Evaluación del rendimiento de un Motor Turborreactor a Pequeña Escala que funciona con Mezclas de Biodiésel de Aceite de Palma

Resumen

Se investigó el rendimiento experimental y simulado de un motor turborreactor CM4 de Armfield para biodiésel de éster metílico de aceite de palma (PME) y sus mezclas con combustible de chorro convencional A-1. Las mezclas volumétricas de PME con Jet A-1 son 20, 50, 70 y 100% (B20, B50, B70 y B100). Los valores de calentamiento de combustible (FHV) de cada mezcla de combustible se obtuvieron mediante análisis calorimétrico. Las pruebas experimentales incluyeron pruebas de rendimiento para Jet A-1 y B20, mientras que las prestaciones de B50 a B100 se simularon utilizando el software analítico GasTurb 11. En términos de empuje máximo medido, el Jet A-1 arrojó el valor más alto de 216 N, disminuyendo en un 0,77%, 4%, 8% y 12% con B20, B50, B70 y B100. Se encontró que el B20 produjo resultados comparables en comparación con las pruebas de referencia del Jet A-1, particularmente con el empuje y la eficiencia térmica. Se produjeron ligeras penalizaciones de rendimiento debido al menor contenido energético de las mezclas de biodiésel. La eficiencia de la combustión mejoró con la adición de biodiésel, mientras que la eficiencia de los demás componentes se mantuvo en conjunto constante. Esta investigación muestra que, al menos para turbinas de gas más grandes, el PME es adecuado para su uso como aditivo para lanzar A-1 dentro de mezclas del 50%.

1. Introducción

Existe un consenso general en la literatura en el sentido de que la materia prima de combustibles fósiles utilizada para la producción de queroseno de calidad aeronáutica está disminuyendo. Koh y Ghazoul esperaban un escenario de producción máxima de petróleo en los años 2010-2020, suponiendo que el consumo mundial de petróleo aumente a 118 millones de barriles por día en 2030. Nygren et al. se prevé que el crecimiento del tráfico de aviación civil aumentará a un ritmo del 5% anual, mientras que el consumo de combustible aumentará al 3% anual. Lee et al. se prevé que el crecimiento del tráfico aéreo aumentará entre un 4,5% y un 6% anual en los próximos veinte años, duplicándose el tráfico cada 15 años. Esto se ve respaldado por el reciente informe de Deloitte, según el cual se espera que la demanda de viajes de pasajeros aumente un 5% en los próximos 20 años, lo que contribuirá al aumento de la producción de aeronaves. A pesar de las mejoras en la eficiencia del combustible de los aviones desde 1960 , es necesario redoblar los esfuerzos para mitigar la dependencia de las fuentes de combustible tradicionales y sustituir los combustibles actuales a base de gasolina.

El biodiésel se produce mediante la transesterificación de aceites vegetales u orgánicos puros sustituyendo las moléculas de triglicéridos por moléculas de alcohol más ligeras, como metanol o etanol. La reacción se lleva a cabo con un catalizador de base fuerte, produciendo glicerol además de aceites vegetales transesterificados (biodiesel) . Canakci et al. alegó que las emisiones de CO2 de biodiésel se compensan mediante la fotosíntesis. Además de su compensación de carbono, el biodiesel no es tóxico, no contiene aromáticos ni azufre, tiene una mayor biodegradabilidad y es menos contaminante para el agua y el suelo al derramarse, en comparación con el queroseno . Además, los biodieseles no contienen trazas de metales, carcinógenos como los hidrocarburos poliaromáticos y otros contaminantes que son directamente perjudiciales para la salud humana . Chan et informó de una reducción significativa de las emisiones de partículas. al cuando utilizaron una mezcla de 50% de volumen de combustible biorreactor hidro-procesado a base de camelina con combustible para aviones F-34 en un motor turbopropulsor T-56.

A corto y medio plazo, el biodiésel de aceite de palma (PME) puede utilizarse como fuente principal para la producción de biodiésel. Según Sumathi et al. , el cultivo y procesamiento de palma aceitera requieren poca cantidad de fertilizantes agroquímicos y combustibles fósiles para producir 1 tonelada de aceite. Datos de 2007 recopilados por Sumathi et al. , el rendimiento de aceite de palma aceitera fue de 3.74 toneladas/hectárea/año, que es 10 veces más que la soja durante el mismo período (0.38 toneladas/hectárea/año). Esto hace que la palma aceitera sea actualmente el cultivo de aceite de mayor rendimiento del mundo y, por lo tanto, un sustituto atractivo del biodiesel o suplemento del queroseno de aviación. Esto se ve respaldado por el trabajo realizado por Chong y Hochgreb, que informó que las emisiones por unidad de energía se reducen mediante el uso de PME en comparación con el diesel y el Jet A.

French probó el rendimiento de un motor de turbina de gas turborreactor SR-30 de turborreactor de turborreactor con biodiésel de aceite de canola. Se encontró que el empuje máximo alcanzado por el biodiésel era inferior al Jet-A en un 8% a rpm máximas. Utilizando un motor de turbina de gas del mismo modelo que French , Habib et al. se probó una variedad de biodieseles y biocombustibles en mezclas volumétricas al 50% y al 100% (B50, B100) con Jet A-1. En términos de consumo de combustible específico de empuje (TSFC), a rpm más altas, el TSFC de todos los combustibles de prueba no fue significativamente diferente del del Jet A-1. La temperatura de entrada de la turbina (TIT) para los biocombustibles fue superior a la del Jet A-1 en general. La temperatura de los gases de escape (EGT) fue similar para todos los combustibles de prueba.

Chiang et al. se probó una micro turbina de gas Teledyne RGT-3600 de 150 kW que funcionaba con biodiesel no especificado en mezclas volumétricas de 10%, 20% y 30% con diesel. Todas las mezclas de biodiesel tenían eficiencias térmicas similares en todas las cargas de potencia. Se informó de que se encontraron depósitos de carbono después de 6 horas de funcionamiento en mezclas de biodiésel en la boquilla de combustible . Krishna probó biodiesel de soja (SME) en mezclas volumétricas de 20%, 50% y 100% (B20, B50 y B100) con aceite de calefacción ASTM número 2 en una microturbina de gas CR30 de 30 kW. Se encontró que las eficiencias de calefacción del aceite de calefacción número 2, B20 y B100 eran similares, aproximadamente un 20%. La eficiencia de calefacción del B50 fue superior en un 7%.

Un consenso entre la mayoría de los trabajos relacionados es que cantidades más pequeñas de biodiésel mezclado con el combustible de referencia, ya sea diésel o queroseno de aviación, no afectaron negativamente a las capacidades de rendimiento de los motores de prueba. En este estudio, el biodiesel de aceite de palma se prueba en un volumen de 20% con Jet A-1 para verificar los hallazgos de otras pruebas de investigación de turbinas de gas en mezclas de biocombustibles. Además, se probaron concentraciones más altas de EMP en mezclas Jet A-1 en simulaciones del motor CM4.

2. Descripción del aparato

Para proporcionar un motor turborreactor funcional con fines educativos y de investigación, Armfield modificó la señal aliada JFS100-13A en el motor turborreactor CM4. En la figura 1 se muestra un esquema del motor. El motor turborreactor CM4 se puede dividir en cinco componentes principales distintos: (i) entrada; (ii) compresor centrífugo; (iii) quemador; (iv) turbina axial; y (v) boquilla de escape. Los componentes anteriores se simplifican en la Figura 2. Las especificaciones del fabricante del JFS100 y, por extensión, del CM4 se resumen en la Tabla 1. La Tabla 2 muestra la gama de sensores que vienen equipados con el turborreactor CM4, así como las propiedades medidas.

Figura 1

Armfield CM4 motor turborreactor.

Figura 2

esquema de los componentes del motor.

2.1. Preparación de combustibles de prueba

El biodiesel de aceite de palma es un éster metílico de ácidos grasos de color ámbar y es notablemente viscoso en comparación con el combustible Jet A-1, que es de color paja y menos opaco. El combustible Jet A-1 utilizado en este proyecto de investigación se obtuvo de Petronas Malasia, mientras que Sime Darby suministró el combustible PME. Se encontró que la EMP se mezcla fácilmente con el Jet A-1. Cada volumen de combustible se mezclaba en un vaso de precipitados de vidrio con la ayuda de una varilla de agitación de vidrio. Se encontró que las mezclas conservaban su estructura y no se veía separación alguna. Esto se mantuvo durante toda la duración del proyecto de investigación para muestras que se conservaron durante varios meses. Además, no había agua visible retenida en las mezclas de combustible. La figura 3 muestra muestras de los combustibles de prueba en el aumento del contenido de EMP.

Gráfico 3

Muestras de combustible de ensayo; de izquierda a derecha: Jet A-1, B20, B50, B70 y B100.

Cada combustible también se probó para determinar sus valores caloríficos o de calentamiento de combustible (FHV). Esto se hizo utilizando un calorímetro de bomba de oxígeno IKA C200 con la cooperación de la Facultad de Ciencia y la tecnología de Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM). Cada prueba se realizó tres veces para obtener un FHV medio para cada combustible. La tabla 3 muestra la gama de FHV para los combustibles de prueba.

3. Procedimiento experimental

Todas las pruebas Armfield CM4 se realizaron en el Laboratorio de Propulsión de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Putra de Malasia. En todos los casos, las puertas de persiana más grandes del laboratorio se abrían de modo que el escape del motor se desplazara hacia el laboratorio. Las pruebas realizadas para el motor CM4 fueron todos arranques en frío. Esto significa que no se produjo ningún cambio de combustible durante el funcionamiento. Al igual que en los experimentos de French y Krishna , no se realizó ninguna modificación en la turbomaquinaria interna del motor de prueba.

Al encenderse, se le dio al motor aproximadamente un minuto para alcanzar un estado de equilibrio en el que la velocidad del motor se mantuvo constante a un mínimo de 48000 rpm. El acelerador se elevó lentamente de 48000 rpm a aproximadamente 66000 rpm. En cada intervalo de 1000 rpm, se permitió un período de muestreo de 10 segundos para garantizar lecturas promedio más confiables para cada sensor. Una vez que se alcanzó la rpm máxima y se midieron los datos relevantes, el acelerador se cerró lentamente de manera similar y decreciente a 48000 rpm. El muestreo se detuvo una vez que se alcanzó el rpm mínimo. Las pruebas para el Jet A-1 y el B20 se repitieron al menos tres veces cada una.

El Armfield CM4 está equipado con una interfaz de PC para sus diversos sensores. Los valores de temperatura, presión, velocidad del motor y empuje medido se muestran en la interfaz de usuario. Se estableció una frecuencia de muestreo automática de cada dos segundos. Debido a las limitaciones del sensor, se suponía que las presiones de manómetro de entrada y salida del quemador eran iguales, al igual que las temperaturas de salida de la turbina y de la boquilla y .

3.1. Análisis del ciclo de los motores a reacción

La base del cálculo de los parámetros de rendimiento es el análisis del ciclo de las turbinas de gas, como demuestra Mattingly . La medida principal de un motor turborreactor es su empuje F, que se representa por dónde está el flujo másico total que sale de la boquilla de escape, es la velocidad de salida de la boquilla, es el flujo de aire delante de la entrada del motor, es la velocidad de aire de flujo libre, y el término se refiere a la contribución de empuje de la diferencia de presión en la salida de la boquilla. Los siguientes parámetros de rendimiento para el motor turborreactor que se calcularán son el empuje específico , la relación combustible-aire y el consumo de combustible específico del empuje . La ecuación (2) muestra las ecuaciones utilizadas para obtener los parámetros antes mencionados. El FHV se representa como constante :Siguiendo los cálculos anteriores, las eficiencias térmicas, propulsoras y generales del motor, y se obtienen como se muestra en la sección del quemador, la eficiencia del quemador se obtiene a partir de donde el término se refiere a la relación de temperaturas de salida y entrada del quemador .

Con el fin de normalizar los resultados de los experimentos debido a la diferencia de temperatura ambiente , se hicieron correcciones a los parámetros de rendimiento con respecto a las condiciones estándar del nivel del mar. Estas correcciones se enumeran a continuación de (5). Los parámetros de rendimiento restantes se calcularon como se había hecho anteriormente a partir de los valores corregidos. Las variables adimensionales y se refieren a las relaciones de presión o temperatura de la estación en relación con la presión y temperatura estándar del nivel del mar 101,3 kPa y 288,2 K:

4. Resultados experimentales

Como se indicó anteriormente, los combustibles que se probaron experimentalmente fueron el Jet A-1 y el B20. Debido a que el único factor que se tiene en cuenta es que el empuje directamente afectado es el acelerador, la mayoría de los resultados se muestran en relación con el régimen del motor o las rpm. La Figura 4 muestra los cambios que se produjeron en la temperatura del aceite de lubricación para ambos combustibles. La temperatura de salida del aceite lubricante para B20 es claramente superior a la del Jet A-1, a partir de 55000 rpm. El mayor aumento en la temperatura del aceite de lubricación es de 343,2 K a 368,6 K a 61000 rpm, un aumento del 7,4%. Esto implicaría que se ejerce más presión sobre la turbomaquinaria cuando se utiliza combustible B20. Las temperaturas más altas del aceite de lubricación también pueden atribuirse a las temperaturas más altas de la turbina durante los ensayos B20, como se muestra en la Figura 5.

Gráfico 4

Temperaturas de aceite lubricante para B20 y Jet A-1.

Figura 5

Turbina de entrada y salida de las temperaturas para el B20, Jet a-1.

El cambio en el empuje del B20 con respecto al Jet A-1 se muestra en la Figura 6. Se puede ver que, salvo una caída del 2% al 4% en el empuje en el rango medio de la velocidad del motor, el B20 funciona de manera comparable con el Jet A-1, hasta el punto de que, a partir de 61000 rpm en adelante, la diferencia en el empuje es inferior al 1,5%.

Gráfico 6

Líneas de empuje corregidas para B20 y Jet A-1.

Las figuras 6, 7, 8 y 9 muestran una tendencia interesante para el rendimiento del CM4 que se ejecuta en Jet A-1 y B20. Las diferencias porcentuales entre el impacto de los dos combustibles en el empuje son muy pequeñas, a lo sumo alrededor del 4%, con una similitud creciente en el rango de altas rpm. Las conclusiones coinciden con las de Krishna , según las cuales cantidades más pequeñas de biodiésel en el combustible de referencia no dieron lugar a una disminución significativa del rendimiento. La tendencia de los parámetros convergentes hacia las rpm máximas continúa para el flujo de aire y combustible y el consumo de combustible específico del empuje. Esto sugiere que una mezcla de 20% de EMP con Jet A-1 es viable, particularmente a rpm más altas. Sin embargo, el CM4 todavía vio un pequeño aumento en la relación combustible-aire y el consumo de combustible específico antes de alcanzar las 60000 rpm. Esto solo se puede atribuir al FHV ligeramente inferior del B20. Esto implica que se necesita un poco más de combustible B20 para lograr el mismo rendimiento que el del Jet A-1.

Gráfico 7

Caudal de combustible corregido para B20 y Jet A-1.

Figura 8

de Combustible-aire de la relación para B20 y Jet a-1 de los combustibles.

Figura 9

Corregido el empuje consumo específico de combustible para B20 y Jet a-1.

Al igual que con los indicadores de rendimiento anteriores, el B20 tuvo un rendimiento comparable al del Jet A-1 para la eficiencia térmica (Figura 10); sin embargo, las diferencias en la eficiencia de propulsión son más claras, ya que el Jet A-1 tiene una mejor eficiencia de propulsión a los regímenes más altos del motor, como se muestra en la Figura 11. Esto conduce a un porcentaje similar de diferencia para la eficiencia general (Figura 12). La mayor eficiencia de propulsión del Jet A-1 se debe a su menor relación combustible-aire (Figura 8).

Figura 10

la eficiencia Térmica para B20 y Jet a-1.

Figura 11

Propulsora de la eficiencia para B20 y Jet a-1.

Figura 12

eficiencia Global de B20 y Jet a-1.

Se observa un cambio más evidente en el rendimiento de los componentes en la sección del quemador, que se aclara en la Figura 13. Al quemar B20, la eficiencia de la combustión aumentó aproximadamente un 2% en promedio. La mayor eficiencia del quemador se debe a la integridad del proceso de combustión, que se debe al contenido de oxígeno del biodiesel. Esto también está relacionado con las temperaturas más altas de las turbinas mencionadas anteriormente.

Figura 13

el rendimiento de los Quemadores para B20 y Jet a-1.

5. Análisis de GasTurb

Debido a restricciones experimentales y preocupaciones con respecto a la integridad de la línea de combustible y los tiempos de ignición para mezclas de biodiésel de mayor densidad, se simuló el rendimiento del Armfield CM4 utilizando combustibles B50, B70 y B100 para obtener tendencias de rendimiento después de cambiar del Jet A-1. Esto se hizo utilizando GasTurb 11, un programa de simulación de rendimiento de turbinas de gas desarrollado por Kurzke . Una construcción anterior de GasTurb fue utilizada por Habib et al. al predecir el rendimiento de biodiésel al 100% después de realizar pruebas experimentales para mezclas de biodiésel al 10, 20 y 30% con petrodiésel. La lista de entradas de gas utilizadas para las simulaciones de cada combustible de ensayo se muestra en el cuadro 4, mientras que la Figura 14 muestra el modelo físico del motor simulado basado en las entradas especificadas. Dada la pequeña escala utilizada por GasTurb, se puede ver que el rendimiento de la simulación es plausible para motores pequeños como el CM4.

Figura 14

modelo de Motor prestados por GasTurb 11.

Se tuvieron que hacer varias suposiciones e iteraciones para conseguir un análogo lo más cercano posible al motor CM4 real. Dado que los principales datos de rendimiento implicarían empuje, la prioridad era tener una simulación con una salida de empuje similar a la del CM4 real. Las dos líneas de empuje producidas para el Jet A-1 y el B20 se muestran en la Figura 15 en comparación con sus contrapartes experimentales. Se ha demostrado que las simulaciones concuerdan con los resultados experimentales de empuje. La Figura 16 muestra las líneas de empuje corregidas para cada combustible simulado desde el ralentí hasta la velocidad máxima del motor, mientras que la Figura 17 muestra la tendencia del TSFC para todos los combustibles.

Gráfico 15

Simulación y líneas de empuje corregidas experimentales utilizando combustibles Jet A-1 y B20.

Figura 16

Simulación corregido empuje para todas las pruebas de los combustibles.

Figura 17

Simulación corregido TSFC para todas las pruebas de los combustibles.

El empuje producido con el aumento del volumen PME disminuyó a partir de los valores de referencia del Jet A-1 en todas las velocidades del motor. La reducción del empuje se hizo más pronunciada con los combustibles B70 y B100. En GasTurb, el empuje máximo corregido por SSL del Jet A-1 fue de 219,4 N, que disminuyó a 215,4 N, 210,4 N, 203,7 N y 194,1 N para B20, B50, B70 y B100. El factor más importante en la disminución del empuje fue la reducción del FHV para cada mezcla de biodiésel consecutiva. También se ha demostrado que un combustible recto 100% PME no es deseable, ya que el empuje máximo se reduce en aproximadamente un 12%. El TSFC para cada combustible mostró que las líneas para el Jet A-1, el B20 y el B50 estaban bastante cerca entre sí, con un TSFC mejorado para el B20 y el B50 a las velocidades más bajas del motor y valores convergentes con el Jet A-1 hacia las rpm máximas, con valores ligeramente más altos a 66000 rpm. Los aumentos en TSFC son mucho más pronunciados para B70 y B100, con aumentos de 11% y 18% a rpm máximas.

Los cambios en la eficiencia térmica de cada combustible de ensayo a todos los regímenes del motor se muestran en la figura 18. Se puede ver que se mejora con el uso de B20 y B50 de rpm en vacío a aproximadamente 63000 rpm, después de lo cual el Jet A-1 tiene mejor hasta la velocidad máxima del motor. La eficiencia térmica se deterioró a partir de los valores del chorro A-1 bajo B100, cayendo a 2,11% desde el chorro óptimo A-1 , que era de 2,45% a rpm máximas.

Figura 18

Simulación de eficiencia térmica para todas las pruebas de los combustibles.

Los resultados de las simulaciones para todos los combustibles de ensayo a rpm máximas se muestran en el cuadro 5. El aumento en el consumo de combustible específico para el B100 es de casi un 20% con respecto al del Jet A-1. La eficiencia general del motor disminuyó al aumentar el contenido de EMP. Esto indica que el FHV de los biocarburantes es más bajo, lo que da lugar a un mayor flujo y consumo de combustible.

6. Conclusión y Recomendaciones

El objetivo de este trabajo experimental fue determinar el rendimiento del turborreactor Armfield CM4 que se ejecuta en un espectro de mezclas de biodiesel de aceite de palma y Jet A-1. Se encontró que el B20 producía cantidades similares de empuje que el Jet A-1, particularmente en el rango más alto de rpm. Las compensaciones del uso de biodiesel incluyen un flujo de combustible ligeramente mayor, una relación combustible-aire y un consumo específico de combustible, pero a partir de los datos del B20, el aumento de estos valores fue mínimo, dentro de un rango de 0-5%. Además, la eficiencia térmica del B20 era de calibre similar a la del Jet A-1, mientras que las eficiencias de propulsión y generales experimentaron una ligera caída a las rpm máximas. La eficiencia del quemador mejoró con la combustión del B20, debido a su mayor contenido de oxígeno.

Con mezclas más concentradas de PME y Jet A-1, se encontró que el empuje neto producido disminuyó en grados mayores al aumentar el contenido de PME. El empuje para el Jet A-1, B20 y B50 fue de valores comparables, mientras que el B70 y el B100 tuvieron un desempeño pobre en comparación. A partir de los resultados, se encontró que el umbral de contenido volumétrico para la EMP antes de una caída notable en el rendimiento era del 50%. También debe tenerse en cuenta que las temperaturas a popa del quemador aumentaron en proporción al aumento del contenido de EMP.

Los inconvenientes de la EMP fueron las temperaturas de entrada y salida de la turbina más altas, así como su valor calorífico inherentemente más bajo. Aún no se han estudiado los efectos a largo plazo de las pruebas de biodiésel en motores turborreactores, en particular en términos de revestimiento de combustión y turbina, así como de sistemas de suministro de combustible. Además, si bien el B20 tuvo un rendimiento comparable con el Jet A-1, es necesario abordar su menor FHV y mayor viscosidad para optimizar el rendimiento de la mezcla y minimizar el deterioro de los sistemas de suministro de combustible.

En términos del panorama general del uso generalizado en motores aeronáuticos, si bien ha habido casos de vuelos comerciales que utilizan mezclas al 50% de biodiésel de éster metílico de ácidos grasos con queroseno de aviación, esta práctica no se ha institucionalizado formalmente debido a problemas de costo económico y energético y disponibilidad de biodiésel en grandes cantidades. Sin embargo, como ha demostrado esta investigación, la EMP es un combustible viable para aplicaciones de microturbinas tanto en la generación de energía como en vehículos aéreos no tripulados o controlados a distancia.

Nomenclatura

Numeración de emisoras y Subíndices

Conflicto de Intereses

Los autores declaran que no existe conflicto de intereses con respecto a la publicación de este artículo.

Agradecimientos

Este trabajo fue apoyado en gran medida por la Universiti Putra Malaysia (UPM), el Programa de Becas Universitarias de Investigación (RUGS) bajo el número de proyecto 05-01-09-0719RU, así como por el personal de soporte técnico del Departamento de Ingeniería Aeroespacial de la UPM. También damos las gracias al Laboratorio de Investigación de Alimentos de Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM) por proporcionar las pruebas calorimétricas de los combustibles de prueba.