I ricercatori hanno utilizzato una nuova tecnica di imaging con luce nel vicino infrarosso per acquisire le prime immagini in sezione trasversale dell'anidride carbonica nel pennacchio di scarico di un motore a reazione commerciale. Questa nuova tecnologia all'avanguardia potrebbe aiutare ad accelerare la ricerca sulla combustione delle turbine finalizzata allo sviluppo di motori e carburanti per aerei più rispettosi dell'ambiente.

"Questo approccio, che chiamiamo tomografia di specie chimiche, fornisce informazioni risolte spazialmente in tempo reale per le emissioni di anidride carbonica da un motore commerciale su larga scala", ha affermato il leader del team di ricerca Michael Lengden dell'Università di Strathclyde nel Regno Unito. "Questa informazione non ha era disponibile in precedenza su questa scala industriale ed è un grande miglioramento rispetto all'attuale misurazione delle emissioni standard del settore, che prevede il trasferimento del gas dallo scarico a un sistema di analisi del gas in una posizione diversa."

I ricercatori riportano la nuova ricerca in Applied Optics . La tomografia delle specie chimiche funziona in modo molto simile alle scansioni TC basate sui raggi X utilizzate in medicina, tranne per il fatto che utilizza la luce laser nel vicino infrarosso sintonizzata sulla lunghezza d'onda di assorbimento di una molecola bersaglio e richiede velocità di imaging molto elevate per catturare i processi dinamici di combustione.

"L'industria aeronautica è un importante contributo alle emissioni globali di anidride carbonica, quindi è necessario che le tecnologie di turbine e combustibili migliorino radicalmente", ha affermato Lengden. "Fornendo misurazioni delle emissioni completamente convalidate, il nostro nuovo metodo potrebbe aiutare l'industria a sviluppare una nuova tecnologia che riduca l'impatto ambientale dell'aviazione."

Emissioni di immagini dei motori degli aeroplani

Finora è stato impossibile immaginare la combustione della turbina su banchi di prova contenenti un grande motore di aeroplano. Per risolvere questo problema, quattro gruppi di ricerca sulla strumentazione nel Regno Unito si sono riuniti per unire le loro conoscenze sulla misurazione delle specie di gas in ambienti difficili, la tomografia delle specie chimiche e lo sviluppo di sorgenti ottiche. Questi team hanno collaborato con partner industriali per sviluppare una tecnologia utile per la ricerca e lo sviluppo industriale

"I team hanno visto l'opportunità di sviluppare una strumentazione leader a livello mondiale per l'industria aerospaziale e di comprendere le emissioni e i miglioramenti delle prestazioni dei motori su larga scala", ha affermato Lengden. "Con la tomografia delle specie chimiche, ora possiamo iniziare a 'vedere' i dettagli chimici della combustione in un vero motore di aeroplano di produzione."

Dopo anni di lavoro per mettere a punto i rapporti segnale/rumore, i metodi di acquisizione dati, le tecniche di imaging e le sorgenti ottiche, i ricercatori hanno creato la prima struttura in grado di acquisire misurazioni delle emissioni industriali su larga scala di un motore di aeroplano commerciale.

Per eseguire la tomografia di specie chimiche, 126 fasci di luce laser nel vicino infrarosso vengono fatti passare attraverso il gas da tutto il lato a molti angoli in modo da non disturbare il flusso del gas. Catturare adeguatamente lo scarico di un motore di aeroplano commerciale richiede l'imaging di un'area fino a 1,8 m di diametro. Per catturare questo, i componenti di imaging sono stati montati su un telaio di 7 m di diametro situato a soli 3 m dall'ugello di uscita del motore. I ricercatori hanno utilizzato 126 raggi ottici per ottenere una risoluzione spaziale di circa 60 mm nella regione centrale dello scarico del motore.

"La metodologia di misurazione molto raffinata che abbiamo utilizzato richiedeva una conoscenza squisita della spettroscopia dell'anidride carbonica e dei sistemi elettronici che forniscono dati molto precisi", ha affermato Lengden. "Inoltre, è stato necessario sviluppare un metodo matematico molto sofisticato per calcolare l'immagine di ciascuna specie chimica dagli assorbimenti misurati dei 126 diversi fasci che abbiamo utilizzato."

Catturare la combustione su larga scala

I ricercatori hanno utilizzato questa configurazione su larga scala per eseguire la tomografia di specie chimiche dell'anidride carbonica prodotta dalla combustione in una moderna turbina con motore a gas Rolls-Royce Trent. Questi motori sono tipicamente utilizzati su aerei a lungo raggio e contengono un combustore con 18 iniettori di carburante disposti in cerchio. Per i test, i ricercatori hanno registrato dati a frame rate di 1,25 Hz e 0,3125 Hz mentre il motore funzionava per l'intera gamma di spinta.

Le immagini risultanti hanno mostrato che, a tutti i livelli di spinta, nella regione centrale del motore era presente una struttura ad anello ad alta concentrazione di anidride carbonica. C'era anche una regione rialzata nel mezzo del pennacchio, probabilmente dovuto alla forma del motore.

I ricercatori stanno ora lavorando per adattare il nuovo strumento per consentire la misurazione quantitativa e l'imaging di altre sostanze chimiche prodotte dalla combustione delle turbine nei settori della produzione di energia sia aerospaziale che industriale e per acquisire immagini della temperatura. Ciò consentirà a ingegneri e scienziati che sviluppano nuove turbine e combustibili di comprendere meglio il processo di combustione per le tecnologie attuali e future. + Esplora ulteriormente

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