Giáo trình động cơ Tuabin khí tàu bay - Hàng không dân dụng | Học viện Hàng Không Việt Nam

HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM
KHOA KỸ THUẬT HÀNG KHÔNG GIÁO TRÌNH
ĐỘNG CƠ TUABIN KHÍ TÀU BAY 1
(Giáo trình soạn theo đề cương Động cơ Tuabin khí tàu bay
chuyên ngành Kỹ thuật Hàng Không)
TP HỒ CHÍ MINH - NĂM 2022 MþC LþC Mÿc Nội dung Trang
Chương 1 Cơ sở lý thuyết động cơ turbine khí tàu bay 1 1.1
Lịch sử hình thành và phát triển của động c¡ tua bin khí 1 1.1.1 S¡ l°ợc lịch sử 1 1.1.2
Sự phát triển trong hai thế kỷ hai m°¡i 3 1.1.3
Động c¡ tuabin khí tàu thủy 3 1.1.4
¯u nh°ợc điểm của động c¡ Tuabin khí 5 1.1.5
Xu h°ớng phát triển của động c¡ TBK 6 1.2
Lý thuyết c¡ bản động c¡ turbine khí 6 1.2.1 Quá trình gần tĩnh 6 1.2.2 Năng l°ợng 7 1.2.3 Động năng và thế năng 9 1.2.4 Enthalpy 10 1.2.5
Định luật đ ng lực học 10 1.2.6
Thang đo nhiệt độ khí lý t°ởng 11 1.2.7
Các định luật newton's về chuyển động 13 1.2.7.1 Phát biểu định Luật 13 1.2.7.2 Định luật thứ nhất 15 1.2.7.3 Định luật thứ hai 15 1.2.7.4 Định luật thứ ba 17 1.2.7.5 Định luật bá sung 18 1.2.8 Lý thuyết Bernoulli 18 1.2.9 Định luật Boyle 19 1.2.10 Định luật charles 19 1.2.11 Chu trình BRAYTON 19 1.3
Cấu tạo và hoạt động của động c¡ tua bin phản lực, tua bin 24
cánh quạt và tuabin cánh quạt 1.3.1
Động c¡ tuabin phản lực 24 1.3.2
Cấu tạo của động c¡ tuabin phản lực 26 1.3.2.1 Miệng hút 26 1.3.2.2 Máy nén 26 1.3.2.3 Bußng đát 26 i 1.3.2.4 Tuabin 27 1.3.2.5 Vòi phun 27 1.3.2.6 Bußng cháy sau 27 1.3.3
Động c¡ Tuabin cánh quạt 27 1.3.4 Động c¡ Tuabin quạt 28 1.3.4.1 Quạt 29 1.3.4.2 Máy nén 30 1.3.4.3 Bußng đát 30 1.3.4.5 Tuabin 30 1.3.4.6 àng phun 30 Chương 2 Miệng hút 31 2.1 Giới thiệu chung 31 2.2 Miệng hút 31 2.3
Tác dụng của các kiểu miệng hút khác nhau 32 2.3.1
Miệng hút lắp vào động c¡ 32 2.3.2
Miệng hút đ°ợc lắp trên cánh 33 2.3.3
Miệng hút đ°ợc lắp trên thân 34 2.3.4 Miệng hút cận âm 35 2.3.5 Miệng hút siêu âm 35 2.3.6 Miệng hút loe 35 2.3.7 H° hßng do vật 36 2.4 Cháng băng 38 2.4.1 Hệ tháng khí nóng 40 2.4.2 Hệ tháng điện 40 Chương 3 Máy nén 42 3.1 Giới thiệu chung 42 3.2 Máy nén ly tâm 42 3.3 Máy nén h°ớng trục 45 3.3.1
Cánh máy nén h°ớng trục 46 3.3.2 Cánh gạt stator máy nén 49 3.3.3 Máy nén đa tầng 50 3.3.4 Khoang máy nén 51 3.3.5 Máy nén kết hợp 52 ii 3.3.6 Khí trích từ mày nén 53 3.3.7 Bộ khuyếch tán 53 3.4
Điều kiện làm việc của máy nén 53 3.5
Điều khiển l°u l°ợng khí 54 3.6 Vật liệu 57 3.7
Cân bằng động máy nén và rotor 58 Chương 4 Buồng đßt 61 4.1 Giới thiệu chung 61 4.2 Quá trình cháy 61 4.3 Cung cấp nhiên liệu 63 4.4 Các loại bußng đát 64 4.4.1 Nhiều bußng đát 64 4.4.2
Bußng đát hình khuyên tubo 65 4.4.3 Bußng đát hình khuyên 66 4.5 Hiệu suất bußng đát 66 4.5.1 C°ờng độ đát cháy 67 4.5.2 àn định cháy 67 4.5.3 Khí thải 68 4.6 Vật liệu 68 Chương 5 Tuabin 69 5.1 Giới thiệu 69 5.2
Truyền năng l°ợng từ dòng khí đến tuabin. 72 5.3 Kết cấu 74 5.3.1 Cánh h°ớng vòi phun 74 5.3.2 Cánh tuabin 75 5.3.3 Tua bin quay ng°ợc chiều 76 5.3.4 Đĩa hợp kim kép 76 5.3.4
Sự phù hợp máy nén-turbine 77 5.5 Vật liệu 77 5.5.1 Dẫn h°ớng áng phun 77 5.5.2 Đĩa tuabin 77 5.5.3 Cánh tuabin 77 5.6 Cân bằng động 79 iii Chương 6 Þng Xả 80 6.1 Giới thiệu chung 80 6.2 Dòng khí xả 81 6.3 Bußng cháy sau 83 6.4 Đảo chiều lực đầy 84 6.5 Phần phụ kiện 84 6.6 Đánh sá trạm động c¡ 86 6.7 Cách âm 86 6.8 Bệ đỡ động c¡ 88 6.9 à đỡ 88 6.10
Động c¡ tuabin cánh quạt 89 6.11 Kết cấu và vật liệu 92 Chương 7
Tính toán lực đẩy động cơ 93 7.1
Nguyên lý làm việc của động c¡ tuabin khí (ĐTK) 93 7.1.1
Sự chuyển hóa năng l°ợng 93 7.1.2
Chu trình biến đái năng l°ợng 93 7.2 Tạo ra lực đầy 94 7.2.1 Vận tác và áp suất 94 7.2.2 Tính toán lực đẩy 95 7.2.3 Hiệu suất nhiệt 97 7.3
Các yếu tá ảnh h°ởng đến lực đẩy 98 7.3.1 Nhiệt độ 98 7.3.2 Độ cao 99 7.3.3 Tác độ không khí 100 7.3.4 Tác độ động c¡ 100 7.3.5 Hiệu suất quạt 101 7.4 Đảo chiều lực đẩy 101 7.4.1 Giới thiệu chung 101 7.4.2 Nguyên tắc hoạt động 102 7.4.3 Hệ tháng cửa vß sò 7.4.4 Hệ tháng cửa chụp 104 7.4.5
Hệ tháng đảo chiều dòng lạnh 104 7.4.6
Hệ tháng đảo chiều cánh quạt tuabin 105 iv 7.5 Kết cấu và vật liệu 105 7.6 Phân bá lực đẩy 106 7.6.1 Giới thiệu chung 106 7.6.2 Phân bá lực đẩy 107 7.7
Ph°¡ng pháp tính toán lực đẩy 108 7.7.1
Tính lực đẩy của động c¡ 108 7.7.2 Vß máy nén 108 7.7.3 àng khuyếch tán 109 7.7.4 Bußng đát 110 7.7.5 Các bộ phận tuabin 110 7.7.6
Bộ xả và áng phản lực 111 7.7.7 Vòi phun đẩy 112 7.7.8 Động c¡ 112 7.7.9 Bußng đát nghiêng 113 7.7.10 Bußng đát sau 114 Chương 8
Tính toán hiệu suất nhiệt động cơ tua bin khí 115 8.1 Lực đẩy riêng 115 8.2
Mức tiêu thụ nhiên liệu cụ thể và xung lực cụ thể 115 8.3 Hiệu suất nhiệt 117 8.4 Hiệu suất đẩy 120 8.5
Hiệu suất táng thể của động c¡ và tác động của nó đến 122
phạm vi và độ bền của máy bay 8.6
Động c¡ hiện đại, kết cấu và một sá đặc tính làm việc 125 8.7 Kết luận 128 Chương 9
Hệ thßng nhiên liệu 130 9.1 Giới thiệu chung 130 9.2
L°u trữ và giao nhận nhiên liệu 130 9.2.1
Yêu cầu hệ tháng nhiên liệu 130 9.2.2
Các loại hệ tháng nhiên liệu 133 9.3
Các thành phần hệ tháng nhiên liệu 134 9.3.1 Két ch°a nhiên liệu 134 9.3.2 Cấp nhiên liệu 135 9.3.3
àng nhiên liệu linh hoạt 136 v 9.3.4 àng nhiên liệu cứng 137 9.3.5
Bộ lọc và phin lọc nhiên liệu 137 9.3.6
Máy b¡m nhiên liệu dẫn động bời động c¡ tuabin 138 9.3.7 B¡m nhiên liệu phụ 139 9.3.8 Máy b¡m tay 140 9.3.9 B¡m ly tâm 141 9.3.10 B¡m điện rung 142 9.3.11 Van tắt 142 9.4 Các loại nhiên liệu 143 9.4.1 Xăng hàng không 143 9.4.2
Nhiên liệu và phụ gia turbine 144 9.5
Các phụ kiện chuyên dụng cho động c¡ turbine 145 9.5.1
Đo nhiên liệu động c¡ turbine 146 9.5.2
Bộ phận điều khiển nhiên liệu 147 9.5.2
Bộ điều khiển c¡ thủy lực 147 9.5.4 Bộ phận đo nhiên liệu 148 9.5.5 Bộ phận máy tính 150 9.5.6
Bộ điều khiển khí nén thủy lực 151 9.5.7
Bộ điều khiển điện tử 152 9.5.8 EEC giám sát 152 9.6 Vòi phun nhiên liệu 154 9.6.1 Kim phun nhiên liệu 154 9.6.2 Kim phun đ¡n giản 154 9.6.3 Kim phun kép 155 9.6.4 Kim phun tràn 156 9.6.5 Kim phun cửa thay đái 156 9.6.6 Vòi phun khí 157 9.6.7 Vòi phun bay h¡i 157 9.6.8
Các h° hßng của vòi phun 158 9.7 Van điều áp và xả. 158 9.8 Các van xả 159 9.10
Bảo d°ỡng hệ tháng điều khiển nhiên liệu tuabin 160 vi
Ch°¡ng 1 C¡ sá lý thuyết ộ đ ng c¡ tuabin khí
CH¯¡NG 1 LÝ THUY¾T Þ Đ NG C¡ TURBINE KHÍ
Ch°¡ng này sẽ giúp bạn hiểu lịch sử và sự phát triển cÿa động c¡ tuabin khí (TBK).
Nó sẽ giúp bạn làm quen với các khái niệm c¡ bản đ°ợc các nhà thiết kế TBK sử dụng,
theo dõi các cuộc thảo luận về cách chu trình Brayton mô tả các quá trình nhiệt động
lực học trong TBK và tìm hiểu các điều kiện và giới hạn thiết kế khác nhau ảnh h°áng
đến hiệu suất TBK nh° thế nào. Cách một TBK phát triển và sử dụng khí nóng d°ới áp
suất cũng đ°ợc thảo luận kỹ l ỡng °
trong ch°¡ng này. Sau khi đọc ch°¡ng này, bạn sẽ
có kiến thāc c¡ bản để có thể mô tả các thành phần chính cÿa TBK và cấu trúc cÿa
chúng, các hệ thống phụ trợ cÿa TBK, đồng thßi làm quen với danh pháp liên quan đến
TBK và công nghệ TBK. Đề cập sâu h¡n về các hệ thống và thành phần riêng lẻ cho General Electric LM2500 TBK.
1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của đßng c¢ tua bin khí
1.1.1 S¢ l°ợc lịch sử.
Cho đến những năm gần đây, công nghệ động c¡ tua bin khí Gas Tuabine Engine
(TBK) và công nghệ động c¡ phản lực đã trùng lắp rất nhiều. Nhiều ng°ßi cùng làm
việc trong cả hai lĩnh vực với c¡ sá khoa học t°¡ng tự nhau áp dụng cho cả hai loại động
c¡ trên. Trong quá khā, động c¡ phản lực đã đ°ợc sử dụng nhiều h¡n trong ngành hàng
không. Động c¡ Tuabin khí (TBK) đ°ợc sử dụng trong máy phát điện, làm động c¡ đẩy
tàu thÿy và thậm chí làm thử nghiệm cho động c¡ ô tô. Nhiều nhà máy điện tuabin đang
làm việc đ°ợc sử dụng động c¡ phản lực máy bay làm máy phát khí (GG). Khi đ°ợc sử
dụng nh° vậy, động c¡ phải đ°ợc sửa đổi bằng cách bổ sung một tuabin công suất (PT)
và giảm tốc để hoàn thiện.
Trong tự nhiên, loài mực ống đã sử dụng nguyên lý cÿa động c¡ phản lực từ rất
lâu tr°ớc khi các nhà khoa học nghĩ ra. Ví dụ về nguyên lý phản āng (định luật thā ba
cÿa Newton) đã tồn tại trong lịch sử s¡ khai. Tuy nhiên, āng dụng thực tế cÿa nguyên
lý phản āng chỉ xảy ra gần đây. Sự chậm trễ này là do sự tiến bộ chậm chạp cÿa thành
tựu kỹ thuật trong kỹ thuật nhiên liệu và luyện kim (khoa học về kim loại).
Hero, một nhà khoa học á Alexandria, Ai Cập, sống giữa thế kỷ thā nhất và thā ba
sau Công nguyên, đã mô tả thā đ°ợc coi là động c¡ phản lực đầu tiên (aeolipile). Thiết
bị này (hình 1.1) đ°ợc đề cập trong các nguồn tài liệu có niên đại từ năm 250 tr°ớc Công
nguyên, và nhiều nguồn tin cho rằng Hero là ng°ßi phát minh ra nguyên lý động c¡ phản lực.
Hình 1.1 Thí nghiệm Aeolipile cÿa Hero. 1
Ch°¡ng 1 C¡ sá lý thuyết ộ đ ng c¡ tuabin khí
Lịch sử ghi lại một số ví dụ về các nhà khoa học khác sử dụng nguyên tắc giãn ná
cÿa các chất khí để sinh công. Trong số này có những phát minh cÿa Leonardo da Vinci
khoảng năm 1500 (Hình 1.2) và Giovanni Branca (năm 1629) (Hình 1.3).
Hình 1.2 Đầu cắm ống khói cÿa Da Vinci
Hình 1.3 Tua bin phản lực cÿa Branca.
Vào những năm 1680, Isaac Newton đã mô tả các quy luật chuyển động. Tất cả
các thiết bị sử dụng lý thuyết về lực đẩy phản lực đều dựa trên các định luật này. Toa
tàu h¡i n°ớc cÿa Newton là một ví dụ về nguyên lý phản āng (hình 1.4).
Hình 1.4 Cổ xe h¡i n°ớc cÿa Newton. 2
Ch°¡ng 1 C¡ sá lý thuyết ộ đ ng c¡ tuabin khí
Năm 1791 John Barber, một ng°ßi Anh, đã nộp bằng sáng chế đầu tiên cho một
thiết kế sử dụng chu trình nhiệt động cÿa TBK hiện đại. Thiết kế này cũng đ°ợc đề xuất
cho động c¡ phản lực [Hình 1.5].
Hình 1.5 Phát minh cÿa John Barber 1791
1.1.2 Sự phát triển trong hai th¿ kỷ hai m°¢i
Đ¡n xin cấp bằng sáng chế cho TBK nh° chúng ta biết ngày nay đã đ°ợc đệ trình
vào năm 1930 bái một ng°ßi Anh khác, Ngài Frank Whittle. Bằng sáng chế cÿa ông là
cho một động c¡ máy bay phản lực. Whittle đã sử dụng ý t°áng cÿa chính mình cùng
với sự đóng góp cÿa các nhà khoa học khác. Sau nhiều lần thất bại, anh ấy đã nghĩ ra
Hoa Kỳ ch°a tham gia vào lĩnh vực TBK cho đến năm 1941. Sau đó, General
Electric đã đ°ợc trao hợp đồng chế tạo phiên bản Mỹ cÿa động c¡ máy bay Whittle do
Anh thiết kế. Cả động c¡ và khung máy bay đều đ°ợc chế tạo trong 1 năm. Chiếc máy
bay phản lực đầu tiên đ°ợc cất cánh tại quốc gia này vào tháng 10 năm 1942.
Cuối năm 1941, tập đoàn Westinghouse đã đ°ợc trao hợp đồng thiết kế và chế tạo
chiếc TBK đầu tiên cÿa Mỹ. Các kỹ s° cÿa họ đã thiết kế máy nén dòng h°ớng trục và
buồng đốt hình khuyên đầu tiên. Cả hai ý t°áng này, với những thay đổi nhỏ, là c¡ sá
cho hầu hết các tuabin khí hiện đại đang đ°ợc sử dụng ngày nay.
1.1.3 Đßng c¢ tuabin khí tàu thủy
Việc sử dụng TBK để đẩy một con tàu có từ năm 1937 khi một động c¡ khí piston
tự do Pescara đ°ợc sử dụng trong thực nghiệm với TBK. Động c¡ pít-tông tự do, hay
bộ nạp khí [Hình 1.6] là một dạng cÿa động c¡ diesel. Nó sử dụng đệm khí thay vì trục
khuỷu để quay trá lại các piston. Nó là một nhà sản xuất hiệu quả cÿa khí điều áp. Hải
quân Đāc đã sử dụng nó trong các tàu ngầm cÿa họ trong Thế chiến thā hai nh° một
máy nén khí. Năm 1953, ng°ßi Pháp đ°a vào biên chế hai tàu nhỏ chạy bằng động c¡
pít-tông tự do / kết hợp TBK. Năm 1957, con tàu tự do William Patterson đã đi vào hoạt
động trên một đ°ßng chạy xuyên Đại Tây D°¡ng. Nó có sáu động c¡ pít-tông tự do dẫn động hai tua-bin. 3
Ch°¡ng 1 C¡ sá lý thuyết ộ đ ng c¡ tuabin khí
Hình 1.6 Động c¡ piston tự do.
Vào thßi điểm đó, các āng dụng cÿa việc sử dụng bộ khí hóa quay để điều khiển
tuabin đẩy chính đã đ°ợc sử dụng. Bộ khí hóa (đ°ợc sử dụng nh° một máy nén khí)
th°ßng là một động c¡ phản lực máy bay hoặc phần đầu cÿa động c¡ phản lực cánh
quạt. Năm 1947, Motor Gun Boat 2009 cÿa hải quân Anh sử dụng TBK 2500 mã lực.
Năm 1951, tàu chá dầu Auris, trong một āng dụng thử nghiệm, đã thay thế một trong
bốn động c¡ diesel bằng TBK 1200 mã lực. Năm 1956, con tàu tuabin khí John Sergeant
đã đ°ợc lắp đặt rất hiệu quả. Nó cho māc tiêu thụ nhiên liệu là 0,523 pound mỗi mã
lực/giß. Hiệu quả phần lớn là do sử dụng bộ tái sinh, thu hồi nhiệt từ khí thải.
Vào cuối những năm 1950, TBK hàng hải đã đ°ợc sử dụng rộng rãi, hầu hết là bái
hải quân châu Âu. Tất cả các āng dụng đều sử dụng một hệ thống động lực chính kép,
kết hợp nhà máy tuabin khí với một dạng máy móc đẩy thông th°ßng khác. TBK đ°ợc
sử dụng cho hoạt động tốc độ cao. Nhà máy thông th°ßng đ°ợc sử dụng để bay trên
biển. Các cách bố trí phổ biến nhất là hệ thống diesel và khí kết hợp (CODAG) hoặc hệ
thống diesel hoặc khí kết hợp (CODOG). Động c¡ diesel cho tầm bay tốt và độ tin cậy,
nh°ng chúng có một nh°ợc điểm khi đ°ợc sử dụng trong chiến tranh chống tàu ngầm.
Âm thanh tần số thấp cÿa chúng truyền đi một khoảng cách rất xa trong n°ớc. Điều này
khiến chúng dễ dàng bị phát hiện bái sonar thụ động. Các tuabin h¡i n°ớc đã đ°ợc kết
hợp để giảm âm thanh tần số thấp trong cấu hình kết hợp h¡i n°ớc và khí (COSAG)
giống nh° các tuabin đ°ợc sử dụng trên các tàu khu trục lớp County cÿa Anh. Cấu hình
COSAG yêu cầu nhiều nhân viên h¡n để vận hành. Ngoài ra, chúng không có tầm bắn 4
Ch°¡ng 1 C¡ sá lý thuyết ộ đ ng c¡ tuabin khí
xa cÿa các tổ hợp động c¡ diesel. Một cấu hình khác đã thành công là khí đốt hoặc khí
đốt kết hợp (COGOG), chẳng hạn nh° đ°ợc sử dụng trên chiếc 42 cÿa Anh. Những con
tàu này sử dụng Tyne TBK 4.500 mã lực để bay và Rolls Royce Olympus, động c¡
28.000 mã lực, cho các tình huống tốc độ cao.
Hải quân Hoa Kỳ tham gia lĩnh vực tuabin khí trên biển với các tàu pháo tuần tra
lớp Asheville. Những con tàu này có cấu hình CODOG với hai động c¡ diesel để hành
trình và một động c¡ General Electric LM1500 TBK cho các hoạt động tốc độ cao. Hải
quân hiện đã thiết kế và đang chế tạo các tàu khu trục, tàu khu trục nhỏ, tàu tuần d°¡ng,
thÿy phi c¡ và tàu cánh ngầm tuần tra hoàn toàn chạy bằng TBK. Đây là kết quả cÿa độ
tin cậy và hiệu quả cÿa các thiết kế TBK mới.
1.1.4 ¯u nh°ợc điểm của đßng c¢ Tuabin khí
TBK, khi so sánh với các loại động c¡ khác, mang lại nhiều lợi thế. Tài sản lớn
nhất cÿa nó là tỷ lệ công suất trên trọng l°ợng lớn. Điều này đã khiến nó, d°ới dạng
động c¡ phản lực cánh quạt hoặc động c¡ phản lực, trá thành động c¡ đ°ợc °a chuộng
cho máy bay. So với động c¡ pít-tông xăng, TBK hoạt động bằng nhiên liệu rẻ h¡n và
an toàn h¡n. Hoạt động t°¡ng đối không rung cÿa TBK, so với động c¡ pittông, khiến
nó càng trá nên đáng m¡ °ớc trên máy bay. Ít rung động h¡n giúp giảm căng thẳng cho
khung máy bay. Trong tàu chiến, việc thiếu rung động tần số thấp cÿa TBK khiến chúng
đ°ợc °u tiên sử dụng h¡n động c¡ diesel vì tàu ngầm có thể nhận đ°ợc á tầm xa sẽ ít ồn
h¡n. Kỹ thuật sản xuất hiện đại đã làm cho TBK tiết kiệm h¡n về mã lực trên giá thành
khi lắp đặt ban đầu. Độ tin cậy ngày càng cao cÿa chúng khiến chúng trá thành một giải
pháp thay thế hiệu quả về chi phí cho việc lắp đặt tuabin h¡i n°ớc hoặc động c¡ diesel.
Về khả năng tiết kiệm nhiên liệu, TBK biển hiện đại có thể cạnh tranh với động c¡ diesel
và thậm chí chúng có thể v°ợt trội h¡n so với các nhà máy lò h¡i / tuabin h¡i đang vận
hành bằng nhiên liệu ch°ng cất.
TBK có một số nh°ợc điểm. Vì chúng là động c¡ hiệu suất cao nên nhiều bộ phận
phải chịu āng suất cao. Bảo d°ỡng không đúng cách và thiếu chú ý đến các chi tiết cÿa
quy trình bảo d°ỡng sẽ làm giảm hiệu suất cÿa động c¡ và có thể dẫn đến hỏng động
c¡. Dấu bút chì trên cánh tuabin máy nén có thể gây hỏng bộ phận này. Hầu hết các hệ
thống điều khiển lực đẩy TBK đều rất phāc tạp và yêu cầu giám sát nhiều điều kiện và
thông số vận hành. Hệ thống điều khiển phải phản āng nhanh với các điều kiện vận hành
cÿa tuabin để tránh h° hỏng cho thiết bị. Trong các c¡ sá lắp đặt trên tàu, cần cách âm
đặc biệt vì TBK tạo ra tiếng ồn á c°ßng độ cao có thể gây hại cho tai ng°ßi. Tuabin lấy
một l°ợng lớn không khí có thể chāa các chất hoặc vật thể có thể gây hại cho nó. Ngoài
ra, một l°ợng lớn không khí đ°ợc sử dụng bái TBK đòi hỏi ống hút và ống xả lớn, chiếm
nhiều không gian có giá trị trên một con tàu nhỏ. Điều này làm tăng thêm sự phāc tạp
cÿa việc cài đặt và làm cho việc truy cập để bảo trì khó khăn h¡n.
Từ quan điểm chiến thuật, TBK có hai nh°ợc điểm lớn. Đầu tiên là l°ợng nhiệt
thải lớn do động c¡ thải ra. Hầu hết các tên lửa chống hạm hiện nay đều là tên lửa tầm
nhiệt. Do đó, chữ ký hồng ngoại (IR) cÿa TBK là một mục tiêu dễ dàng. Các biện pháp
đối phó, chẳng hạn nh° làm mát khí thải và mồi nhử IR, đã đ°ợc phát triển để giảm vấn đề này.
Điểm bất lợi thā hai về mặt chiến thuật là yêu cầu bảo d°ỡng kho và sửa chữa
những h° hỏng lớn. Nhìn chung, các tuabin quá phāc tạp để đại tu tại chỗ. Chúng phải 5
Ch°¡ng 1 C¡ sá lý thuyết ộ đ ng c¡ tuabin khí
đ°ợc loại bỏ và thay thế bằng động c¡ đ°ợc chế tạo lại nếu có h° hỏng lớn xảy ra. Tuy
nhiên, vấn đề này đ°ợc giảm bớt nhß thiết kế cÿa hệ thống. TBK trên tàu khu trục nhỏ,
tàu tuần d°¡ng hoặc tàu khu trục có thể đ°ợc thay đổi trong khoảng 4 ngày nếu có dịch
vụ cần cẩu và động c¡ thay thế. TBK trên thÿy phi c¡ có thể đ°ợc thay đổi trong 8 giß.
Các tàu tuabin khí có thể vận hành hoặc sửa chữa theo các tiêu chuẩn t°¡ng tự nh° các
tàu chạy bằng h¡i n°ớc hoặc động c¡ diesel.
1.1.5 Xu h°ớng phát triển của đßng c¢ TBK
Khi vật liệu và thiết kế đ°ợc cải tiến cho phép sử dụng á nhiệt độ và áp suất đốt
cháy cao h¡n, hiệu suất TBK sẽ tăng lên. Ngay cả bây giß, các nhà máy động lực chính
cÿa TBK vẫn tiết kiệm nhiên liệu và chi phí lắp đặt t°¡ng đ°¡ng với động c¡ diesel. Chi
phí ban đầu thấp h¡n so với các nhà máy h¡i n°ớc t°¡ng đ°¡ng đốt nhiên liệu ch°ng
cất. Những cải tiến này đã làm cho TBK trá thành sự lựa chọn tốt nhất cho động c¡ phi
hạt nhân cÿa các tàu hải quân cho đến, và bao gồm cả một tàu bổ sung có kích th°ớc đang đ°ợc tiến hành.
Hiện tại, TBK hàng hải sử dụng các dẫn xuất cÿa động c¡ phản lực máy bay cho
GGs. Chúng đ°ợc sửa đổi một chút để sử dụng trong môi tr°ßng biển, đặc biệt là về khả
năng chống ăn mòn. Khi TBK hàng hải đ°ợc sử dụng rộng rãi h¡n, các thiết kế cụ thể
cho tàu có thể phát triển. Những máy nén này có thể nặng h¡n và cồng kềnh h¡n so với
động c¡ máy bay và tận dụng lợi thế cÿa bộ tái sinh để cho phép hiệu quả cao h¡n.
Tỷ lệ công suất trên trọng l°ợng lớn cÿa TBK cho phép phát triển các tàu thÿ công
hiệu suất cao, chẳng hạn nh° thÿy phi c¡ và tàu cánh ngầm, tàu hộ vệ tên lửa tuần tra
chiến đấu (PG) và tàu đổ bộ, tàu đệm khí (LCAC). Những hàng thÿ công này có khả
năng đạt tốc độ cao, có thể mang theo các hệ thống vũ khí đáng gßm, và đang đ°ợc nhìn
thấy với số l°ợng ngày càng tăng trong hạm đội cÿa chúng tôi. Trong các phiên bản dân
sự, tàu cánh ngầm đã phục vụ trong nhiều năm để vận chuyển ng°ßi trên nhiều tuyến
đ°ßng thÿy trên thế giới. Thÿy phi c¡ ngày càng đ°ợc sử dụng nhiều h¡n với t° cách là
tàu sân bay chá ng°ßi. Chúng có khả năng đạt tốc độ lên đến 100 hải lý / giß. Nếu độ
dốc cÿa bãi biển không quá dốc, chúng có thể tiếp cận các điểm trong đất liền trên hầu
hết mọi loại địa hình.
1.2 Lý thuy¿t đßng c¢ tua bin khí
Cần có hai yếu tố để vận hành đúng TBK. Một đ°ợc thể hiện bằng định luật thā
ba cÿa Newton (Tác động/phản āng). Quy trình còn lại là quy trình hội tụ-phân kỳ (hay
nguyên tắc Bernoulli). Hội tụ có nghĩa là đến gần nhau h¡n, khi các bāc t°ßng bên trong
cÿa một ống đang thu hẹp lại. Phân kỳ có nghĩa là di chuyển ra xa nhau, khi các thành
bên trong cÿa một ống loe ra bên ngoài. Lỗ thông h¡i cÿa bộ chế hòa khí ô tô là một ví
dụ phổ biến về nguyên lý Bernoulli và quá trình hội tụ-phân kỳ. Tr°ớc khi thảo luận về
việc xây dựng và thiết kế TBK, chúng ta sẽ thảo luận thêm một chút về chu trình và lý thuyết.
1.2.1 Quá trình gần tĩnh
Khi một quá trình tiến hành theo cách mà hệ thống vẫn á trạng thái hoàn toàn gần
với trạng thái cân bằng mọi lúc: Quá trình gần nh° tĩnh hoặc Chuẩn cân bằng. Quá trình
tiến hành đÿ chậm để cho phép hệ thống tự điều chỉnh bên trong để các thuộc tính trong
một phần cÿa hệ thống không thay đổi nhanh h¡n các thuộc tính á các phần khác. 6
Ch°¡ng 1 C¡ sá lý thuyết ộ đ ng c¡ tuabin khí
Hình 1.7 Quá trình gần tĩnh
Các kỹ s° quan tâm đến các quy trình gần nh° tĩnh bái vì chúng dễ dàng phân tích
các thiết bị sản xuất công việc mang lại công việc tối đa khi chúng hoạt động trên các
quy trình gần nh° tĩnh. Các quy trình gần nh° tĩnh đóng vai trò là tiêu chuẩn mà các quy
trình thực tế có thể đ°ợc so sánh với
1.2.2 Năng l°ợng
Năng l°ợng có thể tồn tại á nhiều dạng nh° nhiệt, c¡, động, thế, điện, từ, hóa và
hạt nhân. Tổng cÿa những điều trên: tổng năng l°ợng, E e = E/m [kJ/kg] (1.1)
Nhiệt động lực học không cung cấp thông tin về giá trị tuyệt đối cÿa tổng năng
l°ợng. Nó chỉ giải quyết sự thay đổi cÿa tổng năng l°ợng, đó là điều quan trọng trong
các vấn đề kỹ thuật. Các dạng năng l°ợng: 7
Ch°¡ng 1 C¡ sá lý thuyết ộ đ ng c¡ tuabin khí
Năng l°ợng vĩ mô: năng l°ợng mà một hệ thống sá hữu đối với một hệ quy chiếu
bên ngoài nào đó, ví dụ: KE, PE.
Năng l°ợng vi mô: những năng l°ợng liên quan đến cấu trúc phân tử cÿa một hệ
thống và māc độ hoạt động cÿa phân tử và không phụ thuộc vào hệ quy chiếu bên ngoài.
Tổng tất cả các dạng năng l°ợng vi mô cÿa một hệ: Nội năng, U(kJ) hoặc u(kJ/kg).
Hình 1.8 Các dạng năng l°ợng
▪ Năng l°ợng vĩ mô: Năng l°ợng vĩ mô, KE và PE, cÿa một vật thể thay đổi theo vận tốc và độ cao. ▪ Nội năng bao gồm:
− Năng l°ợng cảm āng: một phần nội năng liên kết với động năng cÿa phân tử
KE chuyển động, KE tịnh tiến, dao động KE
− Năng l°ợng tiềm ẩn: Năng l°ợng bên trong liên quan đến sự thay đổi pha cÿa một hệ thống
− Năng l°ợng hóa học: nội năng liên kết với các liên kết nguyên tử trong phân tử
− Năng l°ợng hạt nhân: l°ợng năng l°ợng cực lớn liên kết với các liên kết bền
chặt trong hạt nhân cÿa nguyên tử
Hình 1.9 Nhiều dạng năng l°ợng vi mô khác nhau tạo nên năng l°ợng phù hợp. 8
Ch°¡ng 1 C¡ sá lý thuyết ộ đ ng c¡ tuabin khí
Hình 1.10 Nội năng cÿa một hệ là tổng cÿa tất cả các dạng năng l°ợng vi mô.
Hình 1.11 Năng l°ợng động học vĩ mô là một dạng năng l°ợng hữu c¡ và hữu ích h¡n
năng l°ợng động học vô tổ chāc cÿa các phân tử
1.2.3 Đßng năng và th¿ năn g
Động năng, KE, cÿa một hệ thống: (1.2)
KJ/Kg trên đ¡n vị khối l°ợng C¡ bản,
Thế năng PE, cÿa một hệ thống: (1.3) 9
Ch°¡ng 1 C¡ sá lý thuyết ộ đ ng c¡ tuabin khí
Trong tr°ßng hợp không có các hiệu āng từ, điện và sāc căng bề mặt, tổng năng
l°ợng cÿa một hệ bao gồm động năng, thế năng và nội năng. (1.4)
Hoặc, trên đ¡n vị khối l°ợng c¡ bản (1.5)
Các hệ thống kín có vận tốc và độ cao cÿa trọng tr°ßng không đổi trong suốt quá
trình th°ßng đ°ợc gọi là hệ thống tĩnh.
Sự thay đổi tổng năng l°ợng E cÿa một hệ thống đāng yên chính là với sự thay đổi
năng l°ợng bên trong U cÿa nó. 1.2.4 Enthalpy
Sự kết hợp cÿa năng l°ợng bên trong u và pvis th°ßng gặp trong phân tích thể
tích kiểm soát Enthalpy là một thuộc tính kết hợp
Enthalpy, / = þ + �㕝ÿ (kJ ) (1.6) kg �㔻 = Ā + ÿā (kJ) (1.7)
Entanpi cũng th°ßng đ°ợc gọi là hàm l°ợng nhiệt
Quá trình trong đó entanpi không đổi: quá trình đẳng áp
Hình 1.12 Enthapy cÿa một hệ thống
Sự kết hợp u + pv th°ßng gặp trong phân tích khối l°ợng điều khiển
1.2.5 Định luật <Không= của nhiệt đßng lực học
Phát biểu rằng cũng á trạng thái cân bằng nhiệt với nhau=. Nó là c¡ sá cho tính hợp lệ cÿa phép đo
nhiệt độ. Bằng cách thay thế thân thā ba bằng một nhiệt kế, có thể khôi phục nút số 0 10
Ch°¡ng 1 C¡ sá lý thuyết ộ đ ng c¡ tuabin khí
khi hai vật á trạng thái cân bằng nhiệt nếu cả hai đều có cùng số đọc nhiệt độ ngay cả
khi chúng không tiếp xúc.
Hình 1.13 Qui luật không cÿa nhiệt động lực học
Giả sử TA, TB và TC lần l°ợt là nhiệt độ cÿa A, B và C. A và C á trạng thái cân
bằng nhiệt: TA = TCB và C á trạng thái cân bằng nhiệt: TB = TCC Hệ quả cÿa Quy luật không: TA = TB
Nó đ°ợc đặt tên là quy luật số 0 vì lẽ ra nó có tr°ớc (đ°ợc đề xuất vào năm 1931)
định luật thā nhất và thā hai cÿa nhiệt động lực học đ°ợc định nghĩa vào cuối những năm 1800.
Tất cả các thang đo nhiệt độ dựa trên các trạng thái có thể lặp lại: điểm đóng băng (điểm
băng) hoặc điểm sôi cÿa n°ớc (điểm h¡i n°ớc).
▪ Trong thang độ C, điểm n°ớc đá và h¡i n°ớc đ°ợc ấn định lần l°ợt là 0oC và 100oC. Thang đo nhiệt độ
Trong nhiệt động lực học, ng°ßi ta mong muốn có một thang nhiệt độ độc lập với
bất kỳ tính chất nào cÿa một chất. Thang nhiệt độ nhiệt động lực học hoặc thang Kelvin,
Nhiệt độ thấp nhất trên thang đo này là 0oK.
Một thang nhiệt độ gần giống với thang Kelvin: thang nhiệt độ khí lý t°áng đ°ợc
đo bằng nhiệt kế thể tích không đổi chāa đầy hydro hoặc heli à áp suất thấp, nhiệt độ
cÿa một chất khí tỉ lệ thuận với áp suất cÿa nó á thể tích không đổi
1.2.6 Thang đo nhiệt đß khí lý t°ởng
Nhiệt độ cÿa một chất khí có thể tích cố định thay đổi tuyến tính với áp suất á áp
suất đÿ thấp. Mối quan hệ giữa nhiệt độ và áp suất cÿa khí trong bình có thể đ°ợc biểu thị bằng: T = a + bP (1.8) 11
Ch°¡ng 1 C¡ sá lý thuyết ộ đ ng c¡ tuabin khí
Trong đó giá trị cÿa các hằng số a và b đối với nhiệt kế khí đ°ợc xác định bằng thực nghiệm.
Đo áp suất cÿa khí trong bình tại hai điểm có thể tái lập (chẳng hạn nh° điểm băng
và điểm h¡i n°ớc) và ấn định các giá trị thích hợp cho nhiệt độ tại hai điểm đó. Hai phép
đo này đÿ để xác định các hằng số a và b. Khi đó, nhiệt độ ch°a biết T cÿa môi chất āng
với giá trị áp suất P có thể đ°ợc xác định từ ph°¡ng trình đó bằng một phép tính đ¡n
giản. Nếu các điểm n°ớc đá và h¡i n°ớc lần l°ợt đ°ợc gán các giá trị 0°C và 100°C, thì
thang đo nhiệt độ khí sẽ giống với thang độ C.
Trong tr°ßng hợp này, giá trị cÿa hằng số a (t°¡ng āng với độ tuyệt đối bằng 0)
đ°ợc xác định là -273,15°C bất kể loại và l°ợng khí trong bình cÿa nhiệt kế khí.
Hình 1.14 Thang đo nhiệt độ khí lý t°áng
Đồ thị Pvs.T cÿa dữ liệu thí nghiệm thu đ°ợc từ một nhiệt kế khí thể tích không
đổi sử dụng bốn loại khí khác nhau á các áp suất khác nhau (nh°ng thấp). -273,15°C: là
nhiệt độ thấp nhất mà nhiệt kế khí có thể thu đ°ợc, do đó ta có thể thu đ°ợc thang nhiệt
độ khí tuyệt đối bằng cách gán giá trị 0 cho hằng số a. Trong tr°ßng hợp này, chúng ta
chỉ cần xác định nhiệt độ tại một điểm để xác định thang nhiệt độ khí tuyệt đối. Điểm
cố định tiêu chuẩn cho thang nhiệt độ: Điểm ba n°ớc: 0,010C hoặc 273,16oK (cho thang độ C).
Thang nhiệt độ chất khí tuyệt đối không phải là thang nhiệt độ nhiệt động, vì nó
không thể đ°ợc sử dụng á nhiệt độ rất thấp (do ng°ng tụ) và á nhiệt độ rất cao (do phân ly và ion hóa).
Tuy nhiên, nhiệt độ khí tuyệt đối đồng nhất với nhiệt độ nhiệt động trong khoảng
nhiệt độ mà nhiệt kế khí có thể đ°ợc sử dụng. 12