prestandautvärdering av en småskalig turbojetmotor som körs på Biodieselblandningar av palmolja

Abstrakt

den experimentella och simulerade prestandan hos en Armfield CM4 turbojetmotor undersöktes för palmoljemetylesterbiodiesel (PME) och dess blandningar med konventionellt Jet a-1-bränsle. De volymetriska blandningarna av PME med Jet A-1 är 20, 50, 70 och 100% (B20, B50, B70 och B100). Bränsleuppvärmningsvärden (FHV) för varje bränsleblandning erhölls genom kalorimetrisk analys. De experimentella testerna inkluderade prestandatester för Jet A-1 och B20, medan prestanda för B50 till B100 simulerades med gasturb 11 analytisk programvara. När det gäller maximal uppmätt dragkraft gav Jet A-1 Det högsta värdet på 216 N, vilket minskade med 0,77%, 4%, 8% och 12% Med B20, B50, B70 och B100. Det konstaterades att B20 gav jämförbara resultat jämfört med riktmärket Jet A-1-tester, särskilt med dragkraft och termisk effektivitet. Små prestandastraff uppstod på grund av det lägre energiinnehållet i biodieselblandningarna. Brännarens effektivitet förbättrades med tillsats av biodiesel medan de andra komponenternas effektivitet förblev kollektivt konsekvent. Denna forskning visar att PME, åtminstone för större gasturbiner, är lämplig för användning som tillsats till Jet A-1 inom 50% blandningar.

1. Inledning

det finns en allmän enighet i litteraturen om att fossila bränslen råmaterial som används för produktion av flyg-grade fotogen bränsle minskar. Koh och Ghazoul förväntade sig ett toppoljeproduktionsscenario inom åren 2010-2020, förutsatt att den globala oljeförbrukningen ökar till 118 miljoner fat per dag 2030. Nygren et al. förväntas att den civila luftfartstrafikens tillväxt kommer att öka med 5% per år, medan bränsleförbrukningen kommer att öka med 3% per år. Lee et al. prognostiserade att flygtrafiktillväxten kommer att öka med 4.5% till 6% per år under de kommande tjugo åren, med trafik fördubbling vart 15: e år. Detta stöds ytterligare av den senaste rapporten från Deloitte , där efterfrågan på passagerarresor förväntas öka med 5% under de kommande 20 åren, vilket bidrar till ökad flygproduktion. Trots förbättringarna av flygbränsleeffektiviteten sedan 1960 måste ytterligare ansträngningar göras för att mildra beroendet av traditionella bränslekällor och ersätta nuvarande bensinbaserade bränslen.

Biodiesel produceras genom transesterifiering av rena vegetabiliska eller organiska oljor genom att ersätta triglyceridmolekylerna med lättare alkoholmolekyler såsom metanol eller etanol. Reaktionen utförs med en stark baskatalysator, som producerar glycerol förutom transesterifierade vegetabiliska oljor (biodiesel) . Canakci et al. hävdade att biodiesel CO2-utsläpp kompenseras genom fotosyntes. Förutom sin klimatkompensation är biodiesel giftfri, innehåller inga aromater eller svavel, har högre biologisk nedbrytbarhet och är mindre förorenande för vatten och jord vid spill, i motsats till fotogen . Dessutom innehåller biodiesel inte spårmetaller, cancerframkallande ämnen som polyaromatiska kolväten och andra föroreningar som är direkt skadliga för människors hälsa . Betydande minskning av utsläppspartiklar rapporterades av Chan et. al när de använde en blandning av 50% volym camelina-baserat hydro-bearbetat biojet-bränsle med F-34 jetbränsle i en T-56 turbo-prop-motor.

på kort och medellång sikt kan palmolja biodiesel (PME) användas som en primär källa för biodieselproduktion. Enligt Sumathi et al. , oljepalmodling och bearbetning kräver liten inmatning av agrokemiska gödningsmedel och fossila bränslen för att producera 1 ton olja. Från 2007 data som samlats in av Sumathi et al. , oljeutbytet från oljepalm var 3.74 ton / hektar / år, vilket är 10 gånger mer än sojabönor under samma period (0,38 ton/hektar/år). Detta gör oljepalm för närvarande den högsta avkastande oljegrödan i världen , och därmed en attraktiv biodieselersättning eller tillägg till flygfotogen. Detta stöds av det arbete som utförts av Chong och Hochgreb som rapporterade att utsläppen per energienhet reduceras genom att använda PME jämfört med diesel och Jet A.

franska testade prestandan hos en turbin technologies SR-30 turbojet gasturbinmotor med canolaolja biodiesel. Det visade sig att den maximala drivkraften som biodieseln uppnådde var mindre än Jet-A med 8% vid maximala varvtal. Använda en gasturbinmotor av samma modell som franska , Habib et al. testade en mängd olika biodiesel och biobränslen i 50% och 100% (B50, B100) volymetriska blandningar med Jet A-1. När det gäller tryckspecifik bränsleförbrukning (TSFC), vid högre varvtal, var TSFC för alla testbränslen inte signifikant annorlunda än Jet A-1. Turbinens inloppstemperatur (TIT) för biobränslen var högre än för Jet A-1 Totalt sett. Avgastemperaturen (EGT) var likartad för alla testbränslen.

Chiang et al. testade en 150 kW Teledyne RGT – 3600 mikrogasturbin som körs på en ospecificerad biodiesel i volymetriska blandningar på 10%, 20% och 30% med diesel. Alla biodieselblandningar hade liknande värmeeffektivitet över alla kraftbelastningar. Det rapporterades att kolavlagringar hittades efter drift i 6 timmar på biodieselblandningar på bränslemunstycket . Krishna testade sojabiodiesel (SME) i volymetriska blandningar av 20%, 50% och 100% (B20, B50 och B100) med ASTM nummer 2 eldningsolja i en 30 kW Capstone CR30 gaseldad mikroturbin. Det visade sig att uppvärmningseffektiviteten för nummer 2 värmeolja, B20 och B100 var liknande, ungefär 20%. B50 värmeeffektiviteten var högre med 7%.

ett samförstånd mellan de flesta relaterade arbeten är att mindre mängder biodiesel blandat med referensbränslet, vare sig det är diesel-eller flygfotogenbränslen, inte påverkade testmotorernas prestanda negativt. I denna studie testas palmolja biodiesel i 20% volym med Jet A-1 för att verifiera resultaten från andra gasturbinforskningstester på biobränsleblandningar. Dessutom testades högre koncentrationer av PME i Jet a-1-blandningar i simuleringar av CM4-motorn.

2. Beskrivning av apparater

för att tillhandahålla en funktionell turbojetmotor för utbildnings-och forskningsändamål modifierade Armfield den allierade signalen JFS100-13A i CM4 turbojetmotorn. En schematisk bild av motorn visas i Figur 1. CM4 turbojetmotorn kan delas upp i fem olika huvudkomponenter: (i) inlopp; (ii) centrifugalkompressor; (iii) förbrännare (brännare); (iv) axiell turbin; och (v) avgasmunstycke. Ovanstående komponenter förenklas i Figur 2. Tillverkarens specifikationer för JFS100 och i förlängningen CM4 sammanfattas i Tabell 1. Tabell 2 visar utbudet av sensorer som var utrustade med CM4 turbojet samt de uppmätta egenskaperna.

Figur 1

Armfield CM4 turbojetmotor.

Figur 2

schematisk layout av motorkomponenter.

2.1. Beredning av Testbränslen

palmolja biodiesel är en fettsyrametylester som är bärnstensfärgad och är märkbart viskös jämfört med Jet a-1-bränsle, som är halm och mindre ogenomskinlig i färg. Jet a-1-bränslet som användes i detta forskningsprojekt erhölls från Petronas Malaysia, Medan Sime Darby levererade PME-bränslet. Det visade sig att PME blandar lätt med Jet A-1. Varje volym bränsle blandades i en glasbägare med hjälp av en glasrörstång. Blandningarna befanns behålla sin struktur och ingen separation var synlig. Detta förblev sant under hela forskningsprojektets varaktighet för prover som hölls i flera månader. Dessutom fanns det inget synligt vatten kvar i bränsleblandningarna. Figur 3 visar prover av testbränslena i ökande PME-innehåll.

Figur 3

testa bränsleprover; från vänster till höger: Jet A-1, B20, B50, B70 och B100.

varje bränsle testades också för sina bränsleuppvärmnings-eller värmevärden (FHV). Detta gjordes med hjälp av en ika C200 syrebombkalorimeter i samarbete med Naturvetenskapliga fakulteten och tekniken för Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM). Varje test utfördes tre gånger för att erhålla en genomsnittlig FHV för varje bränsle. Tabell 3 visar intervallet för FHV för testbränslena.

3. Experimentellt förfarande

alla Armfield CM4-tester utfördes i Framdrivningslaboratoriet vid fakulteten för teknik, Universiti Putra Malaysia. I alla fall öppnades laboratoriets större slutardörrar så att motorns avgaser skulle röra sig utåt från laboratoriet. Testerna som utfördes för CM4-motorn var alla kalla startar. Detta innebär att ingen bränsleomkoppling inträffade under drift. I likhet med experimenten från franska och Krishna gjordes ingen modifiering av testmotorns interna turbomachinery.

vid tändning fick motorn ungefär en minut för att nå ett stabilt tillstånd där motorvarvtalet förblev konstant vid minst 48000 rpm. Gasreglaget höjdes långsamt från 48000 rpm till cirka 66000 rpm. Vid varje 1000 rpm-intervall tilläts en provtagningsperiod på 10 sekunder för att säkerställa mer tillförlitliga genomsnittliga avläsningar för varje sensor. När det maximala varvtalet uppnåddes och relevanta data mättes stängdes gasreglaget långsamt på ett liknande, minskande sätt tillbaka till 48000 rpm. Provtagningen stoppades sedan när minsta varvtal uppnåddes. Test för Jet A-1 och B20 upprepades minst tre gånger vardera.

Armfield CM4 är utrustad med ett PC-gränssnitt för sina olika sensorer. Värdena för temperatur, tryck, motorvarvtal och uppmätt dragkraft visas i användargränssnittet. En automatisk samplingsfrekvens på varannan sekund ställdes in. På grund av sensorbegränsningar, brännarens inlopps-och utgångsmätare tryck och antogs vara lika, liksom turbinutgången och munstyckets utgångstemperaturer och .

3.1. Jetmotorcykelanalys

grunden för beräkningen av prestandaparametrar är cykelanalysen av gasturbiner som Mattingly demonstrerar . Det primära måttet på en turbojetmotor är dess dragkraft F, som representeras av var är det totala massflödet som lämnar avgasmunstycket, är munstyckets utgångshastighet, är luftflödet framför motorinloppet, är den fria strömmen lufthastighet, och termen hänvisar till tryckbidraget från tryckskillnaden vid munstycksutgången. Nästa prestandaparametrar för turbojetmotorn som ska beräknas är den specifika drivkraften , bränsle-luftförhållandet och tryckspecifik bränsleförbrukning . Ekvation (2) visar ekvationerna som används för att erhålla de ovan nämnda parametrarna. FHV representeras som konstant: efter ovanstående beräkningar, motorns termiska, framdrivande, och övergripande effektivitetsvinster , , och erhålles såsom visas i för brännarsektionen, brännareffektivitet erhålls från där termen avser förhållandet mellan brännarutgång och inloppstemperaturer .

för att normalisera resultaten från experimenten på grund av den olika omgivningstemperaturen gjordes korrigeringar av prestandaparametrarna med avseende på normala havsnivåförhållanden. Dessa korrigeringar listas nedan från (5). De återstående prestandaparametrarna beräknades sedan som tidigare baserat på de korrigerade värdena. De dimensionslösa variablerna och hänvisar till stationstrycket eller temperaturförhållandena i förhållande till standard havsnivåtryck och temperatur 101,3 kPa och 288,2 K:

4. Experimentella resultat

som tidigare nämnts var bränslena som testades experimentellt Jet A-1 och B20. Eftersom den enda faktorn som beaktas är att den direkt drabbade kraften är gasen, visas de flesta resultaten mot motorvarvtalet eller varvtalet. Figur 4 visar de förändringar som inträffade i smörjoljetemperaturen för båda bränslena. Smörjoljans utloppstemperatur för B20 är klart högre än för Jet A-1, från 55000 rpm och framåt. Den största ökningen av smörjoljetemperaturen är från 343,2 K till 368,6 K vid 61000 rpm, en ökning med 7,4%. Detta skulle innebära att mer stress läggs på turbomaskineriet när man använder B20-bränsle. De högre smörjoljetemperaturerna kan också hänföras till de högre turbintemperaturerna under B20-testerna, som visas i Figur 5.

Figur 4

Smörjoljetemperaturer för B20 och Jet A-1.

Figur 5

Turbininlopp och utgångstemperaturer för B20, Jet A-1.

förändringen i dragkraft för B20 från Jet A – 1 visas i Figur 6. Det kan ses att B20 utför jämförbart med Jet A-1, från 61000 rpm och framåt, skillnaden i dragkraft är mindre än 1,5%.

Figur 6

korrigerade trycklinjer för B20 och Jet A-1.

figurerna 6, 7, 8 och 9 visar en intressant trend för prestanda för CM4 som körs på Jet A-1 och B20. De procentuella skillnaderna mellan de två bränsleernas påverkan på drivkraften är mycket små, högst cirka 4%, med ökande likhet vid det höga varvtalsområdet. Resultaten stämmer överens med Krishna, varigenom mindre mängder biodiesel i referensbränslet inte ledde till en signifikant minskning av prestanda. Trenden med konvergerande parametrar mot maximalt varvtal fortsätter för luft-och bränsleflöde och tryckspecifik bränsleförbrukning. Detta tyder på att en 20% blandning av PME med Jet A-1 är livskraftig, särskilt vid högre varvtal. CM4 såg dock fortfarande en liten ökning av bränsle-luftförhållandet och specifik bränsleförbrukning innan den nådde 60000 rpm. Detta kan bara hänföras till den något lägre FHV av B20. Detta innebär att något mer B20-bränsle behövs för att uppnå samma prestanda som Jet A-1.

Figur 7

korrigerad bränsleflödeshastighet för B20 och Jet A-1.

figur 8

bränsle-luft-förhållande för B20 och Jet a-1 bränslen.

Figur 9

korrigerad tryckspecifik bränsleförbrukning för B20 och Jet A-1.

som med de tidigare prestandaindikatorerna utfördes B20 jämförbart med Jet A-1 för termisk effektivitet (Figur 10); skillnaderna i framdrivningseffektivitet är emellertid tydligare, med Jet A-1 som har bättre framdrivningseffektivitet vid de högre motorvarvtalen som visas i Figur 11. Detta leder till en liknande procentuell skillnad för total effektivitet (Figur 12). Den högre framdrivningseffektiviteten för Jet A – 1 beror på dess lägre bränsle-luftförhållande (figur 8).

Figur 10

termisk effektivitet för B20 och Jet A-1.

Figur 11

Framdrivningseffektivitet för B20 och Jet A-1.

Figur 12

total effektivitet för B20 och Jet A-1.

en tydligare förändring i komponentprestanda ses i brännarsektionen, vilket klargörs i figur 13. Genom att bränna B20 steg förbrännings effektiviteten med cirka 2% i genomsnitt. Den högre brännareffektiviteten beror på förbränningsprocessen, vilket beror på syrehalten i biodieseln. Detta är också kopplat till de högre turbintemperaturer som nämnts tidigare.

figur 13

brännare effektivitet för B20 och Jet A-1.

5. GasTurb-analys

på grund av experimentella begränsningar och oro för bränsleledningens integritet och tändningstider för blandningar med högre densitet av biodiesel simulerades prestandan hos Armfield CM4 med B50 -, B70-och B100-bränslen för att få prestandatrender efter byte från Jet A-1. Detta gjordes genom att använda GasTurb 11, ett simuleringsprogram för gasturbinprestanda utvecklat av Kurzke . En tidigare byggnad av GasTurb användes av Habib et al. när man förutspår prestanda för 100% biodiesel efter att ha kört experimentella tester för 10, 20 och 30% biodieselblandningar med petrodiesel. Listan över gasturb-ingångar som används för simuleringarna för varje provbränsle visas i Tabell 4, medan figur 14 visar den fysiska modellen för den simulerade motorn baserat på de angivna ingångarna. Med tanke på den lilla skalan som används av GasTurb kan man se att simuleringens prestanda är trolig för små motorer som CM4.

figur 14

Motormodell gjord av GasTurb 11.

flera antaganden och iterationer måste göras för att komma så nära en analog till den faktiska CM4-motorn som möjligt. Eftersom de viktigaste prestandadata skulle innebära dragkraft var prioriteringen att ha en simulering med liknande tryckutgång till den verkliga CM4. De två trycklinjerna som produceras för Jet A-1 och B20 visas i Figur 15 i jämförelse med deras experimentella motsvarigheter. Det visas att simuleringarna ligger inom god överensstämmelse med de experimentella resultaten för thrust. Figur 16 visar de korrigerade trycklinjerna för varje simulerat bränsle från tomgång till maximal motorvarvtal, medan figur 17 visar tsfc-trenden för alla bränslen.

figur 15

simulering och experimentella korrigerade trycklinjer med Jet a-1 och B20 bränslen.

figur 16

simulering korrigerad dragkraft för alla testbränslen.

figur 17

simulering korrigerad TSFC för alla testbränslen.

drivkraften som producerades med ökande PME-volym minskade från Jet A-1-riktvärdena över alla motorvarvtal. Minskningen i dragkraft blev mer uttalad med B70-och B100-bränslen. I GasTurb var den maximala SSL-korrigerade kraften från Jet A-1 219,4 N, vilket minskade till 215,4 n, 210,4 n, 203,7 N och 194,1 N för B20, B50, B70 och B100. Den största faktorn i minskningen av dragkraft var minskningen av FHV för varje på varandra följande biodieselblandning. Det visas också att ett rakt 100% PME-bränsle inte är önskvärt eftersom maximal dragkraft minskas med cirka 12%. TSFC för varje bränsle visade att linjerna för Jet A-1, B20 och B50 var ganska nära varandra, med förbättrad TSFC för B20 och B50 vid lägre motorvarvtal och konvergerande värden med Jet a-1 mot maximalt varvtal, med något högre värden vid 66000 rpm. Ökningarna i TSFC är mycket mer uttalade för B70 och B100, med ökningar på 11% och 18% vid maximal varvtal.

förändringarna i termisk verkningsgrad för varje provningsbränsle vid alla motorvarvtal visas i Figur 18. Det kan ses som förbättras med användningen av B20 och B50 från tomgångsvarvtal till cirka 63000 rpm, varefter Jet A-1 har bättre tills maximal motorvarvtal. Den termiska effektiviteten försämrades från Jet a-1-värden under B100 och sjönk till 2,11% från den optimala Jet a-1, vilket var 2,45% vid maximal varvtal.

Figur 18

simulering termisk effektivitet för alla testbränslen.

resultaten av simuleringarna för alla provbränslen vid högsta varvtal visas i Tabell 5. Ökningen av specifik bränsleförbrukning för B100 är nästan 20% från Jet A-1. Motorns totala effektivitet minskade med ökande PME-innehåll. Detta är ett tecken på lägre FHV för biobränslen, vilket leder till högre bränsleflöde och bränsleförbrukning.

6. Slutsats och rekommendationer

syftet med detta experimentella arbete var att bestämma prestandan hos Armfield CM4 turbojet som körs på ett spektrum av blandningar av palmolja biodiesel och Jet A-1. Det visade sig att B20 producerade liknande mängder dragkraft som Jet A-1, särskilt vid det högre varvtalet. Avvägningarna från användningen av biodiesel inkluderar något högre bränsleflöde, bränsle-luftförhållande och specifik bränsleförbrukning, men från B20-data var ökningen av dessa värden minimal, inom ett intervall på 0-5%. Dessutom var den termiska effektiviteten för B20 av liknande kaliber som För Jet A-1, medan de framdrivande och övergripande effektiviteterna genomgick en liten droppe vid maximal varvtal. Brännarens effektivitet förbättrades med förbränningen av B20 på grund av dess högre syreinnehåll.

med mer koncentrerade blandningar av PME och Jet A-1 fann man att den producerade nettokraften minskade i större grader med ökande PME-innehåll. Drivkraften för Jet A-1, B20 och B50 var av jämförbara värden, medan B70 och B100 presterade dåligt i jämförelse. Från resultaten visade sig tröskeln för volymetrisk innehåll för PME före en märkbar minskning av prestanda vara 50%. Det bör också noteras att temperaturen bakom brännaren ökade i proportion till ökningar av PME-innehållet.

nackdelarna för PME var högre turbininlopp och utgångstemperaturer samt dess inneboende lägre värmevärde. De långsiktiga effekterna av biodieselprovning i turbojetmotorer har ännu inte studerats, särskilt när det gäller förbrännings-och turbinfoder samt bränsleförsörjningssystem. Dessutom, medan B20 presterade jämförbart bra med Jet A-1, måste dess lägre FHV och högre viskositet åtgärdas för att optimera blandningens prestanda och för att minimera försämringen av bränsletillförselsystemen.

när det gäller den större bilden av utbredd användning i flygmotorer, medan det har förekommit fall av kommersiella flygningar med 50% blandningar av fettsyrametylester biodiesel med flygfotogen, har en sådan praxis inte formellt institutionaliserats på grund av frågor om ekonomisk och energikostnad och tillgänglighet av biodiesel i stora mängder. Men som denna forskning har visat är PME ett livskraftigt bränsle för mikroturbinapplikationer i både kraftproduktion och obemannade eller fjärrstyrda flygfordon.

nomenklatur

Station numrering och prenumerationer

intressekonflikt

författarna förklarar att det inte finns någon intressekonflikt när det gäller publiceringen av detta dokument.

bekräftelser

detta arbete stöddes starkt av Universiti Putra Malaysia (UPM), Research University Grant Scheme (mattor) under projekt nr 05-01-09-0719RU samt teknisk supportpersonal vid Rymdteknikavdelningen i UPM. Tack utvidgas också till Food Research Laboratory vid Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM) för att tillhandahålla kalorimetrisk testning av testbränslena.