh ............................................................... 24
Hình 2.6: Mơ hình tốn học của một hệ HDGT (Heavy Duty Gas Turbine) ......... 25
Hình 2.7. Biểu đồ quan hệ tham số cho mơ hình phần tử ....................................... 26
Hình 2.8: Sơ đồ khối hệ thống tuabin khí ............................................................... 27


Hình 2.9: Mơ hình HDGT của Rowen .................................................................... 31
Hình 2.10. Bộ định vị van nhiên liệu ...................................................................... 33
Hình 3.1 Một số dạng hàm liên thuộc. .................................................................... 36
Hình 3.2. Các phép tốn hợp, giao, bù của 2 tập mờ .............................................. 37
Hình 3.3. Mô tả hàm liên thuộc của mệnh đề điều kiện ......................................... 39

Hình 3.4. Mơ tả hàm lien thuộc mệnh đề kết luận .................................................. 39
Hình 3.5. Sơ đồ khối chức năng của bộ điều khiển mờ........................................... 40
Hình 3.6. Giải mờ bằng phương pháp cực đại ........................................................ 40
Hình 3.7. Giải mờ theo nguyên lý trung bình ......................................................... 40
Hình 3.8. Giải mờ theo nguyên lý cận phải ............................................................ 41
Hình 3.9. Giải mờ theo nguyên lý cận trái .............................................................. 41
Hình 3.10. Giải mờ theo phương pháp trọng tâm ................................................... 42
Hình 3.11. Giải mờ theo phương pháp điểm trung bình tâm .................................. 42
Hình 3.12. Vùng tác động của các bộ điều khiển ................................................... 43
Hình 3.13. Sơ đồ hệ thống mô phỏng điều khiển bằng PIDError! Bookmark not defined.
Hình 3.14. Kết quả mơ phỏng khi sử dụng bộ điều khiển PID ............................... 46
Hình 3.15. Đặc tính q độ thường gặp của hệ thống ............................................. 48
Hình 4.1. Sơ đồ hệ thống mô phỏng điều khiển bằng Mờ PIDError! Bookmark not define
Hình 4.2. Cấu trúc bộ điều khiển mờ được mơ phỏng ............................................ 55
Hình 4.3. Tập mờ của biến vào sai lệch .................................................................. 55
Hình 4.4. Tập mờ của biến vào đạo hàm sai lệch.................................................... 56
Hình 4.5. Tập mờ của các biến ra hệ số điều khiển ................................................ 56
Hình 4.6. Kết quả mơ phỏng khi thử nghiệm với nhiễu bằng 0.005 ....................... 57
Hình 4.7. Kết quả mơ phỏng khi thử nghiệm với nhiễu bằng 0.01 ......................... 58
Hình 4.8. Kết quả mô phỏng khi thử nghiệm với nhiễu bằng 0.05 ......................... 59
Hình 4.9. Kết quả mơ phỏng khi thử nghiệm với nhiễu bằng 0.1 ........................... 60
Hình 4.10. Kết quả mô phỏng khi thử nghiệm với nhiễu bằng 0.15 ....................... 61
Hình 4.11. Kết quả mơ phỏng khi thử nghiệm với nhiễu bằng 0.2 ......................... 62


1

MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Động cơ tua bin khí với khối lượng và kích thước nhỏ gọn so với các loại động

cơ cùng cơng suất khác, có tính cơ động cao, công suất lớn hiện đang được ứng dụng
rộng rãi trong các trạm phát điện tĩnh và trên các phương tiện giao thông vận tải. Từ
khi xuất hiện cho đến nay, động cơ tua bin khí đã khẳng định được tính ưu việt của
mình và là loại động cơ khơng thể thay thế trong ngành hàng không và trong lĩnh vực
tàu thủy.
Các hệ thống khai thác nhiệt năng như diesel, tua bin hơi (steam turbine), tua
bin khí (Gas turbine)... thì tuabin khí là loại thiết bị vận hành có hiệu suất cao nhất.
Đồng thời cấu trúc hệ thống nhỏ gọn và thường được dùng cho những thiết bị di động
như máy bay, tàu thủy. Ngày nay nhiều ứng dụng tại chỗ cũng dùng tuabin khí như
nhà máy nhiệt điện tuabin khí, thiết bị quay cao tốc...
2. Tính cấp thiết của đề tài
Đặc điểm cơ bản của tuabin khí là cấu tạo đơn giản, ít hỏng hóc và tuổi thọ lớn.
Nhược điểm của chúng là đặc tính điều khiển phức tạp, độ phi tuyến cao và khó biến
đổi thơng số trực tiếp. Chính vì vậy việc nghiên cứu điều khiển tuabin khí hiện vẫn
cịn nhiều khả năng mở để các nhà khoa học tham gia nghiên cứu phát triển ứng dụng.
Từ đó tác giả đã chọn hướng nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho tổ hợp tua bin
khí với mục đích xây dựng cấu trúc khơng q phức tạp, nhưng đảm bảo được tính đáp
ứng nhanh và khả năng kháng nhiễu tốt, các thay đổi tham số hệ thống, đề tài “Ứng
dụng logic mờ thiết kế bộ điều khiển tốc độ tua bin khí” được thực hiện nhằm nâng
cao chất lượng động học của bộ điều khiển tua bin khí.
3. Mục tiêu của đề tài
- Tìm hiểu và làm chủ cơng nghệ điều khiển tua bin khí trên tàu thủy để đáp ứng
nhu cầu cải tiến, bảo trì, bảo dưỡng, thay thế và sửa chữa thiết bị.
- Nghiên cứu về lý thuyết điều khiển PID và mờ để thiết kế bộ điều khiển cho tổ
hợp tua bin khí và kiểm tra hoạt động của hệ thống.
4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
* Đối tượng nghiên cứu:
Là hệ thống tua bin khí. Xác định quan hệ động học giữa chúng và nghiên cứu
xây dựng cấu trúc bộ điều khiển tua bin khí bằng phương pháp mờ.
* Phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu nguyên lý làm việc của tua bin khí.
- Nghiên cứu lý thuyết bộ điều khiển PID và mờ cho hệ thống tua bin khí.
- Mơ phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink.


2
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của tua bin khí và các yếu tố khác
liên quan đến sự làm việc của tua bin khí.
- Nghiên cứu về lý thuyết bộ điều khiển PID và mờ ứng dụng trong phi tuyến.
- Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển tua bin khí
- Mơ phỏng kiểm chứng thuật toán điều khiển.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
* Ý nghĩa khoa học:
Đề tài đã nghiên cứu về mơ hình tuabin khí, ứng dụng phương pháp điều khiển
mờ cho bộ điều khiển tua bin khí, có so sánh chất lượng động học để đánh giá tốt hơn
so với nhiều phương pháp PID kinh điển.
* Ý nghĩa thực tiễn:
Đề tài này hoàn thành sẽ là một tài liệu quan trọng nhằm phục vụ bộ điều khiển
hiện nay trong các tua bin khí để nâng cao về chất lượng và sự ổn định của các hệ
thống này.
7. Cấu trúc luận văn
Ngồi chương mở đầu, trong luận văn cịn có các phần và chương kế tiếp như
sau:
Mở đầu
Chƣơng 1. Tổng quan về bộ điều khiển tua bin khí
Chương này giới thiệu khái quát về cấu trúc Tuabin khí, đặc điểm và chức năng
làm việc của các phần tử trong tuabin khí. Trình bày ngun lý hoạt động và phân tích
những đặc điểm làm việc của bộ điều khiển Tuabin khí.
Chƣơng 2.Mơ hình hóa tổ hợp tuabin khí

- Chương này giới thiệu, nghiên cứu và phân tích q trình động học của các
phần tử trong tua bin khí. Trình bày các biểu thức tính tốn liên quan và các phương
trình động lực học, từ đó xây dựng mơ hình tốn và mơ hình tổ hợp cho các phần tử
tua bin khí.
- Mơ hình hóa đối tượng điều khiển của tua bin khí theo các dạng mơ hình đã
được định nghĩa, giúp cho việc nghiên cứu ổn định của hệ được đơn giản hơn nhưng
vẫn khơng mất đi tính đa dạng của đối tượng.
- Tổng hợp và xây dựng mơ hình phi tuyến tuabin khí, từ đó xây dựng mơ hình
trạng thái phi tuyến hóa lân cận điểm làm việc, đồng thời so sánh, đánh giá về sự chính
xác của các mơ hình.


3
Chƣơng 3. Thiết kế bô điều khiển mờ điều khiển tốc độ tua bin khí
Chương này giới thiệu về phương pháp điều khiển mờ trượt, xây dựng các cấu
trúc điều khiển mờ trượt cho các mơ hình trạng thái đã xét, mô phỏng kiểm chứng kết
quả nghiên cứu bằng phần mềm Matlab.
Chƣơng 4. Kết quả mô phỏng và nhận xét
Kết luận và kiến nghị


4

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN TUABIN KHÍ
1.1. Giới thiệu chung
Thiết bị tuabin khí là động cơ nhiệt trong đó hóa năng (năng lượng liên kết hóa
học) của nhiên liệu được biến đổi thành cơ năng nhờ những bộ phận của máy quay có
cánh. Q trình chuyển đổi năng lượng trong động cơ này có thể thực hiện bằng những
chu trình nhiệt động khác nhau, trong đó có hai loại chu trình cơ bản thực sự có ý nghĩa

là:
-

Chu trình với q trình cháy đẳng áp, đó là chu trình Brayton.
Chu trình với q trình cháy đẳng tích, đó là chu trình Hunphrey.

Hình 1.1: Mơ hình tua bin khí
Đặc điểm của GT:
- Tua bin khí được sử dụng trong các động cơ đẩy máy bay, máy phát điện, tàu
thủy cao tốc...
- Hiệu suất nhiệt cao, lên đến 44%.
- Thích hợp cho các chu trình kết hợp (với nhà máy nhiệt điện hơi nước)
- Công suất cao so với các kiểu động cơ khác cùng tỷ lệ khối lượng, độ tin cậy
cao, tuổi thọ dài.
- Thời gian khời động ngắn, khoảng 2 phút so với 4 giờ cho hệ thống hơi nước
cùng công suất.
- Tỷ số công tác ngược cao (tỷ số làm việc từ máy nến đến hoạt động tua bin),
lên đến 50% so với vài phần trăm trong các nhà máy nhiệt điện hơi nước.


5
1.2. Cấu tạo Tuabin khí
1.2.1 . Khối nén khí
Khối nén khí là một trong các khối cơng năng chính của động cơ tuốc bin khí có
chức năng làm tăng nội năng (áp suất) khơng khí tạo áp suất cho đỉnh trên (đỉnh 3 hình
đồ thị P-v của chu trình Brayton) cho q trình giãn nở sinh cơng (giai đoạn 3-4 trong
đồ thị P-v Brayton) áp suất sau máy nén càng cao thì hiệu suất nhiệt động lực học càng
lớn, do đó máy nén khí quyết định hiệu suất của động cơ. Tại các động cơ tuốc bin khí
hiện đại địi hỏi tỷ số nén (Áp suất sau máy nén/áp suất trước máy nén) phải từ 10-20.
Tất cả các loại máy nén khí trong động cơ tuốc bin khí đều theo nguyên tắc dùng rãnh

diffuser (thiết diện rãnh khí nở ra) để biến động năng (vận tốc) của dịng khơng khí
thành nội năng (áp suất).
Khối nén khí của động cơ tuốc bin khí có thể gồm các loại như:
Ly tâm: khơng khí từ cửa hút gần trục, dưới tác dụng của lực ly tâm chạy theo
rãnh của cánh ly tâm chạy ra bán kính lớn hơn. Đĩa cánh quạt quay tạo cho khơng khí có
vận tốc tuyệt đối ngày càng cao. Và khi chuyển động ly tâm theo chiều bán kính, rãnh
đĩa ly tâm có hình dạng thiết diện nở ra (diffuser) sẽ làm giảm vận tốc chuyển động
tương đối của khơng khí đối với rãnh đĩa ly tâm và làm tăng áp suất một cách tương ứng
(động năng giảm, nội năng tăng – định luật bảo tồn và chuyển hố năng lượng). Loại
máy nén này có hiệu suất cao và một loạt ưu điểm khác. Tuy nhiên, với động cơ cơng
suất lớn thì sẽ có kích thước theo bán kính lớn nên khơng thích hợp cho máy bay; nó chỉ
để lắp đặt cho các động cơ cố định loại lớn hoặc lắp hạn chế cho một số loại trực thăng.

Hình 1.2: Các tầng rotor của máy nén khí dọc trục (các tầng cánh quạt quay), ở đây
phần Stator bị dỡ ra nên khơng nhìn thấy các cánh dẫn hướng trung gian giữa các tầng
là các cánh cố định gắn vào stator
Loại máy nén khí thơng dụng nhất trong các động cơ tuốc bin khí hàng khơng là
loại máy nén dọc trục (tiếng Anh: axial-flow compressor) về mặt khối lượng, hiệu suất
loại dọc trục đều kém hơn máy nén khí ly tâm nhưng có hình dạng thon dài hình xì gà
rất thích hợp cho động cơ máy bay. Trong loại máy nén này khơng khí bị các đĩa cánh


6
quạt gia tăng vận tốc tuyệt đối và lùa không khí chảy dọc trục trong các rãnh khí giữa
các cánh quạt. Các rãnh khí này có hình dạng thiết diện nở ra (diffuser) và làm giảm vận
tốc tương đối của khơng khí đồng thời làm tăng áp suất. Vì hiệu suất nén của loại cánh
quạt dọc trục không cao nên máy nén phải có nhiều tầng cánh quạt: khơng khí bị nén tại
một tầng được dẫn hướng và nén tiếp trong tầng kế tiếp. Động cơ tuốc bin khí hiện đại
thường có từ 10-20 tầng nén khí, giữa các tầng cánh quạt nén là các tầng cánh dẫn
hướng trung gian được gắn cố định vào stator.

Máy nén ly tâm dọc trục: kết hợp tính chất của hai loại máy nén cơ bản trên.
1.2.2 . Buồng đốt

Hình 1.3: Các ống lửa của buồng đốt
Buồng đốt của động cơ tuốc bin khí là loại ống lửa hở thường là khoảng 7-10 ống
được bố trí thành vịng trịn xung quanh trục động cơ phía sau khối nén và phía trước
tuốc bin. Mỗi ống lửa có một vịi phun nhiên liệu đặt ở mặt phía trước.
Ống lửa thường là các đốt thép hình cơn (giống như các đốt con nhộng) được đặt
so le gối đầu và được hàn với nhau, tại các đường hàn đó có rất nhiều các lỗ nhỏ (đường
kính lỗ 0,5-1mm): khơng khí của dịng thứ cấp chảy từ bên ngồi chảy qua các lỗ này sẽ
tạo thành các lớp khí làm mát sát mặt ống lửa bên trong để bảo vệ ống lửa. Ngoài ra trên
các đốt của ống lửa cịn có các lỗ to để dịng khơng khí thứ cấp từ bên ngoài đi vào để
làm chất giãn nở sinh cơng và để làm nguội dịng lửa nóng trước khi đi vào tuốc bin.
Khơng khí từ máy nén gặp các ống lửa sẽ bị chia thành hai dịng khí dịng khí sơ
cấp – để đốt cháy nhiên liệu dịng khí này khoảng 30% khối lượng khí và dịng khí thứ
cấp khoảng 70% để làm mát bảo vệ ống lửa và làm chất giãn nở sinh cơng và để hịa
vào dòng lửa phụt để làm giảm nhiệt độ dòng lửa phụt khi đi vào tuốc bin.
Dịng khí sơ cấp đi thẳng vào ống lửa qua các khe xoáy tại mặt trước ống lửa sẽ
tạo thành dịng xốy trộn với sương nhiên liệu được phun ra từ vòi phun nhiên liệu và
được đốt mồi bằng bugi (nến điện) lúc khởi động sau đó q trình cháy là liên tục khơng
cần nến điện nữa.
Dịng khí thứ cấp chảy bao bọc bên ngồi ống lửa, một phần dịng khí này đi vào
các lỗ nhỏ trên mối hàn tiếp giáp các đốt ống để đi vào bên trong ống lửa tạo thành lớp
khí làm mát trên mặt trong của ống lửa để bảo vệ ống lửa. Phần còn lại đi vào các lỗ lớn


7
trên các đốt ống để hòa vào dòng lửa phụt phần khí này để làm chất giãn nở sinh cơng
và để giảm bớt nhiệt độ của dòng lửa phụt trước khi đi vào tuốc bin. Tại trung tâm dòng
lửa phụt nhiệt độ khoảng 1500-1600°C nhưng khi đi vào tuốc bin nhiệt độ chỉ còn

khoảng từ 800-1000°C
Mặt sau của ống lửa để hở hướng thẳng vng góc vào đĩa cánh tuốc bin. Cơ cấu
buồng đốt hở cho phép quá trình cháy, gia nhiệt trong buồng đốt là q trình đẳng áp:
khơng khí tăng nhiệt độ lên rất cao, sinh thể tích rất lớn, sinh vận tốc phụt rất cao nhưng
áp suất tại điểm vào và ra khỏi buồng đốt là như nhau (điểm 2 và điểm 3 trên đồ thị P-V
của chu trình Brayton) quá trình cháy đẳng áp cho phép luồng khí nóng trong buồng đốt
chỉ phụt mạnh về phía tuốc bin mà khơng bị thổi ngược về phía khối nén khí.
1.2.3 . Tuabin

Hình 1.4: Các tầng cánh tuốc bin
Tuabin là khối sinh cơng có ích hoạt động theo ngun tắc biến nội năng và động
năng của dịng khí nóng áp suất và vận tốc cao thành cơ năng có ích dưới dạng mô men
quay cánh tuốc bin: tại cánh tuốc bin dịng khí nóng giãn nở sinh cơng. Các cánh tuốc
bin khác với cánh máy nén ở hình dạng thiết diện rãnh khí tại tuốc bin là thiết diện hội
tụ (converge): vận tốc tương đối trong rãnh khí tăng lên làm giảm áp suất, nhiệt độ
khơng khí.
Để làm mát cho cánh tuốc bin, cánh tuốc bin sẽ được làm rỗng và bên trong được
dẫn khí làm mát. Cánh tuốc bin là bộ phận chịu ứng suất cao nhất và là bộ phận nhiều
rủi ro nhất: vừa chịu nhiệt độ rất cao vừa quay với vận tốc rất lớn nên công nghệ chế tạo
tuốc bin là tổng hợp của các thành tựu của nhiều ngành khoa học như luyện kim, vật
liệu, chế tạo máy...
Tuốc bin được nối với máy nén khí để quay máy nén khí và cịn được nối với các
phụ tải khác. Trong các động cơ máy bay thường chỉ có các tuốc bin nối với máy nén
khí mà khơng có tuốc bin tự do (khơng nối với máy nén), cịn tại các động cơ với những
cơng năng khác thường bố trí tuốc bin tự do để nâng cao hiệu suất động cơ nâng cao
tính năng vận hành của động cơ.


8
1.2.4 . Hệ thống thấp áp – cao áp

Về mặt hiệu suất sẽ là tốt nhất nếu mỗi tầng máy nén – tuốc bin quay theo các
vận tốc quay khác nhau (tầng nén phía ngồi quay chậm hơn, tầng phía trong quay
nhanh hơn) nhưng như vậy sẽ rất phức tạp về chế tạo do đó để đảm bảo hợp lý về chế
tạo và hiệu suất người ta chia máy nén thành hai khối: máy nén thấp áp (các tầng phía
trước) và máy nén cao áp (các tầng phía sau). Tuốc bin cũng được chia thành hai khối:
tuốc bin cao áp (các tầng phía trước) và tuốc bin thấp áp (các tầng phía sau) tuốc bin
thấp áp lai máy nén thấp áp, tuốc bin cao áp lai máy nén cao áp. Như vậy hai khối máy
nén – tuốc bin này quay theo các vận tốc góc khác nhau, chúng là hai hệ trục đồng trục:
trục cao áp bên ngoài và trục thấp áp bên trong.
Phân Loại
Động cơ tuốc bin khí là động cơ có số lượng nhiều nhất và là động cơ chính của
ngành hàng khơng cho máy bay, ngồi ra nó cịn được lắp cho các mục đích khác như
cho các trạm phát điện giờ cao điểm hoặc cho tàu biển cao tốc, tàu hoả, thậm chí một số
loại xe tăng.
 Động cơ Hàng Khơng
Động cơ tuốc bin khí cho ngành hàng khơng vì tính năng khối lượng – kích thước
có tầm quan trọng rất lớn nên đa số là loại động cơ có máy nén dọc trục và có hai khối
cao áp, thấp áp. Đối với động cơ phản lực thì động cơ có thêm các bộ phận cực kỳ quan
trọng là phễu phụt và buồng đốt tăng lực.
 Động cơ tuốc bin cánh quạt

Hình 1.5: Sơ đồ động cơ tuốc bin cánh quạt
1: Cánh quạt đẩy chính; 2: Hộp số giảm tốc; 3: động cơ tuốc bin khí
Đây là loại động cơ tuốc bin khí để lai cánh quạt tạo lực đẩy cho máy bay (tiếng
Anh: Turbo Propeller viết tắt Turboprop). Động cơ loại này có hiệu suất cao nhất nên
tính kinh tế cao nhất trong các loại động cơ tuốc bin của hàng khơng, nhưng vì đặc điểm
lực đẩy cánh quạt nên loại động cơ này cho vận tốc thấp nhất do đó loại này chuyên để
lắp cho các máy bay vận tải khỏe, cần tính kinh tế cao nhưng khơng cần vận tốc lớn,
điển hình như loại máy bay vận tải Lockheed C-130 Hercules của Mỹ.

9
Cánh quạt được nối vào trục máy nén khí áp thấp qua hộp số giảm tốc. Đặc điểm
của loại động cơ này là tuốc bin của động cơ vừa lai máy nén vừa lai tải chính là cánh
quạt nên phải thiết kế tuốc bin sao cho sử dụng được hết năng lượng của dịng khí nóng
sau buồng đốt. Với loại động cơ này, dịng khí sau khi ra khỏi tuốc bin có vận tốc cịn
rất thấp, nhiệt độ, áp suất gần cân bằng với mơi trường.
Vì cánh quạt nối thẳng với máy nén khí nên khi thay đổi tốc độ sẽ ảnh hưởng
nhiều đến chế độ làm việc của máy nén và tồn bộ động cơ nên tính linh hoạt của loại
động cơ này không tốt (hiệu suất giảm khi giảm công suất, tốc độ).
Loại này cũng để trang bị cho trực thăng mô men quay được truyền qua hộp số và
chuyển hướng để quay cánh quạt nâng nằm ngang (tiếng Anh: Turbo Shaft).
 Động cơ tuốc bin phản lực

Hình 1.6: Sơ đồ động cơ tuốc bin phản lực
1: Cửa thu khí; 2: Máy nén; 3: buồng đốt; 4: Tuốc bin; 5: Phễu phụt
Động cơ tuốc bin phản lực (tiếng Anh: turbo-Jet là động cơ tuốc bin khí dùng động
năng của dịng khí nóng phụt thẳng về phía sau tạo phản lực đẩy máy bay về phía trước.
Đây là loại động cơ để trang bị cho máy bay phản lực nhất là các máy bay chiến đấu
siêu âm. Loại động cơ này cho vận tốc cao nhất trong các loại động cơ tuốc bin của
hàng khơng nhưng tính kinh tế thấp nhất.
Tuốc bin của loại động cơ này chỉ khai thác một phần năng lượng dịng khí nóng
sau buồng đốt chỉ đủ để lai máy nén khí cịn phần năng lượng cịn lại dùng để phụt
thẳng vào mơi trường tạo phản lực (chính vì vậy hiệu suất của loại động cơ này thấp)
Các loại động cơ phản lực phải có thêm một thiết bị là phễu phụt lắp phía sau tuốc bin
để tăng tốc độ dịng khí. Nếu là động cơ cho máy bay dưới tốc độ âm thanh thì phễu phụt
có hình hội tụ (converge) cịn đối với máy bay siêu âm thì áp dụng phễu phụt siêu âm (hội
tụ – nở rộng hay còn gọi là phễu phụt De Laval theo tên nhà kỹ thuật người Hà Lan).
 Động cơ tuốc bin phản lực có buồng đốt tăng lực
Là một loại của động cơ tuốc bin phản lực dùng cho các máy bay chiến đấu cao

tốc nhất là các máy bay tiêm kích cần phát triển tốc độ chiến đấu nhất thời thật cao. Về
cấu tạo động cơ này rất giống các động cơ tuốc bin phản lực thơng thường nhưng có
thêm buồng đốt thứ cấp phía sau tuốc bin và phía trước phễu phụt buồng đốt này còn
gọi là buồng đốt tăng lực tại buồng đốt này có các vịi phun nhiên liệu khi cần tăng tốc
phun thêm nhiên liệu vào buồng tăng lực để đốt thêm tạo thêm lực đẩy phản lực. Khi


10
tăng lực hiệu suất rất thấp và tốn rất nhiều nhiên liệu nên máy bay chỉ tăng lực trong
thời gian ngắn như khi cơng kích, bỏ chạy hoặc cơ động tránh tên lửa.
 Động cơ tuốc bin hai viền khí

Hình 1.7: Sơ đồ động cơ tuốc bin hai viền khí
1: Cánh quạt ngồi; 2: động cơ tuốc bin khí; 3: dịng khí đi bên trong động cơ; 4: dịng
khí đi bên ngồi động cơ
Có tài liệu tiếng Anh gọi loại này là turbofan. Đây là loại động cơ mà các cánh
quạt tầng ngồi cùng của máy nén áp thấp có cấu tạo và kích thước đặc biệt lùa khơng
khí làm hai dòng: một dòng đi qua động cơ (dòng số 3 trên hình vẽ) và một dịng đi
vịng qua động cơ tạo lực đẩy trực tiếp (dòng số 4) và hai dịng này hịa vào nhau tại
phễu phụt vì vậy động cơ được gọi là động cơ hai viền khí (tiếng Anh: two-contour
turbojet, tiếng Nga: двухконтурный турбо-двигатель). Đây là phương án trung gian
giữa động cơ tuốc bin cánh quạt và động cơ tuốc bin phản lực. Đối với loại động cơ này
có một chỉ số rất quan trọng đó là hệ số hai viền khí (tiếng Anh: Bypass ratio) m là tỷ lệ
thể tích của khối khí chạy bên ngồi so với khối khí chạy bên trong động cơ, (đối với
động tuốc bin phản lực thuần túy m = 0) chỉ số càng lớn thì động cơ có hiệu suất càng
tốt và càng giống động cơ tuốc bin cánh quạt và vận tốc càng thấp, hệ số này lớn hơn 2
thì khơng thể phát triển được vận tốc siêu âm. Cịn các động cơ siêu âm có hệ số m thấp
hơn hoặc bằng 2.
 Động cơ phản lực cánh quạt

Hình 1.8: Động cơ tuốc bin phản lực cánh quạt.
1: cánh quạt ngoài; 2: capote (vỏ) ngoài; 3: động cơ tuốc bin khí; 4: luồng khí phản lực
qua bên trong động cơ; 5: luồng khí tạo lực đẩy từ cánh quạt khơng qua lõi động cơ
Có tài liệu tiếng Anh gọi loại động cơ này là động cơ turbofan nhưng có tài liệu lại
gọi turbofan là động cơ hai viền khí nói chung.


11
Động cơ tuốc bin phản lực cánh quạt là một phiên bản nhánh của động cơ hai viền
khí trong đó cánh quạt ngoài nằm hẳn ra ngoài được bao bằng vỏ capote ngồi, vỏ này
ngắn nên hai dịng khí bên ngồi và bên trong động cơ khơng hịa vào nhau. Nhìn bên
ngồi rất dễ nhận ra loại động cơ này vì vỏ capote ngồi này ngắn tạo thành 2 lớp vỏ
giật cấp.
Đây là động cơ có hệ số m cao thường từ 6-10 và nghiêng về tính chất động cơ
cánh quạt. Loại động cơ này thường ở các máy bay hành khách và vận tải dân dụng cần
tốc độ và tính kinh tế hợp lý. Các máy bay hành khách dân dụng nổi tiếng Boeing và
Airbus trang bị các động cơ này.
 Động cơ cố định
Ngồi ngành Hàng khơng động cơ tuốc bin khí cịn được trang bị cho một số loại
mục tiêu khác ví dụ cho hệ động lực của tàu biển cao tốc hoặc cho một số trạm phát
điện giờ cao điểm.
Vì động cơ tuốc bin khí có hiệu suất thấp hơn động cơ diesel nhưng có cơng suất
rất cao nên người ta chỉ dùng loại động cơ này cho mục đích cao điểm: các trạm phát
điện tuốc bin khí chỉ phát điện vào giờ cao điểm khi yêu cầu công suất của các giờ này
cao hơn mức trung bình vài lần nhưng thời gian khơng lâu. Các tàu cao tốc trang bị tuốc
bin khí cũng chỉ dùng động cơ này khi cần phát triển tốc độ tối đa ngắn hạn.
Vì được bố trí tại những vị trí khơng địi hỏi cao về u cầu kích thước và khối
lượng nên để tăng hiệu suất của cụm động cơ tuốc bin khí người ta cịn kết hợp với các
chu trình phụ như "tái tạo" (regeneration), làm lạnh khí nén (intercooling), tận dụng
nhiệt khí thải. Các cụm động cơ này thường trang bị nén khí li tâm có hiệu suất cao hơn

loại dọc trục.
Và một đặc điểm rất nổi bật của động cơ tuốc bin khí ngồi ngành hàng khơng là
nó có tuốc bin tự do (khơng nối với máy nén) để lai phụ tải chính. Đối với loại động cơ
này các tuốc bin cao áp, thấp áp không sử dụng hết tiềm năng năng lượng của dịng khí
nóng sau buồng đốt nó chỉ lấy đủ nhu cầu quay hai máy nén cao áp và thấp áp, còn phần
năng lượng cịn lại sẽ tiếp tục được giãn nở sinh cơng trong các tầng tuốc bin tự do để
sinh cơng có ích cho phụ tải chính.
1.3. Các phƣơng pháp điều khiển Tua bin khí hiện nay
1.3.1. Các nghiên cứu trong nước
Hiện nay nghiên cứu trong nước về tua bin khí vẫn còn rất hạn chế, chủ yếu là các
nghiên cứu về tua bin hơi, tua bin thủy lực, tua bin gió… Có một vài nghiên cứu về tua
bin khí như [3] của tác giả Nguyễn Hoàng Mai, Trần Văn Dũng.
Dao động tần số thấp trong máy phát điện nối với lưới điện là một vấn đề quan
trọng đối với các hệ thống điều khiển, đặc biệt là trong máy phát điện tuabin khí với tốc
độ cao. Sự dao động làm ảnh hưởng đến tuổi thọ, kinh phí của hoạt động và hiệu suất


12
của q trình truyền năng lượng. Có rất nhiều ngun nhân trong kiểm soát tốc độ dẫn
đến dao động của các bộ phát điện. Họ sử dụng PSS để làm giảm dao động tần số thấp
trong thời gian gần đây. Vì vậy, PSS thường xử lý làm giảm chu kỳ thời gian trễ, do đó
nó có hiệu suất khơng phải là tốt nhất. Bài báo này giới thiệu một phương pháp sử dụng
tuyến tính trong máy phát điện tuabin khí, kết nối với điện lưới bằng cách quan sát ảnh
hưởng dao động nội của cơng suất, nghiên cứu tìm thấy điểm chính của thời gian dao
động. Từ đó, các tác giả đưa ra quyết định để làm dự báo giảm dao động trong hệ thống
và cung cấp tín hiệu vào PSS để giảm thiệt hại của dao động này. Kết quả mơ phỏng
giải thích hành động khác biệt của hệ thống với bộ quan sát tuyến tính và hệ thống
khơng có bộ quan sát tuyến tính.
Trong nghiên cứu này các tác giả dựa theo mơ hình hóa tua bin khí của tác giả
Rowen [4].

Hình 1.9: Mơ hình hóa cấu trúc van nhiêu liệu theo Rowen

Hình 1.10: Mơ hình hệ thống tua bin khí.


13
PSS quan trọng đối với những nhà máy điện, nó có vai trị chính trong việc làm ổn
định điện bằng cách làm giảm dao động ở đầu máy phát điện, chúng ln xảy ra vào
mỗi ngày. Bởi vì kinh phí sửa chữa lớn, khoảng 10% tổng số lợi nhuận, do đó giảm việc
sửa chữa sẽ làm tăng hiệu quả của nhà máy. Có những nghiên cứu dự đốn dao động tần
số thấp để làm giảm dao động, nhưng nó vẫn chưa hồn chỉnh.

Hình 1.11. Cấu trúc của bộ điều khiển
Dao động tần số thấp trong máy phát điện là một vấn đề quan trọng. Kinh phí sửa
chữa và bảo hành mỗi năm rất lớn đối với các nhà máy điện. Kinh phí sẽ giảm nếu ta
giảm độ dao động từ đó tuổi thọ của máy phát điện được lâu hơn. Để làm được vấn đề
này, chúng ta phải làm giảm độ dốc. Nghiên cứu này đã đưa ra một bội quan sát tuyến
tính tốt. Một số vấn đề như sau:


Thiết kế độ rộng của cửa quan sát và mặt biên của cửa sổ.



Xác định nguyên nhân dao động tần số thấp để sắp xếp thứ tự kiểm soát trong
hệ thống. Nếu chúng có ngun nhân thì chúng ta có thể ước lượng mức độ
bằng cảm biến và quá trình trong hệ thống.



Thực hiện giao tiếp bộ đệm hoàn chỉnh giữa bộ quan sát và PSS để thực hiện
bù đắp tín hiệu thích ứng.



Thực hiện sớm dự đốn để kiểm sốt công suất bù vào stator của máy phát
điện. Hành động này để chống dao động.