De wetenschap van stuwstof en verbranding met duurzame brandstof voor de luchtvaart

Duurzame luchtvaartbrandstoffen (SAF's) zijn synthetische of bio-afgeleide alternatieven voor conventionele Jet A/A-1 kerosine, geproduceerd uit grondstoffen zoals gebruikte kookolie, agrarische residuen, gemeentelijk vast afval of afvang koolstof en groene waterstof (vermogen tot vloeistof). Terwijl SAF's kunnen worden gemengd met conventionele brandstof met verhoudingen tot 50% (en binnenkort 100% onder certificeringen zoals ASTM D7566 bijlage), hun chemische samenstelling beïnvloedt het verbrandingsproces en, bijgevolg, de opwekking van stuwkracht. De energiedichtheid van een brandstof bepaalt hoeveel warmte wordt afgegeven per massa-eenheid tijdens verbranding; zelfs een vermindering van de outlet-energiedichtheid van 2 .3% kan aanpassingen van brandstofdebieten of nozzle geometrie vereisen om dezelfde temperatuur en stuwkracht van de turbine in een bepaalde motor te handhaven.

De thrust wordt beheerst door de impulsverandering van lucht door de motor: F =

Chemische eigenschappen van SAF's

SAF's zijn voornamelijk samengesteld uit lineaire en vertakte alkanen (paraffins), met een zeer laag aromatisch gehalte. Aromatische stoffen zijn van nature aanwezig in petroleumderivaten kerosine en zijn verantwoordelijk voor het opzwellen van de afdichting in oude brandstofsystemen, maar ze dragen ook bij aan de vorming van roet en contrail ijskristallen. De afwezigheid van aromaten in zuivere SAF's betekent dat motorafdichtingen en O-ringen moeten worden gemaakt van compatibele materialen die al zijn toegepast in huidige motoren zoals de LEAP en GEnx. Vanuit een stuwkracht perspectief leidt het lagere aromatische gehalte tot een meer uniforme brandfront- en lagere vlamtemperatuurgradiënten, die de prestaties van hoge hoogte herlichting kunnen verbeteren en de levensduur van de combustor-afleining kunnen verlengen. [Fuel lubricity[]] is een ander probleem; hydroverwerkte SAF's hebben geen natuurlijke zwavelverbindingen die lubriciteit bieden, zodat additieven nodig zijn om premater slijtage in brandstofpompen en meeteenheden te voorkomen.

Brandstofinjectie en verbrandingsmeting

Moderne motoren gebruiken mager-voorgemengde verbranding om NOx en roet te regelen. SAF's hebben een hogere H/C-verhouding (waterstof-koolstof), die de adiabatische vlamtemperatuur vermindert en thermische NOx-vorming onderdrukt. Echter, de verminderde reactiviteit van sommige SAF's . vooral brandstoffen met een hoog isoparaffine-inhoud .kan ontsteking vertragingen veroorzaken die tot brandinstabiliteit leiden . Om dit tegen te gaan, motorfabrikanten introduceren variabele geometrie combustors[] die lucht-tot-brandstof verhoudingen in real time aanpassen . Bijvoorbeeld , Rolls-Royce . Om dit tegen te gaan , gebruikt ALECSys demonstrator een adaptieve brandstof om stabiele verbranding over de hele gashendelbereik te behouden . Deze systemen vertrouwen op geavanceerde sensor- en controlealgoritmen om ervoor te zorgen dat de temperatuurprofiel van de turbine inlaat gelijk blijft , en de krachtintegriteit te behouden .

Vooruitgang in de motortechnologie

Originele fabrikanten van apparatuur (OEM's) zoals GE Aerospace, Pratt & Whitney en Rolls-Royce investeren zwaar in architecturen van de volgende generatie die volledig compatibel zijn met 100% SAF. De focus ligt niet alleen op drop-in vervanging, maar op het optimaliseren van de motorcyclus voor de unieke thermische en verbrandingseigenschappen van hernieuwbare brandstoffen. Twee belangrijke ontwikkelingsgebieden zijn hogedruk brandstofsystemen en nieuwe combustor ontwerpen.

Hogedrukbrandstofsystemen

Om de lagere volumetrische energiedichtheid van sommige SAF's te compenseren, moeten brandstofpompen een hogere massastroom leveren. Dit vereist sterkere pompaandrijvingen, stijvere brandstofleidingen en meer responsieve meetkleppen. GE.S e-HPC (versterkte hogedrukcompressoren)[] integreert een hogere compressor die de totale drukverhouding van de motor verhoogt, waardoor de thermische efficiëntie verbetert. In combinatie met een brandstofsysteem dat druk kan leveren boven de 5.000 psi, kan de motor SAF-druppels fijner verstuiven, wat resulteert in een meer volledige verbranding en een verhouding tussen stuwkracht en gewicht, vergelijkbaar met of groter dan die van conventionele kerosinesystemen. De industrie onderzoekt ook pistonloze pompen[] aangedreven door elektrische motoren, die de parasitaire verliezen van accessoire versnellingsbaken elimineren en een nauwkeurige brandstofstroommodulatie mogelijk maken voor elke vluchtfase.

Innovaties voor het ontwerp van de afdwinger

De traditionele kannelverbranders worden vervangen door gefaseerde magerverbrande ringverbranders die de verbrandingszone verdelen in loods- en hoofdfasen. In deze ontwerpen houdt de pilootfase een stabiele vlam tijdens stationaire en afdaling, terwijl de hoofdfase activeert op hoog vermogen om de efficiëntie te maximaliseren en de emissies te minimaliseren. SAF's, met hun lagere roetvoortstuwing, staan toe dat de hoofdfase nog magerder loopt, waardoor thermische efficiëntie boven 60% wordt duwd. Het CFM International RISE (Revolutionary Innovation for Sustainable Engines)[]] programma beschikt over een openrotor architectuur met een compacte combustor die kan werken op 100% SAF terwijl de brandstofverbranding met 20% wordt verminderd met de huidige motoren. De compositorliner wordt gemaakt van keramische matrixcomposieten (CMCs) die temperaturen boven 3.000 °F kunnen doorstaan zonder actieve koeling, waardoor hogere turbinetemperaturen en dus hogere stuwkracht mogelijk zijn.

Materialen en Thermisch Beheer

SAFs branden warmer en schoner, waardoor koolstofafzettingen worden verminderd, maar turbinebladen aan hogere thermische belastingen worden blootgesteld. Om de stuwkracht te handhaven zonder de motor te demperen, nemen fabrikanten single-kristal superlegeringen met thermische barrièrecoatings (TBC's) in de hogedrukturbine aan. Pratt & Whitney

Hybride en elektrische aandrijving

Terwijl de zuivere elektrische luchtvaart beperkt blijft tot korteafstands- forensenvliegtuigen vanwege beperkingen van de batterij-energiedichtheid (momenteel rond de 250

Aanvullende stuwraketten

Een veelbelovende benadering is het turbo-elektrische[] concept, waarbij een gasturbine een generator aandrijft die een elektrisch aangedreven ventilator aan de achterzijde van het vliegtuig aanstuurt. Dit koppelt de ventilatorsnelheid van de kernsnelheid, waardoor de turbine constant met hoge efficiëntie kan draaien terwijl de ventilator zijn toerental varieert om stuwkracht te leveren als dat nodig is. Hybrid serie/parallel] configuraties gebruiken een batterijpakket om te zorgen voor een verhoging tijdens de start en vervolgens op te laden tijdens de cruise met behulp van overtollige turbinevermogen. Bij tests uitgevoerd door NASA

Integratie van batterijen en brandstofcellen

Brandstofcellen zijn een andere route om extra vermogen te reinigen. Waterstofbrandstofcellen kunnen elektriciteit produceren met alleen water als bijproduct, en wanneer ze gekoppeld zijn aan een elektrische motor, kunnen ze een ventilator direct besturen. PEM brandstofcellen die werken bij 60

Uitdagingen en kansen

Ondanks de technische vooruitgang blijven er nog verschillende uitdagingen voordat SAF-motoren alomtegenwoordig worden. De primaire hindernis is certificering.De beide brandstoffen zelf en de motoren die ze verbranden. Het huidige ASTM D4054 goedkeuringsproces voor nieuwe brandstofroutes kan jaren duren en miljoenen kosten. Regelgevers, waaronder de FAA en EASA, werken aan gestroomlijnde .drop-in plus .. categorieën waarmee motoren gecertificeerd op conventionele brandstof te werken op maximaal 50% SAF mengsels met minimale herstart, maar 100% SAF certificering vereist demonstratie dat de motor blijft stuwkracht, duurzaamheid en operabiliteit over alle vluchtomstandigheden .

Drop-in vs. niet-drop-in brandstof

De meeste huidige SAF's zijn .drop-in . vervangingen ontworpen om volledig te kunnen worden uitwisselbaar met Jet A/A-1. Echter, [non-drop-in brandstoffen[] zoals nette methanol, ammoniak, of waterstof vereisen volledig nieuwe motor- en brandstofsysteemarchitecturen. Hoewel waterstofverbranding wordt onderzocht door bedrijven zoals CFM en Airbus, de lage volume-energiedichtheid (ongeveer 1/4 kerosine zelfs wanneer cryogenisch opgeslagen) betekent dat vliegtuigen moeten dragen enorme tanks, verminderen lading en bereik. Voor korteafstand toepassingen, waterstof zou een pad naar nul-emissie vlucht kunnen bieden, maar de stuwkracht van een waterstofverbrander is inherent lager vanwege bredere brandbaarheidsgrenzen en de behoefte aan grotere sproeiers. Vaste flexibiliteit] die kan schakelen tussen vloeibare SAF en gasvormige waterstof zijn in een vroeg stadium, maar materialencompatibiliteit en veilige behandeling zijn belangrijke belemmeringen.

Uitstoot van de levenscyclus en brandstofkosten

Vanuit milieuoogpunt ligt het voordeel van SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/S/SAF/SAF/S/SAF/SAF/S/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/SAF/S/SAF/SAF/SAF/S/SAF/S/SAF/S

De Weg vooruit

De toekomst van de stuwkracht in SAF motoren zal worden gevormd door drie krachten: beleid, investeringen en technologieconvergentie[. Internationale organisaties zoals ICAO hebben een doel gesteld van koolstofneutrale groei vanaf 2020 en de International Air Transport Association (IATA) richt zich op netto-nul emissies tegen 2050. Deze toezeggingen zijn het aanjagen van massale onderzoeksprogramma's, waaronder de EU Joint Undertaking Clean Aviation en de U.S. Sustainable Aviation Fuel Grand Challenge. Deze laatste is gericht op de productie van 3 miljard gallons SAF per jaar tegen 2030, wat stijgt tot 35 miljard gallons in 2050. Op die schaal worden de SAF-kosten verwacht om onder $2 per gallon te dalen, waardoor ze economisch concurrerend te worden met fossiele kerosine.

Technische mijlpalen zijn reeds bereikt onder meer de eerste 100% SAF-vluchten op commerciële vliegtuigen (een United Airlines 737 MAX in 2021 met één motor), en de eerste transatlantische vlucht op 100% SAF (Virgin Atlantic in 2023). Deze vluchten toonden aan dat met juiste motoraanpassingen geschakelde brandstofregeleenheden, afgestemde uitschuifstukken en software-updates .rustniveaus volledig kunnen worden gehandhaafd. De volgende stap is het certificeren van een motorfamilie die speciaal is ontworpen voor 100% SAF-vluchten. Pratt & Whitney

De geavanceerde cycli, zoals de interkoelde recuperatieve motor en de -constant-volume verbrandingscyclus [] konden nog meer stuwkracht per eenheid SAF extraheren. Constant-volume combustors (pulse detonatie of roterende detonatie motoren) theoretisch een verbetering van de thermische efficiëntie van 15 .25%, maar ze produceren intense druk oscillaties die de druk turbinebladen. Recente werkzaamheden aan de Universiteit van Michigan en het Air Force Research Laboratory toont dat SAF een tragere vlamsnelheid in vergelijking met waterstof maakt het een slechte kandidaat voor detonatie verbranding van detonatie; echter, druk-gain verbranding met behulp van roterende detonatie in een SAF/luchtmengsel zou kunnen worden levensvatbaar met actieve koeling. Ondertussen, kan de groei van Objectieve Objectie van directe luchtafvang (DAC)[FLT:] en EHBO (EHY) een volledig hernieuwbare, drop

Tot slot is de luchtvaartindustrie op een duidelijk traject naar motoren die hoge stuwkracht leveren met minimale milieueffecten. De combinatie van geavanceerde verbrandingsmotoren, adaptieve brandstofsystemen, hybride-elektrische augmentatie en een groeiende SAF-voorzieningsbasis betekent dat vliegtuigen van de toekomst geen afbreuk hoeven te doen aan de prestaties voor duurzaamheid. Doorlopende samenwerking tussen brandstofproducenten, motorfabrikanten, regelgevers en luchtvaartmaatschappijen zal essentieel zijn om de resterende economische en technische hindernissen te overwinnen. De fundamentele fysica van push . Newtons derde wet ..onverandert niet; wat verandert is de efficiëntie, netheid en flexibiliteit van de motoren die het toepassen.

Voor meer informatie: de pagina van de Amerikaanse afdeling van energie.