La resonancia magnética acelera la investigación de eficiencia de motores a reacción

La resonancia magnética (RM), una tecnología de imagen médica que captura datos tridimensionales detallados de fluidos en movimiento, está llamada a transformar el diseño de motores a reacción, dice el Teniente Coronel Michael Benson, candidato a doctorado en Ingeniería Mecánica en la Universidad de Stanford.

En una sola exploración RM, los investigadores pueden adquirir los mismos datos volumétricos de flujo y mezcla que tradicionalmente requieren dos o más años de experimentos en tierra —acortando drásticamente los ciclos de desarrollo y permitiendo optimización rápida del rendimiento de turbinas.

Benson presentó el concepto por primera vez en la reunión de la División de Dinámica de Fluidos de la American Physical Society en Long Beach, California, el 17 de noviembre. Explica que la RM puede proporcionar información sobre una amplia gama de desafíos de mezcla de fluidos, desde química de combustión hasta transporte de petróleo a través de roca porosa.

Su trabajo se basa en estudios pioneros de los investigadores de Stanford Christopher Elkins y John Eaton, quienes usaron RM para examinar colonias de coral y álabes de turbina. Eaton sugirió que Benson aplicara la técnica a la mezcla de gases de combustión calientes y aire de bypass más frío dentro de turbinas de reacción.

Los motores a reacción operan más eficientemente a las temperaturas más altas posibles, pero esto empuja a los álabes de turbina —especialmente los justo aguas abajo del combustor— cerca de sus puntos de fusión. Para evitar que se fundan, los bordes de fuga de estos álabes se fabrican extremadamente delgados.

"Si no los refrigera activamente, se funden", explica Benson. "Los motores de turbina desvían parte del aire entrante en pasajes serpenteantes que recorren cada álabe, proporcionando refrigeración. Cuando los álabes se vuelven demasiado delgados, desprenden una fina piel en la punta y dejan que el aire fluya sobre el borde de fuga."

Cuando el aire más frío sale del álabe, se mezcla con el aire caliente del combustor, elevando la temperatura de la superficie del álabe por encima de la temperatura del refrigerante. Al mapear este proceso de mezcla, Benson espera refinar el diseño de bypass y reducir la cantidad de refrigerante requerida, aumentando así el rendimiento del motor y la eficiencia de combustible.

Tradicionalmente, los investigadores miden temperatura y velocidad de los flujos de aire caliente y de bypass sembrando el flujo con colorantes fluorescentes o gotas de aceite, iluminándolos con un láser y grabando su movimiento con cámaras de alta velocidad. El campo de visión limitado y la poca profundidad de campo significan que muchas teselas de imagen deben coserse para formar un solo plano, y se necesitan docenas de planos para reconstruir un experimento tridimensional —un proceso que consume mucho tiempo.

"Conozco a un estudiante de doctorado que pasó tres años recopilando este tipo de datos", dice Benson. "La RM puede capturar el mismo volumen de datos en cuatro a ocho horas."

La RM logra esto perturbando protones en moléculas de hidrógeno con un pulso electromagnético y midiendo su rápida realineación con el campo magnético, proporcionando imagen volumétrica del campo de flujo.

Para sus experimentos, Benson usa un generador de imágenes RM de grado de investigación e imagen agua mezclada con sulfato de cobre —un químico de bajo coste que reacciona rápidamente a los pulsos RM. Las RM médicas a menudo dependen de gadolinio como agente de contraste, pero eso es costoso para exploraciones que duran horas.

Aunque aún está refinando diseños de bordes de fuga de álabes, Benson reporta un éxito temprano: un aumento del 10 por ciento en refrigeración de superficie, traduciéndose en una reducción de 100-150 °F en temperatura del álabe.