Évaluation des performances d’un turboréacteur à petite échelle Fonctionnant avec des mélanges de Biodiesel d’huile de palme

Résumé

Les performances expérimentales et simulées d’un turboréacteur Armfield CM4 ont été étudiées pour le biodiesel à ester méthylique d’huile de palme (PME) et ses mélanges avec du carburant Jet A-1 conventionnel. Les mélanges volumétriques de PME avec Jet A-1 sont de 20, 50, 70 et 100% (B20, B50, B70 et B100). Les valeurs de chauffage au combustible (FHV) de chaque mélange de combustible ont été obtenues par analyse calorimétrique. Les tests expérimentaux comprenaient des tests de performance pour les jets A-1 et B20, tandis que les performances de B50 à B100 étaient simulées à l’aide du logiciel d’analyse GasTurb 11. En termes de poussée maximale mesurée, le jet A-1 a donné la valeur la plus élevée de 216 N, diminuant de 0,77%, 4%, 8% et 12% avec B20, B50, B70 et B100. Il a été constaté que le B20 produisait des résultats comparables par rapport aux essais de référence du jet A-1, en particulier en termes de poussée et d’efficacité thermique. De légères pénalités de performance ont été imposées en raison de la teneur en énergie plus faible des mélanges de biodiesel. L’efficacité de la chambre de combustion s’est améliorée avec l’ajout de biodiesel, tandis que l’efficacité des autres composants est demeurée constante collectivement. Cette recherche montre que, au moins pour les turbines à gaz de plus grande taille, PME peut être utilisée comme additif pour le jet d’A-1 dans les mélanges à 50%.

1. Introduction

Il existe un consensus général au sein de la littérature selon lequel la matière première des combustibles fossiles utilisée pour la production de kérosène de qualité aéronautique diminue. Koh et Ghazoul s’attendaient à un scénario de production de pétrole maximale dans les années 2010-2020, en supposant que la consommation mondiale de pétrole augmente à 118 millions de barils par jour en 2030. Nygren et coll. selon les projections, la croissance du trafic de l’aviation civile augmentera à un rythme de 5 % par an, tandis que la consommation de carburant augmentera de 3 % par an. Lee et coll. selon les prévisions, la croissance du trafic aérien augmentera de 4,5 % à 6 % par an au cours des vingt prochaines années, le trafic doublant tous les 15 ans. Ce constat est encore corroboré par le récent rapport de Deloitte, selon lequel la demande de voyages de passagers devrait augmenter de 5 % au cours des 20 prochaines années, ce qui contribuera à l’augmentation de la production d’avions. Malgré l’amélioration de l’efficacité énergétique des avions depuis 1960, des efforts supplémentaires doivent être faits pour atténuer la dépendance aux sources de carburant traditionnelles et remplacer les carburants à base d’essence actuels.

Le biodiesel est produit par transestérification d’huiles végétales ou organiques pures en remplaçant les molécules de triglycérides par des molécules d’alcool plus légères telles que le méthanol ou l’éthanol. La réaction est réalisée avec un catalyseur de base fort, produisant du glycérol en plus des huiles végétales transestérifiées (biodiesel). Canakci et coll. a affirmé que les émissions de CO2 de biodiesel sont compensées par la photosynthèse. En plus de sa compensation carbone, le biodiesel est non toxique, ne contient ni aromatiques ni soufre, présente une biodégradabilité plus élevée et est moins polluant pour l’eau et le sol lors du déversement, contrairement au kérosène. De plus, les biodiesels ne contiennent pas de métaux traces, d’agents cancérigènes tels que les hydrocarbures polyaromatiques et d’autres polluants directement nocifs pour la santé humaine. Une réduction significative des émissions de particules a été signalée par Chan et. al lorsqu’ils ont utilisé un mélange de 50% en volume de biojet hydrotraité à base de caméline avec du carburéacteur F-34 dans un moteur turbo-hélice T-56.

À court et moyen terme, le biodiesel à base d’huile de palme (PME) peut être utilisé comme source principale de production de biodiesel. Selon Sumathi et al. , la culture et la transformation du palmier à huile nécessitent peu d’engrais agrochimiques et de combustibles fossiles pour produire 1 tonne d’huile. À partir des données de 2007 recueillies par Sumathi et al. , le rendement en huile du palmier à huile était de 3.74 tonnes/hectare/an, soit 10 fois plus que le soja pendant la même période (0,38 tonne/hectare/an). Cela fait du palmier à huile actuellement la culture oléagineuse à rendement le plus élevé au monde et, par conséquent, un substitut ou un complément de biodiesel attrayant au kérosène de l’aviation. Ceci est corroboré par les travaux effectués par Chong et Hochgreb selon lesquels les émissions par unité d’énergie sont réduites en utilisant PME par rapport au diesel et au Jet A.

French a testé les performances d’un turboréacteur à gaz turboréacteur turbine technologies SR-30 utilisant du biodiesel à l’huile de canola. Il a été constaté que la poussée maximale atteinte par le biodiesel était inférieure de 8 % à Jet-A au régime maximal. Utilisant un moteur à turbine à gaz du même modèle que French, Habib et al. testé une variété de biodiesels et de biocarburants dans des mélanges volumétriques à 50% et 100% (B50, B100) avec Jet A-1. En ce qui concerne la consommation de carburant spécifique à la poussée (TSFC), à un régime plus élevé, le TSFC de tous les carburants d’essai n’était pas significativement différent de celui du Jet A-1. La température d’entrée de la turbine (TIT) pour les biocarburants était supérieure à celle du Jet A-1 dans son ensemble. La température des gaz d’échappement (EGT) était similaire pour tous les carburants d’essai.

Chiang et al. testé une micro turbine à gaz Teledyne RGT-3600 de 150 kW fonctionnant avec un biodiesel non spécifié dans des mélanges volumétriques de 10%, 20% et 30% avec du diesel. Tous les mélanges de biodiesel présentaient des rendements thermiques similaires pour toutes les charges de puissance. Il a été signalé que des dépôts de carbone ont été trouvés après avoir fonctionné pendant 6 heures sur des mélanges de biodiesel sur la buse de carburant. Krishna a testé le biodiesel de soja (SME) dans des mélanges volumétriques de 20%, 50% et 100% (B20, B50 et B100) avec du mazout de chauffage ASTM numéro 2 dans une microturbine au gaz capstone CR30 de 30 kW. Il a été constaté que les rendements de chauffage du mazout de chauffage numéro 2, B20 et B100, étaient similaires, à environ 20 %. L’efficacité du chauffage B50 était supérieure de 7%.

Un consensus entre la plupart des travaux connexes est que de plus petites quantités de biodiesel mélangées au carburant de référence, qu’il s’agisse de carburant diesel ou de kérosène d’aviation, n’ont pas nui aux performances des moteurs d’essai. Dans cette étude, le biodiesel d’huile de palme est testé en volume à 20% avec Jet A-1 afin de vérifier les résultats d’autres tests de recherche sur les turbines à gaz sur les mélanges de biocarburants. De plus, des concentrations plus élevées de PME dans les mélanges Jet A-1 ont été testées dans des simulations du moteur CM4.

2. Description de l’appareil

Afin de fournir un turboréacteur fonctionnel à des fins éducatives et de recherche, Armfield a modifié le signal allié JFS100-13A en turboréacteur CM4. Un schéma du moteur est illustré à la figure 1. Le turboréacteur CM4 peut être décomposé en cinq composants principaux distincts: (i) entrée; (ii) compresseur centrifuge; (iii) chambre de combustion (brûleur); (iv) turbine axiale; et (v) buse d’échappement. Les composants ci-dessus sont simplifiés à la figure 2. Les spécifications du fabricant pour le JFS100 et, par extension, le CM4 sont résumées dans le tableau 1. Le tableau 2 montre la gamme de capteurs équipés du turboréacteur CM4 ainsi que les propriétés mesurées.

Figure 1

Turboréacteur Armfield CM4.

Figure 2

Disposition schématique des composants du moteur.

2.1. Préparation des carburants d’essai

Le biodiesel à base d’huile de palme est un ester méthylique d’acide gras de couleur ambrée et visiblement visqueux par rapport au carburant Jet A-1, qui est de la paille et de couleur moins opaque. Le carburant Jet A-1 utilisé dans ce projet de recherche a été obtenu auprès de Petronas Malaysia, tandis que Sime Darby a fourni le carburant PME. Il a été constaté que PME se mélange facilement avec Jet A-1. Chaque volume de carburant a été mélangé dans un bécher en verre à l’aide d’un bâtonnet d’agitation du verre. Les mélanges ont conservé leur structure et aucune séparation n’était visible. Cela est resté vrai pendant toute la durée du projet de recherche pour des échantillons conservés pendant plusieurs mois. De plus, il n’y avait pas d’eau visible retenue dans les mélanges de combustibles. La figure 3 montre des échantillons des carburants d’essai en augmentation de la teneur en PME.

Figure 3

Échantillons de carburant d’essai; de gauche à droite : Jet A-1, B20, B50, B70 et B100.

Chaque combustible a également été testé pour son pouvoir calorifique ou calorifique (FHV). Cela a été fait à l’aide d’un calorimètre à bombe à oxygène IKA C200 avec la coopération de la Faculté des sciences et de la technologie de Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM). Chaque essai a été effectué trois fois pour obtenir une VHF moyenne pour chaque carburant. Le tableau 3 indique la gamme de FHV pour les carburants d’essai.

3. Procédure expérimentale

Tous les tests Armfield CM4 ont été effectués dans le Laboratoire de propulsion de la Faculté d’ingénierie de l’Universiti Putra Malaysia. Dans tous les cas, les portes d’obturation plus grandes du laboratoire ont été ouvertes de sorte que l’échappement du moteur se déplace vers l’extérieur du laboratoire. Les tests effectués pour le moteur CM4 étaient tous des démarrages à froid. Cela signifie qu’aucune commutation de carburant ne s’est produite pendant le fonctionnement. Comme pour les expériences de French et Krishna, aucune modification de la turbomachine interne du moteur d’essai n’a été apportée.

Au moment de l’allumage, le moteur a reçu environ une minute pour atteindre un état d’équilibre où le régime moteur est resté constant à un minimum de 48000 tr/min. La manette des gaz a été lentement augmentée de 48000 tr / min à environ 66000 tr / min. À chaque intervalle de 1000 tr / min, une période d’échantillonnage de 10 secondes a été autorisée pour assurer des lectures moyennes plus fiables pour chaque capteur. Une fois que le régime maximal a été atteint et que les données pertinentes ont été mesurées, la manette des gaz a été lentement fermée de manière similaire et décrémentale à 48 000 tr / min. L’échantillonnage a ensuite été interrompu une fois le régime minimum atteint. Les essais pour les jets A-1 et B20 ont été répétés au moins trois fois chacun.

L’Armfield CM4 est équipé d’une interface PC pour ses différents capteurs. Les valeurs de température, de pression, de régime moteur et de poussée mesurée sont affichées dans l’interface utilisateur. Une fréquence d’échantillonnage automatique toutes les deux secondes a été réglée. En raison des limitations du capteur, les pressions manométriques d’entrée et de sortie du brûleur et ont été supposées égales, tout comme les températures de sortie de la turbine et de sortie de la buse et.

3.1. Analyse du cycle du moteur à réaction

La base du calcul des paramètres de performance est l’analyse du cycle des turbines à gaz telle que démontrée par Mattingly. La mesure principale d’un turboréacteur est sa poussée F, qui est représentée par où est le débit massique total sortant de la buse d’échappement, est la vitesse de sortie de la buse, est le flux d’air devant l’entrée du moteur, est la vitesse de l’air libre, et le terme fait référence à la contribution de poussée de la différence de pression à la sortie de la buse. Les paramètres de performance suivants du turboréacteur à calculer sont la poussée spécifique, le rapport air-carburant et la consommation de carburant spécifique à la poussée. L’équation (2) montre les équations utilisées pour obtenir les paramètres précités. Le FHV est représenté comme constant: Suite aux calculs ci-dessus, les rendements thermiques, propulsifs et globaux du moteur, et sont obtenus comme indiqué dans la section brûleur, l’efficacité du brûleur est obtenue à partir de laquelle le terme fait référence au rapport des températures de sortie et d’entrée du brûleur.

Afin de normaliser les résultats des expériences en raison de la température ambiante différente, des corrections des paramètres de performance par rapport aux conditions standard du niveau de la mer ont été apportées. Ces corrections sont énumérées ci-dessous à partir de (5). Les paramètres de performance restants ont ensuite été calculés comme précédemment sur la base des valeurs corrigées. Les variables sans dimension et se réfèrent aux rapports de pression ou de température de la station par rapport à la pression et à la température standard au niveau de la mer 101,3 kPa et 288,2 K:

4. Résultats expérimentaux

Comme indiqué précédemment, les carburants testés expérimentalement étaient les jets A-1 et B20. Comme le seul facteur pris en compte est que la poussée directement affectée est la manette des gaz, la plupart des résultats sont affichés par rapport au régime ou au régime moteur. La figure 4 montre les changements survenus dans la température de l’huile de lubrification pour les deux carburants. La température de sortie de l’huile de lubrification pour B20 est nettement supérieure à celle du Jet A-1, à partir de 55000 tr/ min. La plus forte augmentation de la température de l’huile de lubrification est de 343,2 K à 368,6 K à 61000 tr / min, soit une augmentation de 7,4%. Cela impliquerait que la turbomachine subisse davantage de contraintes lors de l’utilisation de carburant B20. Les températures plus élevées de l’huile de lubrification peuvent également être attribuées aux températures plus élevées de la turbine pendant les essais B20, illustrés à la figure 5.

Figure 4

Températures de l’huile de lubrification pour B20 et Jet A-1.

Figure 5

Températures d’entrée et de sortie de turbine pour B20, Jet A-1.

La variation de la poussée de B20 par rapport au jet A-1 est illustrée à la figure 6. On voit que, sauf chute de poussée de 2% à 4% au milieu du régime moteur, B20 fonctionne de manière comparable avec le Jet A-1, au point qu’à partir de 61000 tr/min, la différence de poussée est inférieure à 1,5%.

Figure 6

Lignes de poussée corrigées pour B20 et le jet A-1.

Les figures 6, 7, 8 et 9 montrent une tendance intéressante pour les performances du CM4 fonctionnant sur Jet A-1 et B20. Les différences de pourcentage entre l’impact des deux carburants sur la poussée sont très faibles, tout au plus d’environ 4%, avec une similitude croissante à la plage de régimes élevés. Les résultats concordent avec Krishna, selon lequel de plus petites quantités de biodiesel dans le carburant de référence n’ont pas entraîné de baisse significative des performances. La tendance à la convergence des paramètres vers le régime maximal se poursuit pour le débit d’air et de carburant et la consommation de carburant spécifique à la poussée. Cela suggère qu’un mélange de PME à 20% avec le jet A-1 est viable, en particulier à un régime plus élevé. Cependant, le CM4 a encore connu une légère augmentation du rapport carburant-air et de la consommation de carburant spécifique avant d’atteindre 60000 tr / min. Cela ne peut être attribué qu’au FHV légèrement inférieur de B20. Cela implique qu’un peu plus de carburant B20 est nécessaire pour obtenir les mêmes performances que celles du Jet A-1.

Figure 7

Débit de carburant corrigé pour B20 et Jet A-1.

Figure 8

Rapport carburant-air pour les carburants B20 et Jet A-1.

Figure 9

Consommation de carburant spécifique de poussée corrigée pour le B20 et le Jet A-1.

Comme pour les indicateurs de performance antérieurs, le B20 a obtenu des résultats comparables à ceux du Jet A-1 pour l’efficacité thermique (figure 10); cependant, les différences d’efficacité propulsive sont plus claires, le Jet A-1 ayant un meilleur rendement propulsif aux régimes moteurs plus élevés, comme le montre la figure 11. Cela conduit à un pourcentage similaire de différence pour l’efficacité globale (figure 12). Le rendement propulsif plus élevé du jet A-1 est dû à son rapport carburant-air plus faible (figure 8).

Figure 10

Efficacité thermique pour B20 et Jet A-1.

Figure 11

Efficacité propulsive pour B20 et Jet A-1.

Figure 12

Efficacité globale pour le B20 et le Jet A-1.

Un changement plus apparent des performances des composants est visible dans la section brûleur, qui est rendue plus claire à la figure 13. En brûlant du B20, l’efficacité de la chambre de combustion a augmenté d’environ 2% en moyenne. L’efficacité plus élevée du brûleur est due à l’exhaustivité du processus de combustion, qui est due à la teneur en oxygène du biodiesel. Ceci est également lié aux températures de turbine plus élevées mentionnées précédemment.

Figure 13

Efficacité du brûleur pour B20 et Jet A-1.

5. Analyse de gazole

En raison de contraintes expérimentales et de préoccupations concernant l’intégrité de la conduite de carburant et les temps d’allumage pour les mélanges de biodiesel à haute densité, les performances du CM4 Armfield utilisant des carburants B50, B70 et B100 ont été simulées pour obtenir des tendances de performance après le passage du Jet A-1. Cela a été fait en utilisant GasTurb 11, un programme de simulation des performances des turbines à gaz développé par Kurzke. Une version antérieure de GasTurb a été utilisée par Habib et al. lors de la prédiction de la performance de 100% de biodiesel après des tests expérimentaux pour des mélanges de biodiesel à 10, 20 et 30% avec du pétrodiesel. La liste des entrées de GasTurb utilisées pour les simulations pour chaque carburant d’essai est présentée dans le tableau 4, tandis que la figure 14 montre le modèle physique du moteur simulé sur la base des entrées spécifiées. Compte tenu de la petite échelle utilisée par GasTurb, on peut voir que les performances de la simulation sont plausibles pour les petits moteurs tels que le CM4.

Figure 14

Modèle de moteur rendu par GasTurb 11.

Plusieurs hypothèses et itérations ont dû être faites afin d’obtenir un analogue aussi proche que possible du moteur CM4 réel. Étant donné que les données de performance principales impliqueraient la poussée, la priorité était d’avoir une simulation avec une poussée similaire à celle du CM4 réel. Les deux lignes de poussée produites pour les jets A-1 et B20 sont représentées sur la figure 15 par rapport à leurs homologues expérimentaux. Il est montré que les simulations sont en bon accord avec les résultats expérimentaux pour la poussée. La figure 16 montre les lignes de poussée corrigées pour chaque carburant simulé, du ralenti au régime moteur maximal, tandis que la figure 17 montre la tendance TSFC pour tous les carburants.

Figure 15

Simulation et lignes de poussée corrigées expérimentales à l’aide de carburants Jet A-1 et B20.

Figure 16

Poussée corrigée par simulation pour tous les carburants d’essai.

Figure 17

TSFC corrigé par simulation pour tous les carburants d’essai.

La poussée produite avec l’augmentation du volume PME a diminué par rapport aux valeurs de référence du Jet A-1 pour tous les régimes moteur. La réduction de la poussée est devenue plus prononcée avec les carburants B70 et B100. Dans GasTurb, la poussée corrigée SSL maximale du jet A-1 était de 219,4 N, qui a diminué à 215,4 N, 210,4 N, 203,7 N et 194,1 N pour B20, B50, B70 et B100. Le facteur le plus important dans la diminution de la poussée a été la réduction du FHV pour chaque mélange consécutif de biodiesel. Il est également montré qu’un carburant PME droit à 100% n’est pas souhaitable car la poussée maximale est diminuée d’environ 12%. Le TSFC pour chaque carburant a montré que les conduites pour le Jet A-1, le B20 et le B50 étaient assez proches les unes des autres, avec un TSFC amélioré pour le B20 et le B50 aux régimes moteur inférieurs et des valeurs convergentes avec le Jet A-1 vers le régime maximal, avec des valeurs légèrement plus élevées à 66000 tr / min. Les augmentations de TSFC sont beaucoup plus prononcées pour les B70 et B100, avec des augmentations de 11% et 18% au régime maximal.

Les variations de l’efficacité thermique pour chaque carburant d’essai à tous les régimes du moteur sont indiquées à la figure 18. On peut voir que cela est amélioré avec l’utilisation de B20 et B50 du régime de ralenti à environ 63000 tr / min, après quoi le jet A-1 est meilleur jusqu’au régime moteur maximal. L’efficacité thermique s’est détériorée à partir des valeurs du Jet A-1 sous B100, tombant à 2,11% par rapport au Jet optimal A-1, qui était de 2,45% au régime maximal.

Figure 18

Efficacité thermique de simulation pour tous les carburants d’essai.

Les résultats des simulations pour tous les carburants d’essai au régime maximal sont présentés dans le tableau 5. L’augmentation de la consommation de carburant spécifique du B100 est de près de 20% par rapport à celle du Jet A-1. L’efficacité globale du moteur a diminué avec l’augmentation du contenu PME. Ceci est révélateur de la FHV plus faible pour les biocarburants, ce qui entraîne un débit et une consommation de carburant plus élevés.

6. Conclusion et recommandations

L’objectif de ce travail expérimental était de déterminer les performances du turboréacteur Armfield CM4 fonctionnant sur un spectre de mélanges de biodiesel d’huile de palme et de Jet A-1. Il a été constaté que B20 produisait des quantités de poussée similaires à celles du jet A-1, en particulier à la plage de régime la plus élevée. Les compromis découlant de l’utilisation du biodiesel comprennent un débit de carburant légèrement plus élevé, un rapport carburant-air et une consommation spécifique de carburant, mais d’après les données B20, l’augmentation de ces valeurs était minime, dans une fourchette de 0 à 5%. De plus, le rendement thermique du B20 était de calibre similaire à celui du jet A-1, tandis que les rendements propulsifs et globaux subissaient une légère baisse au régime maximal. L’efficacité du brûleur s’est améliorée avec la combustion du B20, en raison de sa teneur en oxygène plus élevée.

Avec des mélanges plus concentrés de PME et de Jet A-1, il a été constaté que la poussée nette produite diminuait à des degrés plus importants avec l’augmentation de la teneur en PME. La poussée des jets A-1, B20 et B50 était de valeurs comparables, tandis que B70 et B100 fonctionnaient mal en comparaison. D’après les résultats, le seuil de teneur volumétrique pour les PME avant une baisse notable des performances s’est établi à 50%. Il convient également de noter que les températures à l’arrière du brûleur ont augmenté proportionnellement à l’augmentation de la teneur en PME.

Les inconvénients de PME étaient des températures d’entrée et de sortie de turbine plus élevées ainsi que son pouvoir calorifique intrinsèquement inférieur. Les effets à long terme des essais de biodiesel sur les turboréacteurs n’ont pas encore été étudiés, en particulier en termes de chambre de combustion et de garniture de turbine ainsi que de systèmes d’alimentation en carburant. De plus, bien que le B20 se comporte relativement bien avec le Jet A-1, sa FHV plus faible et sa viscosité plus élevée doivent être prises en compte pour optimiser les performances du mélange et minimiser la détérioration des systèmes d’alimentation en carburant.

En ce qui concerne le tableau d’ensemble de l’utilisation généralisée dans les moteurs aéronautiques, bien qu’il y ait eu des cas de vols commerciaux utilisant des mélanges à 50% de biodiesel d’ester méthylique d’acides gras avec du kérosène d’aviation, une telle pratique n’a pas été officiellement institutionnalisée en raison de problèmes de coût économique et énergétique et de disponibilité de biodiesel en grandes quantités. Cependant, comme cette recherche l’a montré, PME est un carburant viable pour les applications de microturbines dans la production d’énergie et les véhicules aériens sans pilote ou télécommandés.

Nomenclature

Numérotation et indices des stations

Conflit d’intérêts

Les auteurs déclarent qu’il n’y a pas de conflit d’intérêts concernant la publication de cet article.

Remerciements

Ce travail a été grandement soutenu par l’Universiti Putra Malaysia (UPM), Research University Grant Scheme (RUGS) dans le cadre du projet no. 05-01-09-0719RU ainsi que par le personnel de support technique du département d’ingénierie aérospatiale de l’UPM. Nous remercions également le Laboratoire de recherche alimentaire de l’Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM) d’avoir fourni les tests calorimétriques des carburants d’essai.