Het Center for Unmanned Aircraft Systems Propulsion van het US Army Research Laboratory maakte een historische primeur met zijn experiment in een gasturbineverbrandingsoven met behulp van röntgenstralen. De gegevens zullen helpen bij het ontwikkelen van gasturbinemotoren voor een hogere vermogensdichtheid en efficiëntie, zeiden wetenschappers.

"Dit is de sterkste röntgenbron ter wereld, " zei Dr. Tonghun Lee, een universitair hoofddocent aan de afdeling Mechanical Science and Engineering University of Illinois in Urbana-Champaign, dat onlangs de krachten heeft gebundeld met ARL.

Lee en zijn afgestudeerde studenten, samen met partners van het ARL Center for UAS Propulsion, winkel opgezet in de Advanced Photon Source van het Amerikaanse ministerie van Energie in het Argonne National Laboratory in Illinois, resulterend in een uniek experiment, die duurde tot 11 april.

"We zijn hier om sproeibeelden te maken in een verbrandingskamer van een gasturbine, zoals relevant voor het leger, "zei Leen.

Lee zei dat hun experiment nabootste wat er gebeurt in een typische gasturbinemotor van een legerhelikopter.

In een gasturbinemotor, een verbrander wordt gevoed met lucht onder hoge druk die wordt verwarmd door constante druk. Na verwarming, de lucht gaat van de verbrander door de mondstukleischoepen naar de turbine, stuwkracht produceren. Verbranders spelen een cruciale rol bij het bepalen van veel van de bedrijfskenmerken van een motor, zoals vermogensdichtheid, brandstofefficiëntie en emissieniveaus.

"We hadden een verbranding, wat voor de eerste keer ooit is gedaan bij APS en we beelden het uiteenvallen van de spray helemaal op de punt van de injector af met behulp van een röntgenbron, " zei hij. "Normaal gesproken is dat gebied waar de vloeistof uiteenvalt erg dicht en het is moeilijk om daar iets van binnen te zien."

Door gebruik te maken van 's werelds krachtigste röntgenbron, het team was in staat om door te dringen en te begrijpen hoe de ligamenten, of strengen brandende brandstof, valt uiteen in kleine druppeltjes.

"We proberen precies te begrijpen wat er gebeurt in de verbrandingskamer van de gasturbine om te begrijpen hoe deze reageert op verschillende bedrijfsomstandigheden, ' zei Leen.

De gegevens die tijdens dit experiment worden verzameld, zullen de beginvoorwaarden worden voor numerieke simulaties die een beter begrip van gasturbineverbrandingsinstallaties zullen opleveren.

"We proberen de natuurkunde te begrijpen, waarover we tot op de dag van vandaag speculeren, we kunnen echt visualiseren met behulp van deze röntgenbron, " zei hij. "We willen begrijpen wat we nu doen, inzicht in de brandstofimpact. Als soldaten op een andere locatie zijn en verschillende soorten brandstof hebben, welke invloed heeft dit op de verbrandingskamer die ze hebben?"

De professor zei op de iets langere termijn, hij hoopt dat de gegevens van het experiment onderzoekers in staat zullen stellen meer geoptimaliseerde verbrandingssystemen te ontwerpen voor de toekomst.

"De Advance Photon Source heeft de afgelopen tien jaar veel moeite gestoken in het kijken naar het uiteenvallen van spraydruppels. En dat is nog nooit gedaan in een omgeving met liveverbranding, "Zei Lee. "Dus we hebben de hardware gemaakt om het mogelijk te maken en dit is eigenlijk de eerste keer dat het live is gedaan met een verbrandingsstroom in een verbrandingskamer."

Lee, terwijl hij een faculteitslid blijft bij UIUC, heeft onlangs een aanvullende functie aanvaard als onderzoeker op het regionale kantoor van het laboratorium in Illinois, ARL Centraal. Het leger richtte in november 2017 ARL Central op, als een uitbreiding van het in Maryland gevestigde hoofdkantoor met als doel het benutten van regionaal wetenschappelijk en technologisch talent.

"Het was geweldig om een ​​team van ARL te zien, UIUC and Argonne researchers working together with the unique capability at the Advanced Photon Source to gain unprecedented insight into the fuel injection and combustion process, " said ARL Central Regional Lead Dr. Mark Tschopp. "It was so exciting to see this novel experiment firsthand because it symbolizes what ARL Central is all about—partnering to accelerate discovery and innovation for future Army applications."

The experiment was the first accomplishment of the lab's new Center for UAS Propulsion, which kicked off a massive partnership between academia and industry. ARL held a ribbon cutting for the center April 2.

"I am so pleased to perform this historic experiment right after the ribbon cutting ceremony for Center for UAS Propulsion, " said center founder Dr. Chol-Bum "Mike" Kweon, who also serves as the lab's Propulsion Division chief. "I was thrilled watching the quality of the spray breakup processes in the gas turbine combustion in real time, which is extremely difficult to measure at this quality."

Dr. Jaret Riddick, director of the lab's Vehicle Technology Directorate watched the experiment in person April 4.

"Future Vertical Lift is one of the Army's six Modernization priorities, " Riddick said. "Future tactical unmanned aerial vehicles will play a key role in manned-unmanned teaming for Future Vertical Lift."

Breakthroughs in small engine technology for future unmanned aerial vehicles will enable longer duration, larger payloads and silent operation, hij zei.

"Research partnerships through the newly established Center for UAS Propulsion, such as the one we witnessed at Argonne National Lab, will make these breakthroughs possible in support of the Army modernization priority for Future Vertical Lift , " hij zei.