"Этот подход, который мы называем томографией химических видов, предоставляет в режиме реального времени информацию с пространственным разрешением о выбросах углекислого газа из крупномасштабного коммерческого двигателя", - сказал руководитель исследовательской группы Майкл Ленгден из Университета Стратклайда в Великобритании. "Эта информация ранее не была доступна в таком промышленном масштабе и является значительное улучшение по сравнению с текущим промышленным стандартом измерения выбросов, который включает забор газа из выхлопных газов в систему газоанализатора в другом месте ".

Исследователи сообщают о новом исследовании в журнале Optica Publishing Group. Прикладная Оптика. Томография химических соединений работает во многом так же, как компьютерная томография на основе рентгеновских лучей, используемая в медицине, за исключением того, что она использует ближний инфракрасный лазерный луч, настроенный на длину волны поглощения молекулы-мишени, и требует очень высокой скорости визуализации для захвата динамических процессов горения.

"Авиационная промышленность вносит основной вклад в глобальные выбросы углекислого газа, поэтому существует необходимость в радикальном улучшении турбинных и топливных технологий", - сказал Ленгден. "Предоставляя полностью подтвержденные измерения выбросов, наш новый метод может помочь отрасли разработать новую технологию, которая снижает воздействие авиации на окружающую среду".

Визуализация выбросов от авиационных двигателей

До сих пор было невозможно изобразить горение турбины на испытательных стендах, содержащих большой авиационный двигатель. Чтобы решить эту проблему, четыре исследовательские группы по приборостроению в Великобритании объединили свои знания в области измерения газовых частиц в суровых условиях, томографии химических частиц и разработки оптических источников. Эти команды работали с промышленными партнерами над разработкой технологии, которая была бы применима для промышленных исследований и разработок

"Команды увидели возможность разработать ведущие мировые приборы для аэрокосмической промышленности и понять выбросы и улучшения производительности крупномасштабных двигателей", - сказал Ленгден. "С помощью томографии химических соединений мы теперь можем начать "видеть" химические детали сгорания в реальном серийном авиационном двигателе".

После многих лет работы над точной настройкой отношения сигнал/шум, методов сбора данных, методов визуализации и оптических источников исследователи создали первое устройство, способное проводить измерения промышленных выбросов в больших масштабах двигателя коммерческого самолета.

Чтобы выполнить химическую томографию, 126 пучков лазерного излучения ближнего инфракрасного диапазона пропускаются через газ со всех сторон под разными углами таким образом, чтобы не нарушать поток газа. Для адекватного улавливания выхлопа двигателя коммерческого самолета требуется визуализация области диаметром до 1,8 м. Чтобы запечатлеть это, компоненты изображения были установлены на раме диаметром 7 м, расположенной всего в 3 м от выходного сопла двигателя. Исследователи использовали 126 оптических лучей для достижения пространственного разрешения около 60 мм в центральной области выхлопа двигателя.

"Очень тонкая методология измерений, которую мы использовали, требовала тонкого знания спектроскопии диоксида углерода и электронных систем, которые обеспечивают очень точные данные", - сказал Ленгден. "Кроме того, необходимо было разработать очень сложный математический метод для вычисления изображения каждого химического вида на основе измеренных поглощений 126 различных лучей, которые мы использовали".

Улавливание горения в больших масштабах

Исследователи использовали эту крупномасштабную установку для проведения томографии химического состава углекислого газа, образующегося при сгорании в турбине современного газового двигателя Rolls-Royce Trent. Эти двигатели обычно используются на дальнемагистральных самолетах и содержат камеру сгорания с 18 топливными форсунками, расположенными по кругу. Для проведения тестов исследователи записывали данные с частотой кадров 1,25 Гц и 0,3125 Гц, в то время как двигатель работал во всем диапазоне тяги.

Полученные изображения показали, что при всех уровнях тяги в центральной области двигателя присутствовала кольцевая структура с высокой концентрацией углекислого газа. В середине шлейфа также была приподнятая область, которая, вероятно, была обусловлена формой двигателя.

В настоящее время исследователи работают над адаптацией нового прибора для количественного измерения и визуализации других химических веществ, образующихся при сгорании в турбинах как в аэрокосмическом, так и в промышленном секторах производства электроэнергии, а также для получения изображений температуры. Это позволит инженерам и ученым, разрабатывающим новые турбины и виды топлива, лучше понять процесс сгорания для существующих и будущих технологий.

В состав проектной группы входят университеты Стратклайда, Эдинбурга, Манчестера, Саутгемптона, Лафборо и Шеффилда; производитель авиационных двигателей Rolls-Royce; производитель промышленных газотурбинных двигателей Siemens; производитель лазерных приборов OptoSci Ltd.; и производители систем визуализации M Squared Lasers и Tracerco.