MRI-beeldversnelling versnelt straalmotorefficiëntieonderzoek

Magnetische resonantiebeeldvorming (MRI), een medische beeldvormingstechnologie die gedetailleerde 3-dimensionele data van bewegende vloeistoffen vastlegt, staat op het punt straalmotorontwerp te transformeren, aldus Luitenant-Kolonel Michael Benson, een Ph.D.-kandidaat in Werktuigbouwkunde aan Stanford University.

In een enkele MRI-scan kunnen onderzoekers dezelfde volumetrische stroom- en mengdata verkrijgen die traditioneel twee of meer jaren aan grondproeven zou kosten – wat de ontwikkelingscycli drastisch verkort en snelle optimalisatie van turbineprestaties mogelijk maakt.

Benson introduceerde het concept voor het eerst op de American Physical Society Division of Fluid Dynamics bijeenkomst in Long Beach, Calif., op 17 november. Hij legt uit dat MRI inzicht kan geven in een breed scala aan vloeistofmenguitdagingen, van verbrandingschemie tot olietransport door poreuze rots.

Zijn werk bouwt voort op pioniersstudies door Stanford-onderzoekers Christopher Elkins en John Eaton, die MRI gebruikten om koraalkolonies en turbinebladen te onderzoeken. Eaton stelde voor dat Benson de techniek toepaste op de menging van hete verbrandingsgassen en koelere bypasslucht binnen straalturbines.

Straalmotoren werken het meest efficiënt bij de hoogst mogelijke temperaturen, maar dit duwt turbinebladen – vooral die net stroomafwaarts van de verbrander – naar hun smeltpunten. Om ze te voorkomen dat ze smelten, worden de achterste randen van deze bladen extreem dun gemaakt.

„Als je ze niet actief koelt, smelten ze,” legt Benson uit. „Turbine-motoren leiden een deel van de binnenkomende lucht in slangenvormige passages die door elk blad lopen, wat koeling biedt. Wanneer de bladen te dun worden, werpen ze een dunne huidje aan de punt af en laten de lucht over de achterrand stromen.”

Wanneer de koelere lucht het blad verlaat, mengt hij zich met de hete verbranderlucht, wat de bladoppervlaktetemperatuur boven de koelstoffentemperatuur opschuift. Door dit mengproces in kaart te brengen, hoopt Benson de bypass-ontwerp te verfijnen en de hoeveelheid benodigde koelstof te verminderen, wat de motorprestaties en brandstofefficiëntie verhoogt.

Traditioneel meten onderzoekers temperatuur en snelheid van de hete en bypass-luchtstromen door de stroom te zaaien met fluorescerende kleurstoffen of oliedruppels, ze te verlichten met een laser en hun beweging op te nemen met hoge-snelheidscamera’s. Het beperkte zichtveld en diepte van het veld betekenen dat veel beeldtegels samengevoegd moeten worden om een enkel vlak te vormen, en duizenden vlakken nodig zijn om een driedimensionaal experiment te reconstrueren – een tijdrovend proces.

„Ik ken een Ph.D.-student die drie jaar aan dit type data verzamelde,” zegt Benson. „MRI kan hetzelfde volume aan data in vier tot acht uur vastleggen.”

MRI bereikt dit door protonen in waterstofmoleculen te perturberen met een elektromagnetische puls en hun snelle heruitlijning met het magnetisch veld te meten, wat volumetrische beeldvorming van het stroomveld levert.

Voor zijn experimenten gebruikt Benson een research-grade MRI-imager en beeldt water gemengd met koper(II)sulfaat – een goedkoop chemisch dat snel reageert op MRI-pulsen. Medische MRI’s vertrouwen vaak op gadolinium als contrastmiddel, maar dat is duur voor scans die uren duren.

Hoewel nog steeds aan het verfijnen van bladachterrand-ontwerpen, rapporteert Benson een vroege succes: een 10 procent toename in oppervlaktekoeling, wat vertaalt naar een 100-150 °F reductie in bladtemperatuur.