パームオイルバイオディーゼルブレンドを用いた小型ターボジェットエンジンの性能評価

概要

パームオイルメチルエステルバイオディーゼル（PME）と従来のジェットa-1燃料とのブレンドについて、アームフィールドCM4ターボジェットエンジンの実験的およびシミュレートされた性能を調べた。 ジェットＡ−１とのＰＭＥの体積混合物は、２ ０、５ ０、７ ０、および１ ０ ０％（Ｂ２ ０、Ｂ５ ０、Ｂ７ ０、およびＢ１ ０ ０）である。 各燃料混合物の燃料発熱量（ＦＨＶ）を熱量分析により求めた。 実験試験にはジェットA-1とB20の性能試験が含まれ、B50からB100の性能はGasTurb11分析ソフトウェアを使用してシミュレートされました。 最大測定推力の点では、ジェットA-1は216Nの最高値をもたらし、0.77％、4％、8％、および12％B20、B50、B70、およびB100で減少した。 これは、B20は、特に推力と熱効率で、ベンチマークジェットA-1試験と比較して同等の結果を生成することが判明しました。 わずかな性能の罰はバイオディーゼルのブレンドの低負荷の内容が原因で起こった。 燃焼器の効率はバイオディーゼルの添加により改善されたが、他の成分効率は一括して一貫していた。 この研究は、少なくともより大きいガスタービンのために、PMEが50%のブレンド内のA-1をジェット機で飛ばす添加物として使用のために適しているこ

1. はじめに

航空グレードの灯油燃料の生産に使用される化石燃料原料が減少しているという文献内の一般的なコンセンサスがあります。 KohとGhazoulは、2010-2020年に世界の石油消費量が1日あたり1億1800万バレルに増加すると仮定して、2030年にピークの石油生産シナリオを予測しました。 Nygren et al. 燃料消費量は、年間3％で増加する一方で、民間航空交通の成長は、年間5％の割合で増加することを予測しました。 Lee et al. 航空交通の成長は、今後20年間で年間4.5％から6％増加し、交通量は15年ごとに倍増すると予測されています。 これは、デロイトの最近の報告書によってさらに支持されており、旅客旅行需要は今後5年間で20％増加し、航空機生産の増加に貢献すると予想され 1960年以降の航空機の燃料効率の改善にもかかわらず、従来の燃料源への依存を軽減し、現在のガソリンベースの燃料を置き換えるためには、さらなる努力が必要である。

バイオディーゼルは、トリグリセリド分子をメタノールやエタノールなどの軽いアルコール分子に置き換えることにより、純粋な植物油または有機油のエ 反応は強塩基触媒を用いて行われ、エステル交換植物油（バイオディーゼル）に加えてグリセロールを生成する。 Canakci et al. バイオディーゼルCO2排出量は光合成によって相殺されると主張した。 カーボンオフセットに加えて、バイオディーゼルは無毒であり、芳香族化合物や硫黄を含まず、生分解性が高く、灯油とは対照的に流出時の水や土壌への汚 さらに、バイオディーゼルには、微量金属、多芳香族炭化水素のような発癌物質、および人間の健康に直接有害な他の汚染物質は含まれていません。 排出量の大幅な削減がChan etによって報告された。 alは、50％の容量のcamelinaベースのハイドロ処理されたbiojet燃料とF-34ジェット燃料をT-56ターボプロップエンジンにブレンドしたものを使用しました。

短期的および中期的には、パーム油バイオディーゼル（PME）がバイオディーゼル生産の主要な供給源として利用される可能性があります。 Ｓｕｍａｔｈｉ ｅ ｔ ａ ｌ． 、オイルパームの耕作および処理は1トンのオイルを作り出すためにagrochemical肥料および化石燃料の少し入力を要求します。 2007年からSumathiらによって収集されたデータ。 、油ヤシからの油収率は3であった。74トン/ヘクタール/年、これは同期間の大豆の10倍（0.38トン/ヘクタール/年）である。 これにより、現在、オイルパームは世界で最も高い収量の石油作物になり、したがって、魅力的なバイオディーゼルの代替品または航空灯油の補足物にな これは、ChongとHochgrebが、ディーゼルやジェットAと比較してPMEを使用することにより、単位エネルギー当たりの排出量が削減されると報告した作業によって支持されている。

フランスは、キャノーラ油バイオディーゼルを使用したturbine technologies SR-30ターボジェットガスタービンエンジンの性能を試験した。 バイオディーゼルによって達成された最大推力は、最大rpmでJet-Aよりも8％未満であることが判明した。 フランスと同じモデルのガスタービンエンジンを使用して、Habib et al. ジェットA-1と50％および100％（B50、B100）体積ブレンドで様々なバイオディーゼルおよびバイオ燃料を試験しました。 推力比燃料消費量（TSFC）の点では、より高いrpmでは、すべての試験燃料のTSFCはジェットA-1のそれと有意に異ならなかった。 バイオ燃料のタービン入口温度（TIT）は、全体的にジェットA-1のそれよりも高かった。 排気ガス温度（ＥＧＴ）はすべての試験燃料で同様であった。

150kW Teledyne RGT-3600マイクロガスタービンを不特定のバイオディーゼルで10%、20%、30%の容積ブレンドでディーゼルと実行してテストしました。 すべてのバイオディーゼルブレンドは、すべての電力負荷にわたって同様の熱効率を有していた。 燃料ノズル上のバイオディーゼルブレンドで6時間運転した後、炭素沈着物が発見されたことが報告された。 クリシュナは、20％、50％、および100％（B20、B50、およびB100）の体積ブレンド中の大豆バイオディーゼル（SME）を、ASTMナンバー2ヒーティングオイルで30kWのキャップストーンCR30ガスファイドマイクロタービンで試験した。 第2加熱油、B20、およびB100の加熱効率は約20％で類似していたことが判明した。 B50加熱効率は7％高かった。

関連する作業のほとんどの間のコンセンサスは、ディーゼル燃料または航空灯油燃料であっても、ベンチマーク燃料とブレンドされた少量のバイオディーゼルが試験エンジンの性能に悪影響を及ぼさなかったということである。 本研究では、パーム油バイオディーゼルは、バイオ燃料ブレンドに関する他のガスタービン研究試験の結果を検証するために、ジェットA-20％の体積で1 さらに、ジェットA-1ブレンド中のPMEの高濃度は、CM4エンジンのシミュレーションでテストされました。

2. 装置の説明

教育および研究目的のために機能的なターボジェットエンジンを提供するために、アームフィールドは連合軍の信号JFS100-13AをCM4ターボジェットエンジンに変更した。 エンジンの回路図を図1に示します。 CM4ターボジェットエンジンは、（i）入口、（ii）遠心圧縮機、（iii）燃焼器（バーナー）、（iv）軸タービン、および（v）排気ノズルの五つの異なる主成分に分解することができる。 上記の構成要素は、図2で簡略化されています。 JFS100およびCM4のメーカー仕様を表1にまとめました。 表2は、CM4ターボジェットを搭載したセンサーの範囲と測定された特性を示しています。

2.1. 試験燃料の調製

パーム油バイオディーゼルは、脂肪酸メチルエステルであり、色が琥珀色であり、藁で不透明ではないジェットA-1燃料と比較して著しく粘性である。 この研究プロジェクトで使用されたJet A-1燃料はPetronas Malaysiaから得られたものであり、Sime DarbyはPME燃料を供給した。 これは、PMEはジェットA-1と容易に混合することが判明しました。 各容積の燃料を、ガラス攪拌棒の助けを借りてガラスビーカー中で混合した。 混合物はその構造を保持し，分離は見えなかった。 これは、数ヶ月間保管されたサンプルの研究プロジェクトの全期間にわたって真実のままであった。 さらに、燃料ブレンドには目に見える水が保持されていませんでした。 図3は、PME含有量が増加した試験燃料のサンプルを示しています。

各燃料はまた、その燃料加熱または発熱量（FHV）について試験した。 これは、マレーシアのケバングサーン大学（UKM）の理学部と技術の協力を得て、IKA C200酸素爆弾熱量計を使用して行われました。 各試験を３回実施して、各燃料の平均ＦＨＶを得た。 表3は、試験燃料のFHVの範囲を示しています。

3. 実験手順

全てのアームフィールドCM4試験はマレーシアプトラ大学工学部の推進研究所で実施された。 いずれの場合も、エンジンの排気が実験室の外側に移動するように、実験室の大きなシャッタードアが開かれました。 CM4エンジンの試験はすべてコールドスタートであった。 これは、運転中に燃料の切り替えが発生しなかったことを意味します。 フランスとクリシュナの実験と同様に、テストエンジンの内部ターボ機械への変更は行われなかった。

点火時、エンジンは定常状態に達するまで約1分を与えられ、エンジン回転数は最低48000rpmで一定のままでした。 スロットルは48000rpmから約66000rpmにゆっくりと上げられた。 各1000rpm間隔で、各センサーのためのより信頼できる平均読書を保障するために10秒の見本抽出の期間は許可された。 最高rpmが達成され、関連したデータが測定されたら、スロットルは48000のrpmに戻って同じような、漸進的な方法でゆっくり閉まった。 サンプリングは、最小rpmに達すると停止しました。 ジェットA-1とB20のテストは、それぞれ少なくとも三回繰り返されました。

Armfield CM4には、様々なセンサー用のPCインターフェースが装備されています。 温度、圧力、エンジン回転数、および測定された推力の値は、ユーザーインターフェイスに表示されます。 2秒ごとの自動サンプリングレートを設定しました。 センサーの限界のために、バーナーの入口および出口のゲージ圧およびタービン出口およびノズルの出口の温度があったように等しいと仮定されました。

3.1. ジェットエンジンサイクル解析

性能パラメータの計算の基礎は、Mattinglyによって実証されたガスタービンのサイクル解析です。 ターボジェットエンジンの主な尺度は、排気ノズルを出る総質量流量、ノズル出口速度、エンジン入口の前方の気流、自由流空気速度であり、ノズル出口での圧力差からの推力寄与を指す。 計算されるターボジェットエンジンの次の性能パラメータは、比推力、燃料-空気比、および推力比燃料消費量である。 式(2)は、前述のパラメータを取得するために使用される式を示しています。 FHVは定数として表されます:上記の計算に続いて、エンジンの熱、推進力、および全体的な効率は、バーナーセクションのために示されているように得られ、バーナー効率は、用語がバーナー出口と入口温度の比を指すところから得られます。

周囲温度の違いによる実験結果を正規化するため、標準的な海面条件に関する性能パラメータの修正が行われました。 これらの修正は、(5)から以下に記載されています。 その後、残りの性能パラメータは、補正された値に基づいて以前のように計算されました。 無次元変数は、標準的な海面圧力および温度101.3kPaおよび288.2Kに関連するステーション圧力または温度比を指します：

4。 実験結果

前述のように、実験的に試験した燃料はジェットA-1とB20であった。 考慮される唯一の要因は、直接影響を受けた推力がスロットルであることであるため、結果のほとんどはエンジン速度またはrpmに対して示されます。 図4は、両方の燃料の潤滑油温度に発生した変化を示しています。 B20のための潤滑オイルの出口の温度は55000のrpmからのジェット機A-1のそれよりはっきり高い、前に。 潤滑油温度の最大上昇は、61000rpmで343.2Kから368.6Kまでであり、7.4％の増加です。 これはより多くの圧力がb20燃料を使用するときturbomachineryに置かれることを意味する。 潤滑油の温度が高いほど、図5に示すように、B20試験中のタービン温度が高いことに起因する可能性があります。

ジェットA-1からのB20の推力の変化を図6に示します。 エンジン回転数のミッドレンジで推力の2％から4％の低下を除いて、B20はジェットA-1と同等に性能し、61000rpm以降では推力の差は1.5％未満であることが

図6、7、8、および9は、Jet A-1およびB20で実行されているCM4の性能の興味深い傾向を示しています。 2つの燃料の推力への影響の割合の違いは非常に小さく、最大で約4％であり、高回転数範囲での類似性が増加しています。 この調査結果はクリシュナと集計され、ベンチマーク燃料中のバイオディーゼルの少量は性能の大幅な低下につながりませんでした。 最高rpmの方の集中変数の傾向は空気および燃料の流れおよび推圧特定の燃料消費料量のために続く。 これは、特により高いrpmで、PMEとジェットA-1との20％の混合物が実行可能であることを示唆している。 しかし、CM4はまだ60000rpmに達する前に、燃料空気比と比燃料消費量のわずかな増加を見ました。 これは、B20のわずかに低いFHVに起因する可能性があります。 これは、ジェットA-1と同じ性能を達成するためには、わずかに多くのB20燃料が必要であることを意味する。

以前のパフォーマンス指標と同様に、B20は熱効率についてはJet A-1と同等の性能を発揮しました（図10）が、推進効率の違いはより明確であり、Jet A-1は図11に示 これにより、全体的な効率に対する同様の割合の差が生じます（図12）。 ジェットA-1の推進効率が高いのは、燃料-空気比が低いためです（図8）。

部品の性能のより明白な変更は図13でより明確にされるバーナーセクションで見られます。 B20を燃焼させることにより、燃焼器の効率は平均して約2％上昇した。 より高いバーナー効率は、バイオディーゼルの酸素含有量に起因する燃焼プロセスの完全性によるものである。 これはまた、前述のより高いタービン温度にリンクされています。

5. GasTurb分析

バイオディーゼルの高密度ブレンドの燃料ラインの完全性と点火時間に関する実験的制約と懸念のため、B50、B70、およびB100燃料を使用したArmfield CM4の性能をシミュレートして、Jet A-1から切り替えた後の性能傾向を得た。 これは、Kurzkeによって開発されたガスタービン性能シミュレーションプログラムGasTurb11を利用して行われました。 GasTurbの初期のビルドはHabib et al.によって利用されました。 100％バイオディーゼルの性能を予測する場合は、10、20、および30％バイオディーゼルのための実験的なテストを実行した後、ペトロディーゼルとブレンド。 各試験燃料のシミュレーションに使用されるGasTurb入力のリストを表4に示し、図14は指定された入力に基づいてシミュレートされたエンジンの物理モデ GasTurbによって使用される小規模を考えると、シミュレーションの性能はCM4のような小型エンジンにとってもっともらしいことがわかります。

実際のCM4エンジンにできるだけ近いアナログを得るためには、いくつかの仮定と反復が行われなければなりませんでした。 主な性能データには推力が含まれるため、実際のCM4と同様の推力出力を持つシミュレーションが優先されました。 ジェットA-1とB20のために生成された二つの推力ラインは、それらの実験的な対応物と比較して図15に示されています。 シミュレーションは推力の実験結果と良く一致することを示した。 図16は、アイドル状態から最大エンジン回転数までのシミュレートされた各燃料の補正された推力ラインを示し、図17はすべての燃料のTSFCの傾向を示

PME容積の増加に伴って発生した推力は、すべてのエンジン速度にわたってジェットA-1ベンチマーク値から減少した。 推力の減少は、B70およびB100燃料でより顕著になった。 GasTurbでは、ジェットA-1からのSSL補正された最大推力は219.4Nであり、B20、B50、B70、およびB100では215.4N、210.4N、203.7N、および194.1Nに減少しました。 推力の減少の最大の要因は、連続したバイオディーゼルブレンドごとのFHVの減少であった。 また、最大推力が約12％減少するため、ストレート100％PME燃料は望ましくないことが示されています。 各燃料のTSFCは、ジェットA-1、B20、B50のラインが互いに非常に近く、B20とB50のTSFCが改善され、エンジン回転数が低くなり、ジェットA-1と最大回転数に向かって値が収束し、66000rpmでわずかに高い値が得られたことを示した。 TSFCの増加は、B70およびB100ではるかに顕著であり、最大rpmで11％および18％の増加を伴う。

すべてのエンジン速度における各試験燃料の熱効率の変化を図18に示します。 B20とB50の使用によりアイドル回転数から約63000rpmに改善され、その後ジェットA-1は最大エンジン回転数まで改善されていることがわかります。 熱効率はB100の下でジェットA-1の値から悪化し、最適なジェットA-1から2.11％に低下し、最大rpmで2.45％であった。

最大回転数でのすべての試験燃料のシミュレーションの結果を表5に示します。 B100の特定の燃料消費量の増加は、ジェットA-20のそれからほぼ1％です。 エンジンの全体的な効率はＰＭＥ含有量の増加とともに減少した。 これは、バイオ燃料のFHVが低いことを示しており、燃料流量と燃料消費量が高くなります。

6. 結論と勧告

この実験の目的は、パーム油バイオディーゼルとジェットA-1のブレンドのスペクトルで実行されているアームフィールドCM4ターボジェットの性能 B20は、特にrpmの高い範囲で、ジェットA-1と同様の量の推力を生成することが判明しました。 バイオディーゼルの使用からのトレードオフは、わずかに高い燃料流量、燃料空気比、および特定の燃料消費量を含むが、B20データから、これらの値の増加は0-5％の範囲内で最小限であった。 さらに、B20の熱効率はジェットA-1と同様の口径であったが、推進効率と全体的な効率は最大回転数でわずかに低下した。 バーナーの効率はより高い酸素分によるB20の燃焼と改善しました。

PMEとジェットA-1のブレンドがより集中していると、生成される正味推力はPME含有量の増加とともにより大きな程度で減少することが分かった。 ジェットA-1、B20、およびB50の推力は同等の値であったが、B70とB100の性能は比較に不十分であった。 結果から、性能の顕著な低下の前のPMEの容積測定の内容の境界は50%にあるために見つけられました。 また、バーナー後方の温度は、ＰＭＥ含有量の増加に比例して増加したことにも留意すべきである。

pmeの欠点は、タービンの入口温度と出口温度が高く、本質的に発熱量が低いことでした。 ターボジェットエンジンにおけるバイオディーゼル試験の長期的な影響は、特に燃焼器およびタービンライニングおよび燃料送達システムの観点からはまだ研究されていない。 さらに、B20はジェットA-1と比較して良好に機能しましたが、ブレンドの性能を最適化し、燃料供給システムの劣化を最小限に抑えるために、FHVが低く、粘度が高いことに対処する必要があります。

航空エンジンの普及の全体像については、脂肪酸メチルエステルバイオディーゼルと航空灯油の50％ブレンドを使用する商業飛行の例があったが、経済的-エネル しかし、この研究が示しているように、PMEは、発電および無人または遠隔制御された空中車両の両方におけるマイクロタービン用途のための実行可能な燃料

PME:	パーム油メチルエステルバイオディーゼル
XME:	原料のメチルエステルバイオディーゼル
BXX:	XX%ジェットAとブレンドされたPMEの体積-1
:	エンジン回転数（毎分回転数)
:	燃料発熱量(FHV)
0:	フリーストリームの添字
:	海面値補正添字
:	駅の温度
:	駅でのゲージ圧
:	駅での絶対圧
:	ネットスラスト
:	空気質量流量
:	燃料流量
:	総質量流量
:	駅での速度
:	燃料空気比率
:	比推力
:	推力比燃料消費量（TSFC)
:	駅での音速
:	駅のマッハ数
:	場所の比熱容量
:	場所の比熱の比率
:
:	局間の圧力比
:	効率性
:	圧縮機またはタービンのための特定の仕事
:	圧縮機かタービンによって作り出される力
:	海面値の温度と圧力の比。

駅番号と下付き文字

利益相反

著者らは、この論文の出版に関して利益相反はないと宣言している。

謝辞

この作業は、プロジェクトno.05-01-09-0719RUの下でプトラマレーシア大学（UPM）、研究大学助成制度（RUGS）、およびUPMの航空宇宙工学部門の技術サポートスタッフによ 感謝はまたテスト燃料の熱量測定のテストを提供するためのUniversiti Kebangsaanマレーシア(UKM)の食糧研究所に拡張される。