Nghiên cứu đánh giá chỉ tiêu an toàn của động cơ tua bin khí sử dụng trên các tàu thủy ở Việt Nam

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2014
112 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KEÁT QUAÛ NGHIEÂN CÖÙU ÑAØO TAÏO SAU ÑAÏI HOÏC
NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHỈ TIÊU AN TOÀN CỦA ĐỘNG CƠ 
TUA BIN KHÍ SỬ DỤNG TRÊN CÁC TÀU THỦY Ở VIỆT NAM
RESEARCH ON EVALUATION OF SAFETY NORMS FOR GAS TURBINE ENGINES USED 
ON MARINE SHIPS IN VIETNAM
Lưu Minh Hải1, Nguyễn Trung Hải2
Ngày nhận bài: 02/6/2014; Ngày p hản biện thông qua: 27/6/2014; Ngày duyệt đăng: 01/12/2014
TÓM TẮT
Bài báo này tóm tắt kết quả nghiên cứu đánh giá chỉ tiêu an toàn cho động cơ tua bin khí sử dụng trên các tàu thủy 
ở Việt Nam. Chỉ tiêu an toàn của một hệ thống kỹ thuật được đánh giá thông qua xác suất an toàn hoặc xác suất hư hỏng 
của từng phần tử trong hệ thống đó. Việc kết hợp phương pháp logic xác suất và phương pháp phân tích cây hư hỏng cho 
phép nâng cao độ chính xác trong đánh giá chỉ tiêu an toàn cho động cơ tua bin khí. Phần mềm SSAT-2013 được xây dựng 
cho phép xác định các thông số của chỉ tiêu an toàn nhanh chóng đồng thời đưa ra các kết quả dự báo đáng tin cậy về tình 
trạng kỹ thuật của thiết bị.
Từ khóa: Độ tin cậy, động cơ tua bin khí, chỉ tiêu an toàn
ABTRACT
This paper summarizes the results of studies evaluating safety norms for gas turbine engines used on marine ships in 
Vietnam. Safety norms of a technical system are evaluated through safety probability or probability of failure to each element
in the system. The combination of probability - logic method and Fault Tree Analysis method allows improving the accuracy 
of safety norms evaluation for gas turbine engines. SSAT-2013 software is developed to allow indentifying promptly the 
parameters of safety norms while providing results of reliable prediction of a technical condition of the equipment.
Keywords: Reliability, gas turbine engine, safety norm
1Lưu Minh Hải: Cao học Kỹ thuật tàu thuyền 2011 – Trường Đại học Nha Trang 
2 TS. Nguyễn Trung Hải: Học viện Hải Quân - Nha Trang
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
 Chỉ tiêu an toà n cho phé p ta đá nh giá đượ c khả 
năng là m việ c an toà n củ a trang bị kỹ thuậ t trong 
quá trì nh khai thá c. Chỉ tiêu an toà n được đặc trưng 
bởi cường độ hỏng và xác suất làm việc không 
hỏng, thời gian làm việc trung bình an toàn [3,4]. 
Đây là mộ t trong nhữ ng chỉ tiêu quan trọ ng nhấ t khi 
đá nh giá độ tin cậ y củ a trang bị kỹ thuậ t. 
Động cơ tua bin khí (TBK) có công suất lớn, 
tính cơ động cao, khối lượng và kích thước nhỏ gọn 
so với các loại động cơ cùng công suất khác. Hiện 
nay, các động cơ TBK đang được ứng dụng rộng rãi 
trong các trạm phát điện tĩnh tại, trên các phương 
tiện giao thông vận tải và đặc biệt là trên các tàu 
của Hải quân. Những ưu điểm của hệ động lực TBK 
cho phép các tàu thủy phát huy được tốc độ cao và 
các tính năng cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ 
được giao, đặc biệt là trong tuần tra, cứu hộ, cứu 
nạn, bảo vệ an toàn cho ngư dân khai thác xa bờ, 
bảo vệ chủ quyền biển đảo thềm lục địa của tổ quốc.
Tuy nhiên, việc sử dụng và khai thác động cơ 
TBK tương đối phức tạp, đòi hỏi người khai thác 
phải có trình độ cao, chấp hành nghiêm ngặt các 
qui trình khai thác, các qui định kiểm tra, bảo dưỡng 
động cơ Ngoài ra, điều kiện thời tiết, khí hậu và 
môi trường hoạt động cũng ảnh hưởng rất lớn tới 
công suất, độ bền và tuổi thọ của động cơ TBK tàu 
thủy. Thực tế khai thác thời gian qua cho thấy xuất 
hiện rất nhiều các hư hỏng xảy ra cho động cơ TBK, 
làm ảnh hưởng không nhỏ tới việc đảm bảo độ tin 
cậy, tính an toàn của hệ động lực tàu. Việc sửa 
chữa các thiết bị, hệ thống của động cơ TBK cũng 
phức tạp và khó khăn nhất là khi đang hoạt động 
trên biển. Vì thế, việc nghiên cứu đánh giá chỉ tiêu 
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2014
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 113
an toàn qua đó dự báo tình trạng kỹ thuật cho các 
động cơ TBK tàu thủy và đề xuất các biện pháp phù 
hợp nâng cao tính an toàn cho động cơ là hết sức 
cần thiết và cần có sự quan tâm thỏa đáng từ phía 
người quản lý và sử dụng tàu nhất là trong điều kiện 
kinh tế nước ta còn nghèo.
II. MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP 
NGHIÊN CỨU
Mục tiêu của đề tài giải quyết hai vấn đề sau:
- Xây dựng phương pháp đánh giá chỉ tiêu an 
toàn của động cơ TBK tàu thủy;
- Xây dựng phần mềm máy tính đánh giá chỉ 
tiêu an toàn của động cơ TBK tàu thủy.
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các động cơ 
TBK sử dụng trên các tàu thủy ở Việt Nam. 
Trong đề tài tác giả sử dụng phương pháp logic 
xác suất [1,2,4] kết hợp phương pháp phân tích cây 
hư hỏng để xác định chỉ tiêu an toàn cho động cơ 
TBK tàu thủy [1,5,6].
Quá trình nghiên cứu, đánh giá chỉ tiêu an toàn 
của động cơ TBK được thực hiện theo trình tự như 
hình 1.
Hình 1. Phương pháp và trình tự thực hiện 
III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
1. Sơ đồ nguyên lý độ ng cơ tua bin khí tà u thủy 
Hì nh 2. Sơ đồ nguyên lý độ ng cơ tua bin khí tà u thủy 
1 - Thiết bị vào, 2- Má y né n thấ p á p, 3 - Má y né n cao á p, 4 - Buồ ng đố t, 5 - Tuabin cao á p, 
6 - Tuabin thấ p á p, 7 - Tuabin chân vị t, 8 - Hộp số, 9 - Chân vịt
2. Các phần tử chính của động cơ TBK dùng để 
đánh giá chỉ tiêu an toàn
Để quá trì nh phân tí ch, tí nh toá n, đá nh giá chỉ 
tiêu an toà n cho độ ng cơ TBK tà u thủy đượ c thuậ n 
tiệ n nhưng đả m bả o đạ t đượ c cá c kế t quả như 
mong muố n, đồ ng thờ i đưa ra cá c giả i phá p có tí nh 
khoa họ c, khả thi nhằ m nâng cao tí nh an toà n cho 
độ ng cơ TBK tà u thủy, tác giả phân chia độ ng cơ 
TBK thà nh cá c nhó m phầ n tử quy đổ i và cá c phầ n 
tử quy đổ i (gọ i là phân hệ và phầ n tử ) như bảng 1:
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2014
114 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
Bảng 1. Các phần tử, phân hệ của động cơ TBK dùng để đánh giá chỉ tiêu an toàn
TT Tên phần tử Ký hiệu phần tử Phân hệ Ký hiệu phân hệ
1 Thiế t bị và o X1
Động cơ X
2 Má y né n khí X2
3 Buồ ng đố t X3
4 Tuabin X4
5 Ổ trụ c X5
6 Hệ thố ng nhiên liệ u Y1
Hệ thống phục vụ Y
7 Hệ thố ng bôi trơn Y2
8 Hệ thố ng là m má t Y3
9 Hệ thố ng khởi động Y4
10 Hệ thống khí Z1 Hệ thống điều 
khiển, bảo vệ Z11 Hệ thống điện Z2
3. Sơ đồ cấ u trú c đánh giá chỉ tiêu an toàn củ a động cơ tua bin khí tàu thủy
Sơ đồ cấu trúc dùng để đánh giá chỉ tiêu an toàn của động cơ TBK tàu thủy Việt Nam gồm 11 phần tử nối 
tiếp nhau như sơ đồ hình 3.
Hình 3. Sơ đồ cấ u trú c đánh giá chỉ tiêu an toàn củ a động cơ tua bin khí tàu thủy
4. Mô hình cây hư hỏng của động cơ tua bin khí tàu thủy
Hình 4. Mô hình cây hư hỏng của động cơ tua bin khí tàu thủy
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2014
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 115
6. Sơ đồ thuật toán xác định chỉ tiêu an toàn của 
các phân hệ và của cả động cơ TBK
Hình 6. Sơ đồ thuật toán xác định chỉ tiêu an toàn động cơ 
TBK tàu thủy Việt Nam
5. Sơ đồ thuật toán xử lý số liệu thống kê
Hình 5. Sơ đồ thuật toán xử lý số liệu thống kê 
7. Phần mềm SSAT 2013
Hình 7. Giao điện phần mềm SSAT-2013
Phần mềm xác định, đánh giá chỉ tiêu an toàn 
của động cơ TBK tàu thủy SSAT-2013 được xây 
dựng bằng ngôn ngữ lập trình Visual Basic trên 
cơ sở lưu đồ thuật toán hình 5 và hình 6. Thông 
qua phần mềm này có thể thực hiện được các nội 
dung sau:
- Thống kê các phần tử của động cơ TBK 
tàu thủy;
- Thống kê hỏng hóc của các phần tử;
- Xử lý số liệu thống kê hỏng hóc của các phần 
tử: chọn dạng phân bố, kiểm tra giả thuyết thống kê, 
tính toán xác định các thông số của chỉ tiêu an toàn 
theo từng khoảng thời gian khảo sát như: Hàm mật 
độ phân phối xác suất, xác suất hỏng, xác suất an 
toàn, cườ ng độ hỏ ng, thời gian làm việc trung bình 
an toàn,
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2014
116 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
- Tính toán xác định các thông số chỉ tiêu an 
toàn của các phân hệ và của cả động cơ;
- Vẽ đồ thị hàm mật độ phân phối xác suất hỏng, 
đồ thị các hàm xác suất an toàn, xác suất hỏng cho 
từng phần tử, từng phân hệ và động cơ;
- Đưa ra các kết luận về chỉ tiêu an toàn cho 
từng phần tử, từng phân hệ và cho cả động cơ.
Hình 8. Biểu đồ cường độ hỏng của các phần tử của động cơ 
Tua bin khí tàu thủy 
Hình 9. Biểu đồ thời gian làm việc trung bình an toàn của 
các phần tử của động cơ TBK tàu thủy 
Bảng 2. Xác suất hỏng của các phần tử của động cơ TBK
TT Khoảng khảo sát (Giờ)
Xác suất hỏng
 Thiết bị 
vào Máy nén
Buồng 
đốt Tua bin Ổ trục
HT nhiên 
liệu
HT bôi 
trơn
HT làm 
mát
HT khởi 
động HT khí HT điệ n
1 0 ÷ 200 0.00007 0.00006 0.00018 0.00013 0.00029 0.00083 0.00030 0.00019 0.00013 0.00041 0.00077
2 200 ÷ 400 0.00131 0.00115 0.00316 0.00245 0.00502 0.01168 0.00489 0.00314 0.00229 0.00628 0.01122
3 400 ÷ 600 0.00728 0.00689 0.01610 0.01278 0.02435 0.04698 0.02257 0.01496 0.01147 0.02745 0.04638
4 600 ÷ 800 0.02606 0.02618 0.05228 0.04269 0.07491 0.12219 0.06715 0.04635 0.03721 0.07778 0.12312
5 800 ÷ 1000 0.07077 0.07417 0.12805 0.10780 0.17315 0.24467 0.15269 0.11050 0.09265 0.16958 0.24975
6 1000 ÷ 1200 0.15544 0.16715 0.25288 0.21973 0.32212 0.40498 0.28391 0.21652 0.18887 0.30462 0.41585
7 1200 ÷ 1400 0.28581 0.31041 0.41829 0.37515 0.50236 0.57747 0.44848 0.36138 0.32655 0.46849 0.59297
8 1400 ÷ 1600 0.45098 0.48811 0.59673 0.55153 0.67847 0.73190 0.61928 0.52705 0.49093 0.63453 0.74842
9 1600 ÷ 1800 0.62440 0.66680 0.75457 0.71633 0.81846 0.84780 0.76704 0.68677 0.65586 0.77603 0.86151
10 1800 ÷ 2000 0.77602 0.81317 0.86959 0.84367 0.90940 0.92107 0.87410 0.81721 0.79559 0.87794 0.93004
11 2000 ÷ 2200 0.88675 0.91115 0.93887 0.92533 0.95783 0.96021 0.93928 0.90772 0.89587 0.94016 0.96474
12 2200 ÷ 2400 0.95445 0.96486 0.97343 0.96888 0.97903 0.97791 0.97269 0.96122 0.95698 0.97244 0.97945
13 2400 ÷ 2600 0.98918 0.98902 0.98773 0.98823 0.98667 0.98471 0.98714 0.98819 0.98864 0.98669 0.98469
Bảng 3. Các thông số của chỉ tiêu an toàn của động cơ TBK tàu thủy Việt Nam
TT Khoảng khảo sát (Giờ)
Các thông số của chỉ tiêu an toàn 
Xác suất hỏng Xác suất an toàn Cường độ hỏng (giờ -1) Thời gian làm việc trung bình an toàn (giờ)
1 0 ÷ 200 0.0033552 0.9966448 0.000844
685.16
2 200 ÷ 400 0.0514148 0.9485852 0.001818
3 400 ÷ 600 0.2140376 0.7859624 0.003431
4 600 ÷ 800 0.5160114 0.4839886 0.005727
5 800 ÷ 1000 0.8219104 0.1780896 0.008589
6 1000 ÷ 1200 0.9694262 0.0305738 0.011774
7 1200 ÷ 1400 0.9980684 0.0019316 0.015031
8 1400 ÷ 1600 0.9999631 0.0000369 0.018115
9 1600 ÷ 1800 0.9999998 0.0000002 0.020837
10 1800 ÷ 2000 1.0000000 0.0000000 0.022950
11 2000 ÷ 2200 1.0000000 0.0000000 0.024086
12 2200 ÷ 2400 1.0000000 0.0000000 0.024169
13 2400 ÷ 2600 1.0000000 0.0000000 0.026863
8. Chỉ tiêu an toàn của các phần tử và của động 
cơ TBK
Các kết quả tính toán chỉ tiêu an toàn của động 
cơ TBK bằng phần mềm SSAT-2013 được tổng 
hợp và trình bày trên các bảng 2, 3 và các hình 
8, 9, 10.
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2014
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 117
Hình 10. Đồ thì xác suất hỏng Q(t) và xác suất an toàn P(t) 
của động cơ TBK sử dụng trên các tàu thủy ở Việt Nam
Căn cứ vào các kết quả tính toán thu được ở 
trên, có thể rút ra được những nhận xét, đánh giá 
về tính an toàn cho động cơ tua bin khí sử dụng trên 
các tàu thủy ở Việt Nam như sau:
Theo sơ đồ cấu trúc, động cơ tua bin khí tàu 
thủy Việt Nam là một hệ thống nối tiếp nên khi một 
phần tử trong một phân hệ bất kỳ bị hư hỏng sẽ làm 
cho phân hệ đó hư hỏng và kéo theo hư hỏng cho 
cả động cơ TBK. Tại một thời điểm nào đó, xác suất 
xảy ra hư hỏng của động cơ TBK lớn hơn rất nhiều 
so với xác suất xảy ra hư hỏng từng phân hệ, từng 
phần tử. Điều này cho thấy khi xác suất xảy ra hư 
hỏng của một phần tử, một phân hệ tăng thì xác 
suất xảy ra hư hỏng của động cơ TBK tăng nhiều, 
tức tính an toàn của hệ thống bị giảm nhanh chóng.
Các động cơ TBK sử dụng trên các tàu thủy ở 
Việt Nam có thời gian làm việc trung bình an toàn 
khoảng 685 giờ; sau khoảng 1400 giờ xác xuất an 
toàn tiến dần về 0. Như vậy, theo tính toán các chỉ 
tiêu an toàn cho các động cơ TBK tàu thủy Việt 
Nam, sau khoảng 700 giờ làm việc, nguy cơ hư 
hỏng xảy ra cho các động cơ TBK sẽ tăng cao. Khi 
đó cần phải dự trù bổ sung các loại vật tư phụ tùng 
để sửa chữa, thay thế cũng như có các kế hoạch 
bảo quản, kiểm sửa dự phòng cho phù hợp. 
Số lượng, chủng loại vật tư, phụ tùng dự phòng 
có thể căn cứ vào kết quả tính toán chỉ tiêu an toàn 
cho từng phần tử của động cơ TBK như đã đánh giá 
ở trên. Để đảm bảo an toàn trong khai thác động cơ 
TBK cần có kế hoạch sửa chữa động cơ trước 1400 
giờ làm việc.
IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết quả đạt được và hạn chế
Kết quả đạt được
- Xây dựng cơ sở lí thuyết xác định chỉ tiêu an 
toàn cho động cơ TBK.
- Xây dựng thuật toán và phần mềm tính toán, 
xác định chỉ tiêu an toàn của động cơ TBK sử dụng 
trên các tàu thủy ở Việt Nam.
- Tính toán xác định cụ thể các chỉ tiêu an toàn 
(xác suất hỏng, xác xuất an toàn, cường độ hỏng 
và thời gian làm việc trung bình an toàn) cho từng 
phần tử và cho cả động cơ TBK theo từng khoảng 
thời gian khảo sát. 
Hạn chế
Kết quả của đề tài mới chỉ dừng lại ở việc tính 
toán chỉ tiêu an toàn (chỉ tiêu quan trọng nhất của độ 
tin cậy) mà chưa xác định các chỉ tiêu khác của độ 
tin cậy của động cơ TBK tàu thủy Việt Nam.
2. Kiến nghị
- Các cơ quan quản lý kỹ thuật xem xét ứng 
dụng kết quả đề tài để đánh giá tính an toàn cho các 
động cơ TBK. Đồng thời cần quan tâm thích đáng 
và tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về các chỉ tiêu độ tin 
cậy cho tất cả các dạng động cơ tua bin khí đang và 
sẽ được sử dụng nhiều trên các tàu thủy ở Việt Nam 
trong thời gian tới.
- Cần tiếp tục đào tạo sâu hơn về khai thác sử 
dụng động cơ TBK tàu thủy để có thể nhanh chóng 
làm chủ, nâng cao khả năng vận hành, khai thác, xử 
lý các tình huống thực tế xảy ra.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
 Tiếng Việt
1. Nguyễn Trung Hải, 2004. Phân tích cây hư hỏng và phương pháp logic xác suất đánh giá độ tin cậy hệ thống động lực tàu 
thủy, Tạp chí Giao thông vận tải số 5-2004.
2. Nguyễn Trung Hải, 2005. Đánh giá độ tin cậy của hệ thống động lực các tàu vận tải biển Việt Nam có sử dụng động cơ 
6L350PN bằng phương pháp logic xác suất, Luận án Tiến sỹ kỹ thuật, Trường Đại học Nha Trang, Khánh Hòa.
3. Nguyễn Nông, Hoàng Ngọc Vinh, 2000. Độ tin cậy trong sửa chữa ô tô - máy kéo, NXB Giáo dục.
4. Nguyễn Thạch, 2004. Cơ sở độ tin cậy động cơ diesel tàu thuỷ, NXB KHKT, Hà Nội.
 Tiếng Anh
5. Z.W.BIRNBAUM, 1975. Reliability and fault tree analysis - Theoretical and applied aspects of system reliability and safety 
assessment, The George Washington University, Washington, D.C. 
6. Jianwen Xiang, 2005. Fault Tree Analysis and Formal Methods for Requirements Engineering.