Straalmotor te warm? Plan een MRI

Magnetische resonantiebeeldvorming (MRI), een medische beeldvormingstechnologie die wordt gebruikt om organen en zachte weefsels in beeld te brengen, kan de sleutel zijn tot het verbeteren van de efficiëntie van straalmotoren, volgens luitenant-kolonel Michael Benson, een Ph.D. student Werktuigbouwkunde aan de Stanford University.

In slechts een paar uur tijd verzamelt een MRI evenveel driedimensionale gegevens over stroming en menging als conventionele methoden die twee of meer jaar intensieve meting vergen. Dit belooft de tijd te verkorten die nodig is om nieuwe ontwerpen te ontwikkelen en te testen die de efficiëntie en prestaties verbeteren, wat energiebesparingen belooft.

Benson gebruikt MRI's om de efficiëntie van straalmotoren te verbeteren - werk dat hij op 17 november beschreef tijdens de bijeenkomst van de American Physical Society Division of Fluid Dynamics (DFD) in Long Beach, Californië. De techniek zou ook inzicht kunnen verschaffen in andere problemen met het mengen van vloeistoffen, variërend van verbranding tot de stroom van olie door poreus gesteente in een put.

De studie van Benson is een van de eerste die een MRI gebruikt om stroomgegevens te verzamelen. De techniek werd ontwikkeld door Stanford-onderzoekers Christopher Elkins en John Eaton, die het gebruikten om koraalkolonies en turbinebladen te bestuderen. Eaton stelde voor dat Benson, die momenteel in het leger zit, de techniek zou gebruiken om de vermenging van hete verbrandings- en koelgassen in straalturbines te analyseren.

Straalmotoren zijn efficiënter als ze heter worden. In feite lopen de bladen net stroomafwaarts van de verbrandingskamer van de motor heel dicht bij hun smeltpunt. Om de efficiëntie te maximaliseren, zijn de achterranden van deze mesjes flinterdun.

"Als je ze niet actief afkoelt, smelten ze", zei Benson.

Turbinemotoren koelen de bladen door wat inkomende lucht om te leiden naar een reeks slangachtige doorgangen die door elk blad lopen.

"Op een gegeven moment worden de bladen te dun om dat te doen, zodat ze wat huid aan het uiteinde van het blad afpellen en de lucht over de achterrand laten lopen," zei Benson.

Wanneer die koelere lucht het blad verlaat, vermengt het zich met de hete lucht uit de verbrandingskamer, waardoor de temperatuur van het bladoppervlak boven de koelvloeistoftemperatuur stijgt. Door te analyseren hoe de hete lucht en de bypass-lucht zich vermengen, hoopt Benson het ontwerp van de bypass te optimaliseren en de benodigde hoeveelheid koelvloeistof te verminderen. Dit zou de motorprestaties en het brandstofverbruik verbeteren.

Dit type analyse begint met het meten van de temperatuur en snelheid van de hete en bypass-luchtstromen terwijl ze zich mengen. Dat doen onderzoekers door kleine deeltjes, zoals fluorescerende kleurstoffen of oliedruppels, los te laten en daar met een laser op te slaan. Dit verlicht de deeltjes, waarvan de posities worden vastgelegd op een hogesnelheidscamera. Een computer analyseert vervolgens de afbeeldingen en berekent de locatie en snelheid van de deeltjes.

Helaas leggen de camera's slechts een klein gebied of tegel tegelijk vast. Ze hebben ook een zeer kleine scherptediepte, het afstandsbereik waar de foto's scherp genoeg zijn voor analyse. Als gevolg hiervan moeten alle tegels aan elkaar worden genaaid tot een afbeelding van een enkel vlak. Om een ​​driedimensionaal experiment te visualiseren, moeten veel vlakken worden gegenereerd en aan elkaar worden genaaid.

Dit kost tijd. "Ik ken een promovendus die drie jaar bezig was met het verzamelen van dit soort gegevens," zei Benson.

De MRI legt dezelfde hoeveelheid gegevens vast in vier tot acht uur, vervolgde hij. Dit komt omdat MRI's zijn ontworpen om driedimensionale objecten in beeld te brengen. Ze doen dit door de protonen in waterstofmoleculen systematisch te verstoren met een elektromagnetische puls en hun locaties te meten terwijl ze zich snel opnieuw uitlijnen met het magnetische veld.

Benson gebruikt een MRI-imager van onderzoekskwaliteit om zijn experimenten uit te voeren. De MRI beeldt water af dat is vermengd met kopersulfaat, een goedkope chemische stof die vaak wordt gebruikt om algen in vijvers te doden, wat zorgt voor een snelle reactie op de pulsen.

"Medische MRI's gebruiken vaak gadolinium als contrastmiddel, maar dat is erg duur, vooral als je vloeistof moet toedienen voor een scan die uren duurt," zei Benson.

Hoewel Benson nog steeds de ontwerpen van de blade-trailing edge analyseert, heeft hij al vooruitgang geboekt. "Ik ben al in staat om de oppervlaktekoeling met 10 procent te verhogen, wat overeenkomt met een verlaging van de bladtemperatuur van 100 tot 150 graden Fahrenheit," zei hij.