MRT-Bildgebung beschleunigt Strahltriebwerk-Effizienzforschung

Magnetresonanztomographie (MRT), eine medizinische Bildgebungstechnologie, die detaillierte 3-dimensionale Daten bewegter Fluide erfasst, steht kurz davor, das Strahltriebwerksdesign zu transformieren, sagt Lt. Colonel Michael Benson, Ph.D.-Kandidat im Maschinenbau an der Stanford University.

In einem einzigen MRT-Scan können Forscher die gleichen volumetrischen Strömungs- und Mischdaten erfassen, die traditionell zwei oder mehr Jahre an Bodenversuchen erfordern – was Entwicklungszyklen drastisch verkürzt und schnelle Optimierung der Turbinenleistung ermöglicht.

Benson stellte das Konzept erstmals auf der American Physical Society Division of Fluid Dynamics Tagung in Long Beach, Kalifornien, am 17. November vor. Er erklärt, dass MRT Einblicke in eine breite Palette von Fluidmischungsherausforderungen bieten kann, von Verbrennungschemie bis zum Öltransport durch poröses Gestein.

Seine Arbeit baut auf bahnbrechenden Studien der Stanford-Forscher Christopher Elkins und John Eaton auf, die MRT nutzten, um Korallenkolonien und Turbinenschaufeln zu untersuchen. Eaton schlug vor, Benson die Technik auf die Mischung heißer Verbrennungsgase und kühlerer Bypass-Luft in Strahlturbinen anzuwenden.

Strahltriebwerke arbeiten am effizientest bei höchstmöglichen Temperaturen, doch das treibt Turbinenschaufeln – besonders jene direkt stromabwärts der Brennkammer – an ihre Schmelzgrenzen. Um Schmelzen zu verhindern, sind die Hinterkanten dieser Schaufeln extrem dünn gefertigt.

„Wenn man sie nicht aktiv kühlt, schmelzen sie“, erklärt Benson. „Turbinentriebwerke leiten einen Teil der einströmenden Luft in schlangenförmige Kanäle, die durch jede Schaufel laufen, zur Kühlung. Werden die Schaufeln zu dünn, werfen sie eine dünne Haut an der Spitze ab und lassen die Luft über die Hinterkante strömen.“

Wenn die kühlere Luft die Schaufel verlässt, mischt sie sich mit der heißen Brennkammerluft und erhöht die Schaufeloberflächentemperatur über die Kühlmitteltemperatur. Durch Kartieren dieses Mischprozesses hofft Benson, das Bypass-Design zu verfeinern und die benötigte Kühlmittelmenge zu reduzieren, was Motorleistung und Treibstoffeffizienz steigert.

Traditionell messen Forscher Temperatur und Geschwindigkeit der heißen und Bypass-Luftströme, indem sie den Strömung mit Fluoreszenzfarbstoffen oder Öltröpfchen seeden, sie mit Laser beleuchten und ihre Bewegung mit Hochgeschwindigkeitskameras aufzeichnen. Das begrenzte Sichtfeld und die geringe Schärfentiefe erfordern, dass viele Bildkacheln zu einer Ebene zusammengefügt werden, und Dutzende Ebenen sind nötig, um ein dreidimensionales Experiment zu rekonstruieren – ein zeitaufwändiger Prozess.

„Ich kenne einen Ph.D.-Studenten, der drei Jahre für diese Datensammlung brauchte“, sagt Benson. „MRT kann das gleiche Datenvolumen in vier bis acht Stunden erfassen.“

MRT erreicht dies, indem es Protonen in Wasserstoffmolekülen mit einem elektromagnetischen Puls stört und ihre schnelle Neuausrichtung im Magnetfeld misst, was volumetrische Bildgebung des Strömungsfeldes liefert.

Für seine Experimente nutzt Benson ein Forschungs-MRT-Gerät und bildet Wasser mit Kupfersulfat ab – ein kostengünstiges Chemikalien, das schnell auf MRT-Pulse reagiert. Medizinische MRTs nutzen oft Gadolinium als Kontrastmittel, aber das ist für stundenlange Scans teuer.

Obwohl noch an Schaufel-Hinterkanten-Designs gefeilt wird, berichtet Benson von einem frühen Erfolg: 10 % Erhöhung der Oberflächenkühlung, was einer Reduktion der Schaufeltemperatur um 100–150 °F entspricht.