avaliação de desempenho de um motor turbojato de pequena escala operando em misturas de Biodiesel de óleo de Palma

resumo

o desempenho experimental e simulado de um motor turbojato Armfield CM4 foi investigado para biodiesel de éster metílico de óleo de Palma (PME) e suas misturas com combustível convencional Jet A-1. As misturas volumétricas de PME com jato a – 1 são 20, 50, 70 e 100% (B20, B50, B70 e B100). Os valores de aquecimento de combustível (FHV) de cada mistura de combustível foram obtidos por análise calorimétrica. Os testes experimentais incluíram testes de desempenho para Jet A-1 e B20, enquanto os desempenhos de B50 a B100 foram simulados usando o software analítico GasTurb 11. Em termos de empuxo máximo medido, o jato a-1 produziu o valor mais alto de 216 N, diminuindo em 0,77%, 4%, 8% e 12% com B20, B50, B70 e B100. Verificou-se que o B20 produziu resultados comparáveis em comparação com os testes do benchmark Jet A-1, particularmente com empuxo e eficiência térmica. Pequenas penalidades de desempenho ocorreram devido ao menor teor de energia das misturas de biodiesel. A eficiência do combustor melhorou com a adição de biodiesel, enquanto as outras eficiências dos componentes permaneceram coletivamente consistentes. Esta pesquisa mostra que, pelo menos para turbinas a gás maiores, o PME é adequado para uso como aditivo ao jato A-1 em misturas de 50%.

1. Introdução

há um consenso geral na literatura de que a matéria-prima de combustível fóssil usada para a produção de combustível de querosene de grau de aviação está diminuindo. Koh e Ghazoul esperavam um cenário de pico de produção de petróleo dentro dos anos 2010-2020, assumindo que o consumo global de petróleo aumenta para 118 milhões de barris por dia em 2030. Nygren et al. projetou que o crescimento do tráfego da aviação civil aumentará a uma taxa de 5% ao ano, enquanto o consumo de combustível aumentará a 3% ao ano. Lee et al. a previsão é de que o crescimento do tráfego aéreo aumente de 4,5% para 6% ao ano nos próximos vinte anos, com o tráfego dobrando a cada 15 anos. Isso é ainda apoiado pelo recente relatório da Deloitte , segundo o qual a demanda por viagens de passageiros deve aumentar 5% nos próximos 20 anos, contribuindo para o aumento da produção de aeronaves. Apesar das melhorias na eficiência de combustível das aeronaves desde 1960 , mais esforços precisam ser feitos para mitigar a dependência de fontes de combustível tradicionais e substituir os atuais combustíveis à base de gasolina.

o Biodiesel é produzido através da transesterificação de óleos vegetais ou orgânicos puros, substituindo as moléculas de triglicerídeos por moléculas de álcool mais leves, como metanol ou etanol. A reação é realizada com um forte catalisador de base, produzindo glicerol além de óleos vegetais transesterificados (biodiesel) . Canakci et al. alegou que as emissões de CO2 do biodiesel são compensadas pela fotossíntese. Além de seu deslocamento de carbono, o biodiesel não é tóxico, não contém aromáticos ou enxofre, tem maior biodegradabilidade e é menos poluente para a água e o solo após o derramamento, em oposição ao querosene . Além disso, os biodiesels não contêm traços de Metais, carcinógenos como hidrocarbonetos poliaromáticos e outros poluentes que são diretamente prejudiciais à saúde humana . Redução significativa das emissões de partículas foi relatada por Chan et. al quando usaram uma mistura de 50% de volume de combustível de biojet hidro-processado à base de camelina com combustível de jato F-34 em um motor turbo-prop T-56.

a curto e médio prazo, o biodiesel de óleo de Palma (PME) pode ser utilizado como fonte primária para a produção de biodiesel. De acordo com Sumathi et al. , o cultivo e o processamento do Dendê exigem pouca entrada de fertilizantes agroquímicos e combustíveis fósseis para produzir 1 tonelada de óleo. A partir de 2007, os dados coletados por Sumathi et al. , o rendimento de óleo do Dendê foi 3.74 ton / hectare / ano, que é 10 vezes mais do que a soja durante o mesmo período (0,38 ton/hectare/ano). Isso torna o dendê atualmente a cultura de óleo de maior rendimento do mundo e , portanto, um atraente substituto do biodiesel ou suplemento ao querosene de aviação. Isso é apoiado pelo trabalho realizado por Chong e Hochgreb que relataram que as emissões por unidade de energia são reduzidas usando PME em comparação com diesel e jato a.

French testou o desempenho de uma turbina tecnologias SR-30 turbojato motor de turbina a gás usando óleo de canola biodiesel. Verificou-se que o empuxo máximo alcançado pelo biodiesel foi menor que o Jet-A em 8% na rpm máxima. Usando um motor de turbina a gás do mesmo modelo que o francês, Habib et al. testou uma variedade de biodiesels e biocombustíveis em misturas volumétricas de 50% e 100% (B50, B100) com Jet A-1. Em termos de consumo de combustível específico de empuxo (TSFC), em rpm mais altas, o TSFC de todos os combustíveis de teste não era significativamente diferente do jato a-1. A temperatura de entrada da turbina (TIT) para biocombustíveis foi maior do que a do jato a-1 no geral. A temperatura dos gases de escape (EGT) foi semelhante para todos os combustíveis de teste.

Chiang et al. testou uma micro turbina a gás Teledyne RGT-3600 de 150 kW operando em um biodiesel não especificado em misturas volumétricas de 10%, 20% e 30% com diesel. Todas as misturas de biodiesel tiveram eficiências térmicas semelhantes em todas as cargas de energia. Foi relatado que depósitos de carbono foram encontrados após operar por 6 horas em misturas de biodiesel no bocal de combustível . Krishna testou biodiesel de soja (PME) em misturas volumétricas de 20%, 50% e 100% (B20, B50 e B100) com ASTM número 2 óleo de aquecimento em um 30 kW capstone CR30 gás ateado fogo microturbina. Verificou-se que as eficiências de aquecimento do óleo de aquecimento número 2, B20 e B100 foram semelhantes, em aproximadamente 20%. A eficiência de aquecimento B50 foi maior em 7%.

um consenso entre a maioria dos trabalhos relacionados é que quantidades menores de biodiesel misturado com o combustível de referência, seja diesel ou querosene de aviação, não afetaram negativamente as capacidades de desempenho dos motores de teste. Neste estudo, o biodiesel de óleo de Palma é testado em 20% de volume com jato A-1, a fim de verificar os resultados de outros testes de pesquisa de turbinas a gás em misturas de biocombustíveis. Além disso, maiores concentrações de PME em misturas de jato A-1 foram testadas em simulações do motor CM4.

2. Descrição do aparelho

para fornecer um motor turbojato funcional para fins educacionais e de pesquisa, Armfield modificou o sinal aliado JFS100-13a no motor turbojato CM4. Um esquema do motor é mostrado na Figura 1. O motor turbojato CM4 pode ser dividido em cinco componentes principais distintos: (i) entrada; (ii) compressor centrífugo; (iii) combustor (queimador); (iv) turbina axial; e (v) bocal de exaustão. Os componentes acima são simplificados na Figura 2. As especificações do fabricante para o JFS100 e, por extensão, o CM4 estão resumidas na Tabela 1. A tabela 2 mostra a gama de sensores que vieram equipados com o turbojato CM4, bem como as propriedades medidas.

Figura 1

Armfield CM4 motor turbojato.

Figura 2

a concepção Esquemática dos componentes do motor.

2.1. Preparação de combustíveis de teste

o biodiesel de óleo de Palma é um éster metílico de ácido graxo de cor âmbar e é visivelmente viscoso em comparação com o combustível a-1 de jato, que é palha e menos opaco na cor. O combustível do jato a-1 usado neste projeto de pesquisa foi obtido da Petronas Malaysia, enquanto Sime Darby forneceu o combustível PME. Verificou-se que o PME se mistura prontamente com o Jet A-1. Cada volume de combustível foi misturado em um copo de vidro com o auxílio de uma haste de agitação de vidro. As misturas foram encontradas para manter sua estrutura e nenhuma separação foi visível. Isso permaneceu verdadeiro durante toda a duração do projeto de pesquisa para amostras que foram mantidas por vários meses. Além disso, não havia água visível retida nas misturas de combustível. A figura 3 mostra amostras dos combustíveis de teste no aumento do conteúdo de PME.

Figura 3

Teste de amostras de combustível; da esquerda para a direita: Jet A-1, B20, B50, B70, e B100.

cada combustível também foi testado para seu aquecimento de combustível ou valores caloríficos (FHV). Isso foi feito usando um calorímetro de bomba de oxigênio Ika C200 com a cooperação da Faculdade de Ciências e da tecnologia da Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM). Cada teste foi realizado três vezes para obter uma média de FHV para cada combustível. A tabela 3 mostra a faixa de FHV para os combustíveis de teste.

3. Procedimento Experimental

todos os testes do Armfield CM4 foram realizados no Laboratório de propulsão da Faculdade de Engenharia da Universiti Putra Malaysia. Em todos os casos, as portas maiores do obturador do laboratório foram abertas de modo que o escapamento do motor viajasse para fora do laboratório. Os testes realizados para o motor CM4 foram todos arranque a frio. Isso significa que nenhuma troca de combustível ocorreu durante a operação. Semelhante aos experimentos de French e Krishna , nenhuma modificação na turbomaquinaria interna do motor de teste foi feita.

após a ignição, o motor recebeu aproximadamente um minuto para atingir um estado estacionário em que a velocidade do motor permaneceu constante a um mínimo de 48000 rpm. O acelerador foi aumentado lentamente de 48000 rpm para aproximadamente 66000 rpm. A cada intervalo de 1000 rpm, foi permitido um período de amostragem de 10 segundos para garantir leituras médias mais confiáveis para cada sensor. Uma vez que a rpm máxima foi alcançada e os dados relevantes foram medidos, o acelerador foi lentamente fechado de forma semelhante e decremental de volta para 48000 rpm. A amostragem foi então interrompida assim que a rpm mínima foi alcançada. Os testes para os jatos a-1 e B20 foram repetidos pelo menos três vezes cada.

o Armfield CM4 está equipado com uma interface de PC para seus vários sensores. Os valores de temperatura, pressão, velocidade do motor e empuxo medido são exibidos na interface do Usuário. Uma taxa de amostragem automática de cada dois segundos foi definida. Devido às limitações do sensor, as pressões do manômetro de entrada e saída do queimador e foram consideradas iguais, assim como as temperaturas de saída da turbina e de saída do bocal E.

3.1. Análise do ciclo do motor a jato

a base do cálculo dos parâmetros de desempenho é a análise do ciclo de turbinas a gás, conforme demonstrado por Mattingly . A medida primária de um motor turbojato é o seu empuxo F, Que é representado por onde está o fluxo de massa total saindo do bocal de escape, é a velocidade de saída do bocal, é o fluxo de ar à frente da entrada do motor, é a velocidade do ar do fluxo livre, e o termo refere-se à contribuição de empuxo da Os próximos parâmetros de desempenho para o motor turbojato a ser calculado são o empuxo específico , relação combustível-ar e consumo de combustível específico de empuxo . A equação (2) mostra as equações usadas para obter os parâmetros acima mencionados. O FHV é representado como constante :seguindo os cálculos acima, as eficiências térmicas, propulsivas e gerais do motor e são obtidas conforme mostrado na seção do queimador, a eficiência do queimador é obtida de onde o termo se refere à proporção de saída do queimador e temperaturas de entrada .

para normalizar os resultados dos experimentos devido à diferente temperatura ambiente , foram feitas correções nos parâmetros de desempenho em relação às condições padrão do nível do mar. Essas correções estão listadas abaixo de (5). Os parâmetros de desempenho restantes foram então calculados como anteriormente com base nos valores corrigidos. As variáveis adimensionais e referem-se às relações de pressão ou temperatura da estação em relação à pressão e temperatura padrão do nível do mar 101,3 kPa e 288,2 K:

4. Resultados experimentais

conforme declarado anteriormente, os combustíveis testados experimentalmente foram os jatos a-1 e B20. Como o único fator levado em consideração é que o empuxo diretamente afetado é o acelerador, a maioria dos resultados é mostrada contra a velocidade do motor ou rpm. A figura 4 mostra as mudanças ocorridas na temperatura do óleo de lubrificação para ambos os combustíveis. A temperatura de saída do óleo de lubrificação para B20 é claramente maior do que a do jato a-1, a partir de 55000 rpm. O maior aumento na temperatura do óleo de lubrificação é de 343,2 K para 368,6 K a 61000 rpm, um aumento de 7,4%. Isso implicaria que mais estresse é colocado na turbomáquina ao usar combustível B20. As temperaturas mais altas do óleo de lubrificação também podem ser atribuídas às temperaturas mais altas da turbina durante os testes B20, mostrados na Figura 5.

Figura 4

a temperatura do óleo de Lubrificação para B20 e Jet A-1.

Figura 5

Turbina de entrada e saída temperaturas para B20, Jet A-1.

a mudança no empuxo para B20 do jato a-1 é mostrada na Figura 6. Pode-se ver que, ao evitar uma queda de 2% a 4% no empuxo na faixa média da velocidade do motor, o B20 funciona de forma comparável com o jato a-1, a ponto de, a partir de 61000 rpm, a diferença de empuxo ser inferior a 1,5%.

Figura 6

Corrigido impulso linhas para B20 e Jet A-1.

as figuras 6, 7, 8 e 9 mostram uma tendência interessante para o desempenho do CM4 em execução nos jatos a-1 e B20. As diferenças percentuais entre o impacto dos dois combustíveis no empuxo são muito pequenas, no máximo cerca de 4%, com crescente semelhança na faixa de alta rpm. Os resultados coincidem com Krishna, em que quantidades menores de biodiesel no combustível de referência não levaram a uma queda significativa no desempenho. A tendência de parâmetros convergentes para rpm máxima continua para o fluxo de ar e combustível e consumo de combustível específico de impulso. Isso sugere que uma mistura de 20% de PME com jato A-1 é viável, particularmente em rpm mais altas. No entanto, o CM4 ainda viu um pequeno aumento na relação combustível-ar e no consumo específico de combustível antes de atingir 60000 rpm. Isso só pode ser atribuído ao FHV ligeiramente inferior de B20. Isso implica que um pouco mais de combustível B20 é necessário para alcançar o mesmo desempenho que o do jato a-1.

Figura 7

Corrigido taxa de fluxo de combustível para o B20 e Jet A-1.

Figura 8

da mistura ar-Combustível para o B20 e Jet A-1 de combustíveis.

Figura 9

Corrigido impulso do consumo específico de combustível para B20 e Jet A-1.

Como com os anteriores indicadores de desempenho, B20 realizada comparativamente ao Jet A-1 para a eficiência térmica (Figura 10); no entanto, as diferenças na eficiência propulsiva são mais claros, com o Jet A-1 a ter uma melhor eficiência propulsiva em altas velocidades do motor, como mostrado na Figura 11. Isso leva a uma porcentagem semelhante de diferença para a eficiência geral (Figura 12). A maior eficiência propulsiva para o jato a – 1 deve-se à sua menor relação combustível-ar (Figura 8).

Figura 10

eficiência Térmica para B20 e Jet A-1.

Figura 11

dimento para B20 e Jet A-1.

Figura 12

a eficiência Global para B20 e Jet A-1.

uma mudança mais aparente no desempenho do componente é vista na seção do queimador, que fica mais clara na Figura 13. Ao queimar B20, a eficiência do combustor aumentou aproximadamente 2% em média. A maior eficiência do queimador deve-se à completude do processo de combustão, que se deve ao teor de oxigênio do biodiesel. Isso também está ligado às temperaturas mais altas da turbina mencionadas anteriormente.

Figura 13

Gravador de eficiência para B20 e Jet A-1.

5. Análise GasTurb

devido a restrições experimentais e preocupações em relação à integridade da linha de combustível e tempos de ignição para misturas de biodiesel de maior densidade, o desempenho do Armfield CM4 usando combustíveis B50, B70 e B100 foi simulado para obter tendências de desempenho após a mudança do jato A-1. Isso foi feito utilizando GasTurb 11, UM programa de simulação de desempenho de turbina a gás desenvolvido por Kurzke . Uma construção anterior de GasTurb foi utilizada por Habib et al. ao prever o desempenho de 100% de biodiesel após a execução de testes experimentais para misturas de 10, 20 e 30% de biodiesel com petrodiesel. A lista de entradas GasTurb usadas para as simulações para cada combustível de teste é mostrada na Tabela 4, enquanto a Figura 14 mostra o modelo físico do motor simulado com base nas entradas especificadas. Dada a pequena escala usada pelo GasTurb, pode-se ver que o desempenho da simulação é plausível para motores pequenos, como o CM4.

Figura 14

modelo do Motor prestados por GasTurb 11.

várias suposições e iterações tiveram que ser feitas para chegar o mais próximo possível de um análogo ao mecanismo CM4 real. Como os principais dados de desempenho envolveriam empuxo, a prioridade era ter uma simulação com saída de empuxo semelhante ao CM4 real. As duas linhas de empuxo produzidas para o jato a-1 e B20 são mostradas na Figura 15 em comparação com suas contrapartes experimentais. É mostrado que as simulações estão de acordo com os resultados experimentais para empuxo. A figura 16 mostra as linhas de empuxo corrigidas para cada combustível simulado de marcha lenta para a velocidade máxima do motor, enquanto a Figura 17 mostra a tendência TSFC para todos os combustíveis.

Figura 15

Simulação e experimentais corrigido impulso linhas usando o Jet A-1 e B20 combustíveis.

Figura 16

Simulação corrigido o empuxo para todos os testes de combustíveis.

Figura 17

Simulação corrigido TSFC para todos os testes de combustíveis.

o empuxo produzido com o aumento do volume PME diminuiu em relação aos valores de referência do Jet A-1 em todas as velocidades do motor. A redução no empuxo tornou-se mais pronunciada com os combustíveis B70 e B100. Em GasTurb, o máximo SSL corrigido propulsão do Jet A-1 foi 219.4 N, que diminuiu para 215.4 N, 210.4 N, 203.7 N, e 194.1 N para B20, B50, B70, e B100. O maior fator na diminuição do empuxo foi a redução do FHV para cada mistura consecutiva de biodiesel. Também é mostrado que um combustível 100% PME reto não é desejável, pois o empuxo máximo é diminuído em aproximadamente 12%. O TSFC para cada combustível mostrou que as linhas para o jato a-1, B20 e B50 estavam bastante próximas umas das outras, com tsfc aprimorado para B20 e B50 nas velocidades mais baixas do motor e valores convergentes com o jato a-1 em direção a rpm máxima, com valores ligeiramente mais altos a 66.000 rpm. Os aumentos no TSFC são muito mais pronunciados para B70 e B100, com aumentos de 11% e 18% no rpm máximo.

as mudanças na eficiência térmica para cada combustível de teste em todas as velocidades do motor são mostradas na Figura 18. Pode-se ver que é melhorado com o uso de B20 e B50 de RPM ociosas para aproximadamente 63000 rpm, após o que o Jet a-1 tem melhor até a velocidade máxima do motor. A eficiência térmica deteriorou-se dos valores do jato a-1 abaixo do B100, caindo para 2,11% do jato ideal a-1 , que era de 2,45% em rpm máximo.

Figura 18

Simulação térmica de eficiência para todos os testes de combustíveis.

os resultados das simulações para todos os combustíveis de teste em rpm máximo são mostrados na Tabela 5. O aumento no consumo específico de combustível para B100 é quase 20% do do jato a-1. A eficiência geral do motor diminuiu com o aumento do conteúdo PME. Isso é indicativo do menor FHV para os biocombustíveis, levando a um maior fluxo de combustível e consumo de combustível.

6. Conclusão e recomendações

o objetivo deste trabalho experimental foi determinar o desempenho do turbojato Armfield CM4 em um espectro de misturas de biodiesel de óleo de Palma e jato A-1. Verificou-se que o B20 produziu quantidades semelhantes de empuxo como o jato a-1, particularmente na faixa mais alta de rpm. Os trade-offs do uso de biodiesel incluem um fluxo de combustível ligeiramente maior, relação combustível-ar e consumo específico de combustível, mas a partir dos dados B20 o aumento desses valores foi mínimo, dentro de um intervalo de 0-5%. Além disso, a eficiência térmica para B20 era de calibre semelhante ao do jato a-1, enquanto as eficiências propulsivas e gerais sofreram uma ligeira queda no rpm máximo. A eficiência do queimador melhorou com a combustão de B20, devido ao seu maior teor de oxigênio.

com misturas mais concentradas de PME e jato a-1, verificou-se que o impulso líquido produzido diminuiu em graus maiores com o aumento do conteúdo de PME. O impulso para o jato a-1, B20 e B50 foi de valores comparáveis, enquanto B70 e B100 tiveram um desempenho ruim em comparação. A partir dos resultados, o limiar de conteúdo volumétrico para PME antes de uma queda notável no desempenho foi encontrado em 50%. Também deve ser notado que as temperaturas à ré do queimador aumentaram proporcionalmente aos aumentos no conteúdo de PME.

as desvantagens do PME foram temperaturas mais altas de entrada e saída da turbina, bem como seu valor calorífico inerentemente menor. Os efeitos a longo prazo dos testes de biodiesel em motores turbojato ainda não foram estudados, particularmente em termos de revestimento de combustor e turbina, bem como Sistemas de entrega de combustível. Além disso, enquanto o B20 teve um desempenho comparativamente bom com o Jet a-1, seu FHV mais baixo e maior viscosidade precisam ser abordados para otimizar o desempenho da mistura e minimizar a deterioração dos sistemas de entrega de combustível.

Em termos de imagem maior da ampla utilização em motores aeronáuticos, embora tenha havido casos de voos comerciais com 50% de misturas de fatty acid methyl ester biodiesel com o querosene de aviação, tal prática não tenha sido formalmente institucionalizadas, devido a questões económicas e o custo de energia e disponibilidade de biodiesel em grandes quantidades. No entanto, como esta pesquisa mostrou, o PME é um combustível viável para aplicações de microturbinas tanto na geração de energia quanto em veículos aéreos não tripulados ou controlados remotamente.

Nomenclatura

numeração de estações e subscritos

conflito de interesses

os autores declaram que não há conflito de interesses em relação à publicação deste artigo.

agradecimentos

este trabalho foi muito apoiado pela Universiti Putra Malaysia( UPM), Research University Grant Scheme (tapetes) sob o projeto no. 05-01-09-0719RU, bem como a equipe de suporte técnico do Departamento de Engenharia Aeroespacial da UPM. Os agradecimentos são estendidos igualmente ao laboratório de pesquisa do alimento em Universiti Kebangsaan Malásia (UKM) para fornecer o teste calorimetric dos combustíveis do teste.