Ytelsesevaluering Av En Liten Turbojetmotor Som Kjører På Palmeolje Biodieselblandinger

Abstrakt

den eksperimentelle og simulerte ytelsen til En Armfield CM4 turbojetmotor ble undersøkt for palmeolje metylester biodiesel (PME) og dens blandinger med konvensjonelle Jet A-1 drivstoff. De volumetriske blandingene AV Pme med Jet A-1 er 20, 50, 70 og 100% (B20, B50, B70 og B100). Brenseloppvarmingsverdier (fhv) for hver drivstoffblanding ble oppnådd ved kalorimetrisk analyse. De eksperimentelle testene inkluderte ytelsestester For Jet A-1 Og B20, mens ytelsen Til B50 Til B100 ble simulert ved Hjelp Av gasturb 11 analytisk programvare. Når det gjelder maksimal målt trykk, Ga Jet A-1 den høyeste verdien på 216 N, redusert med 0,77%, 4%, 8% og 12% Med B20, B50, B70 og B100. Det ble funnet At B20 ga sammenlignbare resultater sammenlignet med Benchmark Jet A-1 tester, spesielt med skyvekraft og termisk effektivitet. Små ytelsesstraffer oppstod på grunn av lavere energiinnhold i biodieselblandingene. Forbrenningseffektiviteten ble forbedret ved tilsetning av biodiesel, mens de andre komponenteffektivitetene forble kollektivt konsistente. Denne undersøkelsen viser at PME, i hvert fall for større gassturbiner, er egnet for bruk som additiv Til Jet A-1 innen 50% blandinger.

1. Innledning

det er en generell enighet i litteraturen om at fossilt brensel råstoff som brukes til produksjon av luftfart-grade parafin drivstoff er minkende. Koh og Ghazoul forventet et toppoljeproduksjonsscenario innen årene 2010-2020, forutsatt at det globale oljeforbruket øker til 118 millioner fat per dag i 2030. Nygren et al. anslått at sivil luftfart trafikkveksten vil øke med en hastighet på 5% per år, mens drivstofforbruket vil øke med 3% per år. Lee et al. anslått at luftfartsveksten vil øke med 4, 5% til 6% per år de neste tjue årene, med trafikken doblet hvert 15.år. Dette støttes videre Av Den siste rapporten Fra Deloitte, hvor etterspørselen etter passasjerreiser forventes å øke 5% de neste 20 årene, noe som bidrar til økt flyproduksjon. Til tross for forbedringer i flyets drivstoffeffektivitet siden 1960, må ytterligere innsats gjøres for å redusere avhengigheten av tradisjonelle drivstoffkilder og erstatte dagens bensinbaserte drivstoff.

Biodiesel produseres ved transesterifisering av rene vegetabilske eller organiske oljer ved å erstatte triglyseridmolekylene med lettere alkoholmolekyler som metanol eller etanol. Reaksjonen utføres med en sterk basiskatalysator, som produserer glyserol i tillegg til transesterifiserte vegetabilske oljer (biodiesel) . Canakci et al. hevdet at biodiesel CO2-utslipp kompenseres gjennom fotosyntese. I tillegg til sin karbon offset, biodiesel er ikke giftig, inneholder ingen aromater eller svovel, har høyere biologisk nedbrytbarhet, og er mindre forurensende til vann og jord ved søl, i motsetning til parafin . I tillegg inneholder biodiesel ikke spormetaller, kreftfremkallende stoffer som polyaromatiske hydrokarboner og andre forurensende stoffer som er direkte skadelige for menneskers helse . Betydelig reduksjon av utslipp partikler ble rapportert Av Chan et. al når de brukte en blanding av 50% volum camelina-basert hydro-behandlet biojet drivstoff Med F-34 jet drivstoff I en t-56 turbo-prop motor.

på kort og mellomlang sikt kan palmeoljebiodiesel (pme) benyttes som en primær kilde for biodieselproduksjon. Ifølge Sumathi et al. , oljepalme dyrking og behandling krever lite innspill av agrokjemisk gjødsel og fossilt brensel for å produsere 1 tonn olje. Fra 2007 data samlet Inn Av Sumathi et al. , oljeutbyttet fra oljepalmen var 3.74 tonn / hektar / år, som er 10 ganger mer enn soyabønne i samme periode (0,38 tonn/hektar / år). Dette gjør oil palm i dag den høyeste gir olje avling i verden, og dermed en attraktiv biodiesel erstatning eller supplement til luftfart parafin. Dette støttes av Arbeidet Fra Chong Og Hochgreb som rapporterte at utslippene per energienhet reduseres ved å bruke PME sammenlignet med diesel og Jet A.

fransk testet ytelsen til en turbine technologies SR-30 turbojet gasturbinmotor ved bruk av rapsolje biodiesel. Det ble funnet at maksimal trykk oppnådd av biodiesel var mindre Enn Jet – a med 8% ved maksimal omdr. / min. Ved hjelp av en gassturbinmotor av samme modell som fransk, Habib et al. testet en rekke biodiesel og biodrivstoff i 50% og 100% (B50, B100) volumetriske blandinger Med Jet A-1. Når DET gjelder thrust specific fuel consumption (TSFC), ved høyere rpm, VAR TSFC av alle testdrivstoffer ikke signifikant forskjellig Fra Jet A-1. Turbininnløpstemperaturen (TIT) for biodrivstoff var høyere enn For Jet A-1 totalt. Avgasstemperaturen (EGT) var lik for alle testbrensler.

Chiang et al. testet En 150 kW Teledyne RGT – 3600 mikrogassturbin som kjører på en uspesifisert biodiesel i volumblandinger på 10%, 20% og 30% med diesel. Alle biodieselblandingene hadde tilsvarende termisk effektivitet på tvers av alle kraftbelastninger. Det ble rapportert at karbonforekomster ble funnet etter drift i 6 timer på biodieselblandinger på drivstoffdysen . Krishna testet soya biodiesel (SME)i volumetriske blandinger på 20%, 50% og 100% (B20, B50 og B100) MED ASTM nummer 2 fyringsolje i en 30 kW capstone CR30 gassfyrt mikroturbin. Det ble funnet at oppvarmingseffektiviteten til nummer 2 fyringsolje, B20 og B100 var lik, omtrent 20%. B50 oppvarmingseffektiviteten var høyere med 7%.

en konsensus mellom de fleste relaterte arbeider er at mindre mengder biodiesel blandet med referansebrensel, det være seg diesel eller luftfart parafinbrensel, ikke påvirket ytelsesegenskapene til testmotorene negativt. I denne studien testes palmeoljebiodiesel i 20% volum Med Jet a-1 for å verifisere funnene fra andre gasturbinforskningstester på biodrivstoffblandinger. I tillegg ble høyere konsentrasjoner AV Pme i Jet a-1-blandinger testet i simuleringer AV CM4-motoren.

2. Beskrivelse Av Apparatet

For å gi en funksjonell turbojetmotor for utdannings-og forskningsformål, endret Armfield det allierte signalet JFS100-13A til CM4 turbojetmotor. En skjematisk av motoren er vist I Figur 1. CM4 turbojet motoren kan deles inn i fem forskjellige hovedkomponenter: (i) inlet; (ii) sentrifugal kompressor; (iii) combustor (brenner); (iv) aksial turbin; og (v) eksos dyse. Ovennevnte komponenter er forenklet I Figur 2. Produsentens spesifikasjoner FOR JFS100 OG I tillegg CM4 er oppsummert i Tabell 1. Tabell 2 viser rekkevidden av sensorer som kom utstyrt MED CM4 turbojet, samt de målte egenskapene.

Figur 1

Armfield CM4 turbojet motor.

Figur 2

Skjematisk utforming av motorkomponenter.

2.1. Fremstilling Av Testbrensel

Palmeolje biodiesel Er en fettsyremetylester som er gul i fargen og er merkbart viskøs i forhold Til Jet a-1 drivstoff, som er halm og mindre ugjennomsiktig i fargen. Jet A – 1-drivstoffet som ble brukt i dette forskningsprosjektet ble hentet Fra Petronas Malaysia, Mens Sime Darby leverte pme-drivstoffet. DET ble funnet AT PME blander lett Med Jet A-1. Hvert volum drivstoff ble blandet i et glassbjelke ved hjelp av en glassrøringsstang. Blandingene ble funnet å beholde sin struktur og ingen separasjon var synlig. Dette var sant for hele forskningsprosjektets varighet for prøver som ble holdt i flere måneder. Videre var det ikke noe synlig vann beholdt i drivstoffblandingene. Figur 3 viser prøver av testbrenslene i økende pme-innhold.

Figur 3

test drivstoffprøver; Fra venstre til høyre: Jet A-1, B20, B50, B70 og B100.

hver drivstoff ble også testet for sin drivstoff oppvarming eller brennverdi (fhv). Dette ble gjort ved hjelp Av en ika c200 oksygen bombe kalorimeter i samarbeid Med Fakultet For Vitenskap og teknologi Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM). Hver test ble utført tre ganger for å oppnå en gjennomsnittlig FHV for hvert drivstoff. Tabell 3 viser REKKEVIDDEN AV FHV for testbrenslene.

3. Eksperimentell Prosedyre

Alle Armfield CM4-testene ble utført i Fremdriftslaboratoriet Ved Fakultet For Ingeniørfag, Universiti Putra Malaysia. I alle tilfeller ble de større lukkerdørene i laboratoriet åpnet slik at motorens eksos ville bevege seg utover laboratoriet. Testene som ble utført FOR CM4-motoren var alle kaldstart. Dette betyr at det ikke oppstod drivstoffbytte under drift. I likhet med forsøkene til fransk Og Krishna ble det ikke gjort noen endring i testmotorens interne turbomachinery.

ved tenning ble motoren gitt omtrent ett minutt for å nå en stabil tilstand hvor motorhastigheten holdt seg konstant ved minimum 48000 rpm. Gasspjeldet ble sakte hevet fra 48000 rpm til omtrent 66000 rpm. Ved hvert intervall på 1000 o / min ble en prøveperiode på 10 sekunder tillatt for å sikre mer pålitelige gjennomsnittlige avlesninger for hver sensor. Når maksimal rpm ble oppnådd og de relevante dataene ble målt, ble gasspjeldet sakte lukket på en lignende, decremental måte tilbake til 48000 rpm. Prøvetaking ble deretter stoppet når minimum rpm ble oppnådd. Tester For Jet A-1 Og B20 ble gjentatt minst tre ganger hver.

Armfield CM4 er utstyrt MED ET PC-grensesnitt for sine ulike sensorer. Verdiene for temperatur, trykk, motorhastighet og målt trykk vises i brukergrensesnittet. En automatisk samplingsfrekvens på hvert andre sekund ble satt. På grunn av sensorbegrensninger ble brennerens innløps-og utgangsmåletrykk og antatt å være like, som turbinutgangen og dyseutgangstemperaturene og .

3.1. Jetmotorsyklusanalyse

grunnlaget for beregning av ytelsesparametere er syklusanalysen av gasturbiner som demonstrert Av Mattingly . Det primære målet for en turbojetmotor Er dens trykk F, som er representert ved hvor er den totale massestrømmen som går ut av eksosdysen, er dyseutgangshastigheten, er luftstrømmen foran motorinnløpet, er den frie strømlufthastigheten, og begrepet refererer til trykkbidraget fra trykkforskjellen ved dyseutgangen. De neste ytelsesparametrene for turbojetmotoren som skal beregnes, er det spesifikke skyvekraft -, drivstoff-luft-forholdet og skyvespesifikt drivstofforbruk . Ligning (2) viser ligningene som brukes til a oppna de nevnte parametrene. FHV er representert som konstant: Etter de ovennevnte beregninger, motoren termisk, fremdrift, og generelle effektivitet,, og er oppnådd som vist i for brenneren delen, brenner effektivitet oppnås fra der begrepet refererer til forholdet mellom brenner exit og innløp temperaturer .

for å normalisere resultatene fra forsøkene på grunn av forskjellig omgivelsestemperatur ble det gjort korreksjoner til ytelsesparametrene med hensyn til standard havnivå forhold. Disse korreksjonene er listet nedenfor fra (5). De gjenværende ytelsesparametrene ble deretter beregnet som tidligere basert på de korrigerte verdiene. De dimensjonsløse variablene og refererer til stasjonstrykk eller temperaturforhold i forhold til standard havnivå trykk og temperatur 101,3 kPa og 288,2 K:

4. Eksperimentelle Resultater

som tidligere nevnt var drivstoffene som ble testet eksperimentelt Jet A-1 og B20. Fordi den eneste faktoren som tas i betraktning er at den direkte berørte kraften er gasspaken, vises de fleste resultatene mot motorhastigheten eller omdreiningstallet. Figur 4 viser endringene som skjedde i smøreoljetemperaturen for begge drivstoffene. Smøreoljeutløpstemperaturen For B20 er klart høyere enn Jet A-1, fra 55000 o / min og utover. Den største økningen i smøreoljetemperaturen er fra 343,2 K til 368,6 K ved 61000 rpm, en økning på 7,4%. Dette vil innebære at mer stress er plassert på turbomachinery ved Bruk Av b20 drivstoff. De høyere smøreoljetemperaturene kan også tilskrives de høyere turbintemperaturene under b20-testene, vist i Figur 5.

Figur 4

Smøreoljetemperaturer For B20 Og Jet A-1.

Figur 5

Turbininnløp og utgangstemperaturer For B20, Jet A-1.

endringen I trykk for B20 Fra Jet A-1 er vist i Figur 6. Det kan sees at i sperring en 2% til 4% nedgang i skyvekraft på mellomtone av motorturtallet, b20 utfører sammenlignbart Med Jet A-1, til det punktet at, fra 61000 rpm og utover, forskjellen i skyvekraft er mindre enn 1,5%.

Figur 6

Korrigerte trykklinjer For B20 Og Jet A-1.

Tallene 6, 7, 8 og 9 viser en interessant trend for ytelsen TIL CM4 som kjører På Jet A-1 og B20. Prosentforskjellene mellom de to drivstoffenes påvirkning på trykk er svært små, høyst 4%, med økende likhet ved det høye turtallet. Funnene stemmer overens Med Krishna, hvor mindre mengder biodiesel i referansebrenselet ikke førte til en betydelig nedgang i ytelsen. Trenden med konvergerende parametere mot maksimal turtall fortsetter for luft – og drivstoffstrøm og trykkspesifikt drivstofforbruk. Dette antyder at en 20% blanding AV PME med Jet a-1 er levedyktig, spesielt ved høyere omdr. / min. CM4 opplevde imidlertid fortsatt en liten økning i drivstoff-luftforhold og spesifikt drivstofforbruk før de nådde 60000 rpm. Dette kan bare tilskrives den litt lavere FHV Av B20. Dette innebærer at litt Mer b20 drivstoff er nødvendig for å oppnå samme ytelse Som Jet A-1.

Figur 7

Korrigert drivstoffmengde for B20 Og Jet A-1.

Figur 8

Drivstoff-luftforhold For b20 og Jet A-1 drivstoff.

Figur 9

Korrigert trykkspesifikt drivstofforbruk For B20 og Jet A-1.

Som med de tidligere ytelsesindikatorene, utførte B20 sammenlignbart Med Jet A-1 for termisk effektivitet (Figur 10); forskjellene i fremdriftseffektivitet er imidlertid klarere, Med Jet A-1 som har bedre fremdriftseffektivitet ved høyere motorhastigheter som vist I Figur 11. Dette fører til en tilsvarende prosentandel av forskjellen for total effektivitet (Figur 12). Den høyere fremdriftseffektiviteten For Jet a-1 skyldes det lavere drivstoff-luftforholdet(Figur 8).

Figur 10

Termisk effektivitet For B20 Og Jet A-1.

Figur 11

Fremdriftseffektivitet For B20 Og Jet A-1.

Figur 12

Samlet effektivitet For B20 Og Jet A-1.

En mer tydelig endring i komponentytelsen er sett i brennerseksjonen, som er gjort tydeligere I Figur 13. Ved å brenne B20 økte forbrenningseffektiviteten med omtrent 2% i gjennomsnitt. Den høyere brennereffektiviteten skyldes at forbrenningsprosessen er fullstendig, noe som skyldes oksygeninnholdet i biodiesel. Dette er også knyttet til de høyere turbintemperaturene nevnt tidligere.

Figur 13

Brenner effektivitet For B20 Og Jet A-1.

5. GasTurb Analyse

på grunn av eksperimentelle begrensninger og bekymringer angående drivstofflinjens integritet og tenningstider for høyere tetthetsblandinger av biodiesel, ble Ytelsen Til Armfield CM4 ved Bruk Av b50, B70 Og B100 drivstoff simulert for å oppnå ytelsestrender etter bytte fra Jet A-1. Dette ble gjort ved Å benytte GasTurb 11, et gasturbinytelsessimuleringsprogram utviklet Av Kurzke . En tidligere build Av GasTurb ble benyttet Av Habib et al. når forutsi ytelsen til 100% biodiesel etter å ha kjørt eksperimentelle tester for 10, 20 og 30% biodiesel blander med petrodiesel. Listen Over GasTurb-innganger som brukes til simuleringene for hvert testbrensel er vist i Tabell 4, Mens Figur 14 viser den fysiske modellen til den simulerte motoren basert på de angitte inngangene. Gitt den lille skalaen Som Brukes Av GasTurb, kan det ses at ytelsen til simuleringen er plausibel for små motorer som CM4.

Figur 14

Motormodell gjengitt Av GasTurb 11.

Flere forutsetninger og iterasjoner måtte gjøres for å komme så nær en analog TIL den faktiske CM4-motoren som mulig. Siden de viktigste ytelsesdataene ville innebære trykk, var prioriteten å ha en simulering med lignende trykkutgang til den virkelige CM4. De to trykklinjene produsert For Jet A-1 Og B20 er vist I Figur 15 i forhold til deres eksperimentelle kolleger. Det er vist at simuleringene er innenfor god avtale med eksperimentelle resultater for thrust. Figur 16 viser de korrigerte trykklinjene for hvert simulert drivstoff fra tomgang til maksimal motorturtall, Mens Figur 17 viser tsfc-trenden for alle drivstoff.

Figur 15

Simulerings-og eksperimentelle korrigerte trykklinjer ved Hjelp Av Jet A-1 og B20 drivstoff.

Figur 16

Simuleringskorrigert trykk for alle testbrensler.

Figur 17

Simulering korrigert TSFC for alle test drivstoff.

skyvekraft produsert med økende pme volum redusert Fra Jet A-1 benchmark verdier på tvers av alle turtall. Reduksjonen i trykk ble mer uttalt Med b70 og b100 drivstoff. I GasTurb var MAKSIMAL SSL-korrigert trykk fra Jet A-1 219,4 N, som ble redusert til 215,4 N, 210,4 N, 203,7 N og 194,1 N For B20, B50, B70 og B100. Den største faktoren i reduksjonen av trykk var reduksjonen I FHV for hver påfølgende biodieselblanding. Det er også vist at en rett 100% PME drivstoff er ikke ønskelig som maksimal skyvekraft er redusert med ca 12%. Tsfc for hvert drivstoff viste at linjene For Jet A-1, B20 og B50 var ganske nær hverandre, med forbedret TSFC For B20 og B50 ved lavere motorhastigheter og konvergerende verdier med Jet A-1 mot maksimal rpm, med litt høyere verdier ved 66000 rpm. Økningen I TSFC er mye mer uttalt For B70 Og B100, med økninger på 11% og 18% ved maksimal omdr. / min.

endringene i termisk effektivitet for hvert testbrensel ved alle motorhastigheter er vist I Figur 18. Det kan sees som er forbedret med bruk Av B20 Og B50 fra tomgang rpm til ca 63000 rpm, hvoretter Jet A-1 har bedre til maksimal motorturtall. Den termiske effektiviteten forverret Fra Jet A-1-verdier under B100, og falt til 2,11% fra den optimale Jet A-1 , som var 2,45% ved maksimal omdr. / min.

Figur 18

Simulering termisk effektivitet for alle test drivstoff.

resultatene av simuleringene for alle testdrivstoff ved maksimalt turtall er vist i Tabell 5. Økningen i spesifikt drivstofforbruk For B100 er nesten 20% fra Jet A-1. Den totale effektiviteten til motoren ble redusert med økende pme-innhold. Dette indikerer lavere FHV for biodrivstoff, noe som fører til høyere drivstoffmengde og drivstofforbruk.

6. Konklusjon Og Anbefalinger

målet Med dette eksperimentelle arbeidet var å bestemme ytelsen Til Armfield CM4 turbojet som kjører på et spekter av blandinger av palmeolje biodiesel og Jet A-1. Det ble funnet At B20 produserte lignende mengder trykk som Jet A-1, spesielt ved høyere rekkevidde av rpm. Avveiningene fra bruken av biodiesel inkluderer noe høyere drivstoffflyt, drivstoff – luftforhold og spesifikt drivstofforbruk, men fra b20-dataene var økningen i disse verdiene minimal, innenfor et område på 0-5%. I Tillegg var termisk effektivitet For B20 av samme kaliber Som Jet A-1, mens fremdriftseffektiviteten og den generelle effektiviteten gjennomgikk en liten nedgang ved maksimal omdr. / min. Brennereffektiviteten forbedret ved forbrenning Av B20, på grunn av dets høyere oksygeninnhold.

med mer konsentrerte blandinger AV Pme og Jet A-1, ble det funnet at netto trykk produsert redusert i større grader med økende pme innhold. Trykket for Jet A-1, B20 og B50 var av sammenlignbare verdier, Mens B70 og B100 utførte dårlig i sammenligning. Fra resultatene ble terskelen for volumetrisk innhold for PME før en merkbar nedgang i ytelsen funnet å være på 50%. Det skal også bemerkes at temperaturene akter av brenneren økte i forhold til økninger I pme-innhold.

ulempene for PME var høyere turbininnløp og utgangstemperaturer, så vel som dens iboende lavere kaloriverdi. De langsiktige effektene av biodieseltesting i turbojetmotorer har ennå ikke blitt studert, særlig når det gjelder forbrenning og turbinforing, samt drivstoffleveringssystemer. I Tillegg, Mens B20 fungerte sammenlignbart godt med Jet A-1, må lavere FHV og høyere viskositet tas opp for å optimalisere ytelsen til blandingen og for å minimere forringelse av drivstoffleveringssystemene.

når det gjelder det større bildet av utbredt bruk i flymotorer, mens det har vært tilfeller av kommersielle fly som bruker 50% blandinger av fettsyremetylesterbiodiesel med luftfartsfotogen, har en slik praksis ikke blitt formelt institusjonalisert på grunn av problemer med økonomiske og energikostnader og tilgjengelighet av biodiesel i store mengder. MEN som denne forskningen har vist, ER PME et levedyktig drivstoff for mikroturbinapplikasjoner i både kraftproduksjon og ubemannede eller fjernstyrte luftfartøyer.

Nomenklatur

Stasjonsnummerering Og Abonnementer

Interessekonflikt

forfatterne erklærer at det ikke er noen interessekonflikt angående publisering av dette papiret.

Takk

dette arbeidet ble sterkt støttet Av Universiti Putra Malaysia (UPM), Research University Grant Scheme (TEPPER) under prosjektet no. 05-01-09-0719RU samt teknisk støttepersonell Ved Aerospace Engineering Department OF UPM. Takk er også utvidet Til Food Research Laboratory Ved Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM) for å gi kalorimetrisk testing av testdrivstoffet.