Abstrakt
experimentální a simulovaný výkon proudového motoru Armfield CM4 byl zkoumán pro methylesterovou bionaftu z palmového oleje (PME) a její směsi s konvenčním tryskovým palivem a-1. Objemové směsi PME s Jet A-1 jsou 20, 50, 70 a 100% (B20, B50, B70 a B100). Hodnoty ohřevu paliva (FHV) každé palivové směsi byly získány kalorimetrickou analýzou. Experimentální testy zahrnovaly výkonnostní testy pro Jet A-1 a B20, zatímco výkony B50 až B100 byly simulovány pomocí analytického softwaru GasTurb 11. Pokud jde o maximální měřený tah, Proud a-1 přinesl nejvyšší hodnotu 216 N, která se snížila o 0,77%, 4%, 8% a 12% s B20, B50, B70 a B100. Bylo zjištěno, že B20 přinesl srovnatelné výsledky ve srovnání se srovnávacími zkouškami Jet a-1, zejména s tahem a tepelnou účinností. Vzhledem k nižšímu energetickému obsahu směsí bionafty došlo k mírným výkonovým sankcím. Účinnost spalovacího motoru se zlepšila přidáním bionafty, zatímco účinnost ostatních složek zůstala společně konzistentní. Tento výzkum ukazuje, že alespoň u větších plynových turbín je PME vhodný pro použití jako přísada k tryskání a-1 v 50% směsích.
1. Úvod
v literatuře panuje obecná shoda, že vstupní suroviny fosilních paliv používané k výrobě leteckého petrolejového paliva ubývají. Koh a Ghazoul očekávali scénář nejvyšší produkce ropy v letech 2010-2020, za předpokladu, že globální spotřeba ropy se v roce 2030 zvýší na 118 milionů barelů denně. Nygren a kol. předpokládá se, že růst provozu civilního letectví se zvýší tempem 5% ročně, zatímco spotřeba paliva se zvýší o 3% ročně. Lee a kol. předpokládá se, že růst letecké dopravy se v příštích dvaceti letech zvýší o 4,5% až 6% ročně, přičemž provoz se každých 15 let zdvojnásobí. To dále podporuje nedávná zpráva společnosti Deloitte, podle níž se očekává, že poptávka po cestování cestujících v příštích 20 letech vzroste o 5%, což přispěje ke zvýšení výroby letadel. Navzdory zlepšení účinnosti paliva v letadlech od roku 1960 je třeba vyvinout další úsilí s cílem zmírnit závislost na tradičních zdrojích paliva a nahradit současná paliva na bázi benzínu.
Bionafta se vyrábí transesterifikací čistých rostlinných nebo organických olejů nahrazením molekul triglyceridů lehčími molekulami alkoholu, jako je methanol nebo ethanol. Reakce se provádí se silným katalyzátorem na bázi, který produkuje glycerol kromě transesterifikovaných rostlinných olejů (bionafta) . Canakci a kol. tvrdil, že emise CO2 z bionafty jsou kompenzovány fotosyntézou. Kromě uhlíkové kompenzace je bionafta netoxická, neobsahuje aromatické látky ani síru, má vyšší biologickou rozložitelnost a méně znečišťuje vodu a půdu při rozlití, na rozdíl od petroleje . Kromě toho bionafty neobsahují stopové kovy, karcinogeny, jako jsou polyaromatické uhlovodíky, a další znečišťující látky, které přímo poškozují lidské zdraví . Významné snížení emisí zaznamenala společnost Chan et. al když použili směs 50% objemu hydro-zpracovaného biojetového paliva na bázi cameliny s proudovým palivem F-34 v turbovrtulovém motoru T-56.
v krátkodobém a střednědobém horizontu může být bionafta z palmového oleje (PME) použita jako hlavní zdroj pro výrobu bionafty. Podle Sumathi et al. , pěstování a zpracování palmového oleje vyžadují malý vstup agrochemických hnojiv a fosilních paliv k výrobě 1 tuny oleje. Z 2007 údaje shromážděné Sumathi et al. , výtěžek oleje z olejové palmy byl 3.74 tun / hektar / rok, což je 10krát více než sója ve stejném období (0, 38 tuny / hektar / rok). Díky tomu je olejová palma v současné době nejvyšší výnosnou ropnou plodinou na světě, a, tedy, atraktivní náhrada bionafty nebo doplněk leteckého petroleje. To je podpořeno prací společnosti Chong a Hochgreb, která uvedla, že emise na jednotku energie jsou sníženy použitím PME ve srovnání s naftou a Jet a.
Francouzi testovali výkon turbínového motoru SR-30 s proudovou plynovou turbínou pomocí bionafty z řepkového oleje. Bylo zjištěno, že maximální tah dosažený bionaftou byl nižší než Jet-A o 8% při maximálních otáčkách za minutu. Použití motoru s plynovou turbínou stejného modelu jako francouzština, Habib et al. testoval různé bionafty a biopaliva v 50% a 100% (B50, B100) objemových směsích s Jet A-1. Pokud jde o spotřebu paliva specifickou pro tah (TSFC), při vyšších otáčkách se tsfc všech zkušebních paliv významně nelišila od Tsfc všech zkušebních paliv Jet a-1. Vstupní teplota turbíny (TIT) pro biopaliva byla celkově vyšší než teplota trysky a-1. Teplota výfukových plynů (EGT) byla u všech zkušebních paliv podobná.
Chiang et al. testováno 150 kW Teledyne RGT-3600 mikro plynová turbína běží na nespecifikované bionafty v objemových směsí 10%, 20% a 30% s naftou. Všechny směsi bionafty měly podobnou tepelnou účinnost při všech výkonových zátěžích. Bylo hlášeno, že uhlíkové usazeniny byly nalezeny po 6 hodinách provozu na směsích bionafty na palivové trysce . Krishna testoval sójovou bionaftu (SME) v objemových směsích 20%, 50% a 100% (B20, B50 a B100) s topným olejem ASTM číslo 2 v 30 kW capstone CR30 gas fired microturbine. Bylo zjištěno, že účinnost vytápění topného oleje číslo 2, B20 a B100 byla podobná, přibližně 20%. Účinnost vytápění B50 byla vyšší o 7%.
shoda mezi většinou souvisejících prací spočívá v tom, že menší množství bionafty smíchané s referenčním palivem, ať už naftou nebo leteckým petrolejem, nepříznivě neovlivnilo výkonnostní schopnosti zkušebních motorů. V této studii je bionafta z palmového oleje testována ve 20% objemu s Jet A-1 za účelem ověření zjištění dalších výzkumných testů plynových turbín na směsích biopaliv. Kromě toho byly v simulacích motoru CM4 testovány vyšší koncentrace PME ve směsích Jet A-1.
2. Popis zařízení
za účelem zajištění funkčního proudového motoru pro vzdělávací a výzkumné účely upravil Armfield spojenecký signál JFS100-13A na proudový motor CM4. Schéma motoru je znázorněno na obrázku 1. Proudový motor CM4 lze rozdělit na pět různých hlavních součástí: (i) vstup; (ii) odstředivý kompresor; (iii) spalovač (hořák); (iv) axiální turbína; a (v) výfuková tryska. Výše uvedené komponenty jsou zjednodušeny na obrázku 2. Specifikace výrobce pro JFS100 a rozšířením CM4 jsou shrnuty v tabulce 1. Tabulka 2 ukazuje rozsah senzorů, které byly dodány s turbodmychadlem CM4, jakož i měřené vlastnosti.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
proudový motor Armfield CM4.
schematické uspořádání součástí motoru.
2.1. Příprava zkušebních paliv
Bionafta z palmového oleje je methylester mastných kyselin, který má jantarovou barvu a je výrazně viskózní ve srovnání s palivem Jet a-1, které je slámové a méně neprůhledné barvy. Palivo Jet A-1 použité v tomto výzkumném projektu bylo získáno od společnosti Petronas Malaysia, zatímco Sime Darby dodal palivo PME. Bylo zjištěno, že PME se snadno mísí s Jet A-1. Každý objem paliva byl smíchán ve skleněné kádince pomocí skleněné míchací tyče. Bylo zjištěno, že směsi si zachovávají svou strukturu a nebylo vidět žádné oddělení. To platilo po celou dobu trvání výzkumného projektu pro vzorky, které byly uchovávány několik měsíců. Kromě toho nebyla v palivových směsích zadržena žádná viditelná voda. Obrázek 3 ukazuje vzorky zkušebních paliv ve zvyšujícím se obsahu PME.
Zkušební vzorky paliva; zleva doprava: Jet a-1, B20, B50, B70 a B100.
každé palivo bylo také testováno na jeho topné nebo výhřevné hodnoty paliva (FHV). To bylo provedeno pomocí kalorimetru Kyslíkové bomby IKA C200 ve spolupráci Přírodovědecké fakulty a technologie Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM). Každá zkouška byla provedena třikrát, aby se získal průměrný FHV pro každé palivo. Tabulka 3 ukazuje rozsah FHV pro zkušební paliva.
|
||||||||||||||||||||||||||||||
3. Experimentální postup
všechny zkoušky Armfield CM4 byly provedeny v pohonné laboratoři na strojní fakultě Universiti Putra Malaysia. Ve všech případech byly otevřeny větší dveře závěrky laboratoře tak, aby výfuk motoru putoval ven z laboratoře. Testy provedené pro motor CM4 byly všechny studené starty. To znamená, že během provozu nedošlo k žádnému přepínání paliva. Podobně jako u experimentů francouzštiny a Krišny nedošlo k žádné úpravě vnitřního turbomotoru zkušebního motoru.
po zážehu dostal motor přibližně jednu minutu k dosažení ustáleného stavu, kdy otáčky motoru zůstaly konstantní při minimálně 48000 ot / min. Plyn byl pomalu zvýšen z 48000 ot / min na přibližně 66000 ot / min. Při každém intervalu 1000 ot / min bylo povoleno období odběru vzorků 10 sekund, aby bylo zajištěno spolehlivější průměrné hodnoty pro každý senzor. Jakmile bylo dosaženo maximálních otáček za minutu a byla změřena příslušná data, škrticí klapka byla pomalu uzavřena podobným, klesajícím způsobem zpět na 48000 ot / min. Odběr vzorků byl poté zastaven, jakmile bylo dosaženo minimálních otáček za minutu. Zkoušky pro Jet a-1 a B20 se opakovaly nejméně třikrát.
Armfield CM4 je vybaven PC rozhraním pro různé senzory. V uživatelském rozhraní jsou zobrazeny hodnoty teploty, tlaku, otáček motoru a měřeného tahu. Byla nastavena automatická vzorkovací frekvence každé dvě sekundy. Kvůli omezením senzoru, tlaky vstupního a výstupního měřidla hořáku a předpokládalo se, že jsou stejné, stejně jako teploty výstupu turbíny a výstupu trysky a.
3.1. Analýza cyklu proudového motoru
základem výpočtu výkonových parametrů je analýza cyklu plynových turbín, jak prokázal Mattingly . Primárním měřítkem proudového motoru je jeho tah F, který je reprezentován tím, kde je celkový hmotnostní průtok vystupující z výfukové trysky, je výstupní rychlost trysky, je proud vzduchu před vstupem motoru, je rychlost volného proudu vzduchu, a termín se vztahuje na tahový příspěvek z tlakového rozdílu na výstupu trysky. Další parametry výkonu pro proudový motor, které mají být vypočteny, jsou specifický tah, poměr paliva a vzduchu a spotřeba paliva specifická pro tah . Rovnice (2) ukazují rovnice použité k získání výše uvedených parametrů. FHV je reprezentován jako konstantní: podle výše uvedených výpočtů, tepelný motor, hnací, a celková účinnost,, a jsou získány, jak je znázorněno v části hořáku, účinnost hořáku se získá, odkud termín odkazuje na poměr výstupních a vstupních teplot hořáku .
za účelem normalizace výsledků experimentů v důsledku rozdílné teploty okolí byly provedeny korekce výkonnostních parametrů s ohledem na standardní podmínky hladiny moře. Tyto opravy jsou uvedeny níže od (5). Zbývající parametry výkonu byly poté vypočteny jako dříve na základě opravených hodnot. Bezrozměrné proměnné a vztahují se na poměry tlaku nebo teploty stanice ve vztahu ke standardnímu tlaku hladiny moře a teplotě 101,3 kPa a 288,2 k:
4. Experimentální výsledky
jak bylo uvedeno výše, paliva, která byla experimentálně testována, byly Jet a-1 a B20. Protože jediným zohledněným faktorem je, že přímo ovlivněným tahem je škrticí klapka, většina výsledků je zobrazena proti otáčkám motoru nebo ot / min. Obrázek 4 ukazuje změny, ke kterým došlo v teplotě mazacího oleje pro obě paliva. Výstupní teplota mazacího oleje pro B20 je zřetelně vyšší než teplota trysky a-1, od 55000 ot / min. Největší nárůst teploty mazacího oleje je z 343,2 K na 368,6 K při 61000 ot / min, což představuje nárůst o 7,4%. To by znamenalo, že při použití paliva B20 je na lopatkový stroj kladen větší důraz. Vyšší teploty mazacího oleje mohou být také přičítány vyšším teplotám turbíny během zkoušek B20, znázorněných na obrázku 5.
teploty mazacího oleje pro B20 a Jet a-1.
vstupní a výstupní teploty turbíny pro B20, Jet a-1.
změna tahu pro B20 z Jet A-1 je znázorněna na obrázku 6. Je vidět, že při vyloučení 2% až 4% poklesu tahu ve středním rozsahu otáček motoru funguje B20 srovnatelně s Jet A-1 do té míry, že od 61000 ot / min je rozdíl v tahu menší než 1,5%.
opravené tahové vedení pro B20 a Jet a-1.
obrázky 6, 7, 8 a 9 ukazují zajímavý trend pro výkon CM4 běžících na Jet A-1 a B20. Procentní rozdíly mezi dopadem obou paliv na tah jsou velmi malé, nanejvýš asi 4%, s rostoucí podobností v rozsahu vysokých otáček za minutu. Zjištění se shodují s Krishna, přičemž menší množství bionafty v referenčním palivu nevedlo k významnému poklesu výkonu. Trend konvergujících parametrů směrem k maximálním otáčkám za minutu pokračuje pro průtok vzduchu a paliva a spotřebu paliva specifickou pro tah. To naznačuje, že 20% směs PME s Jet A-1 je životaschopná, zejména při vyšších otáčkách za minutu. CM4 však stále zaznamenal malý nárůst poměru palivo-vzduch a měrné spotřeby paliva před dosažením 60000 ot / min. To lze připsat pouze mírně nižšímu FHV B20. To znamená, že k dosažení stejného výkonu jako Jet a-1 je zapotřebí o něco více paliva B20.
korigovaný průtok paliva pro B20 a Jet a-1.
poměr paliva a vzduchu pro paliva B20 a Jet a-1.
opravená měrná spotřeba paliva pro B20 a Jet a-1.
stejně jako u dřívějších výkonnostních ukazatelů, B20 fungoval srovnatelně s Jet A-1 pro tepelnou účinnost (Obrázek 10); rozdíly v hnací účinnosti jsou však jasnější, přičemž Jet a-1 má lepší hnací účinnost při vyšších otáčkách motoru, jak je znázorněno na obrázku 11. To vede k podobnému procentuálnímu rozdílu pro celkovou účinnost (Obrázek 12). Vyšší hnací účinnost pro Jet a-1 je způsobena jeho nižším poměrem palivo-vzduch (Obrázek 8).
tepelná účinnost pro B20 a Jet a-1.
hnací účinnost pro B20 a Jet a-1.
celková účinnost pro B20 a Jet a-1.
zřetelnější změna výkonu součástek je patrná v části hořáku, která je na obrázku 13 zřetelnější. Spalováním B20 se účinnost spalovače v průměru zvýšila přibližně o 2%. Vyšší účinnost hořáku je způsobena úplností spalovacího procesu, což je způsobeno obsahem kyslíku v bionaftě. S tím souvisí i výše zmíněné vyšší teploty turbíny.
účinnost hořáku pro B20 a Jet a-1.
5. GasTurb analýza
vzhledem k experimentálním omezením a obavám ohledně integrity palivového potrubí a doby zapálení pro směsi bionafty s vyšší hustotou byla simulována výkonnost Armfield CM4 s použitím paliv B50, B70 a B100, aby se získaly trendy výkonu po přechodu z Jet a-1. To bylo provedeno využitím GasTurb 11, simulační program výkonu plynové turbíny vyvinutý Kurzke . Dřívější sestavení GasTurb byl využit Habib et al. při předpovídání výkonu 100% bionafty po provedení experimentálních testů pro směsi 10, 20 a 30% bionafty s petrodieselem. Seznam Gasturbových vstupů použitých pro simulace pro každé zkušební palivo je uveden v tabulce 4, zatímco Obrázek 14 ukazuje fyzikální model simulovaného motoru na základě specifikovaných vstupů. Vzhledem k malému měřítku používanému GasTurb je vidět, že výkon simulace je věrohodný pro malé motory, jako je CM4.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
model motoru ztvárnil GasTurb 11.
bylo třeba provést několik předpokladů a iterací, aby se co nejvíce přiblížil analogii skutečnému motoru CM4. Vzhledem k tomu, že hlavní údaje o výkonu by zahrnovaly tah, prioritou bylo mít simulaci s podobným tahovým výstupem jako skutečný CM4. Dvě tahová vedení vyrobená pro Jet A-1 a B20 jsou znázorněna na obrázku 15 ve srovnání s jejich experimentálními protějšky. Ukazuje se, že simulace jsou v dobré shodě s experimentálními výsledky tahu. Obrázek 16 ukazuje korigované tahové linie pro každé simulované palivo od volnoběhu po maximální otáčky motoru, zatímco obrázek 17 ukazuje trend TSFC pro všechna paliva.
simulace a experimentální korigované tahové vedení s použitím proudových paliv a-1 a B20.
Simulace korigovala tah pro všechna zkušební paliva.
Simulace opravila TSFC pro všechna zkušební paliva.
tah produkovaný se zvyšujícím se objemem PME se snížil z referenčních hodnot Jet a-1 ve všech otáčkách motoru. Snížení tahu se stalo výraznějším u paliv B70 a B100. V GasTurb, maximální SSL korigovaný tah z Jet a-1 byl 219.4 N, který se snížil na 215.4 N, 210.4 N, 203.7 N A 194.1 N Pro B20, B50, B70 a B100. Největším faktorem poklesu tahu bylo snížení FHV pro každou po sobě jdoucí směs bionafty. Rovněž se ukazuje, že přímé 100% PME palivo není žádoucí, protože maximální tah je snížen přibližně o 12%. Tsfc pro každé palivo ukázalo, že linky pro Jet a-1, B20 a B50 byly docela blízko u sebe, s vylepšeným TSFC pro B20 a B50 při nižších otáčkách motoru a konvergujícími hodnotami s Jet a-1 směrem k maximálním ot / min, s mírně vyššími hodnotami při 66000 ot / min. Zvýšení tsfc je mnohem výraznější pro B70 a B100, se zvýšením o 11% a 18% při maximálních otáčkách za minutu.
změny tepelné účinnosti pro každé zkušební palivo při všech otáčkách motoru jsou znázorněny na obrázku 18. Je vidět, že se zlepšuje s použitím B20 a B50 z volnoběžných otáček na přibližně 63000 ot / min, po kterém Jet a-1 má lepší až do maximálních otáček motoru. Tepelná účinnost se zhoršila z hodnot Jet A-1 pod B100 a klesla na 2,11% z optimálního Jet a-1, což bylo 2,45% při maximálních otáčkách za minutu.
Simulace tepelné účinnosti pro všechna zkušební paliva.
výsledky simulací pro všechna zkušební paliva při maximálních otáčkách za minutu jsou uvedeny v tabulce 5. Zvýšení specifické spotřeby paliva pro B100 je téměř 20% oproti Jet a-1. Celková účinnost motoru se snižovala se zvyšujícím se obsahem PME. To svědčí o nižším FHV u biopaliv, což vede k vyššímu průtoku paliva a spotřebě paliva.
6. Závěr a doporučení
cílem této experimentální práce bylo určit výkon proudového motoru Armfield CM4, který běží na spektru směsí bionafty z palmového oleje a Jet a-1. Bylo zjištěno, že B20 produkoval podobné množství tahu jako Jet a-1, zejména při vyšším rozsahu otáček za minutu. Kompromisy z používání bionafty zahrnují mírně vyšší průtok paliva, poměr paliva a vzduchu a měrnou spotřebu paliva, ale z údajů B20 byl nárůst těchto hodnot minimální, v rozmezí 0-5%. Kromě toho byla tepelná účinnost pro B20 podobného kalibru jako u Jet a-1, zatímco hnací a celková účinnost prošla mírným poklesem při maximálních otáčkách za minutu. Účinnost hořáku se zlepšila spalováním B20 díky vyššímu obsahu kyslíku.
u koncentrovanějších směsí PME a Jet A-1 bylo zjištěno, že produkovaný čistý tah se snižoval ve větších stupních se zvyšujícím se obsahem PME. Tah pro Jet a-1, B20 a B50 byl srovnatelných hodnot, zatímco B70 a B100 fungovaly ve srovnání špatně. Z výsledků bylo zjištěno, že prahová hodnota objemového obsahu pro PME před znatelným poklesem výkonu je 50%. Je třeba také poznamenat, že teploty na zádi hořáku se zvýšily v poměru ke zvýšení obsahu PME.
nevýhodou PME byly vyšší vstupní a výstupní teploty turbíny, stejně jako její inherentně nižší výhřevnost. Dlouhodobé účinky zkoušek bionafty u proudových motorů nebyly dosud studovány, zejména pokud jde o spalování a obložení turbín, jakož i systémy dodávky paliva. Kromě toho, zatímco B20 fungoval srovnatelně dobře s Jet A-1, je třeba řešit jeho nižší FHV a vyšší viskozitu, aby se optimalizoval výkon směsi a minimalizovalo zhoršení systémů dodávky paliva.
pokud jde o širší obraz rozšířeného použití v leteckých motorech, zatímco existují případy komerčních letů používajících 50% směsi bionafty methylesteru mastných kyselin s leteckým petrolejem, taková praxe nebyla formálně institucionalizována kvůli otázkám ekonomických a energetických nákladů a dostupnosti bionafty ve velkém množství. Jak však tento výzkum ukázal, PME je životaschopným palivem pro mikroturbinové aplikace jak v oblasti výroby energie, tak v bezpilotních nebo dálkově ovládaných vzdušných vozidlech.
nomenklatura
| PME: | palmový olej methylester bionafta |
| XME: | Methylesterová bionafta vstupní suroviny |
| BXX: | XX % objem PME ve směsi s Jet A-1 |
| : | otáčky motoru (otáčky za minutu) |
| : | hodnota ohřevu paliva (FHV) |
| 0: | index volného proudu |
| : | hodnota hladiny moře opravený index |
| : | teplota na stanici |
| : | měřidlo tlaku na stanici |
| : | absolutní tlak na stanici |
| : | Net thrust |
| : | hmotnostní průtok vzduchu |
| : | průtok paliva |
| : | celkový hmotnostní průtok |
| : | rychlost na stanici |
| : | poměr paliva a vzduchu |
| : | specifický tah |
| : | měrná spotřeba paliva (Tsfc) |
| : | rychlost zvuku na stanici |
| : | Machovo číslo na nádraží |
| : | měrná tepelná kapacita na stanici |
| : | měrný poměr tepla na stanici |
| : | teplotní poměr mezi stanicemi |
| : | poměr tlaku mezi stanicemi |
| : | účinnost |
| : | specifické práce pro kompresor nebo turbínu |
| : | energie vyrobená kompresorem nebo turbínou |
| : | hodnota hladiny moře teplotní a tlakové poměry. |
číslování stanic a Subskripty
střet zájmů
autoři prohlašují, že neexistuje žádný střet zájmů ohledně zveřejnění tohoto příspěvku.
poděkování
tato práce byla velmi podporována Universiti Putra Malaysia (UPM), Research University Grant Scheme (koberečky) v rámci projektu no. 05-01-09-0719RU, jakož i pracovníci technické podpory na leteckém inženýrství oddělení UPM. Děkujeme také laboratoři pro výzkum potravin na Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM) za poskytnutí kalorimetrického testování zkušebních paliv.
