Đăng ký thành viên

Tìm hiểu về đốt tăng áp

Nguyên lý của tuabin khí chu trình Brayton (Ảnh st)

Chu trình và kết cấu cơ bản của tuabin khí gần như không thay đổi trong suốt 80 năm kể từ khi Đức đưa động cơ phản lực Jumo-004 vào sử dụng trong thế chiến năm 1944. Hoạt động của tuabin khí được mô tả bằng chu trình Brayton, còn gọi là chu trình Joule "tiêu chuẩn không khí" lý tưởng, bao gồm bốn quá trình cơ bản: nén đoạn nhiệt; bổ sung nhiệt ở áp suất không đổi; giãn nở đoạn nhiệt; và thải nhiệt ở áp suất không đổi. Chu trình lý tưởng này mô tả một động cơ nhiệt, nhưng trên thực tế chỉ là một mô phỏng kém chính xác của một động cơ nhiệt lý tưởng vận hành theo chu trình Carnot (Trong chu trình Carnot, việc bổ sung nhiệt và thải nhiệt diễn ra đẳng nhiệt). Thực tế là, nói một cách chặt chẽ, tuabin khí không phải là động cơ nhiệt mà là thiết bị "chuyển đổi năng lượng" và không hoạt động theo chu trình nhiệt động lực học khép kín. Đây là lý do tại sao trong các tài liệu kỹ thuật nhà máy điện tuabin khí thường còn gọi là nhà máy điện "chu trình mở" - một cách gọi mâu thuẫn.

Việc xác định công suất trục ròng (net shaft power) của một tuabin khí dựa trên hiệu số giữa công suất tiêu thụ bởi máy nén và công suất do bộ giãn nở (tức là tuabin) tạo ra. Trong các tuabin khí hiện đại, khoảng một nửa công suất giãn nở dùng để vận hành máy nén. Đây là lý do tại sao nhiệt độ đầu vào tuabin là yếu tố then chốt để làm cho tỷ lệ này trở nên tối ưu hơn, tức là để tăng công suất ròng đầu ra. Tuy nhiên, sự cải thiện này kéo theo việc tăng lượng nhiên liệu tiêu thụ trong buồng đốt, làm giảm hiệu suất nhiệt. Để bù đắp cần phải tăng tỷ số nén của chu trình (tức là của máy nén) để tăng nhiệt độ của không khí đầu vào buồng đốt, nhưng điều này lại gây phản tác dụng vì nó làm tăng công suất tiêu thụ của máy nén. Tóm lại, hoạt động cân bằng này dẫn đến một mối quan hệ cộng sinh giữa tỷ số nén của chu trình/máy nén (PR) và nhiệt độ đầu vào tuabin (TIT), và điều đó đã dẫn đến sự gia tăng đồng thời của cả hai yếu tố này trong suốt bốn thập kỷ qua. Từ các tuabin lớp E ban đầu với tổ hợp TIT–PR khoảng 1300°C với tỷ số 12:1, đến tuabin lớp F đạt 1400°C với tỷ số 15:1, và cuối cùng là các tuabin khí lớp tiên tiến ngày nay gần đạt 1700°C với tỷ số 25:1, với hiệu suất nhiệt 43–44% (theo phụ tải nền ISO, tính theo nhiệt trị thấp hơn – LHV). Trong một cấu hình chu trình hỗn hợp, công nghệ tuabin khí lớp tiên tiến hiện đại nhất hiện nay đạt khoảng 64% LHV (phụ tải nền ISO).

Việc tăng thêm hiệu suất nhiệt mà không thay đổi cấu trúc cơ bản của chu trình Brayton đã trở thành một nỗ lực ngày càng ít mang lại lợi ích. Các công nghệ mới nổi như chế tạo phụ gia, vật liệu đặc biệt cho đường khí nóng và thiết kế dựa trên nền tảng tính toán 3D đã và đang mang lại những cải tiến đáng kể nhưng khó có thể đưa công nghệ này lên một tầm cao mới. (Mục tiêu thường nhắc đến là hiệu suất ròng theo LHV khoảng 70%). Một thay đổi mang tính đột phá ở cấp độ chu trình lý tưởng là chuyển từ việc bổ sung nhiệt ở áp suất không đổi (isobaric) sang bổ sung nhiệt ở thể tích không đổi (isochoric). Như có thể dễ dàng nhận thấy từ phương trình trạng thái của khí lý tưởng, pv = RT, lợi thế của mô hình chu trình này là khi nhiệt độ của chất lưu công tác tăng sẽ đi kèm với sự tăng áp suất tương ứng. Nói cách khác, một phần của sự gia tăng áp suất chu trình có thể chuyển từ quá trình nén cơ học tiêu tốn năng lượng sang quá trình bổ sung nhiệt (tức là nén nhiệt). Thực vậy, có một chu trình lý tưởng như vậy trong tài liệu kỹ thuật, đó là chu trình Atkinson (thường gọi là chu trình Humphrey trong các nghiên cứu về đốt bằng sóng nổ).

Một so sánh đồ họa giữa các chu trình Atkinson và Brayton theo điều kiện không khí tiêu chuẩn (lý tưởng) có cùng nhiệt độ chu trình tối đa (T₃, đại diện cho nhiệt độ đầu vào tuabin – TIT) trình bày trong Hình 1. Các chu trình này được mô tả trên đồ thị nhiệt độ-entropy (T_–s), đây là cách thuận tiện nhất để mô tả trực quan nhiệt động học của chu trình. Nói một cách chính xác, có bốn chu trình lý tưởng biểu thị trên Hình 1, cụ thể là:

• Hai chu trình Carnot, đường cong {1–2C–3–4C–1} và {1–2C–3A–4CA–1}, đại diện cho hiệu suất tối đa về mặt lý thuyết theo định luật nhiệt động lực học thứ hai, với giới hạn hiệu suất là 1 – T₁/T₃.

• Chu trình Brayton với đường cong {1–2–3–4–1}, là một sự thay thế không hoàn hảo cho chu trình Carnot, có hiệu suất là một hàm của tỷ số nén chu trình, PR = P₂/P₁.

• Chu trình Atkinson, một sự thay thế khác cho chu trình Carnot, trong đó quá trình bổ sung nhiệt ở thể tích không đổi (đẳng tích - isochoric) làm tăng thêm tỷ số nén chu trình. Lưu ý rằng hiệu suất chu trình Atkinson là một hàm của tỷ số nén trước, r = v₁/v₂, và nhiệt độ chu trình tối đa T₃​, đồng thời thiết lập tỷ số áp nhiệt r_p = P_3A/P₂ (= T_3A/T₂), như đã nêu trên.

Hình 1. So sánh chu trình lý tưởng giữa chu trình Atkinson (hay còn gọi là chu trình Humphrey) - đại diện lý tưởng cho quá trình đốt tăng áp với việc bổ sung nhiệt ở thể tích không đổi, và chu trình Brayton - đại diện lý tưởng cho quá trình đốt lan truyền với việc bổ sung nhiệt ở áp suất không đổi.

Lý do tại sao chu trình Atkinson lại ưu việt hơn chu trình Brayton có thể không dễ dàng nhận thấy ngay bằng trực giác. Hãy sử dụng một vài con số để minh họa: Giả sử chu trình Brayton có tỷ số nén PR = 15:1 (điển hình của tuabin khí lớp F). Hiệu suất chu trình là 53,9%. Với TIT = T₃ = 1400°C, hiệu suất Carnot là 82,8%, dẫn đến một “hệ số chu trình” là 53,9/82,8 = 0,65, đây là một thước đo cho mức độ “hiệu quả” của chu trình. Khi thay đổi quá trình bổ sung nhiệt từ đẳng áp (isobaric) sang đẳng tích {2→3}, PR của chu trình tăng lên thành khoảng 40:1 (với cùng TIT). Hiệu suất chu trình Atkinson là 60,7%, tương ứng với một hệ số chu trình là 60,7/82,8 = 0,73, tức là tốt hơn đáng kể so với người anh em Brayton của nó.

Phát hiện này dĩ nhiên không hoàn toàn bất ngờ. Động lực nhiệt động học cơ bản ở đây tương tự với những gì diễn ra trong tuabin khí hàng không (có tỷ số nén PR cao) và các động cơ “diesel” chạy bằng khí đốt (theo chu trình Diesel) hoặc các động cơ pittong (“recip”) với quá trình đốt nổ trong xilanh. Các phiên bản tiên tiến nhất của loại động cơ này đang đạt hiệu suất nhiệt lên đến 50%, so với 43–44% ở các tuabin khí lớp tiên tiến. (Nhân tiện, quá trình nổ có kiểm soát bên trong xilanh động cơ không phải là quá trình sóng nổ, điều này thực sự có thể xảy ra nhưng sẽ dẫn đến hiện tượng không mong muốn và gây hại được biết đến với tên gọi "knocking" – tiếng gõ động cơ.) Về mặt phần cứng, thiết bị thực tế tương ứng với quá trình bổ sung nhiệt đẳng tích lý tưởng chính là buồng đốt tăng áp (PGC). Trên lý thuyết, khi sử dụng các mối quan hệ nhiệt động lý tưởng như đã mô tả ở trên, khái niệm này là không thể bác bỏ. Việc áp dụng nó vào thiết bị thực tế hoạt động với dòng chảy gián đoạn, như động cơ pittong với quá trình đốt nổ trong xilanh, đã thực hiện thành công và chứng minh hiệu quả thương mại. Một ghi chú lịch sử thú vị: một tuabin khí sử dụng PGC do Holzwarth phát minh ở Đức, người mà Stodola đã ghi nhận là “người đầu tiên chế tạo tuabin khí có tính thực tiễn về mặt kinh tế” (vào khoảng đầu thế kỷ 20). Tuabin dòng chảy gián đoạn của Holzwarth vào cuối thế kỷ 19, trong phiên bản lắp đặt mới nhất tại Mannheim, Đức (năm 1920), với buồng đốt điều khiển bằng van và làm mát bằng nước, vận hành theo chu trình giãn nở – xả – tiền nén – nổ, cuối cùng đã bị loại bỏ do quá phức tạp và tốn kém để trở thành một sản phẩm thương mại khả thi.

Không khó để hiểu tại sao PGC vẫn chưa thể tích hợp thành công vào tuabin khí hiện đại, vốn có thiết kế để hoạt động trong điều kiện dòng chảy ổn định. Theo nguyên lý cơ bản của cơ học chất lỏng, việc tăng áp suất trong một dòng chảy ổn định là điều không thể xảy ra. Ngoại lệ duy nhất là sóng xung kích đứng, đây là hiện tượng lý tưởng hóa như một sự gián đoạn trong chế độ dòng chảy, nơi mà tốc độ dòng chảy của chất lỏng giảm đột ngột từ trạng thái siêu thanh về dưới âm, kéo theo sự gia tăng áp suất và nhiệt độ. Hiện tượng này thực sự diễn ra tại cửa hút gió của động cơ ramjet khi máy bay bay ở tốc độ siêu thanh. Nguyên lý này đã ứng dụng trong thực tế ở các động cơ “gần như turboramjet” (quasi turboramjet) J58 của Pratt & Whitney trang bị trên máy bay SR-71 Blackbird. Đáng tiếc là, việc biến nó thành một bộ phận tích hợp trong cấu hình động cơ để tạo điều kiện đốt kiểu sóng nổ lại là một vấn đề hoàn toàn khác.

Cơ chế vật lý để đạt PGC trong một thiết bị dòng chảy ổn định như tuabin khí chính là đốt kiểu sóng nổ, vốn khác biệt đáng kể so với đốt truyền thống kiểu lan truyền. Người Đức đã nhận ra điều này từ những năm 1940. Đặc biệt, một nhóm do Tiến sĩ R. Focke dẫn đầu tại Tập đoàn BMW (Đức) đã nghiên cứu một thiết kế động cơ mang tên IPTL 8000, với tính năng ước tính là tốc độ bay 800km/h ở mực nước biển, công suất 8000 mã lực, hiệu suất đẩy giả định ƞp = 80%, mức tiêu thụ không khí 62lb/s và mức tiêu hao nhiên liệu riêng SFC = 0,521lb/BHP-giờ (khoảng 26%, so với chỉ khoảng 14% của động cơ turbojet Jumo-004 dùng cho tiêm kích Me 262). Bảy mươi năm sau, Tập đoàn GE (Mỹ) cũng đã cộng tác với Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Mỹ (NASA) thử nghiệm một buồng đốt xung kiểu sóng nổ (PDC) nhiều ống và hệ thống tuabin hybrid. Các nhà nghiên cứu đã bố trí tám ống PDC giống như cấu hình súng máy Gatling - tương tự như IPTL 8000, “bắn” vào một tuabin trục đơn tầng (có công suất danh nghĩa 1000 mã lực tại 25.000 vòng/phút). Theo GE, hệ thống này đã vận hành ở các tần số lên đến 30Hz (mỗi ống), theo nhiều kiểu đánh lửa khác nhau, sử dụng hỗn hợp ethylene–không khí theo tỷ lệ stoichiometric để đạt được 750 mã lực tại 22.000 vòng/phút.

Ngay cả với một cuộc trình diễn nguyên mẫu máy bay Long-EZ năm 2008 do động cơ nổ xung (PDE) cung cấp năng lượng, khái niệm PDC vẫn vướng phải vô số khó khăn thực tế nên cuối cùng đã bị loại bỏ để nhường chỗ cho quá trình đốt sóng nổ xoay (RDC) và động cơ sóng nổ xoay (RDE). Nói một cách đơn giản, RDC khắc phục được các vấn đề về van liên quan đến PDC do tần số "bắn" cao hơn nhiều, 1-10kHz (tức là lên đến 10.000 lần mỗi giây), so với PDC với tần số khoảng 100-200Hz hoặc thấp hơn. Do đó, bản chất cực kỳ nhanh của RDC đảm bảo quá trình đốt liên tục, trơn tru tốt hơn nhiều, phù hợp hơn với các ứng dụng đẩy trong hàng không vũ trụ so với bản chất không liên tục của PDC (ví dụ như ít rung hơn, chỉ cần một lần đánh lửa khi khởi động, v.v.).

Mặc dù mối quan tâm chính của RDC/RDE vẫn chủ yếu tập trung vào hệ thống đẩy hàng không vũ trụ, cụ thể là đối với các ứng dụng bay siêu thanh, nhưng tiềm năng ứng dụng công nghệ này vào tuabin khí mặt đất để tạo ra công suất cơ học và phát điện cũng rất cao. Vào năm 2022, GE Research, cộng tác với GE Aerospace và một số tổ chức học thuật, đã nhận tài trợ từ DOE để thiết kế, chế tạo và trình diễn RDC ở điều kiện vận hành tuabin khí loại F (nhiệt độ lên đến 427°C, áp suất 250psia), đồng thời tích hợp với các thành phần máy móc tuabin thượng nguồn (máy nén) và hạ nguồn (tuabin). Theo DOE, mục tiêu của nghiên cứu là nâng cao hiểu biết kỹ thuật về ứng dụng của RDE trong một chu trình tuabin khí hybrid nhằm mục đích phát điện trên bờ (bao gồm RDC với nhiên liệu hydro). Các sản phẩm dự án mục tiêu trong bốn năm bao gồm thiết kế RDC tổn thất thấp để tích hợp với tuabin, trình diễn thử nghiệm về tích hợp máy nén và tuabin, và ước tính tính năng tuabin khí tích hợp RDC. (Kết quả sơ bộ của nghiên cứu kiến ​​trúc buồng đốt cho Khung 6FA thể hiện trong Hình 2.)

Hình 2. Kiến trúc buồng đốt khái niệm của hệ thống đốt sóng nổ xoay (RDC) so với buồng đốt truyền thống (Ảnh st)

Mức cải thiện tính năng kỳ vọng hợp lý đối với một tuabin khí tích hợp RDC là khoảng 5–7 điểm phần trăm đối với chu trình đơn và khoảng 2–3 điểm phần trăm đối với chu trình hỗn hợp.

Cần lưu ý rằng, việc tăng tỷ số áp suất chu trình ở cùng nhiệt độ đầu vào tuabin (TIT) sẽ làm giảm hiệu suất ở chế độ tải thấp. Ví dụ, hãy so sánh diện tích giới hạn bởi đường cong {1–4A–4CA–1} với {1–4–4C–1} trong Hình 1. Giải pháp nhanh chóng là tăng T₃, nhưng điều này cũng mang lại lợi ích tương tự cho chu trình Brayton. Do đó, việc lựa chọn tối ưu giữa TIT và PR trong một tuabin khí sử dụng RDC là cực kỳ quan trọng để khai thác tiềm năng lý tưởng của quá trình đốt tăng áp bằng sóng nổ, so với phiên bản đốt lan truyền truyền thống. Việc so sánh với công nghệ hiện tại cần đảm bảo tính tương đồng về điều kiện. Đáng tiếc là, hầu hết các tuyên bố về lợi ích tính năng của công nghệ PGC trong tài liệu hiện hành đều dựa trên phân tích nhiệt động học cơ bản sai lệch và các giả định thiếu cơ sở. Dù sao đi nữa, công nghệ này vẫn còn ở giai đoạn sơ khai và cần thêm nhiều nghiên cứu R&D để hiểu đầy đủ các cơ chế vật lý nền tảng (ví dụ: tại sao sóng lại xoay, tại sao chỉ xoay theo một chiều mà không phải chiều còn lại, tại sao sóng không đơn giản bị tắt khi rời khỏi buồng đốt dạng vòng khép kín, v.v.). Dự kiến, công nghệ này có thể cần thêm một thập kỷ nữa trước khi đạt đến mức độ sẵn sàng kỹ thuật cao.

Biên dịch: Phạm Gia Đại

Theo “MPS”, tháng 1/2025