Valutazione delle prestazioni di un motore a turbogetto su piccola scala funzionante con miscele di biodiesel a base di olio di palma

Abstract

Le prestazioni sperimentali e simulate di un motore a turbogetto Armfield CM4 sono state studiate per il biodiesel a base di estere metilico di olio di palma (PME) e le sue miscele con combustibile a getto convenzionale A-1. Le miscele volumetriche di PME con Jet A-1 sono 20, 50, 70 e 100% (B20, B50, B70 e B100). I valori di riscaldamento del combustibile (FHV) di ciascuna miscela di combustibile sono stati ottenuti mediante analisi calorimetrica. I test sperimentali includevano test di prestazione per Jet A-1 e B20, mentre le prestazioni di B50 a B100 sono state simulate utilizzando il software analitico GasTurb 11. In termini di spinta massima misurata, Jet A-1 ha prodotto il valore più alto di 216 N, diminuendo dello 0,77%, 4%, 8% e 12% con B20, B50, B70 e B100. Si è constatato che B20 ha prodotto risultati comparabili rispetto ai test di riferimento Jet A-1, in particolare con la spinta e l’efficienza termica. Si sono verificate lievi penalizzazioni delle prestazioni dovute al minor contenuto energetico delle miscele di biodiesel. L’efficienza del combustore è migliorata con l’aggiunta di biodiesel, mentre le efficienze degli altri componenti sono rimaste collettivamente coerenti. Questa ricerca mostra che, almeno per le turbine a gas più grandi, PME è adatto per l’uso come additivo per Jet A-1 entro il 50% di miscele.

1. Introduzione

Esiste un consenso generale all’interno della letteratura sul fatto che la materia prima fossile utilizzata per la produzione di combustibile cherosene di qualità aeronautica sta diminuendo. Koh e Ghazoul si aspettavano uno scenario di picco della produzione di petrolio entro gli anni 2010-2020, supponendo che il consumo globale di petrolio aumenti a 118 milioni di barili al giorno in 2030. Nygren et al. previsto che la crescita del traffico dell’aviazione civile aumenterà ad un tasso del 5% all’anno, mentre il consumo di carburante aumenterà al 3% all’anno. Lee et al. previsto che la crescita del traffico aereo aumenterà dal 4,5% al 6% all’anno nei prossimi venti anni, con il traffico raddoppiando ogni 15 anni. Ciò è ulteriormente supportato dal recente rapporto di Deloitte , secondo cui la domanda di viaggi passeggeri dovrebbe aumentare del 5% nei prossimi 20 anni, contribuendo ad aumentare la produzione di aeromobili. Nonostante i miglioramenti apportati dal 1960 al consumo di carburante degli aerei , è necessario compiere ulteriori sforzi per ridurre la dipendenza dalle fonti di combustibile tradizionali e sostituire gli attuali combustibili a base di benzina.

Il biodiesel è prodotto attraverso la transesterificazione di oli vegetali o organici puri sostituendo le molecole di trigliceridi con molecole alcoliche più leggere come il metanolo o l’etanolo. La reazione viene effettuata con un forte catalizzatore di base, producendo glicerolo oltre agli oli vegetali transesterificati (biodiesel) . Canakci et al. ha affermato che le emissioni di CO2 di biodiesel sono compensate attraverso la fotosintesi. Oltre al suo offset di carbonio, il biodiesel non è tossico, non contiene aromatici o zolfo, ha una maggiore biodegradabilità ed è meno inquinante per l’acqua e il suolo in caso di fuoriuscita, al contrario del cherosene . Inoltre, i biodiesel non contengono metalli in tracce, agenti cancerogeni come idrocarburi poliaromatici e altri inquinanti che sono direttamente dannosi per la salute umana . Una significativa riduzione delle emissioni di particolato è stata segnalata da Chan et. al quando hanno usato una miscela di 50% del volume di combustibile biojet idro-elaborato a base di camelina con carburante per jet F-34 in un motore turbo-prop T-56.

A breve e medio termine, il biodiesel da olio di palma (PME) può essere utilizzato come fonte primaria per la produzione di biodiesel. Secondo Sumathi et al. , la coltivazione di palma da olio e l’elaborazione richiedono poco input di fertilizzanti agrochimici e combustibili fossili per produrre 1 tonnellata di olio. Dal 2007 i dati raccolti da Sumathi et al. , la resa di olio da palma da olio era 3.74 ton / ettaro / anno, che è 10 volte più della soia durante lo stesso periodo (0,38 ton/ettaro/anno). Ciò rende la palma da olio attualmente il più alto raccolto di olio di rendimento nel mondo e, quindi, un sostituto o un supplemento attraente del biodiesel al cherosene di aviazione. Ciò è supportato dal lavoro svolto da Chong e Hochgreb che ha riferito che le emissioni per unità di energia sono ridotte utilizzando PME rispetto al diesel e Jet A.

francese testato le prestazioni di un turbine tecnologie SR-30 turbogetto motore a turbina a gas utilizzando olio di canola biodiesel. Si è constatato che la spinta massima raggiunta dal biodiesel era inferiore al Jet-A dell ‘ 8% al regime massimo. Utilizzando un motore a turbina a gas dello stesso modello del francese, Habib et al. testato una varietà di biodiesel e biocarburanti in miscele volumetriche al 50% e al 100% (B50, B100) con Jet A-1. In termini di consumo di carburante specifico per la spinta (Thrust Specific Fuel Consumption-TSFC), a regimi più elevati, il TSFC di tutti i carburanti di prova non era significativamente diverso da quello del Jet A-1. La temperatura di ingresso della turbina (TIT) per i biocarburanti era superiore a quella complessiva del Jet A-1. La temperatura dei gas di scarico (EGT) era simile per tutti i carburanti di prova.

Chiang et al. testato una micro turbina a gas Teledyne RGT-3600 da 150 kW che funziona su un biodiesel non specificato in miscele volumetriche del 10%, 20% e 30% con diesel. Tutte le miscele di biodiesel avevano efficienze termiche simili per tutti i carichi di potenza. È stato riferito che sono stati trovati depositi di carbonio dopo aver funzionato per 6 ore su miscele di biodiesel sull’ugello del carburante . Krishna ha testato il biodiesel di soia (SME) in miscele volumetriche del 20%, 50% e 100% (B20, B50 e B100) con olio da riscaldamento ASTM numero 2 in una microturbina a gas CR30 capstone da 30 kW. Si è riscontrato che le efficienze di riscaldamento dell’olio da riscaldamento numero 2, B20 e B100 erano simili, a circa il 20%. L’efficienza di riscaldamento B50 è stata superiore del 7%.

Un consenso tra la maggior parte dei lavori correlati è che piccole quantità di biodiesel miscelato con il carburante di riferimento, sia esso combustibile diesel o cherosene per aviazione, non hanno influito negativamente sulle capacità prestazionali dei motori di prova. In questo studio, il biodiesel da olio di palma viene testato in volume 20% con Jet A-1 per verificare i risultati di altri test di ricerca sulle turbine a gas sulle miscele di biocarburanti. Inoltre, concentrazioni più elevate di PME nelle miscele Jet A-1 sono state testate nelle simulazioni del motore CM4.

2. Descrizione dell’apparecchio

Al fine di fornire un motore turbojet funzionale per scopi didattici e di ricerca, Armfield ha modificato il segnale alleato JFS100-13A nel motore turbojet CM4. Uno schema del motore è mostrato in Figura 1. Il motore a turbogetto CM4 può essere suddiviso in cinque componenti principali distinti: (i) ingresso; (ii) compressore centrifugo; (iii) combustore (bruciatore); (iv) turbina assiale; e (v) ugello di scarico. I componenti di cui sopra sono semplificati in Figura 2. Le specifiche del produttore per il JFS100 e, per estensione, il CM4 sono riassunte nella tabella 1. La tabella 2 mostra la gamma di sensori forniti con il turbogetto CM4 e le proprietà misurate.

Figura 1

Motore a turbogetto Armfield CM4.

Figura 2

Layout schematico dei componenti del motore.

2.1. Preparazione di combustibili di prova

Il biodiesel da olio di palma è un estere metilico di acidi grassi di colore ambrato ed è visibilmente viscoso rispetto al combustibile Jet A-1, che è di colore paglierino e meno opaco. Il carburante Jet A-1 utilizzato in questo progetto di ricerca è stato ottenuto da Petronas Malaysia, mentre Sime Darby ha fornito il carburante PME. È stato trovato che PME si mescola facilmente con Jet A-1. Ogni volume di carburante è stato miscelato in un bicchiere di vetro con l’aiuto di un’asta di agitazione del vetro. Le miscele sono state trovate per mantenere la loro struttura e nessuna separazione era visibile. Questo è rimasto vero per l’intera durata del progetto di ricerca per campioni che sono stati conservati per diversi mesi. Inoltre, non c’era acqua visibile trattenuta nelle miscele di carburante. La figura 3 mostra campioni dei combustibili di prova in aumento del contenuto di PME.

Figura 3

Prova campioni di carburante; da sinistra a destra: Jet A-1, B20, B50, B70 e B100.

Ogni combustibile è stato anche testato per il suo riscaldamento del combustibile o valori calorifici (FHV). Questo è stato fatto utilizzando un calorimetro a bomba di ossigeno IKA C200 con la collaborazione della Facoltà di Scienze e tecnologia dell’Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM). Ogni prova è stata eseguita tre volte per ottenere un FHV medio per ciascun carburante. La tabella 3 mostra la gamma di FHV per i carburanti di prova.

3. Procedura sperimentale

Tutti i test Armfield CM4 sono stati condotti nel Propulsion Laboratory presso la Facoltà di Ingegneria, Universiti Putra Malaysia. In tutti i casi, le porte più grandi dell’otturatore del laboratorio sono state aperte in modo tale che lo scarico del motore viaggiasse verso l’esterno del laboratorio. I test condotti per il motore CM4 erano tutti partenze a freddo. Ciò significa che non si è verificato alcun cambio di carburante durante il funzionamento. Simile agli esperimenti di French e Krishna, non è stata apportata alcuna modifica alla turbomacchina interna del motore di prova.

All’accensione, al motore veniva dato circa un minuto per raggiungere uno stato stazionario in cui il regime del motore rimaneva costante ad un minimo di 48000 giri / min. L’acceleratore è stato lentamente sollevato da 48000 rpm a circa 66000 rpm. Ad ogni intervallo di 1000 giri / min, è stato consentito un periodo di campionamento di 10 secondi per garantire letture medie più affidabili per ciascun sensore. Una volta raggiunto il numero massimo di giri e misurati i dati rilevanti, l’acceleratore è stato lentamente chiuso in modo simile e decrementale fino a 48000 giri / min. Il campionamento è stato quindi interrotto una volta raggiunto il numero minimo di giri. I test per Jet A-1 e B20 sono stati ripetuti almeno tre volte ciascuno.

L’Armfield CM4 è dotato di un’interfaccia PC per i suoi vari sensori. I valori di temperatura, pressione, regime del motore e spinta misurata vengono visualizzati nell’interfaccia utente. È stata impostata una frequenza di campionamento automatica ogni due secondi. A causa delle limitazioni del sensore, le pressioni di ingresso e di uscita del bruciatore e sono stati assunti per essere uguali, come lo erano le temperature di uscita turbina e ugello di uscita e .

3.1. Analisi del ciclo dei motori a reazione

La base del calcolo dei parametri di prestazione è l’analisi del ciclo delle turbine a gas come dimostrato da Mattingly . La misura primaria di un motore a turbogetto è la sua spinta F, che è rappresentata da dove è il flusso di massa totale che esce dall’ugello di scarico, è la velocità di uscita dell’ugello, è il flusso d’aria davanti all’ingresso del motore, è la velocità dell’aria a flusso libero e il termine si riferisce al contributo di spinta I prossimi parametri di prestazione per il motore turbogetto da calcolare sono la spinta specifica, il rapporto carburante-aria e il consumo di carburante specifico della spinta . Equazione (2) mostra le equazioni utilizzate per ottenere i parametri di cui sopra. L ” FHV è rappresentato come costante :Seguendo i calcoli di cui sopra, il motore termico, propulsivo, e le efficienze complessive , , e sono ottenuti come mostrato in Per la sezione bruciatore, efficienza bruciatore è ottenuto da dove il termine si riferisce al rapporto di uscita del bruciatore e temperature di ingresso .

Al fine di normalizzare i risultati degli esperimenti a causa della diversa temperatura ambiente , sono state apportate correzioni ai parametri di prestazione rispetto alle condizioni standard del livello del mare. Queste correzioni sono elencate di seguito da (5). I restanti parametri di prestazione sono stati quindi calcolati come precedentemente in base ai valori corretti. Le variabili adimensionali e si riferiscono ai rapporti di pressione o temperatura della stazione in relazione alla pressione e alla temperatura standard del livello del mare 101,3 kPa e 288,2 K:

4. Risultati sperimentali

Come indicato in precedenza, i combustibili che sono stati testati sperimentalmente erano Jet A-1 e B20. Poiché l’unico fattore preso in considerazione è che la spinta direttamente interessata è l’acceleratore, la maggior parte dei risultati sono mostrati contro il regime del motore o rpm. La figura 4 mostra i cambiamenti che si sono verificati nella temperatura dell’olio di lubrificazione per entrambi i carburanti. La temperatura di uscita dell’olio di lubrificazione per B20 è chiaramente superiore a quella del Jet A-1, da 55000 rpm in poi. Il più grande aumento della temperatura dell’olio di lubrificazione è da 343,2 K a 368,6 K a 61000 giri / min, con un aumento del 7,4%. Ciò implicherebbe che più stress è posto sulla turbomacchina quando si utilizza carburante B20. Le temperature più elevate dell’olio di lubrificazione possono anche essere attribuite alle temperature più elevate della turbina durante le prove B20, mostrate nella figura 5.

Figura 4

Temperature dell’olio di lubrificazione per B20 e Jet A-1.

Figura 5

Temperature di ingresso e di uscita della turbina per B20, Jet A-1.

Il cambiamento di spinta per B20 dal getto A-1 è mostrato in Figura 6. Si può vedere che nel blocco di un calo di spinta del 2% al 4% al midrange del regime del motore, B20 esegue in modo comparabile con Jet A-1, al punto che, da 61000 rpm in poi, la differenza di spinta è inferiore a 1.5%.

Figura 6

Linee di spinta corrette per B20 e Jet A-1.

Le figure 6, 7, 8 e 9 mostrano una tendenza interessante per le prestazioni del CM4 in esecuzione su Jet A-1 e B20. Le differenze percentuali tra l’impatto dei due combustibili sulla spinta sono molto piccole, al massimo circa il 4%, con una crescente somiglianza all’alto numero di giri. I risultati coincidono con Krishna, per cui minori quantità di biodiesel nel carburante di riferimento non hanno portato a un calo significativo delle prestazioni. La tendenza dei parametri convergenti verso il regime massimo continua per il flusso di aria e carburante e il consumo di carburante specifico per la spinta. Ciò suggerisce che una miscela del 20% di PME con Jet A-1 è praticabile, in particolare a regimi più elevati. Tuttavia, il CM4 ha ancora visto un piccolo aumento del rapporto carburante-aria e del consumo specifico di carburante prima di raggiungere i 60000 giri / min. Questo può essere attribuito solo al FHV leggermente inferiore di B20. Ciò implica che è necessario un po ‘ più di carburante B20 per ottenere le stesse prestazioni di quelle del Jet A-1.

Figura 7

Portata corretta del carburante per B20 e Jet A-1.

Figura 8

Rapporto carburante-aria per carburanti B20 e Jet A-1.

Figura 9

Consumo di carburante specifico per spinta corretto per B20 e Jet A-1.

Come per i precedenti indicatori di prestazioni, B20 ha eseguito in modo comparabile al Jet A-1 per l’efficienza termica (Figura 10); tuttavia, le differenze nell’efficienza propulsiva sono più chiare, con Jet A-1 che ha una migliore efficienza propulsiva ai regimi più elevati del motore come mostrato in Figura 11. Ciò comporta una percentuale analoga di differenza per l’efficienza complessiva (figura 12). La maggiore efficienza propulsiva per Jet A-1 è dovuta al suo rapporto carburante-aria inferiore (Figura 8).

Figura 10

Efficienza termica per B20 e Jet A-1.

Figura 11

Efficienza propulsiva per B20 e Jet A-1.

Figura 12

Efficienza complessiva per B20 e Jet A-1.

Un cambiamento più evidente nelle prestazioni dei componenti è visto nella sezione bruciatore, che è resa più chiara in Figura 13. Bruciando B20, l’efficienza del combustore è aumentata in media di circa il 2%. La maggiore efficienza del bruciatore è dovuta alla completezza del processo di combustione, dovuta al contenuto di ossigeno del biodiesel. Questo è anche legato alle temperature della turbina più elevate menzionate in precedenza.

Figura 13

Efficienza del bruciatore per B20 e Jet A-1.

5. Analisi GasTurb

A causa di vincoli sperimentali e preoccupazioni riguardanti l’integrità della linea del carburante e i tempi di accensione per miscele di biodiesel a densità più elevata, le prestazioni dell’Armfield CM4 utilizzando combustibili B50, B70 e B100 sono state simulate per ottenere le tendenze delle prestazioni dopo il passaggio dal Jet A-1. Questo è stato fatto utilizzando GasTurb 11, un programma di simulazione delle prestazioni delle turbine a gas sviluppato da Kurzke . Una precedente costruzione di GasTurb è stata utilizzata da Habib et al. quando si prevedono le prestazioni del biodiesel al 100% dopo aver eseguito test sperimentali per miscele di biodiesel al 10, 20 e 30% con petrodiesel. L’elenco degli input GasTurb utilizzati per le simulazioni per ciascun carburante di prova è riportato nella Tabella 4, mentre la figura 14 mostra il modello fisico del motore simulato in base agli input specificati. Data la piccola scala utilizzata da GasTurb si può vedere che le prestazioni della simulazione sono plausibili per piccoli motori come il CM4.

Figura 14

Modello del motore reso da GasTurb 11.

Diverse ipotesi e iterazioni dovevano essere fatte al fine di avvicinarsi il più possibile un analogo al motore CM4 reale. Poiché i principali dati sulle prestazioni implicavano la spinta, la priorità era di avere una simulazione con un’uscita di spinta simile al CM4 reale. Le due linee di spinta prodotte per Jet A-1 e B20 sono mostrate nella Figura 15 rispetto alle loro controparti sperimentali. È dimostrato che le simulazioni sono in buon accordo con i risultati sperimentali per la spinta. La figura 16 mostra le linee di spinta corrette per ogni carburante simulato dal minimo al regime massimo del motore, mentre la figura 17 mostra l’andamento del TSFC per tutti i carburanti.

Figura 15

Simulazione e linee di spinta corrette sperimentali utilizzando combustibili Jet A-1 e B20.

Figura 16

Simulazione spinta corretta per tutti i combustibili di prova.

Figura 17

Simulazione corretta TSFC per tutti i combustibili di prova.

La spinta prodotta con l’aumento del volume PME è diminuita rispetto ai valori di riferimento Jet A-1 su tutti i regimi del motore. La riduzione della spinta è diventata più pronunciata con i carburanti B70 e B100. In GasTurb, la spinta massima corretta SSL dal getto A-1 era 219.4 N, che è diminuita a 215.4 N, 210.4 N, 203.7 N e 194.1 N per B20, B50, B70 e B100. Il fattore più importante nella diminuzione della spinta è stata la riduzione di FHV per ogni miscela di biodiesel consecutiva. È anche dimostrato che un carburante PME dritto al 100% non è desiderabile in quanto la spinta massima è diminuita di circa il 12%. Il TSFC per ogni carburante ha mostrato che le linee per Jet A-1, B20 e B50 erano abbastanza vicine l’una all’altra, con TSFC migliorato per B20 e B50 ai regimi del motore più bassi e valori convergenti con Jet A-1 verso il massimo rpm, con valori leggermente più alti a 66000 rpm. Gli aumenti di TSFC sono molto più pronunciati per B70 e B100, con aumenti dell ‘ 11% e del 18% al massimo rpm.

Le variazioni di efficienza termica per ciascun carburante di prova a tutti i regimi del motore sono riportate nella figura 18. Si può vedere che è migliorata con l’uso di B20 e B50 da minimo rpm a circa 63000 rpm, dopo di che Jet A-1 ha una migliore fino a regime massimo del motore. L’efficienza termica si è deteriorata dai valori del getto A-1 sotto B100, scendendo al 2,11% dal getto ottimale A-1 , che era del 2,45% al massimo rpm.

Figura 18

Efficienza termica di simulazione per tutti i combustibili di prova.

I risultati delle simulazioni per tutti i carburanti di prova al regime massimo sono riportati nella tabella 5. L’aumento del consumo specifico di carburante per B100 è di quasi il 20% rispetto a quello del Jet A-1. L’efficienza complessiva del motore è diminuita con l’aumento del contenuto di PME. Ciò è indicativo del minore FHV per i biocarburanti, che porta a un maggiore flusso di carburante e consumo di carburante.

6. Conclusioni e raccomandazioni

Lo scopo di questo lavoro sperimentale era quello di determinare le prestazioni del turbogetto Armfield CM4 in esecuzione su uno spettro di miscele di biodiesel da olio di palma e Jet A-1. Si è scoperto che B20 produceva quantità di spinta simili a Jet A-1, in particolare alla gamma più alta di giri / min. I compromessi derivanti dall’uso del biodiesel includono un flusso di carburante leggermente più elevato, il rapporto carburante-aria e il consumo specifico di carburante, ma dai dati B20 l’aumento di questi valori è stato minimo, entro un intervallo di 0-5%. Inoltre, l’efficienza termica per B20 era di calibro simile a quella del Jet A-1, mentre le efficienze propulsive e complessive subivano un leggero calo ai massimi giri. L’efficienza del bruciatore è migliorata con la combustione di B20, grazie al suo maggiore contenuto di ossigeno.

Con miscele più concentrate di PME e Jet A-1, è stato riscontrato che la spinta netta prodotta diminuiva in gradi maggiori con l’aumento del contenuto di PME. La spinta per i jet A-1, B20 e B50 era di valori comparabili, mentre B70 e B100 hanno avuto prestazioni scarse in confronto. Dai risultati, la soglia del contenuto volumetrico per PME prima di un notevole calo delle prestazioni è risultata pari al 50%. Va anche notato che le temperature a poppa del bruciatore sono aumentate in proporzione agli aumenti del contenuto di PME.

Gli svantaggi per PME erano più alte temperature di ingresso e di uscita della turbina, nonché il suo potere calorifico intrinsecamente inferiore. Gli effetti a lungo termine dei test sul biodiesel nei motori a turbogetto non sono ancora stati studiati, in particolare in termini di rivestimento del combustore e della turbina, nonché di sistemi di erogazione del carburante. Inoltre, mentre B20 si è comportato in modo comparabile con Jet A-1, il suo FHV inferiore e la sua maggiore viscosità devono essere indirizzati per ottimizzare le prestazioni della miscela e ridurre al minimo il deterioramento dei sistemi di erogazione del carburante.

In termini di quadro più ampio di utilizzo diffuso nei motori aeronautici, mentre ci sono stati casi di voli commerciali che utilizzano miscele al 50% di biodiesel di estere metilico di acidi grassi con cherosene aeronautico, tale pratica non è stata formalmente istituzionalizzata a causa di problemi di costo economico ed energetico e disponibilità di biodiesel in grandi quantità. Tuttavia, come questa ricerca ha dimostrato, PME è un combustibile vitale per le applicazioni di microturbina sia nella generazione di energia che nei veicoli aerei senza equipaggio o telecomandati.

Nomenclatura

Numerazione delle stazioni e pedici

Conflitto di interessi

Gli autori dichiarano che non vi è alcun conflitto di interessi per quanto riguarda la pubblicazione di questo documento.

Ringraziamenti

Questo lavoro è stato notevolmente sostenuto dalla Universiti Putra Malaysia (UPM), Research University Grant Scheme (RUGS) nell’ambito del progetto no. 05-01-09-0719RU così come il personale di supporto tecnico presso il Dipartimento di ingegneria aerospaziale di UPM. Ringraziamenti sono estesi anche al Laboratorio di ricerca alimentare presso Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM) per aver fornito il test calorimetrico dei combustibili di prova.