Onderzoekers hebben een nieuwe beeldvormingstechniek voor nabij-infraroodlicht gebruikt om de eerste dwarsdoorsnedebeelden van koolstofdioxide in de uitlaatpluim van een commerciële straalmotor vast te leggen. Deze nieuwe state-of-the-art technologie zou kunnen helpen bij het versnellen van onderzoek naar turbineverbranding gericht op het ontwikkelen van motoren en vliegtuigbrandstoffen die milieuvriendelijker zijn.

"Deze benadering, die we tomografie van chemische soorten noemen, biedt real-time ruimtelijk opgeloste informatie voor kooldioxide-emissies van een grootschalige commerciële motor", zei onderzoeksteamleider Michael Lengden van de Universiteit van Strathclyde in het VK. "Deze informatie heeft niet was eerder beschikbaar op deze industriële schaal en is een grote verbetering ten opzichte van de huidige industriestandaard emissiemeting, waarbij gas uit de uitlaat naar een gasanalysatorsysteem op een andere locatie wordt gebracht."

De onderzoekers rapporteren het nieuwe onderzoek in Applied Optics . Chemische soortentomografie werkt net als de op röntgenstraling gebaseerde CT-scans die in de geneeskunde worden gebruikt, behalve dat het gebruik maakt van nabij-infrarood laserlicht dat is afgestemd op de absorptiegolflengte van een doelmolecuul en zeer hoge beeldsnelheden vereist om de dynamische verbrandingsprocessen vast te leggen.

"De luchtvaartindustrie levert een belangrijke bijdrage aan de wereldwijde uitstoot van kooldioxide, dus er is behoefte aan turbine- en brandstoftechnologieën om radicaal te verbeteren", zei Lengden. "Door volledig gevalideerde emissiemetingen te leveren, kan onze nieuwe methode de industrie helpen nieuwe technologie te ontwikkelen die de milieu-impact van de luchtvaart vermindert."

Emissies in beeld brengen van vliegtuigmotoren

Tot nu toe was het onmogelijk om de verbranding van turbines in beeld te brengen op testopstellingen met een grote vliegtuigmotor. Om dit probleem op te lossen, kwamen vier onderzoeksgroepen voor instrumentatie in het Verenigd Koninkrijk samen om hun kennis te combineren met het meten van gassoorten in ruwe omgevingen, tomografie van chemische soorten en de ontwikkeling van optische bronnen. Deze teams werkten samen met industriële partners om technologie te ontwikkelen die praktisch zou zijn voor industrieel onderzoek en ontwikkeling

"De teams zagen een kans om toonaangevende instrumenten voor de lucht- en ruimtevaartindustrie te ontwikkelen en om inzicht te krijgen in emissies en prestatieverbeteringen van grootschalige motoren", aldus Lengden. "Met tomografie met chemische soorten kunnen we nu het chemische detail van verbranding in een echte vliegtuigmotor gaan 'zien'."

Na jarenlang te hebben gewerkt aan het verfijnen van signaal-ruisverhoudingen, data-acquisitiemethoden, beeldvormingstechnieken en optische bronnen, creëerden de onderzoekers de eerste faciliteit die in staat is industriële emissiemetingen op grote schaal van een commerciële vliegtuigmotor te verkrijgen.

Om tomografie met chemische soorten uit te voeren, worden 126 stralen van nabij-infrarood laserlicht van alle kanten onder vele hoeken door het gas geschenen op een manier die de gasstroom niet verstoort. Voor het adequaat opvangen van de uitlaatgassen van een commerciële vliegtuigmotor moet een gebied met een diameter tot 1,8 m worden afgebeeld. Om dit vast te leggen, werden de beeldvormende componenten gemonteerd op een frame met een diameter van 7 m dat zich op slechts 3 m van het uitlaatmondstuk van de motor bevond. De onderzoekers gebruikten 126 optische stralen om een ​​ruimtelijke resolutie van ongeveer 60 mm te bereiken in het centrale gebied van de motoruitlaat.

"De zeer verfijnde meetmethodologie die we gebruikten, vereiste een uitstekende kennis van kooldioxidespectroscopie en de elektronische systemen die zeer nauwkeurige gegevens leveren", zei Lengden. "Er moest ook een zeer geavanceerde wiskundige methode worden ontwikkeld om het beeld van elke chemische soort te berekenen uit de gemeten absorpties van de 126 verschillende stralen die we gebruikten."

Verbranding op grote schaal vastleggen

De onderzoekers gebruikten deze grootschalige opstelling om chemische soorten tomografie uit te voeren van koolstofdioxide geproduceerd door verbranding in een moderne Rolls-Royce Trent-gasturbine. Deze motoren worden meestal gebruikt in langeafstandsvliegtuigen en bevatten een verbrandingskamer met 18 brandstofinjectoren die in een cirkel zijn gerangschikt. Voor de tests registreerden onderzoekers gegevens met framesnelheden van 1,25 Hz en 0,3125 Hz terwijl de motor over het volledige stuwkrachtbereik draaide.

De resulterende afbeeldingen toonden aan dat op alle stuwkrachtniveaus een ringstructuur met een hoge kooldioxideconcentratie aanwezig was in het centrale gebied van de motor. Er was ook een verhoogd gebied in het midden van de pluim, wat waarschijnlijk te wijten was aan de vorm van de motor.

De onderzoekers werken nu aan de aanpassing van het nieuwe instrument om kwantitatieve meting en beeldvorming mogelijk te maken van andere chemicaliën die worden geproduceerd door turbineverbranding in zowel de lucht- en ruimtevaartsector als de industriële energieopwekking, en om temperatuurbeelden vast te leggen. Hierdoor kunnen ingenieurs en wetenschappers die nieuwe turbines en brandstoffen ontwikkelen, het verbrandingsproces voor huidige en toekomstige technologieën beter begrijpen. + Verder verkennen

Elektrische vliegtuigen komen eraan:regionale korteafstandsvluchten kunnen over een paar jaar op batterijen draaien