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

30 Science and Technology Development Journal, vol 20, No.K5-2017 
Tóm tắt—Động cơ tuabin khí (ĐCTBK) được 
sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực hàng không và 
trên các tàu chiến hải quân vì kích thước nhỏ 
gọn, tính cơ động cao. Ở Việt Nam, việc nghiên 
cứu, tính toán cho loại động cơ này còn ít được 
quan tâm. Trong bài báo này, nhóm tác giả 
trình bày phương pháp xây dựng mô hình và kết 
quả tính toán chu trình nhiệt bằng phần mềm 
của hang General Electric tên là GateCycleTM. 
Kết quả tính toán có thể sử dụng cho các nghiên 
cứu chuyên sâu về ĐCTBK hoặc để tham khảo 
trong quá trình khai thác, vận hành động cơ. 
Từ khóa—Áp suất, chu trình nhiệt, động cơ tuabin khí, 
GateCycleTM, nhiệt độ, UGT. 
1 GIỚI THIỆU 
ộng cơ tuabin khí là loại động cơ có nhiều 
ưu điểm, được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh 
vực quân sự và trong công nghiệp. Việc khai thác, 
bảo dưỡng động cơ tuabin khí (ĐCTBK) đòi hỏi 
người sử dụng phải có các hiểu biết chuyên sâu. 
Tuy nhiên, ở Việt Nam, việc nghiên cứu, tính toán 
chuyên sâu về ĐCTBK còn ít được thực hiện. 
 Hiện nay có rất nhiều phần mềm tính toán chu 
trình công tác của ĐCTBK như Uni_MM (Saturn, 
LB Nga), GSP (NLR- Trung tâm nghiên cứu vũ trụ 
Hà Lan) và GateCyleTM (GE, Hoa Kỳ) [1]. Các 
phần mềm này đều có chung nguyên lý tính toán 
dựa trên các phương trình trạng thái nhiệt, điểm 
khác biệt của chúng là lĩnh vực động cơ được tính 
toán, cách thức xây dựng mô hình, thư viện động 
cơ. Trong số các phần mềm này thì GateCyleTM là 
phần mềm chuyên dụng để tính toán cho động cơ 
Bài báo này được gửi vào ngày 25 tháng 06 năm 2017 và 
được chấp nhận đăng vào ngày 20 tháng 09 năm 2017. 
Vũ Đức Mạnh, Khoa Động lực, Học viện Kỹ thuật Quân sự 
(e-mail: ducmanhvu@mta.edu.vn) 
Hà Huy Thắng, Đại học Điện lực 
Đào Trọng Thắng, Khoa Động lực, Học viện Kỹ thuật Quân sự 
Nguyễn Trung Kiên, Phòng Hợp tác Quốc tế và Quản lý lưu 
học sinh, Học viện Kỹ thuật Quân sự 
trong nhà máy nhiệt điện, đồng thời nó cũng có khả 
năng tính toán cho các ĐCTBK tàu thủy [9]. Phần 
mềm này có thư viện các động cơ phong phú (có 
hầu hết động cơ của các hãng sản xuất ĐCTBK lớn 
trên thế giới), cho phép người dùng sử dụng mô 
hình trong thư viện hoặc dùng các mô đun để thiết 
lập mô hình mới, ngoài ra còn cho phép thay đổi 
loại nhiên liệu và thiết lập tính chất cho nhiên liệu 
mới [2, 9]. 
 Trên tàu thủy tại Việt Nam hiện sử dụng 
ĐCTBK họ UGT3000R, UGT6000+ và 
UGT15000R của hãng Zorya-Mashproekt (UGT 
viết tắt của chữ Ukrainian Gas Turbine). Những 
động cơ này là những biến thể của các động cơ 
công nghiệp UGT3000, UGT6000 và UGT15000 
[3, 8]. Chúng có cấu tạo tương tự nhau: động cơ 3 
trục, máy nén dọc trục gồm máy nén thấp áp và 
máy nén cao áp, buồng đốt dạng vành ống ngược 
chiều, tuabin gồm tuabin cao áp 1 tầng, tuabin thấp 
áp 1 tầng và tuabin chân vịt 3 tầng có đảo chiều [3- 5]. 
Các thông số kỹ thuật cơ bản của động cơ 
UGT3000R và động cơ cơ sở của nó UGT3000 
được trình bày ở Bảng 1, Hình 4 và Hình 5. 
 Bài báo này trình bày phương pháp xây dựng mô 
hình tính toán chu trình công tác của ĐCTBK trong 
phần mềm GateCyleTM và một số kết quả sử dụng 
mô hình để đánh giá ảnh hưởng của môi trường, 
điều kiện vận hành tới thông số của chu trình công 
tác ĐCTBK tàu thủy dòng UGT, từ đó cung cấp 
thông tin khoa học cho người khai thác vận hành. 
Bảng 1. Thông số kỹ thuật của động cơ UGT 3000 và UGT 
3000R ở chế độ định mức [4] 
Thông số UGT3000 UGT3000R 
Công suất Ne (kW) 3360 3125 
Hiệu suất ηe (%) 31,0 28,2 
Tỷ số tăng áp (πMN) 13,5 13,5 
Nhiệt độ khí thải T4 (℃) 420 428 
Tính toán chu trình nhiệt động cơ tuabin khí 
ở các chế độ vận hành 
bằng phần mềm GateCyleTM 
Đ 
Vũ Đức Mạnh, Hà Huy Thắng, Đào Trọng Thắng, Nguyễn Trung Kiên 
Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, tập 20, số K5-2017 
31 
2 CHU TRÌNH NHIỆT CỦA ĐCTBK 
Khi nghiên cứu chu trình nhiệt của ĐCTBK, các 
thông số thường được quan tâm là tỷ số tăng áp 
πMN=p2/p1, tỷ số tăng nhiệt độ ζ=T3/T1 [6], [7]. Trên 
Hình 1 trình bày sơ đồ chu trình thực của ĐCTBK 
trong hệ tọa độ T-s, trong đó 1-2 là quá trình nén 
trong máy nén, 2-3 là quá trình cháy trong buồng 
đốt; 3-4 là quá trình giãn nở trong tuabin; 4-1 là 
quá trình làm lạnh ngoài môi trường. 
 Thông số của các điểm trong chu trình công tác thực 
được tính theo các phương trình dưới đây [6], [7]. 
Hình 1. Biểu đồ chu trình thực của ĐCTBK [7] 
Hình 2. Mô hình ĐCTBK trong thư viện GateCycleTM 
Áp suất và nhiệt độ đầu vào máy nén: 
 1 0 DVp p   (1) 
 T1 ≈ T0 (2) 
 Áp suất, nhiệt độ sau máy nén: 
2 1 MN
p p  (3) 
2 1
1
1
m
MN
MN
T T

  
 (4) 
 Áp suất, nhiệt độ sau buồng đốt: 
 3 2 BCp p   (5) 
_ 2 _
3
_
kk p kk nl p nl nl nl u BC
kk nl p kc
G C T G C T G H
T
G G C
 
 (6) 
 Áp suất, nhiệt độ sau tuabin: 
4 0 KT
p p   (7) 
3
4
4 3
3
4
1
1
KC
KC
m
TBm
p
p
T T
p
p

 
 (8) 
 Công suất của chu trình thực được tính bằng 
công thức: 
3
4
_ 3 _
3
4
1
m
m
MN
n TB MN kk p kc TB p kkm
MN
p
p
N N N G C T C
p
p


 (9) 
 Hiệu suất của chu trình bằng tỷ lệ công có ích 
chia cho lượng nhiệt của nhiên liệu cấp vào buồng 
đốt, tức là 
 n
n
nl u
N
G H
 (10)
 Khi coi p4=p1 và p3=p2 thì hiệu suất của chu 
trình được tính bằng công thức: 
1
1 1
m m
MN TB MN MN
n m m
MN MN MN
   

   
 (11) 
 Nhiệt độ môi trường (T0), áp suất đường nạp p1, 
đường thải p4, chế độ tải là một số thông số thay 
đổi trong quá trình vận hành. Từ các phương trình 
trên ta thấy rằng các thông số đó sẽ có ảnh hưởng 
tới công suất, hiệu suất và các thông số của chu 
trình nhiệt ĐCTBK, trong phần 4 sẽ đánh giá định 
lượng những biến đổi này. 
3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CHU 
TRÌNH NHIỆT ĐCTBK TRONG GATECYCLETM 
Khi tính toán trong GateCycleTM có hai phương 
pháp xây dựng mô hình tính toán: 
 1) Sử dụng mô hình sẵn có trong thư viện 
theo đó thì động cơ được quy về dạng động cơ 1 
máy nén, 1 buồng đốt và 1 tuabin như trên Hình 2 
hoặc tự xây dựng từ các mô đun của phần mềm [2]. 
 2) Xây dựng mô hình tính toán từ thư viện các 
mô đun của phần mềm (Hình 3). Khi sử dụng mô 
hình này chúng ta có thể thu được kết quả ở các vị 
trí trung gian và điều chỉnh số lượng cũng như 
thông số kỹ thuật của các thành phần của động cơ. 
32 Science and Technology Development Journal, vol 20, No.K5-2017 
Hình 3. Các mô đun xây dựng mô hình 
Trên Hình 4 biểu diễn mô hình của động cơ dòng 
UGT do nhóm tác giả xây dựng. Trong mô hình 
này điều kiện đầu vào được lựa chọn trong mục 
thông số đầu vào của buồng đốt, ngoài ra còn cần 
thêm một số thông số đầu vào của các bộ phận khác 
như trong Bảng 2. Trong các mô hình tính toán này 
đều sử dụng nhiên liệu diesel. 
Hình 4. Mô hình dòng động cơ UGT do nhóm tác giả xây dựng 
Bảng 2. Các thông số vào cơ bản của từng bộ phận trong 
 mô hình động cơ 
Bộ phận Các thông số cần khai báo 
Đường nạp Áp suất, nhiệt độ, lưu lượng không khí 
Máy nén Mức tăng áp, hiệu suất, tỷ lệ trích khí làm 
mát, 
Buồng đốt Nhiệt độ đầu ra buồng đốt/ lưu lượng nhiên 
liệu/ độ tăng nhiệt độ trong buồng đốt/ lượng 
nhiệt sinh ra trong buồng đốt, hệ số tổn thất áp 
suất, hệ số cháy kiệt,  
Tuabin Hệ số giảm áp/lai dẫn máy nén nào/ áp suất sau 
tuabin, hiệu suất,  
Đường thải Áp suất khí thải 
4 MỘT SỐ KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 
4.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến thông 
số chu trình nhiệt của ĐCTBK 
Để minh họa việc sử dụng phần mềm, trong mục 
này nhóm tác giả tính toán chu trình nhiệt của 
ĐCTBK kiểu UGT3000 và UGT3000R ở chế độ 
định mức với T0 khác nhau bằng cách sử dụng mô 
hình có sẵn trong thư viện và mô hình tự thiết lập. 
Ở đây lựa chọn công suất của động cơ theo [4] là 
thông số đầu vào (Hình 5), phần mềm sẽ tính hiệu 
suất, Gnl cần cung cấp, nhiệt độ và áp suất sau máy 
nén, buồng đốt và tuabin. Kết quả tính toán hiệu 
suất của cả động cơ cho sai lệch không quá 3% so 
với kết quả do nhà sản xuất công bố trên Hình 6 
[4]. Bảng 3 cho thấy sai số giữa T3, T4, πMN tính 
toán ở T0=15 oC so với [4] đều nhỏ. Điều này khẳng 
định có thể sử dụng cả hai mô hình để tính toán chu 
trình nhiệt cho động cơ. 
 Khi T0 tăng từ -5oC thì động cơ phải giảm Gnl và 
đồng thời là công suất (hình 5 và hình 7). Trong 
trường hợp duy trì Gnl hoặc Ne thì sẽ làm nhiệt độ 
dòng khí sau buồng đốt T3 và nhiệt độ khí thải T4 
tăng cao và ảnh hưởng tới độ bền nhiệt của cánh 
tuabin (Hình 10, 11). 
 Đối với động cơ UGT3000 và UGT3000R nhiệt 
độ T3 đạt cực đại khi T0 nằm trong khoảng từ -5 ÷ 
5 oC, càng xa vùng này thì T3 giảm tuyến tính 
(hình 7). T0 nằm trong khoảng -35÷5 oC thì khi 
giảm T0 (đồng nghĩa với giảm T1) trong khi Gkk 
tăng, Gnl không đổi (xem Hình 7), theo phương 
trình (2) và (4) dẫn tới T3 sẽ giảm. T0 nằm trong 
khoảng 5÷45 oC thì tốc độ giảm nhiệt lượng cấp 
cho buồng đốt (Gnl.Hu) nhanh hơn tốc độ giảm Gkk 
và tốc độ tăng T2 nên T3 giảm. 
Bảng 3. So sánh áp suất và nhiệt độ của chu trình nhiệt động 
cơ UGT3000R TẠI T0 = 15 
°C 
Theo 
[4] 
Mô 
thư 
viện 
Sai số 
mô hình 
thư viện 
(%) 
Mô 
hình 
tự lập 
Sai số mô 
hình tự 
lập (%) 
T1(K) 288 288 288 
T2(K) - 643 667 
T3(K) 1293 1324 2,4 1248 3,5 
T4(K) 701 737 5,1 750 7 
p1(kPa) 100 100 100 
p2(kPa) 1350 1390 2,9 1360 0,7 
p3(kPa) - 1340 1340 
p4(kPa) 102 102 102 
Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, tập 20, số K5-2017 
33 
Hình 5. Công suất động cơ UGT3000 và UGT3000R ở T0 khác 
nhau [4] 
Hình 6. Hiệu suất chu trình nhiệt theo T0 do nhà sản xuất 
công bố [4] và từ mô hình tính toán 
Hình 7. Biến thiên của ge, Gnl, Gkk khi duy trì công suất theo [4] 
ở cácT0 khác nhau 
Hình 8. Nhiệt độ T3 khi duy trì công suất theo [4] ở các T0 
khác nhau 
Khi không lựa chọn mô hình có sẵn, có thể xây 
dựng mô hình từ các mô đun trong phần mềm, lựa 
chọn thông số đầu vào là lượng nhiên liệu cấp cho 
động cơ, từ đó tính toán ra được công suất có ích 
của chu trình và hiệu suất động cơ. Các kết quả 
công suất và hiệu suất khá chính xác khi so sánh 
với công bố của nhà sản xuất và kết quả tính toán 
từ mô hình của thư viện (Xem hình 4 và hình 5). 
Bảng 4 cũng cho ta thấy kết quả các thông số chu 
trình nhiệt của mô hình tự lập sai lệch không đáng 
kể với mô hình có sẵn trong thư viện. 
Hình 9. Nhiệt độ T4 khi duy trì công suất theo [4] ở các T0 
khác nhau 
Hình 10. Ảnh hưởng của T0 đến T3 và T4 khi duy trì Gnl định 
mức cấp vào động cơ 
34 Science and Technology Development Journal, vol 20, No.K5-2017 
Hình 11. Sự phụ thuộc của Gnl và T3, T4 theo T0 khi duy trì công 
suất động cơ UGT3000 và UGT3000R tương ứng với 3.360 kW 
và 3.125 kW. 
4.2 Ảnh hưởng của áp suất đường nạp, thải tới 
chu trình công tác 
Khi thay đổi áp suất trên đường nạp p1 của động 
cơ UGT 3000R với Gnl, áp suất trên đường thải p4 
không đổi ta thu được các kết quả trình bày trên 
Hình 12 và Hình 13. Ở đây, khi p1 giảm thì công 
suất, hiệu suất, Gkk giảm gần như tuyến tính, T3 và 
T4 tăng lên (p1 giảm 1% thì Ne và ηe giảm tương 
ứng 0,4% và 0,42%; còn T3, T4 tăng 0,6%, 0,7%). 
Hình 12. Ảnh hưởng của p1 tới Ne 
Hình 13. Ảnh hưởng của p1 tới T3, T4 và Gkk 
Trong tính toán cho động cơ UGT3000R khi 
thay đổi p4, đã giữ nguyên Gnl, p1 nên Gkk không 
đổi, từ đó dẫn tới p3, T3 không đổi. Tuy vậy do p4 
tăng sẽ làm giảm hệ số giảm áp của tuabin, theo 
phương trình (8)÷(11) thì công suất, hiệu suất giảm 
còn T4 tăng. Kết quả trên Hình 14 và Hình 15 cho 
thấy khi p4 tăng 1% thì Ne và ηe đều giảm 0,7%, 
còn T4 tăng 0,16%. 
Hình 14. Ảnh hưởng của p4 tới Ne và ηe 
Hình 15. Ảnh hưởng của p4 tới T3, T4 
Từ đây ta thấy rằng, xét về công suất và hiệu suất 
thì sức cản ở đường thải ảnh hưởng nhiều hơn so 
với sức cản ở đường nạp, còn xét về nhiệt độ T3 thì 
chỉ sức cản ở đường nạp có ảnh hưởng lớn hơn. 
5 KẾT LUẬN 
Các ứng dụng tính toán trên mới chỉ là kết quả 
bước đầu, tuy nhiên có thể rút ra một số kết luận 
như sau: 
 Phần mềm GateCyleTM là phần mềm chuyên 
dụng dùng để tính toán chu trình nhiệt của 
ĐCTBK, gồm thư viện phong phú các động cơ 
dùng trong công nghiệp và tàu thủy và có mức độ 
tùy biến cao khi xây dựng mô hình từ các mô đun 
có sẵn của phần mềm. 
 Khi tính toán, mô phỏng ĐCTBK có thể sử dụng 
mô hình có sẵn trong thư viện và hoặc xây dựng 
mô hình từ các mô đun của phần mềm. Độ tin cậy 
của mô hình phụ thuộc vào sự đầy đủ của dữ liệu 
đầu vào và chế độ tính toán của động cơ. 
 Kết quả tính toán đã nêu trong bài báo đã khẳng 
định sự tin cậy của mô hình được xây dựng từ các 
mô đun có sẵn của phần mềm. Từ đây có thể tính 
toán các thông số chu trình công tác, khảo sát ảnh 
hưởng của các thông số, điều kiện làm việc khác 
nhau đến các chỉ tiêu công tác của động cơ 
Những nội dung này sẽ được trình bày trong các 
nghiên cứu khác của nhóm tác giả. 
Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, tập 20, số K5-2017 
35 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Горюнов И.М, Болдырев О.И 
“Направления развития современных 
математических моделей рабочих 
процессов газотурбинных двигателей” 
Современные проблемы науки и 
образования.– № 6 Уфа: УДК 
621.452.32, 2011. 
[2] GateCycleTM Installation Quick Start 
Guide. General Electric, 2010. 
[3] 
Морские газотурбинные двигатели и 
установки, Зоря Машпроект, Украина, 
2003. 
[4] UGT 3000 для морского и 
промысленого применения, Зоря 
Машпроект, Украина, 2003. 
[5] UGT 6000 для привода нагнетателей, 
электрогенераторов и судовых 
движителей, Зоря Машпроект, 
Украина, 2003. 
[6] Рабенко В.С. Термодинамические 
циклы газотурбинных установок. 
Учеб. Пособие, ИГЭУ – Иваново, 2008. 
[7] Đào Trọng Thắng, Nguyễn Trung Kiên. Cơ 
sở tính toán, thiết kế động cơ tuabin khí tàu 
thủy, Nhà xuất bản Quân đội nhân dân, 2014. 
[8] Zorya-Mashproekt Gas Turbine Research and 
Development Complex brochures. Source: 
https://zmturbines.com/en/serial-production 
[9] 
oc/ja/downloads/gatecycle.pdf 
Vũ Đức Mạnh tốt nghiệp Kỹ 
sư (2012) tại Đại học Hàng 
không Moscow (Liên bang 
Nga), hiện là giảng viên bộ môn 
Động cơ - Khoa Động lực - Học 
viện Kỹ thuật Quân sự. 
Các hướng nghiên cứu chính 
hiện nay là: chu trình động cơ 
tuabin khí, truyền nhiệt và khí 
động trong động cơ tuabin khí, 
quy trình khai thác và bảo dưỡng 
động cơ tuabin khí. 
Hà Huy Thắng tốt nghiệp Kỹ 
sư chuyên ngành Động cơ nhiệt 
tại Đại học Điện lực (2012), hiện 
là giảng viên Khoa Công nghệ 
năng lượng. 
Các hướng nghiên cứu chính 
là động cơ tuabin khí. 
Đào Trọng Thắng tốt 
nghiệp Tiến sỹ (1992) tại 
khoa Hệ động lực tàu thủy, 
Đại học tổng hợp kỹ thuật 
Saint-Petersburg (Liên bang 
Nga), hiện là Giáo sư bộ môn 
Động cơ - Khoa Động lực - 
Học viện Kỹ thuật Quân sự. 
Các hướng nghiên cứu 
chính là động lực và độ bền 
động cơ đốt trong và động cơ 
tuabin khí, thiết kế, chế tạo 
các phụ tùng thay thế cho 
động cơ đốt trong, phát thải 
và nhiên liệu thay thế. 
Nguyễn Trung Kiên tốt 
nghiệp Tiến sỹ (2007) tại Đại 
học Kỹ thuật Hàng hải Saint-
Petersburg (Liên bang Nga), 
hiện là Phó Giáo sư công tác 
tại Phòng Hợp tác Quốc tế và 
Quản lý lưu học sinh, Học 
viện Kỹ thuật Quân sự. 
Các hướng nghiên cứu 
chính là chu trình nhiệt động 
cơ tuabin khí, quy trình vận 
hành và bảo dưỡng động cơ 
tuabin khí. 
36 Science and Technology Development Journal, vol 20, No.K5-2017 
Abstract—Gas turbine engines are widely used 
in aviation and naval ships for their 
compactness and high mobility. In Vietnam, the 
researches and investigations for this type of 
engine are less interested. In this paper, the 
authors present methods of modeling and 
calculating gas turbine thermodynamic cycle by 
using the General Electric software – 
GateCycleTM. The results can be used for the 
study of gas turbine engines and for engine 
operation. 
Keywords—Gas turbine, thermodynamic cycle, UGT, 
GateCycleTM, temperature, pressure. 
Calculating gas turbine thermodynamic cycle 
using GateCycleTM software 
Vu Duc Manh, Ha Huy Thang, Dao Trong Thang, Nguyen Trung Kien