Tài liệu ứng dụng logic mờ thiết kế bộ điều khiển tốc độ tuabin khí

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. MÔ HÌNH HÓA TỔ HỢP TUA BIN KHÍ ....................................... 21 2.1. Nguyên lý hoạt động của tua bin khí ...................................................................... 21 2.2. Mô hình toán 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 toán các thông số của bộ điều khiển mờ PID. ......................................... 47 CHƢƠNG 4. MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ .............................................................. 50 4.1. Sơ đồ hệ thống mô phòng bằng mờ PID .............................................................. 50 4.2. Mô 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 Công Đức. Chuyên 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 công 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 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 thông số trực tiếp. Chính vì vậy việc nghiên cứu điều khiển tuabin khí hiện vẫn còn 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 không quá 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 Dòng khí vào máy nén w2 w3 Dòng khí ra máy nén Dòng khí vào tuabin w4 w5 WFe Ta Dòng khí ra tuabin Dòng 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 Mô men quán 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 Thông số khối mômen tuabin khí Thông số khối nhiệt độ khí thải của tua bin khí (oC) D Thông 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 mô hình hệ HDGT ............................................. 50 Bảng 4.2. Các thông số tính toán 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 không 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 mô 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: Mô 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 không 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: Mô hình hóa cấu trúc van nhiêu liệu theo Rowen . ................................ 12 Hình 1.10:Mô 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: Mô hình toán học của một hệ HDGT (Heavy Duty Gas Turbine) ......... 25 Hình 2.7. Biểu đồ quan hệ tham số cho mô hình phần tử ....................................... 26 Hình 2.8: Sơ đồ khối hệ thống tuabin khí ............................................................... 27 Hình 2.9: Mô 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 toán 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. Mô 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 mô phỏng khi sử dụng bộ điều khiển PID ............................... 46 Hình 3.15. Đặc tính quá 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 mô 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 mô phỏng khi thử nghiệm với nhiễu bằng 0.005 ....................... 57 Hình 4.7. Kết quả mô 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 mô 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 mô 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 công 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 không 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 thông số trực tiếp. Chính vì vậy việc nghiên cứu điều khiển tuabin khí hiện vẫn còn 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 không quá 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 công 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. - Mô 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 - Mô 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 mô 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 Ngoài chương mở đầu, trong luận văn còn 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 nguyên lý hoạt động và phân tích những đặc điểm làm việc của bộ điều khiển Tuabin khí. Chƣơng 2.Mô hình hóa tổ hợp tuabin khí - Chương này giới thiệu, nghiên cứu và phân tích quá trình động học của các phần tử trong tua bin khí. Trình bày các biểu thức tính toán liên quan và các phương trình động lực học, từ đó xây dựng mô hình toán và mô hình tổ hợp cho các phần tử tua bin khí. - Mô hình hóa đối tượng điều khiển của tua bin khí theo các dạng mô hình đã được định nghĩa, giúp cho việc nghiên cứu ổn định của hệ được đơn giản hơn nhưng vẫn không mất đi tính đa dạng của đối tượng. - Tổng hợp và xây dựng mô hình phi tuyến tuabin khí, từ đó xây dựng mô hình trạng thái phi tuyến hóa lân cận điểm làm việc, đồng thời so sánh, đánh giá về sự chính xác của các mô 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 mô 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. Quá 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 quá trình cháy đẳng áp, đó là chu trình Brayton. Chu trình với quá trình cháy đẳng tích, đó là chu trình Hunphrey. Hình 1.1: Mô 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 công năng chính của động cơ tuốc bin khí có chức năng làm tăng nội năng (áp suất) không khí tạo áp suất cho đỉnh trên (đỉnh 3 hình đồ thị P-v của chu trình Brayton) cho quá trình giãn nở sinh công (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 đòi 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 dòng không khí thành nội năng (áp suất). Khối nén khí của động cơ tuốc bin khí có thể gồm các loại như: Ly tâm: không 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 không 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 không 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 toàn và chuyển hoá năng lượng). Loại máy nén này có hiệu suất cao và một loạt ưu điểm khác. Tuy nhiên, với động cơ công suất lớn thì sẽ có kích thước theo bán kính lớn nên không 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 không nhìn thấy các cánh dẫn hướng trung gian giữa các tầng là các cánh cố định gắn vào stator Loại máy nén khí thông dụng nhất trong các động cơ tuốc bin khí hàng không 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 không 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 không 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: không 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 vòng tròn xung quanh trục động cơ phía sau khối nén và phía trước tuốc bin. Mỗi ống lửa có một vòi phun nhiên liệu đặt ở mặt phía trước. Ống lửa thường là các đốt thép hình côn (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): không khí của dòng thứ cấp chảy từ bên ngoài 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 còn có các lỗ to để dòng không khí thứ cấp từ bên ngoài đi vào để làm chất giãn nở sinh công và để làm nguội dòng lửa nóng trước khi đi vào tuốc bin. Không khí từ máy nén gặp các ống lửa sẽ bị chia thành hai dòng khí dòng khí sơ cấp – để đốt cháy nhiên liệu dòng khí này khoảng 30% khối lượng khí và dòng khí thứ cấp khoảng 70% để làm mát bảo vệ ống lửa và làm chất giãn nở sinh công và để hòa vào dòng lửa phụt để làm giảm nhiệt độ dòng lửa phụt khi đi vào tuốc bin. Dòng khí sơ cấp đi thẳng vào ống lửa qua các khe xoáy tại mặt trước ống lửa sẽ tạo thành dòng xoáy 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 quá trình cháy là liên tục không cần nến điện nữa. Dòng khí thứ cấp chảy bao bọc bên ngoài ống lửa, một phần dòng 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 công 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 vuông góc vào đĩa cánh tuốc bin. Cơ cấu buồng đốt hở cho phép quá trình cháy, gia nhiệt trong buồng đốt là quá trình đẳng áp: không 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 không bị thổi ngược về phía khối nén khí. 1.2.3 . Tuabin Hình 1.4: Các tầng cánh tuốc bin Tuabin là khối sinh công có ích hoạt động theo nguyên tắc biến nội năng và động năng của dòng 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 dòng khí nóng giãn nở sinh công. 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 không 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 còn 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 không có tuốc bin tự do (không nối với máy nén), còn tại các động cơ với những công 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 ngoài 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 không cho máy bay, ngoài ra nó còn 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 Không Động cơ tuốc bin khí cho ngành hàng không 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 không, 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 không 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 dòng khí nóng sau buồng đốt. Với loại động cơ này, dòng khí sau khi ra khỏi tuốc bin có vận tốc còn rất thấp, nhiệt độ, áp suất gần cân bằng với môi 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 toàn 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 dòng 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 không nhưng tính kinh tế thấp nhất. Tuốc bin của loại động cơ này chỉ khai thác một phần năng lượng dòng khí nóng sau buồng đốt chỉ đủ để lai máy nén khí còn phần năng lượng còn lại dùng để phụt thẳng vào môi 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 dòng khí. Nếu là động cơ cho máy bay dưới tốc độ âm thanh thì phễu phụt có hình hội tụ (converge) còn 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 thông 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 vòi 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 công 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 ngoài; 2: động cơ tuốc bin khí; 3: dòng khí đi bên trong động cơ; 4: dòng khí đi bên ngoài động cơ Có tài liệu tiếng Anh gọi loại này là turbofan. Đây là loại động cơ mà các cánh quạt tầng ngoài cùng của máy nén áp thấp có cấu tạo và kích thước đặc biệt lùa không khí làm hai dòng: một dòng đi qua động cơ (dòng số 3 trên hình vẽ) và một dòng đi vòng qua động cơ tạo lực đẩy trực tiếp (dòng số 4) và hai dòng này hòa 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 ngoài 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 không thể phát triển được vận tốc siêu âm. Còn 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 không 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 ngoài, vỏ này ngắn nên hai dòng khí bên ngoài và bên trong động cơ không hòa vào nhau. Nhìn bên ngoài rất dễ nhận ra loại động cơ này vì vỏ capote ngoài 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 Ngoài ngành Hàng không động cơ tuốc bin khí còn 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 công 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 không 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 không đòi hỏi cao về yêu cầu kích thước và khối lượng nên để tăng hiệu suất của cụm động cơ tuốc bin khí người ta còn 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 ngoài ngành hàng không là nó có tuốc bin tự do (không 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 dòng khí nóng sau buồng đốt nó chỉ lấy đủ nhu cầu quay hai máy nén cao áp và thấp áp, còn phần năng lượng còn lại sẽ tiếp tục được giãn nở sinh công trong các tầng tuốc bin tự do để sinh công 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