Entwicklung eines Adhäsionsprüfstands basierend auf dem Fliehkraftprinzip

Abstract

Moderne Windkraftanlagen und rotorbetriebene Flugobjekte sind oft herausfordernden Wetterphänomenen ausgesetzt. Dabei kann es zu ungewollter Eisbildung an den Oberflächen der Rotorblätter kommen. Die damit verbundenen Risiken führen dazu, dass beispielsweis ein einigen Ländern, darunter auch Österreich, der Betrieb von vereisten Windkraftanlagen nicht erlaubt ist. Eine Abschaltung der Anlagen führt zu wirtschaftlichen Einbußen, welche die Notwendigkeit für Gegenmaßnahmen zur Vereisung vorantreibt. Im Zuge der Prävention der Eisbildung, wird der Ansatz verfolgt, hydrophobe bzw. eisphobe Oberflächen zu erzeugen. Eine Möglichkeit dafür besteht in der Laserstrukturierung der Oberflächen. Dabei soll untersucht werden, ob bzw. inwiefern hydrophobe bzw. superhydrophobe Oberflächen auch tatsächlich Einfluss auf die Eisadhäsion haben. In der Vergangenheit wurden zahlreiche Versuche zur Messung der Adhäsion von Eis auf Oberflächen durchgeführt. Um die Versuchsdurchführung jedoch möglichst nahe der realen Beanspruchungen der Kontaktstelle zwischen der Eisschicht und der Oberfläche von Rotorblättern zu gestalten, wurde in dieser Diplomarbeit ein Prüfstand entwickelt, der die Eisadhäsion unter der Wirkung von Fliehkräften testet. Zunächst wurde ein möglicher Versuchsaufbau definiert, bei welchem Wasser bei Raumtemperaturin einen zylindrischen Behälter gefüllt, und anschließend unter direktem Kontakt mit der zu testenden Oberfläche eingefroren wird. Dies ist nur eine Versuchsart, die den Einfluss des statischen Kontaktwinkels der Benetzung von Wasser auf verschiedenen Oberflächen, auf die spätere Eisadhäsion, testet. Im weiteren Verlauf wurden die Anforderungen an den Bewegungszustand der Eisproben, basierend auf der zentralen Forderungen, Adhäsionsspannungen von bis zu 1200kPa zu testen, festgelegt. Es stellte sich heraus, dass die auftretenden Kräfte ungeeignet für eine Applikation der Drehvorrichtung direkt auf der Antriebswelle des Motors, sind. Aus diesem Grund wurde eine Zentrifuge entwickelt, die den Motor, bis auf die Übertragung des Drehmoments, weitestgehend entlastet. Zudem wurde auch eine Versuchskammer entworfen, welche eine flexible Temperaturführung ermöglicht und den Aufprall der gelösten Eisproben aufnimmt. Auch wichtige Aspekte betreffend der Kühlung, sowohl des Schmieröls der Zentrifuge, als auch der Versuchskammer selbst, wurden ausführlich behandelt. Abschließend wurde noch ein Konzept zur Messung des Zeitpunkts der Probenlösung erstellt. Ausgehend von den erstellten 3D-CAD-Modellen wurden für alle Teile, die eigens gefertigt werden müssen, auch die zugehörigen Zeichnungsableitungen erstellt, welche Detailangaben, die für die einwandfreie Funktion der Anlage notwendig sind, beinhalten. Die Einzelteile der Anlage wurde bei entsprechender Möglichkeit mit analytischen Berechnungsmethoden überprüft. Doch auch numerische Simulationen waren aufgrund oft sehr komplexer Bauteilgeometrien und Beanspruchungszuständen, notwendig. Ein wesentlicher Kernpunkt ist die flexible Nutzung der Anlage, auch für fortführende Versuche. Hier wurden auch etwaige Adaptierungsmöglichkeiten angeführt. Zudem wurde die gesamte Berechnung in Mathcad programmiert, sodass eine einfache Nachrechnung bei geänderten Betriebsbedingungen möglich ist. Zukünftige Arbeiten werden auf jeden Fall die Probenherstellung betreffen. Der statische Kontaktwinkel der Benetzung ist nicht alleine auschlaggebend für die spätere Adhäsion des Eises. Auch die sogenannte Kontaktwinkelhysterese hat einen wesentlichen Einfluss auf die Eisadhäsion. Zusätzlich wird es notwendig sein, unterschiedliche Vorgängen beim Frieren selbst nachzubilden und die damit entstehenden Proben zu testen.

Modern wind turbines and rotor-powered flying objects are often exposed to challenging weather phenomena. This can lead to the unwanted formation of ice on the surfaces of the rotor blades. The associated risks mean that in some countries, including Austria, the operation of iced wind turbines is not permitted. A shutdown of the turbines leads to economic losses, which drives the need for countermeasures against icing. In the prevention of ice formation, the approach is to create hydrophobic or ice-phobic surfaces. One possibility for this is laser structuring of the surfaces. The aim is to investigate whether and to what extent hydrophobic or superhydrophobic surfaces actually have an influence on ice adhesion. In the past, numerous experiments have been conducted to measure the adhesion of ice to surfaces. However, in order to make the test procedure as close as possible to the real stresses on the contact areas between the ice layer and the surface of rotor blades, a test rig was developed in this thesis to test ice adhesion under the effect of centrifugal forces. First, a possible experimental setup was defined, in which water is filled into a cylindrical container at room temperature, and then frozen in direct contact with the surface to be tested. This is only one type of experiment that tests the influence of the static contact angle of the wetting of water on different surfaces, on the subsequent ice adhesion. In the further course, the requirements for the state of motion of the ice samples, based on the central requirement to test adhesion stresses of up to 1200 kPa, were determined. It turned out that the occurring forces are unsuitable for an application of the rotating device directly on the drive shaft of the motor. For this reason, a centrifuge was developed which relieves the motor as far as possible, except for the transmission of the torque. In addition, a test chamber was also designed which allows flexible temperature control and absorbs the impact of the dissolved ice samples. Important aspects concerning the cooling of both the lubricating oil of the centrifuge and the test chamber itself were also dealt with in detail. Finally, a concept for measuring the time of sample dissolution was developed. Based on the 3D CAD models created, the associated drawings were also created for all parts that have to be manufactured specifically, which contain detailed information that is necessary for the proper functioning of the system. If possible, the individual parts of the plant were checked using analytical calculation methods. However, numerical simulations were also necessary due to often very complex component geometries and stress conditions. A key point is the flexible use of the plant, also for further trials. Possible adaptation options were also mentioned here. In addition, the entire calculation was programmed in Mathcad, so that a simple recalculation is possible in case of changed operating conditions. Future work will definitely involve different sample preparations. The static contact angle of the wetting is not alone decisive for the subsequent adhesion of the ice. The so-called contact angle hysteresis also has a significant influence on the adhesion of the ice. In addition, it will be necessary to investigate different processes during freezing itself and to test the resulting specimens.