Le Center for Unmanned Aircraft Systems Propulsion du Laboratoire de recherche de l'armée américaine a réalisé une première historique avec son expérience dans une chambre de combustion de turbine à gaz utilisant des rayons X. Les données aideront à faire progresser la conception des moteurs à turbine à gaz pour une densité de puissance et une efficacité plus élevées, ont dit les scientifiques.

"C'est la source de rayons X la plus puissante au monde, " a déclaré le Dr Tonghun Lee, professeur agrégé au Département des sciences mécaniques et de l'ingénierie de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, qui s'est récemment associé à ARL.

Lee et ses étudiants diplômés, avec les partenaires de l'ARL Center for UAS Propulsion, s'installer dans la source avancée de photons du département de l'Énergie des États-Unis au Laboratoire national d'Argonne dans l'Illinois, résultant en une expérience unique, qui s'est poursuivi jusqu'au 11 avril.

"Nous sommes ici pour faire de l'imagerie par pulvérisation à l'intérieur d'une chambre de combustion de turbine à gaz en fonction de l'armée, " dit Lee.

Lee a déclaré que leur expérience imitait ce qui se passe à l'intérieur d'un moteur à turbine à gaz d'hélicoptère typique de l'armée.

A l'intérieur d'un moteur à turbine à gaz, une chambre de combustion est alimentée en air à haute pression qui est chauffé par une pression constante. Après chauffage, l'air passe de la chambre de combustion à travers les aubes directrices de tuyère jusqu'à la turbine, produisant une poussée. Les chambres de combustion jouent un rôle crucial dans la détermination de nombreuses caractéristiques de fonctionnement d'un moteur, comme la densité de puissance, l'efficacité énergétique et les niveaux d'émissions.

"Nous avions une combustion en cours, ce qui est fait pour la première fois chez APS et nous imaginons la rupture de pulvérisation à l'extrémité de l'injecteur à l'aide d'une source de rayons X, ", a-t-il déclaré. "Généralement, la région où le liquide se décompose est très dense et il est difficile d'imager quoi que ce soit à l'intérieur."

En utilisant la source de rayons X la plus puissante au monde, l'équipe a pu pénétrer et comprendre comment les ligaments, ou des brins de combustible brûlant, se décompose en petites gouttelettes.

"Nous essayons de comprendre exactement ce qui se passe à l'intérieur de la chambre de combustion de la turbine à gaz pour comprendre comment elle réagit aux différentes conditions de fonctionnement, " dit Lee.

Les données recueillies au cours de cette expérience deviendront les conditions initiales de simulations numériques qui permettront de mieux comprendre les chambres de combustion des turbines à gaz.

"Nous essayons de comprendre la physique, ce que nous avons spéculé jusqu'à ce jour, nous pouvons vraiment visualiser en utilisant cette source de rayons X, " dit-il. " Nous voulons comprendre ce que nous faisons en ce moment, comprendre l'impact du carburant. Lorsque les soldats sont à un endroit différent et qu'ils ont différents types de carburants, quel impact cela aura-t-il sur la chambre de combustion qu'ils ont ?"

Le professeur a dit à un peu plus long terme, il espère que les données de l'expérience permettront aux chercheurs de concevoir des systèmes de combustion plus optimisés pour l'avenir.

"La source de photons Advance a consacré beaucoup d'efforts au cours de la dernière décennie à la rupture des gouttelettes de pulvérisation. Et cela n'a jamais été fait dans un environnement de combustion en direct, " a déclaré Lee. " Nous avons donc créé le matériel pour y arriver et c'est en fait la première fois que cela a été fait en direct avec un flux de combustion dans une chambre de combustion. "

Lee, tout en restant professeur à l'UIUC, a récemment accepté un poste supplémentaire en tant que chercheur au bureau régional du laboratoire dans l'Illinois, ARL Centrale. L'armée a créé l'ARL Central en novembre 2017, comme une extension de son siège social basé dans le Maryland dans le but de tirer parti des talents régionaux en science et technologie.

"C'était super de voir une équipe d'ARL, Les chercheurs de l'UIUC et d'Argonne travaillant ensemble avec la capacité unique de la source avancée de photons pour obtenir un aperçu sans précédent du processus d'injection et de combustion de carburant, " a déclaré Mark Tschopp, responsable régional de l'ARL Central. " C'était tellement excitant de voir cette nouvelle expérience de première main car elle symbolise ce qu'est l'ARL Central :un partenariat pour accélérer la découverte et l'innovation pour les futures applications de l'armée. "

L'expérience était la première réalisation du nouveau Centre de propulsion UAS du laboratoire, qui a donné le coup d'envoi à un partenariat massif entre les universités et l'industrie. L'ARL a organisé une coupure de ruban pour le centre le 2 avril.

"Je suis très heureux de réaliser cette expérience historique juste après la cérémonie d'inauguration du Center for UAS Propulsion, " a déclaré le fondateur du centre, le 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, il a dit.

"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 , " il a dit.