¿Motor a reacción demasiado caliente? Programe una resonancia magnética

La resonancia magnética (MRI), una tecnología de imágenes médicas utilizada para obtener imágenes de órganos y tejidos blandos, puede ser la clave para mejorar la eficiencia de los motores a reacción, según el teniente coronel Michael Benson, Ph.D. estudiante de Ingeniería Mecánica en la Universidad de Stanford.

En solo unas pocas horas, una resonancia magnética recopila tantos datos tridimensionales sobre el flujo y la mezcla como los métodos convencionales que requieren dos o más años de medición intensiva. Esto promete reducir el tiempo necesario para desarrollar y probar nuevos diseños que mejoren la eficiencia y el rendimiento, prometiendo ahorros de energía.

Benson está utilizando resonancias magnéticas para mejorar la eficiencia del motor a reacción; trabajo que describió el 17 de noviembre en la reunión de la División de Dinámica de Fluidos (DFD) de la Sociedad Física Estadounidense en Long Beach, California. La técnica también podría proporcionar información sobre otros problemas de mezcla de fluidos, que van desde la combustión hasta el flujo de petróleo a través de una roca porosa en un pozo.

El estudio de Benson es uno de los primeros en utilizar una resonancia magnética para recopilar datos de flujo. La técnica fue iniciada por los investigadores de Stanford Christopher Elkins y John Eaton, quienes la utilizaron para estudiar colonias de coral y álabes de turbinas. Eaton sugirió que Benson, actualmente en el Ejército, use la técnica para analizar la mezcla de gases calientes de combustión y enfriamiento en turbinas a reacción.

Los motores a reacción son más eficientes cuando funcionan más calientes. De hecho, las palas que se encuentran aguas abajo de la cámara de combustión del motor funcionan muy cerca de su punto de fusión. Para maximizar la eficiencia, los bordes posteriores de estas hojas son delgados como una navaja.

"Si no los enfrías activamente, se derriten", dijo Benson.

Los motores de turbina enfrían las palas al desviar parte del aire entrante a una serie de pasajes en forma de serpiente que atraviesan cada pala.

"En algún momento, las hojas se vuelven demasiado delgadas para hacer eso, por lo que pelan un poco de piel en el extremo de la hoja y dejan que el aire corra por el borde de fuga", dijo Benson.

Cuando ese aire más frío sale de la cuchilla, se mezcla con el aire caliente de la cámara de combustión, aumentando la temperatura de la superficie de la cuchilla por encima de la temperatura del refrigerante. Al analizar cómo se mezclan el aire caliente y el de derivación, Benson espera optimizar el diseño de derivación y reducir la cantidad requerida de refrigerante. Esto mejoraría el rendimiento del motor y la eficiencia del combustible.

Este tipo de análisis comienza midiendo la temperatura y la velocidad de las corrientes de aire caliente y de derivación a medida que se mezclan. Los investigadores hacen esto liberando pequeñas partículas, como tintes fluorescentes o gotitas de aceite, y golpeándolas con un láser. Esto ilumina las partículas, cuyas posiciones son captadas por una cámara de alta velocidad. Luego, una computadora analiza las imágenes y calcula la ubicación y la velocidad de las partículas.

Desafortunadamente, las cámaras capturan solo un área pequeña, o mosaico, a la vez. También tienen una profundidad de campo muy estrecha, el rango de distancia donde las fotos son lo suficientemente nítidas para el análisis. Como resultado, todas las baldosas deben coserse juntas en una imagen de un solo plano. Para visualizar un experimento tridimensional, es necesario generar y unir muchos planos.

Esto lleva tiempo. "Conozco a un estudiante de doctorado que pasó tres años recopilando este tipo de datos", dijo Benson.

La resonancia magnética captura la misma cantidad de datos en cuatro a ocho horas, continuó. Esto se debe a que las resonancias magnéticas están diseñadas para obtener imágenes de objetos tridimensionales. Lo hacen perturbando sistemáticamente los protones dentro de las moléculas de hidrógeno con un pulso electromagnético y midiendo sus ubicaciones a medida que se realinean rápidamente con el campo magnético.

Benson utiliza un generador de imágenes de resonancia magnética de grado de investigación para realizar sus experimentos. La resonancia magnética toma imágenes de agua mezclada con sulfato de cobre, un químico de bajo costo que se usa a menudo para matar algas en estanques, que proporciona una respuesta rápida a los pulsos.

"Las resonancias magnéticas médicas a menudo usan gadolinio como agente de contraste, pero eso es realmente costoso, especialmente si está alimentando líquido para una exploración que dura horas", dijo Benson.

Aunque Benson todavía está analizando los diseños del borde de fuga de las palas, ya ha progresado. "Ya puedo aumentar el enfriamiento de la superficie en un 10 por ciento, lo que equivale a una reducción de la temperatura de la hoja de 100 a 150 grados Fahrenheit", dijo.