Forskare har använt en ny avbildningsteknik för nära infrarött ljus för att fånga de första tvärsnittsbilderna av koldioxid i avgasplymen på en kommersiell jetmotor. Denna nya toppmoderna teknik kan hjälpa till att påskynda forskning om turbinförbränning som syftar till att utveckla motorer och flygbränslen som är mer miljövänliga.

"Det här tillvägagångssättet, som vi kallar kemisk arttomografi, ger rumsligt upplöst information i realtid för koldioxidutsläpp från en storskalig kommersiell motor", säger forskargruppsledaren Michael Lengden från University of Strathclyde i Storbritannien. "Denna information har inte varit tillgänglig tidigare i denna industriella skala och är en stor förbättring jämfört med den nuvarande industristandardens utsläppsmätning, som innebär att man tar gas från avgaserna till ett gasanalyssystem på en annan plats."

Forskarna rapporterar den nya forskningen i Applied Optics . Kemisk arttomografi fungerar ungefär som de röntgenbaserade CT-skanningar som används inom medicin, förutom att den använder nära-infrarött laserljus avstämt till absorptionsvåglängden för en målmolekyl och kräver mycket snabba bildhastigheter för att fånga de dynamiska förbränningsprocesserna.

"Flygindustrin är en stor bidragsgivare till globala koldioxidutsläpp så det finns ett behov av att turbin- och bränsletekniker förbättras radikalt", säger Lengden. "Genom att tillhandahålla fullt validerade utsläppsmätningar kan vår nya metod hjälpa industrin att utveckla ny teknik som minskar flygets miljöpåverkan."

Bildutsläpp från flygplansmotorer

Hittills har det varit omöjligt att avbilda turbinförbränning på testriggar som innehåller en stor flygplansmotor. För att lösa detta problem samlades fyra instrumenteringsforskningsgrupper i Storbritannien för att kombinera sina kunskaper inom gasartermätning i tuffa miljöer, kemisk arttomografi och utveckling av optiska källor. Dessa team arbetade med industriella partners för att utveckla teknik som skulle vara praktisk för industriell forskning och utveckling

"Teamen såg en möjlighet att utveckla världsledande instrumentering för flygindustrin och att förstå utsläpp och prestandaförbättringar från storskaliga motorer", säger Lengden. "Med kemisk arttomografi kan vi nu börja "se" den kemiska detaljen av förbränning i en verklig produktionsflygplansmotor."

Efter år av arbete med att finjustera signal-brus-förhållanden, datainsamlingsmetoder, avbildningstekniker och optiska källor, skapade forskarna den första anläggningen som kan göra industriella utsläppsmätningar i stor skala av en kommersiell flygplansmotor.

För att utföra kemisk arttomografi lyser 126 strålar av nära-infrarött laserljus genom gasen från hela sidan i många vinklar på ett sätt som inte stör gasflödet. För att fånga avgaserna från en kommersiell flygplansmotor på ett tillfredsställande sätt krävs avbildning av ett område på upp till 1,8 m i diameter. För att fånga detta monterades bildbehandlingskomponenterna på en ram med en diameter på 7 m, belägen bara 3 m från motorns utgångsmunstycke. Forskarna använde 126 optiska strålar för att uppnå en rumslig upplösning på cirka 60 mm i det centrala området av motoravgaserna.

"Den mycket förfinade mätmetodiken vi använde krävde en utsökt kunskap om koldioxidspektroskopi och elektroniksystemen som ger mycket exakta data", säger Lengden. "Dessutom behövde en mycket sofistikerad matematisk metod utvecklas för att beräkna varje kemisk artbild från de uppmätta absorptionerna av de 126 olika strålarna vi använde."

Fånga förbränning i stor skala

Forskarna använde denna storskaliga installation för att utföra kemisk arttomografi av koldioxid producerad genom förbränning i en modern Rolls-Royce Trent-gasmotorturbin. Dessa motorer används vanligtvis på långdistansflygplan och innehåller en brännkammare med 18 bränsleinsprutare arrangerade i en cirkel. För testerna registrerade forskare data med bildhastigheter på 1,25 Hz och 0,3125 Hz medan motorn kördes över hela dragkraftsområdet.

De resulterande bilderna visade att, vid alla dragkraftsnivåer, fanns en ringstruktur med hög koldioxidkoncentration i den centrala delen av motorn. Det fanns också ett upphöjt område i mitten av plymen, vilket troligen berodde på motorns form.

Forskarna arbetar nu med att anpassa det nya instrumentet för att möjliggöra kvantitativ mätning och avbildning av andra kemikalier som produceras av turbinförbränning i både flyg- och industrisektorn för kraftgenerering, och för att fånga bilder av temperatur. Detta kommer att göra det möjligt för ingenjörer och forskare som utvecklar nya turbiner och bränslen att bättre förstå förbränningsprocessen för nuvarande och framtida teknologier. + Utforska vidare

Elektriska flygplan kommer:Regionala flyg med korta hopp kan köras på batteri om några år