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Düsentriebwerk zu heiß? Planen Sie eine MRT

Laut Lt. Colonel Michael Benson, einem Ph.D. Student in Maschinenbau an der Stanford University.

In nur wenigen Stunden sammelt ein MRT so viele dreidimensionale Daten zu Strömung und Durchmischung wie konventionelle Verfahren, die zwei oder mehr Jahre intensiver Messung erfordern. Dies verspricht, die Zeit zu verkürzen, die benötigt wird, um neue Designs zu entwickeln und zu testen, die die Effizienz und Leistung verbessern und Energieeinsparungen versprechen.

Benson verwendet MRTs, um die Effizienz von Düsentriebwerken zu verbessern – eine Arbeit, die er am 17. November auf dem Treffen der American Physical Society Division of Fluid Dynamics (DFD) in Long Beach, Kalifornien, beschrieben hat der Ölfluss durch poröses Gestein in einem Bohrloch.

Bensons Studie ist eine der ersten, die ein MRT verwendet, um Flussdaten zu sammeln. Die Technik wurde von den Stanford-Forschern Christopher Elkins und John Eaton entwickelt, die damit Korallenkolonien und Turbinenschaufeln untersuchten. Eaton schlug vor, dass Benson, derzeit in der Armee, die Technik zur Analyse der Mischung heißer Verbrennungs- und Kühlgase in Strahlturbinen verwendet.

Düsentriebwerke sind effizienter, wenn sie heißer laufen. Tatsächlich laufen die Schaufeln direkt hinter der Brennkammer des Triebwerks sehr nahe an ihrem Schmelzpunkt. Um die Effizienz zu maximieren, sind die Hinterkanten dieser Klingen hauchdünn.

„Wenn man sie nicht aktiv kühlt, schmelzen sie“, sagte Benson.

Turbinentriebwerke kühlen die Schaufeln, indem sie etwas einströmende Luft in eine Reihe von schlangenartigen Durchgängen umleiten, die durch jede Schaufel verlaufen.

„Irgendwann werden die Klingen dafür zu dünn, sodass sie am Ende der Klinge etwas Haut abziehen und die Luft über die Hinterkante strömen lassen“, sagte Benson.

Wenn diese kühlere Luft die Schaufel verlässt, vermischt sie sich mit der heißen Luft aus der Brennkammer, wodurch die Temperatur der Schaufeloberfläche über die Kühlmitteltemperatur steigt. Durch die Analyse der Mischung von Heiß- und Bypassluft hofft Benson, das Bypass-Design zu optimieren und die erforderliche Kühlmittelmenge zu reduzieren. Dies würde die Motorleistung und die Kraftstoffeffizienz steigern.

Diese Art der Analyse beginnt mit der Messung der Temperatur und Geschwindigkeit der heißen und Bypassluftströme, während sie sich mischen. Forscher tun dies, indem sie kleine Partikel wie fluoreszierende Farbstoffe oder Öltröpfchen freisetzen und mit einem Laser treffen. Dieser beleuchtet die Partikel, deren Positionen von einer Hochgeschwindigkeitskamera erfasst werden. Ein Computer analysiert dann die Bilder und berechnet die Position und Geschwindigkeit der Partikel.

Leider erfassen die Kameras jeweils nur einen kleinen Bereich oder Kachel. Sie haben auch eine sehr geringe Schärfentiefe, den Entfernungsbereich, in dem die Fotos scharf genug für die Analyse sind. Daher müssen alle Kacheln zu einem Bild einer einzigen Ebene zusammengefügt werden. Um ein dreidimensionales Experiment zu visualisieren, müssen viele Ebenen generiert und zusammengefügt werden.

Dies braucht Zeit. "Ich kenne einen Doktoranden, der drei Jahre damit verbracht hat, diese Art von Daten zu sammeln", sagte Benson.

Das MRT erfasse die gleiche Datenmenge in vier bis acht Stunden, fuhr er fort. Dies liegt daran, dass MRTs dafür ausgelegt sind, dreidimensionale Objekte abzubilden. Sie tun dies, indem sie die Protonen in Wasserstoffmolekülen systematisch mit einem elektromagnetischen Impuls stören und ihre Position messen, während sie sich schnell wieder auf das Magnetfeld ausrichten.

Benson verwendet ein MRT-Bildgerät für Forschungszwecke, um seine Experimente durchzuführen. Das MRT zeigt Wasser gemischt mit Kupfersulfat, einer kostengünstigen Chemikalie, die häufig zum Abtöten von Algen in Teichen verwendet wird und eine schnelle Reaktion auf die Impulse bietet.

„Medizinische MRTs verwenden oft Gadolinium als Kontrastmittel, aber das ist sehr teuer, besonders wenn Sie für einen stundenlangen Scan Flüssigkeit zuführen“, sagte Benson.

Obwohl Benson noch immer die Konstruktionen von Blatthinterkanten analysiert, hat er bereits Fortschritte gemacht. „Ich bin bereits in der Lage, die Oberflächenkühlung um 10 Prozent zu erhöhen, was einer Reduzierung der Schaufeltemperatur um 100 bis 150 Grad Fahrenheit entspricht“, sagte er.


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