præstationsevaluering af en lille turbojetmotor, der kører på Biodieselblandinger af palmeolie

abstrakt

den eksperimentelle og simulerede ydelse af en Armfield CM4 turbojetmotor blev undersøgt for palmeoliemethylester biodiesel (PME) og dens blandinger med konventionelt Jet A-1-brændstof. De volumetriske blandinger af PME med Jet A – 1 er 20, 50, 70 og 100% (B20, B50, B70 og B100). Brændstofopvarmningsværdier (FHV) for hver brændstofblanding blev opnået ved kalorimetrisk analyse. De eksperimentelle tests omfattede præstationstest for Jet A-1 og B20, mens præstationerne fra B50 til B100 blev simuleret ved hjælp af gasturb 11 analyseprogram. Med hensyn til maksimal målt tryk gav Jet A-1 den højeste værdi på 216 N, faldende med 0,77%, 4%, 8% og 12% med B20, B50, B70 og B100. Det blev konstateret, at B20 producerede sammenlignelige resultater sammenlignet med benchmark Jet A-1-testene, især med tryk og termisk effektivitet. Der opstod mindre præstationsstraffe på grund af det lavere energiindhold i biodieselblandingerne. Forbrændingseffektiviteten forbedredes med tilsætning af biodiesel, mens de andre komponenteffektiviteter forblev kollektivt konsistente. Denne forskning viser, at PME i det mindste for større gasturbiner er egnet til brug som additiv til Jet A-1 inden for 50% blandinger.

1. Introduktion

der er en generel enighed inden for litteraturen om, at fossilt brændstofråmateriale, der anvendes til produktion af petroleumsbrændstof i luftfartskvalitet, aftager. Koh forventede et topolieproduktionsscenarie inden for årene 2010-2020, forudsat at det globale olieforbrug stiger til 118 millioner tønder om dagen i 2030. Nygren et al. forventet, at væksten i den civile luftfartstrafik vil stige med en hastighed på 5% om året, mens brændstofforbruget vil stige med 3% om året. Lee et al. forventes, at flytrafikken vækst vil stige med 4.5% til 6% om året i løbet af de næste tyve år, med trafik fordobles hvert 15.år. Dette understøttes yderligere af den nylige rapport fra Deloitte , hvor efterspørgslen efter passagerrejser forventes at stige 5% i løbet af de næste 20 år og bidrage til stigninger i flyproduktionen. På trods af forbedringerne i flyets brændstofeffektivitet siden 1960 skal der gøres en yderligere indsats for at afbøde afhængigheden af traditionelle brændstofkilder og erstatte de nuværende brændstofbaserede brændstoffer.

Biodiesel produceres ved transesterificering af rene vegetabilske eller organiske olier ved at erstatte triglyceridmolekylerne med lettere alkoholmolekyler såsom methanol eller ethanol. Reaktionen udføres med en stærk basiskatalysator, der producerer glycerol ud over transesterificerede vegetabilske olier (biodiesel) . Canakci et al. hævdede, at biodiesel CO2-emissioner opvejes gennem fotosyntese. Ud over sin kulstofforskydning er biodiesel ikke giftig, indeholder ingen aromater eller svovl, har højere bionedbrydelighed og forurener mindre til vand og jord ved spild i modsætning til petroleum . Derudover indeholder biodiesel ikke spormetaller, kræftfremkaldende stoffer som polyaromatiske kulbrinter og andre forurenende stoffer, der er direkte skadelige for menneskers sundhed . Signifikant reduktion af emissionspartikel blev rapporteret af Chan et. al, da de brugte en blanding af 50% volumen camelina-baseret hydro-forarbejdet biojet-brændstof med F-34 jetbrændstof i en T-56 turbo-prop-motor.

på kort og mellemlang sigt kan palmeolie biodiesel (PME) anvendes som en primær kilde til biodieselproduktion. Ifølge Sumathi et al. , oliepalme dyrkning og forarbejdning kræver lidt input af agrokemiske gødninger og fossile brændstoffer til at producere 1 ton olie. Fra 2007 data indsamlet af Sumathi et al. , olieudbyttet fra oliepalme var 3.74 ton / hektar / år, hvilket er 10 gange mere end sojabønner i samme periode (0,38 ton/hektar/år). Dette gør oliepalme i øjeblikket den højest udbyttende olieafgrøde i verden , og dermed en attraktiv biodiesel erstatning eller supplement til luftfart petroleum. Dette understøttes af arbejdet udført af Chong og Hochgreb, der rapporterede, at emissionerne pr.energienhed reduceres ved hjælp af PME sammenlignet med diesel og Jet A.

fransk testede ydeevnen for en turbine technologies SR-30 turbojet gasturbinemotor ved hjælp af rapsolie biodiesel. Det blev konstateret, at det maksimale tryk opnået af biodiesel var mindre end Jet-A med 8% ved maksimal omdrejningstal. Brug af en gasturbinemotor af samme model som fransk , Habib et al. testet en række biodiesel og biobrændstoffer i 50% og 100% (B50, B100) volumetriske blandinger med Jet A-1. Med hensyn til trykspecifikt brændstofforbrug (TSFC) ved højere omdrejningstal var TSFC for alle testbrændstoffer ikke signifikant forskellig fra Jet a-1. Turbineindløbstemperaturen (TIT) for biobrændstoffer var højere end for Jet A-1 Samlet. Udstødningstemperaturen (EGT) var ens for alle testbrændstoffer.

Chiang et al. testet en 150 kV Teledyne RGT-3600 mikrogasturbine, der kører på en uspecificeret biodiesel i volumetriske blandinger på 10%, 20% og 30% med diesel. Alle biodieselblandingerne havde samme termiske effektivitet på tværs af alle kraftbelastninger. Det blev rapporteret, at kulstofaflejringer blev fundet efter drift i 6 timer på biodieselblandinger på brændstofdysen . Krishna testede soja biodiesel (SMV) i volumetriske blandinger på 20%, 50% og 100% (B20, B50 og B100) med ASTM nummer 2 fyringsolie i en 30 kV capstone CR30 gasfyret mikroturbin. Det blev konstateret, at opvarmningseffektiviteten af nummer 2 fyringsolie, B20 og B100 var ens, på cirka 20%. B50-opvarmningseffektiviteten var højere med 7%.

en konsensus mellem de fleste af de relaterede værker er, at mindre mængder biodiesel blandet med benchmarkbrændstoffet, det være sig diesel-eller flybrændstofbrændstof, ikke påvirkede testmotorernes ydeevnefunktioner negativt. I denne undersøgelse testes biodiesel fra palmeolie i 20% volumen med Jet A-1 for at verificere resultaterne af andre gasturbineforskningstest på biobrændstofblandinger. Derudover blev højere koncentrationer af PME i Jet A-1-blandinger testet i simuleringer af CM4-motoren.

2. Beskrivelse af apparater

for at tilvejebringe en funktionel turbojetmotor til uddannelses-og forskningsformål ændrede Armfield det allierede signal JFS100-13a til CM4 turbojetmotor. En skematisk af motoren er vist i Figur 1. CM4-turbojetmotoren kan opdeles i fem forskellige hovedkomponenter: (i) indløb; (ii) centrifugalkompressor; (iii) forbrænder (brænder); (iv) aksial turbine; og (v) udstødningsdyse. Ovenstående komponenter er forenklet i figur 2. Producentens specifikationer for JFS100 og i forlængelse heraf CM4 er opsummeret i tabel 1. Tabel 2 viser rækkevidden af sensorer, der blev udstyret med CM4 turbojet samt de målte egenskaber.

Figur 1

Armfield CM4 turbojet motor.

figur 2

skematisk layout af motorkomponenter.

2.1. Forberedelse af Testbrændstoffer

palmeolie biodiesel er en fedtsyremethylester, der er rav i farve og er mærkbart viskøs sammenlignet med Jet A-1-brændstof, som er halm og mindre uigennemsigtig i farve. Jet A-1-brændstoffet, der blev brugt i dette forskningsprojekt, blev opnået fra Petronas Malaysia, mens Sime Darby leverede PME-brændstoffet. Det blev fundet, at PME blandes let med Jet A-1. Hvert volumen brændstof blev blandet i et glasbæger ved hjælp af en glasrørestang. Blandingerne viste sig at bevare deres struktur, og ingen adskillelse var synlig. Dette forblev sandt i hele forskningsprojektets varighed for prøver, der blev opbevaret i flere måneder. Desuden var der ikke noget synligt vand tilbage i brændstofblandingerne. Figur 3 viser prøver af testbrændstofferne i stigende PME-indhold.

figur 3

Test brændstofprøver; fra venstre mod højre: Jet A-1, B20, B50, B70 og B100.

hvert brændstof blev også testet for dets brændstofopvarmning eller brændværdi (FHV). Dette blev gjort ved hjælp af en IKA C200 iltbombe kalorimeter i samarbejde med Det Naturvidenskabelige Fakultet og teknologien fra Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM). Hver test blev udført tre gange for at opnå en gennemsnitlig FHV for hvert brændstof. Tabel 3 viser rækkevidden af fhv for testbrændstofferne.

3. Eksperimentel Procedure

alle Armfield CM4-testene blev udført i Fremdrivningslaboratoriet ved Det Tekniske Fakultet, Universiti Putra Malaysia. I alle tilfælde blev laboratoriets større lukkerdøre åbnet således, at motorens udstødning ville bevæge sig udad fra laboratoriet. Testene udført for CM4-motoren var alle koldstart. Dette betyder, at der ikke opstod brændstofskift under drift. I lighed med eksperimenterne fra fransk og Krishna blev der ikke foretaget nogen ændring af testmotorens interne turbomaskineri.

ved tænding fik motoren ca.et minut til at nå en stabil tilstand, hvorved motorhastigheden forblev konstant ved mindst 48000 omdr. / min. Gashåndtaget blev langsomt hævet fra 48000 o / min til cirka 66000 o / min. Ved hvert interval på 1000 o / min fik en prøveudtagningsperiode på 10 sekunder lov til at sikre mere pålidelige gennemsnitlige aflæsninger for hver sensor. Når det maksimale omdrejningstal var opnået, og de relevante data blev målt, blev gashåndtaget langsomt lukket på en lignende, decremental måde tilbage til 48000 omdr. / min. Prøveudtagningen blev derefter standset, når det mindste omdrejningstal var opnået. Test for Jet A-1 og B20 blev gentaget mindst tre gange hver.

Armfield CM4 er udstyret med en PC-grænseflade til sine forskellige sensorer. Værdierne for temperatur, tryk, motorhastighed og målt tryk vises i brugergrænsefladen. En automatisk prøveudtagningshastighed på hvert andet sekund blev indstillet. På grund af sensorbegrænsninger, brænderens indløbs-og udgangsmålertryk og blev antaget at være ens, ligesom turbinens udgang og dyseudgangstemperaturer og .

3.1. Jetmotorcyklusanalyse

grundlaget for beregningen af ydeevneparametre er cyklusanalysen af gasturbiner som demonstreret af Mattingly . Det primære mål for en turbojetmotor er dens tryk F, som er repræsenteret ved hvor er den samlede massestrøm, der forlader udstødningsdysen, er dyseudgangshastigheden, er luftstrømmen foran motorindløbet, er den frie strømlufthastighed, og udtrykket henviser til trykbidraget fra trykforskellen ved dyseudgangen. De næste præstationsparametre for turbojetmotoren , der skal beregnes , er det specifikke tryk, brændstof-luft-forhold og trykspecifikt brændstofforbrug . Ligning (2) viser de ligninger, der anvendes til at opnå de førnævnte parametre. FHV er repræsenteret som konstant: efter ovenstående beregninger, motoren termisk, fremdrivende, og samlede effektivitet , , og opnås som vist i for brændersektionen, brændereffektivitet opnås, hvorfra udtrykket henviser til forholdet mellem brænderudgang og indgangstemperaturer .

for at normalisere resultaterne fra eksperimenterne på grund af den forskellige Omgivelsestemperatur blev der foretaget korrektioner af ydeevneparametrene med hensyn til standard havniveauforhold. Disse rettelser er angivet nedenfor fra (5). De resterende præstationsparametre blev derefter beregnet som tidligere baseret på de korrigerede værdier. De dimensionsløse variabler og henviser til stationens tryk-eller temperaturforhold i forhold til standard havniveau tryk og temperatur 101,3 kPa og 288,2 K:

4. Eksperimentelle resultater

som tidligere nævnt var de brændstoffer, der blev testet eksperimentelt, Jet A-1 og B20. Fordi den eneste faktor, der tages i betragtning, er, at det direkte berørte tryk er gashåndtaget, vises de fleste af resultaterne mod motorhastigheden eller omdrejningstallet. Figur 4 viser de ændringer, der skete i smøreolietemperaturen for begge brændstoffer. Smøreolieudløbstemperaturen for B20 er klart højere end for Jet A-1 fra 55000 o / min og fremefter. Den største stigning i smøreolietemperaturen er fra 343, 2 K til 368, 6 K ved 61000 o / min, en stigning på 7, 4%. Dette ville betyde, at der lægges mere stress på turbomaskineriet, når der anvendes B20-brændstof. De højere smøreolietemperaturer kan også tilskrives de højere turbinetemperaturer under B20-testene, vist i figur 5.

figur 4

Smøreolietemperaturer for B20 og Jet A-1.

figur 5

turbines ind-og udgangstemperaturer for B20, Jet A-1.

ændringen i tryk for B20 fra Jet A-1 er vist i figur 6. Det kan ses, at ved at udelukke et fald på 2% til 4% i tryk ved mellemtone af motorhastighed, udfører B20 sammenligneligt med Jet A-1, til det punkt, at forskellen i tryk fra 61000 o / min og fremefter er mindre end 1,5%.

figur 6

korrigerede trykledninger for B20 og Jet A-1.

figur 6, 7, 8 og 9 viser en interessant tendens for udførelsen af CM4, der kører på Jet A-1 og B20. De procentvise forskelle mellem de to brændstoffers indvirkning på tryk er meget små, højst omkring 4%, med stigende lighed ved det høje omdrejningstal. Resultaterne stemmer overens med Krishna, hvorved mindre mængder biodiesel i benchmarkbrændstoffet ikke førte til et markant fald i ydeevnen. Tendensen med konvergerende parametre mod maksimal omdrejningstal fortsætter for luft-og brændstofstrøm og trykspecifikt brændstofforbrug. Dette antyder, at en 20% blanding af PME med Jet A-1 er levedygtig, især ved højere omdrejningstal. CM4 oplevede dog stadig en lille stigning i brændstof-luft-forhold og specifikt brændstofforbrug, før de nåede 60000 o / min. Dette kan kun tilskrives den lidt lavere FHV på B20. Dette indebærer, at der er behov for lidt mere B20-brændstof for at opnå den samme ydelse som Jet A-1.

Figur 7

korrigeret brændstofstrømningshastighed for B20 og Jet A-1.

figur 8

brændstof-luft-forhold for B20 og Jet A-1 brændstoffer.

figur 9

korrigeret trykspecifikt brændstofforbrug for B20 og Jet A-1.

som med de tidligere præstationsindikatorer udførte B20 sammenligneligt med Jet A-1 for termisk effektivitet (Figur 10); forskellene i fremdrivningseffektivitet er imidlertid klarere, idet Jet a-1 har bedre fremdrivningseffektivitet ved de højere motorhastigheder som vist i Figur 11. Dette fører til en lignende procentdel af forskellen for den samlede effektivitet (Figur 12). Den højere fremdrivningseffektivitet for Jet A-1 skyldes dets lavere brændstof-luftforhold (figur 8).

Figur 10

termisk effektivitet for B20 og Jet A-1.

Figur 11

Fremdrivningseffektivitet for B20 og Jet A-1.

Figur 12

samlet effektivitet for B20 og Jet A-1.

en mere tydelig ændring i komponentens ydeevne ses i brændersektionen, hvilket gøres tydeligere i Figur 13. Ved afbrænding af B20 steg forbrændingseffektiviteten med ca.2% i gennemsnit. Den højere brændereffektivitet skyldes fuldstændigheden af forbrændingsprocessen, hvilket skyldes iltindholdet i biodiesel. Dette er også knyttet til de højere turbinetemperaturer, der er nævnt tidligere.

figur 13

Brændereffektivitet for B20 og Jet A-1.

5. GasTurb-analyse

på grund af eksperimentelle begrænsninger og bekymringer med hensyn til brændstofledningens integritet og antændelsestider for blandinger med højere densitet af biodiesel blev ydelsen af Armfield CM4 ved hjælp af B50 -, B70-og B100-brændstoffer simuleret for at opnå ydelsestendenser efter skift fra Jet a-1. Dette blev gjort ved hjælp af GasTurb 11, en gasturb præstationssimuleringsprogram udviklet af Kurke . En tidligere bygning af GasTurb blev brugt af Habib et al. ved forudsigelse af præstationen af 100% biodiesel efter at have kørt eksperimentelle tests for 10, 20 og 30% biodieselblandinger med petrodiesel. Listen over GasTurb-indgange, der anvendes til simuleringerne for hvert testbrændstof, er vist i tabel 4, mens figur 14 viser den fysiske model for den simulerede motor baseret på de specificerede indgange. I betragtning af den lille skala, der anvendes af GasTurb, kan det ses, at simuleringens ydeevne er plausibel for små motorer som CM4.

figur 14

motormodel gengivet af GasTurb 11.

flere antagelser og iterationer måtte foretages for at komme så tæt på en analog til den faktiske CM4-motor som muligt. Da de vigtigste præstationsdata ville involvere tryk, var prioriteten at have en simulering med lignende trykudgang til den virkelige CM4. De to trykledninger produceret til Jet A-1 og B20 er vist i Figur 15 i sammenligning med deres eksperimentelle modstykker. Det er vist, at simuleringerne er i god overensstemmelse med de eksperimentelle resultater for thrust. Figur 16 viser de korrigerede trykledninger for hvert simuleret brændstof fra tomgang til maksimal motorhastighed, mens figur 17 viser TSFC-tendensen for alle brændstoffer.

Figur 15

simulering og eksperimentelle korrigerede trykledninger ved hjælp af Jet A-1 og B20 brændstoffer.

Figur 16

Simulering korrigeret tryk for alle testbrændstoffer.

figur 17

Simulering korrigeret TSFC for alle testbrændstoffer.

trykket produceret med stigende PME-volumen faldt fra Jet A-1-benchmarkværdierne på tværs af alle motorhastigheder. Reduktionen i tryk blev mere udtalt med B70 og B100 brændstoffer. I GasTurb var det maksimale SSL-korrigerede tryk fra Jet A-1 219,4 N, hvilket faldt til 215,4 N, 210,4 N, 203,7 N og 194,1 n for B20, B50, B70 og B100. Den største faktor i faldet i tryk var reduktionen i FHV for hver på hinanden følgende biodieselblanding. Det er også vist, at et lige 100% PME-brændstof ikke er ønskeligt, da det maksimale tryk reduceres med cirka 12%. TSFC for hvert brændstof viste, at linjerne for Jet A-1, B20 og B50 var ret tæt på hinanden med forbedret TSFC for B20 og B50 ved de lavere motorhastigheder og konvergerende værdier med Jet a-1 mod maksimal omdrejningstal med lidt højere værdier ved 66000 omdr. / min. Stigningerne i TSFC er meget mere markante for B70 og B100 med stigninger på 11% og 18% ved maksimal omdrejningstal.

ændringerne i termisk effektivitet for hvert prøvningsbrændstof ved alle motorhastigheder er vist i figur 18. Det kan ses, at er forbedret med brugen af B20 og B50 fra tomgang rpm til ca 63000 rpm, hvorefter Jet A-1 har bedre indtil maksimal motorhastighed. Den termiske effektivitet forværredes fra Jet A-1-værdier under B100 og faldt til 2,11% fra den optimale Jet a-1, som var 2,45% ved maksimal omdrejningstal.

figur 18

Simulering termisk effektivitet for alle testbrændstoffer.

resultaterne af simuleringerne for alle testbrændstoffer ved maksimal omdrejningstal er vist i tabel 5. Stigningen i specifikt brændstofforbrug for B100 er næsten 20% fra Jet A-1. Den samlede effektivitet af motoren faldt med stigende PME-indhold. Dette er tegn på den lavere FHV for biobrændstoffer, hvilket fører til højere brændstofstrøm og brændstofforbrug.

6. Konklusion og anbefalinger

formålet med dette eksperimentelle arbejde var at bestemme udførelsen af Armfield CM4 turbojet kører på et spektrum af blandinger af palmeolie biodiesel og Jet A-1. Det blev fundet, at B20 producerede lignende mængder tryk som Jet A-1, især ved det højere omdrejningsområde. Afvejningerne fra brugen af biodiesel inkluderer lidt højere brændstofstrøm, brændstof-luft-forhold og specifikt brændstofforbrug, men fra B20-dataene var stigningen i disse værdier minimal inden for et interval på 0-5%. Derudover var den termiske effektivitet for B20 af samme kaliber som Jet A-1, mens den fremdrivende og samlede effektivitet gennemgik et lille fald ved maksimal omdrejningstal. Brænderens effektivitet blev forbedret med forbrændingen af B20 på grund af dets højere iltindhold.

med mere koncentrerede blandinger af PME og Jet A-1 blev det konstateret, at den producerede nettotryk faldt i større grader med stigende PME-indhold. Trykket for Jet A-1, B20 og B50 var af sammenlignelige værdier, mens B70 og B100 presterede dårligt i sammenligning. Fra resultaterne viste tærsklen for volumetrisk indhold for PME før et mærkbart fald i ydeevnen at være på 50%. Det skal også bemærkes, at temperaturerne bag brænderen steg i forhold til stigninger i PME-indhold.

ulemperne for PME var højere turbineindgangs-og udgangstemperaturer såvel som dens iboende lavere brændværdi. De langsigtede virkninger af biodieselprøvning i turbojetmotorer er endnu ikke undersøgt, især med hensyn til forbrændings-og turbineforing samt brændstofleveringssystemer. Derudover, mens B20 klarede sig sammenligneligt godt med Jet a-1, dens lavere FHV og højere viskositet skal løses for at optimere blandingens ydeevne og minimere forringelse af brændstofforsyningssystemerne.

med hensyn til det større billede af udbredt anvendelse i flymotorer, mens der har været tilfælde af kommercielle flyvninger, der bruger 50% blandinger af fedtsyremethylester biodiesel med luftfart petroleum, er en sådan praksis ikke formelt institutionaliseret på grund af spørgsmål om økonomiske og energiomkostninger og tilgængelighed af biodiesel i store mængder. Men som denne forskning har vist, er PME et levedygtigt brændstof til mikroturbinapplikationer i både elproduktion og ubemandede eller fjernstyrede luftfartøjer.

nomenklatur

Station nummerering og abonnementer

interessekonflikt

forfatterne erklærer, at der ikke er nogen interessekonflikt med hensyn til offentliggørelsen af dette papir.

anerkendelser

dette arbejde blev stærkt støttet af Universiti Putra Malaysia (UPM), Research University Grant Scheme (tæpper) under projekt nr. 05-01-09-0719ru samt det tekniske supportpersonale ved Aerospace Engineering Department of UPM. Tak udvides også til Food Research Laboratory på Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM) for at levere den kalorimetriske test af testbrændstofferne.