Entwicklung eines Prüfstands zur Untersuchung der Vereisungseigenschaften von laserstrukturierten Oberflächen

Abstract

Die technischen Eigenschaften von Oberflächen können unter Einsatz neuester Technologien gezielt auf den praktischen Anwendungsfall hin optimiert werden. Dazu kann unter anderem die Technologie der Laserbearbeitung genutzt werden. Unter spezifischen Prozessparametern können ultrakurze Laserpulse dazu führen, dass sich periodische Nanostrukturen namens LIPSS (Laser induced periodic surface structures) bilden. An der Technischen Universität Wien werden neben anderen Eigenschaften auch Vereisungseigenschaften an mikro- und nanostrukturierten Oberflächen untersucht. Die Vereisung von Strukturen ist eine verbreitete Problematik und betrifft unter anderem auch Windkraftanlagen (WKA). Temperaturen unterhalb von 0~°C und Niederschlag oder Wolken führen dazu, dass unterkühlte Wassertröpfchen auf der Vorderkante der Rotorblätter auftreffen und schlagartig gefrieren. Hersteller und Betreiber von WKA arbeiten daran, eine Lösung zu entwickeln, welche Vereisung möglichst energieeffizient verhindert oder reduziert. Im Zuge dieser Arbeit wurde eine Literaturrecherche durchgeführt, welche Themen im Zusammenhang mit Eisschutzmaßnahmen von WKA durch aktive und passive Anti-Eis-Oberflächen. Aufbauend auf den Erkenntnissen aus der Literaturrecherche, wurde ein Versuchsaufbau zur Untersuchung des Vereisungsvorgangs auf Proben mit strukturierten Oberflächen konstruiert. Die Anforderungen wurden von den Bedingungen am Rotorblatt hergeleitet und führten zu einem Klima-Windkanal im Labormaßstab. Die Aufbau- und Entwicklungsphase des Klima-Windkanals führte zu vier Ausbaustufen. Dabei wurde die Temperatur im Windkanal kontinuierlich reduziert, bis in der letzten Ausbaustufe eine Temperatur von -15 °C erreicht wurde. Die Strömung in der Testsektion erreichte unter Volllast eine Geschwindigkeit von bis zu 52 m/s. Durch die Wassereinleitung mit einer Zerstäubungsdüse konnte eine Tröpfchengröße ähnlich der vom Sprühregen erreicht werden. Es wurde zudem ein Setup aufgebaut, welches die Foto- und Videoaufnahme mit einer Highspeed-Kamera und entsprechender Belichtung ermöglichte. Zum Abschluss der Arbeit wurde eine Testreihe durchgeführt, in welcher eine mikro- und eine nanostrukturierte Probe mit hydrophoben Eigenschaften untersucht wurde.

The technical properties of surfaces can be optimized for practical applications using latest technologies. Among other things, the technology of laser processing can be used to adapt surface properties. Under specific process parameters, ultrashort laser pulses can lead to a formation of periodic nanostructures called LIPSS (laser induced periodic surface structures). The Technical University of Vienna is investigating the icing properties of micro- and nanostructured surfaces. The icing of wind turbines is a problem that causes safety risks and economic losses. Supercooled water droplets can impact and freeze instantly at the leading edge of a rotor blades. Manufacturers and operators of wind turbines are developing systems that prevents or reduces icing on wind turbines in an energy-efficient way. A literature research was conducted, covering topics related to ice protection measures of wind turbines by anti-icing surfaces. Based on the conclusions from the literature research, an experimental setup was constructed to investigate the icing process on samples with structured surfaces. The requirements for the experimental setup were derived from the conditions that causes Icing on wind turbines and led to a small-scale climatic wind tunnel. The construction and development of the climatic wind tunnel led to four stages of development. The temperature in the wind tunnel was continuously reduced until -15 °C was reached in the last development stage. The airflow in the wind tunnel reached a velocity up to 52 m/s. By injecting water with a nozzle, droplets with a similar size to light rain were created. A setup was built that allowed the capture the icing process using a high-speed camera. To conclude the thesis, a series of tests were carried out in which micro- and nanostructured sample with hydrophobic properties were tested.