Les chercheurs ont utilisé une nouvelle technique d'imagerie par lumière proche infrarouge pour capturer les premières images en coupe transversale du dioxyde de carbone dans le panache d'échappement d'un moteur à réaction commercial. Cette nouvelle technologie de pointe pourrait contribuer à accélérer la recherche sur la combustion des turbines visant à développer des moteurs et des carburants d'aviation plus respectueux de l'environnement.

"Cette approche, que nous appelons la tomographie des espèces chimiques, fournit des informations spatialement résolues en temps réel sur les émissions de dioxyde de carbone d'un moteur commercial à grande échelle", a déclaré le chef de l'équipe de recherche Michael Lengden de l'Université de Strathclyde au Royaume-Uni. "Cette information n'a pas était disponible auparavant à cette échelle industrielle et constitue une grande amélioration par rapport à la mesure des émissions standard actuelle de l'industrie, qui consiste à amener les gaz de l'échappement vers un système d'analyse de gaz situé à un autre endroit."

Les chercheurs rapportent la nouvelle recherche en Applied Optics . La tomographie des espèces chimiques fonctionne un peu comme les tomodensitogrammes à rayons X utilisés en médecine, sauf qu'elle utilise une lumière laser proche infrarouge réglée sur la longueur d'onde d'absorption d'une molécule cible et nécessite des vitesses d'imagerie très rapides pour capturer les processus dynamiques de combustion.

"L'industrie aéronautique est un contributeur majeur aux émissions mondiales de dioxyde de carbone, il est donc nécessaire que les technologies des turbines et des carburants s'améliorent radicalement", a déclaré Lengden. "En fournissant des mesures d'émissions entièrement validées, notre nouvelle méthode pourrait aider l'industrie à développer une nouvelle technologie qui réduit l'impact environnemental de l'aviation."

Imagerie des émissions des moteurs d'avion

Jusqu'à présent, il était impossible d'imager la combustion d'une turbine sur des bancs d'essai contenant un gros moteur d'avion. Pour résoudre ce problème, quatre groupes de recherche en instrumentation au Royaume-Uni se sont réunis pour combiner leurs connaissances en matière de mesure des espèces de gaz dans des environnements difficiles, de tomographie des espèces chimiques et de développement de sources optiques. Ces équipes ont travaillé avec des partenaires industriels pour développer une technologie qui serait pratique pour la recherche et le développement industriels

"Les équipes ont vu une opportunité de développer une instrumentation de pointe pour l'industrie aérospatiale et de comprendre les améliorations des émissions et des performances des moteurs à grande échelle", a déclaré Lengden. "Grâce à la tomographie des espèces chimiques, nous pouvons désormais commencer à 'voir' les détails chimiques de la combustion dans un moteur d'avion de production réel."

Après des années de travail pour affiner les rapports signal sur bruit, les méthodes d'acquisition de données, les techniques d'imagerie et les sources optiques, les chercheurs ont créé la première installation capable d'acquérir des mesures d'émissions industrielles à grande échelle d'un moteur d'avion commercial.

Pour effectuer la tomographie des espèces chimiques, 126 faisceaux de lumière laser proche infrarouge traversent le gaz de tout le côté sous de nombreux angles de manière à ne pas perturber le flux de gaz. La capture adéquate des gaz d'échappement d'un moteur d'avion commercial nécessite l'imagerie d'une zone pouvant atteindre 1,8 m de diamètre. Pour capturer cela, les composants d'imagerie ont été montés sur un cadre de 7 m de diamètre situé à seulement 3 m de la tuyère de sortie du moteur. Les chercheurs ont utilisé 126 faisceaux optiques pour obtenir une résolution spatiale d'environ 60 mm dans la région centrale de l'échappement du moteur.

"La méthodologie de mesure très raffinée que nous avons utilisée exigeait une connaissance approfondie de la spectroscopie du dioxyde de carbone et des systèmes électroniques qui fournissent des données très précises", a déclaré Lengden. "De plus, une méthode mathématique très sophistiquée a dû être développée pour calculer l'image de chaque espèce chimique à partir des absorptions mesurées des 126 faisceaux différents que nous avons utilisés."

Capter la combustion à grande échelle

Les chercheurs ont utilisé cette configuration à grande échelle pour effectuer une tomographie des espèces chimiques du dioxyde de carbone produit par la combustion dans une turbine de moteur à gaz Rolls-Royce Trent moderne. Ces moteurs sont généralement utilisés sur les avions long-courriers et contiennent une chambre de combustion avec 18 injecteurs de carburant disposés en cercle. Pour les tests, les chercheurs ont enregistré des données à des fréquences d'images de 1,25 Hz et 0,3125 Hz pendant que le moteur fonctionnait sur toute la plage de poussée.

Les images résultantes ont montré qu'à tous les niveaux de poussée, une structure annulaire à forte concentration de dioxyde de carbone était présente dans la région centrale du moteur. Il y avait aussi une zone surélevée au milieu du panache, probablement due à la forme du moteur.

Les chercheurs travaillent maintenant à adapter le nouvel instrument pour permettre la mesure quantitative et l'imagerie d'autres produits chimiques produits par la combustion des turbines dans les secteurs de la production d'énergie aérospatiale et industrielle, et pour capturer des images de température. Cela permettra aux ingénieurs et scientifiques développant de nouvelles turbines et de nouveaux carburants de mieux comprendre le processus de combustion pour les technologies actuelles et futures. + Explorer plus loin

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