U.S. Army Research Laboratorys Center for Unmanned Aircraft Systems Propulsion gjorde en historisk förstagång med sitt experiment i en gasturbinbrännare med röntgenstrålning. Data kommer att hjälpa till att utveckla gasturbinmotorer för högre effekttäthet och effektivitet, sa forskare.

"Detta är den starkaste röntgenkällan i världen, " sa Dr Tonghun Lee, en docent vid Institutionen för mekanisk vetenskap och teknik University of Illinois i Urbana-Champaign, som nyligen gått samman med ARL.

Lee och hans doktorander, tillsammans med partners från ARL Center for UAS Propulsion, etablerade sig i det amerikanska energidepartementets avancerade fotonkälla vid Argonne National Laboratory i Illinois, resulterade i ett unikt experiment, som fortsatte till och med den 11 april.

"Vi är här för att göra spraybilder inuti en gasturbinbrännare som är relevant för armén, " sa Lee.

Lee sa att deras experiment härmade vad som händer inuti en typisk arméhelikopters gasturbinmotor.

Inuti en gasturbinmotor, en brännare tillförs högtrycksluft som värms upp av konstant tryck. Efter uppvärmning, luften passerar från förbrännaren genom munstycksledskovlarna till turbinen, producerar dragkraft. Brännkammare spelar en avgörande roll för att bestämma många av en motors driftsegenskaper, såsom effekttäthet, bränsleeffektivitet och utsläppsnivåer.

"Vi hade en förbränning på gång, vilket görs för första gången någonsin på APS och vi avbildar sprayupplösningen i spetsen av injektorn med hjälp av en röntgenkälla, ", sa han. "Typiskt är det området där vätskan bryts upp väldigt tät och det är svårt att avbilda något där inne."

Genom att använda världens mest kraftfulla röntgenkälla, laget kunde penetrera och förstå hur ligamenten, eller strängar av brinnande bränsle, bryts upp i små droppar.

"Vi försöker förstå exakt vad som händer inuti gasturbinens brännare för att förstå hur den reagerar på olika driftsförhållanden, " sa Lee.

De data som samlas in under detta experiment kommer att bli de initiala förutsättningarna för numeriska simuleringar som kommer att öka förståelsen av gasturbinförbrännare.

"Vi försöker få en förståelse för fysiken, som vi har spekulerat i fram till idag, vi kan verkligen visualisera med denna röntgenkälla, " sa han. "Vi vill förstå vad vi gör just nu, förstå bränslepåverkan. När soldater är iväg på en annan plats och de har olika typer av bränsle, hur kommer det att påverka brännaren de har?"

Professorn sa på lite längre sikt, han hoppas att data från experimentet gör det möjligt för forskare att designa mer optimerade förbränningssystem för framtiden.

"The Advance Photon Source har lagt ner mycket ansträngning under det senaste decenniet eller så på att spraydroppar bryts upp. Och aldrig har det gjorts i en levande förbränningsmiljö, "Så vi gjorde hårdvaran för att få det att hända och det här är faktiskt första gången det någonsin har gjorts live med ett förbränningsflöde i en brännare."

Lä, medan han förblir fakultetsmedlem vid UIUC, accepterade nyligen en ytterligare tjänst som forskare på laboratoriets regionkontor i Illinois, ARL Central. Armén etablerade ARL Central i november 2017, som en förlängning av dess Maryland-baserade huvudkontor med målet att utnyttja regionala vetenskaps- och tekniktalanger.

"Det var fantastiskt att se ett team av ARL, Forskare från UIUC och Argonne arbetar tillsammans med den unika förmågan vid Advanced Photon Source för att få oöverträffad insikt i bränsleinsprutning och förbränningsprocessen, " sa ARL Central Regional Lead Dr. Mark Tschopp. "Det var så spännande att se det här nya experimentet i första hand eftersom det symboliserar vad ARL Central handlar om – partnerskap för att påskynda upptäckt och innovation för framtida arméapplikationer."

Experimentet var den första bedriften av labbets nya 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, han sa.

"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 , " han sa.