Il Center for Unmanned Aircraft Systems Propulsion del laboratorio di ricerca dell'esercito degli Stati Uniti ha fatto un primato storico con il suo esperimento in un combustore di una turbina a gas che utilizza i raggi X. I dati aiuteranno a far progredire i progetti di motori a turbina a gas per una maggiore densità di potenza ed efficienza, hanno detto gli scienziati.

"Questa è la sorgente di raggi X più potente al mondo, " ha detto il dottor Tonghun Lee, professore associato presso il Dipartimento di scienze meccaniche e ingegneria dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, che ha recentemente unito le forze con ARL.

Lee e i suoi studenti laureati, insieme ai partner dell'ARL Center for UAS Propulsion, aprire un negozio nell'Advanced Photon Source del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti presso l'Argonne National Laboratory in Illinois, risultando in un esperimento unico, che è proseguita fino all'11 aprile.

"Siamo qui per eseguire l'imaging spray all'interno di un combustore di una turbina a gas in relazione all'esercito, " ha detto Lee.

Lee ha detto che il loro esperimento ha imitato ciò che accade all'interno di un tipico motore a turbina a gas per elicotteri dell'esercito.

All'interno di un motore a turbina a gas, un combustore viene alimentato con aria ad alta pressione che viene riscaldata a pressione costante. Dopo il riscaldamento, l'aria passa dal combustore attraverso le palette di guida dell'ugello alla turbina, producendo spinta. I combustori svolgono un ruolo cruciale nel determinare molte delle caratteristiche di funzionamento di un motore, come densità di potenza, efficienza del carburante e livelli di emissioni.

"Avevamo una combustione in corso, che viene eseguito per la prima volta in assoluto all'APS e stiamo immaginando la rottura dello spray sulla punta dell'iniettore utilizzando una sorgente di raggi X, " ha detto. "In genere quella regione in cui il liquido si rompe è molto densa ed è difficile immaginare qualcosa al suo interno".

Utilizzando la sorgente di raggi X più potente al mondo, la squadra è riuscita a penetrare e capire come i legamenti, o filamenti di combustibile in fiamme, si scompone in piccole goccioline.

"Stiamo cercando di capire esattamente cosa succede all'interno del combustore della turbina a gas per capire come risponde alle diverse condizioni operative, " ha detto Lee.

I dati raccolti durante questo esperimento diventeranno le condizioni iniziali per simulazioni numeriche che approfondiranno la comprensione dei combustori delle turbine a gas.

"Stiamo cercando di capire la fisica, che fino ad oggi abbiamo speculato, possiamo davvero visualizzare usando questa sorgente a raggi X, " ha detto. "Vogliamo capire cosa stiamo facendo in questo momento, comprendere l'impatto del carburante. Quando i soldati sono in una posizione diversa e hanno diversi tipi di carburante, come influenzerà il combustore che hanno?"

Il professore ha detto a un termine leggermente più lungo, spera che i dati dell'esperimento consentiranno ai ricercatori di progettare sistemi di combustione più ottimizzati per il futuro.

"L'Advance Photon Source ha speso molti sforzi nell'ultimo decennio o giù di lì guardando la rottura delle goccioline spray. E non è mai stato fatto in un ambiente di combustione dal vivo, " Ha detto Lee. "Così abbiamo realizzato l'hardware per realizzarlo e questa è in realtà la prima volta che è mai stato fatto dal vivo con un flusso di combustione in un combustore".

Lee, pur rimanendo un docente presso UIUC, ha recentemente accettato una posizione aggiuntiva come ricercatore presso l'ufficio regionale del laboratorio in Illinois, ARL centrale. L'esercito ha istituito l'ARL Central nel novembre 2017, come estensione della sua sede centrale nel Maryland con l'obiettivo di sfruttare i talenti scientifici e tecnologici regionali.

"È stato fantastico vedere una squadra di ARL, 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, Egli ha detto.

"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 , " Egli ha detto.