Forskere tager de første billeder af kuldioxid-emissioner fra kommercielle flymotorer

Forskere har brugt en ny billeddannelsesteknik for nær-infrarødt lys til at fange de første tværsnitsbilleder af kuldioxid i udstødningsfanen fra en kommerciel jetmotor. Denne nye state-of-the-art teknologi kan hjælpe med at accelerere forskning i turbineforbrænding med det formål at udvikle motorer og flybrændstoffer, der er mere miljøvenlige.

"Denne tilgang, som vi kalder kemisk artstomografi, giver rumlig opløst information i realtid for kuldioxidemissioner fra en storstilet kommerciel motor," sagde leder af forskningsteamet Michael Lengden fra University of Strathclyde i Storbritannien. "Denne information har ikke været tilgængelig før i denne industriel skala og er en stor forbedring i forhold til den nuværende industristandard emissionsmåling, som involverer at tage gas fra udstødningen til et gasanalysatorsystem et andet sted."

Forskerne rapporterer om den nye forskning i Applied Optics . Kemisk arttomografi fungerer meget som de røntgenbaserede CT-scanninger, der bruges i medicin, bortset fra at den bruger nær-infrarødt laserlys indstillet til absorptionsbølgelængden af ​​et målmolekyle og kræver meget hurtige billeddannelseshastigheder for at fange de dynamiske forbrændingsprocesser.

"Luftfartsindustrien er en væsentlig bidragyder til globale kuldioxidemissioner, så der er behov for, at turbine- og brændstofteknologier forbedres radikalt," sagde Lengden. "Ved at levere fuldt validerede emissionsmålinger kan vores nye metode hjælpe industrien med at udvikle ny teknologi, der reducerer luftfartens miljøpåvirkning."

Billeddannelse af emissioner fra flymotorer

Indtil nu har det været umuligt at afbilde turbineforbrænding på testrigge med en stor flymotor. For at løse dette problem kom fire instrumenteringsforskningsgrupper i Storbritannien sammen for at kombinere deres viden inden for måling af gasarter i barske miljøer, kemisk artstomografi og udvikling af optiske kilder. Disse teams arbejdede sammen med industrielle partnere for at udvikle teknologi, der ville være praktisk til industriel forskning og udvikling

"Holdene så en mulighed for at udvikle verdensførende instrumentering til rumfartsindustrien og for at forstå emissioner og ydeevneforbedringer fra motorer i stor skala," sagde Lengden. "Med kemisk artstomografi kan vi nu begynde at 'se' de kemiske detaljer ved forbrænding i en ægte produktionsflymotor."

Efter flere års arbejde med at finjustere signal-støjforhold, dataindsamlingsmetoder, billedbehandlingsteknikker og optiske kilder, skabte forskerne det første anlæg, der var i stand til at opnå industrielle emissionsmålinger i stor skala af en kommerciel flymotor.

For at udføre kemisk artstomografi bliver 126 stråler af nær-infrarødt laserlys skinnet gennem gassen fra hele siden i mange vinkler på en måde, der ikke forstyrrer gasstrømmen. Tilstrækkelig indfangning af udstødningen fra en kommerciel flymotor kræver billeddannelse af et område på op til 1,8 m i diameter. For at fange dette blev billeddannelseskomponenterne monteret på en ramme med en diameter på 7 m placeret kun 3 m fra motorens udgangsdyse. Forskerne brugte 126 optiske stråler til at opnå en rumlig opløsning på omkring 60 mm i det centrale område af motorens udstødning.

"Den meget raffinerede målemetode, vi brugte, krævede en udsøgt viden om kuldioxidspektroskopi og de elektroniske systemer, der leverer meget præcise data," sagde Lengden. "Der skulle også udvikles en meget sofistikeret matematisk metode til at beregne hvert kemisk artsbillede ud fra de målte absorptioner af de 126 forskellige stråler, vi brugte."

Optagelse af forbrænding i stor skala

Forskerne brugte denne storstilede opsætning til at udføre kemisk artstomografi af kuldioxid produceret ved forbrænding i en moderne Rolls-Royce Trent-gasmotorturbine. Disse motorer bruges typisk på langdistancefly og indeholder et forbrændingskammer med 18 brændstofinjektorer arrangeret i en cirkel. Til testene registrerede forskere data ved billedhastigheder på 1,25 Hz og 0,3125 Hz, mens motoren blev kørt over hele trækkraftområdet.

De resulterende billeder viste, at der ved alle trykniveauer var en ringstruktur med høj kuldioxidkoncentration til stede i det centrale område af motoren. Der var også et hævet område i midten af ​​fanen, hvilket sandsynligvis skyldtes motorens form.

Forskerne arbejder nu på at tilpasse det nye instrument til at muliggøre kvantitativ måling og billeddannelse af andre kemikalier produceret ved turbineforbrænding i både luft- og rumfartssektoren og industriel energiproduktion og for at tage billeder af temperatur. Dette vil gøre det muligt for ingeniører og forskere, der udvikler nye turbiner og brændstoffer, til bedre at forstå forbrændingsprocessen for nuværende og fremtidige teknologier. + Udforsk yderligere

Elektriske fly er på vej:Regionale flyvninger med korte hop kan køre på batterier om et par år