Propellervereisungsprüfungen in einem Klimawindkanal

Einleitung

Dieser Artikel fasst die an der Sirris Large Climatic Test Facility (Antwerpen, Belgien) durchgeführte Forschung zusammen, die sich mit der Leistung von Drohnen unter Vereisungsbedingungen befasste.

Das Forschungsteam bestand aus Guillaume Catry, Nicolas Bosson, Luca J. Bardazzi und Sergio Márquez von Windshape (Schweiz), Özlem Ceyhan und Daniele Brandolisio von OWI-Lab (Belgien) und Flavio Noca von der HES-SO University of Applied Sciences and Arts Western Switzerland (Schweiz).

Abbildung 1: Sirris Large Climatic Test Facility

Testaufbau

Der Testaufbau diente dazu, die Leistung des Drohnenantriebssystems sowie die Eisakkretion zu charakterisieren. Er umfasste Folgendes:

1. Die Sirris Large Climatic Test Facility (Antwerpen, Belgien) wurde genutzt, um die für das Entstehen von Eis erforderlichen Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen zu schaffen. Der neu gebaute Vereisungstestaufbau verfügt über 25 Wasserdüsen, die an einem Portalkran befestigt sind und einen Bereich von 6 m x 4 m abdecken. Durch Ändern der Wasserdurchflussrate können die Düsen eine Reihe von Tropfengrößen erzeugen, sodass sowohl Glas- als auch Raureif entstehen kann.
2. Ein Windshaper-Windkanal wurde verwendet, um den scheinbaren Wind auf den Propeller zu erzeugen. Das System besteht aus 162 Paaren gegeneinander rotierender, jeweils 110 W starker Fan-Einheiten, die gleichmäßig auf einer vertikalen und flachen Oberfläche von 1,5 m x 0,75 m verteilt sind. Das System kann Windgeschwindigkeiten zwischen 1 m/s und 16 m/s erzeugen.
3. Ein Schubstand der Serie 1585 von Tyto Robotics wurde verwendet, um die Leistung des Antriebssystems zu messen, einschließlich eines Schubs von bis zu 50 N, eines Drehmoments von bis zu 2,0 Nm, der Drehzahl, der Leistung und des Wirkungsgrades. Die Kraftmessdose ist an einem robusten Arm montiert, dessen Winkel angepasst werden kann, um den Anstellwinkel des Propellers zu variieren. Die Softwareplattform des Stands erzeugt das PWM-Signal zur Steuerung des Motors. Die Autoren haben innerhalb der Software ein PID-Steuerungsskript entwickelt, um Tests bei konstanter Motordrehzahl zu ermöglichen, selbst wenn sich Eis auf dem Propeller bildet.
4. Der bürstenlose Gleichstrommotor, ein Taft Hobby 3553 1550kv mit 10 Polen, wurde über ein Turnigy 60A SimonK ESC mit einem 12V-Labornetzteil versorgt. Der Propeller war ein 3-blättriger, 9-Zoll-HQProp MacroQuad mit einer Steigung von 5 Zoll.
5. Ein Bildaufzeichnungssystem wurde entwickelt, um die Eisbildung auf dem Propeller zu visualisieren. Es verfügte über zwei Kurzzeit-Strobeleuchten, die Blitze mit einer Dauer von nur 1 µs erzeugen. Der Blitz wurde vom Controller des Schubstands basierend auf der Winkelposition des Motors (Drehzahlmesser) ausgelöst, sodass das gleiche Blatt in jedem Bild an der gleichen Position ist.
6. Die Bildaufnahme erfolgt mit einer Canon 5D Mk2, einer digitalen Vollformat-Spiegelreflexkamera, die auf 6400 ISO eingestellt und mit einem 80mm f/1.8 Objektiv bei maximaler Blendenöffnung ausgestattet ist. Während der Experimente wird alle 2s ein Bild aufgenommen.

 Insgesamt wurden 21 Tests mit Variationen dieser Parameter durchgeführt:

1. Propellerschwindigkeit: 3.500 U/min und 5.000 U/min
2. Windgeschwindigkeit: 3,2m/s, 6m/s und 9m/s
3. Sprühwasserdruck: 2bar und 8bar

Jeder Test wurde einmal mit einem Standardpropeller und ein zweites Mal mit einem ähnlichen Propeller durchgeführt, der mit einer Anti-Ice-Beschichtung versehen war. Die Temperatur wurde bei allen Tests auf -10°C gehalten.

Ergebnisse

Die Eisakkumulation auf dem Propeller folgte bei allen Tests einem ähnlichen Muster: Die Eisbildung beginnt nach wenigen Sekunden des Besprühens, nach 20 Sekunden ist eine erhebliche Eisakkumulation erreicht, der vollständige Verlust des Propellerschubs tritt nach etwa 60 Sekunden ein und das angesammelte Eis fällt nach etwa 80 Sekunden ab.

Abbildung 3: Eisakkumulation auf dem Propeller

Die am Schubstand aufgezeichneten Leistungsergebnisse (mit dem beschichteten Propeller) ergaben mehrere interessante Erkenntnisse:

1. Der Schubverlust wird fast unmittelbar nach dem Auftreten von Vereisungsbedingungen beobachtet.
2. Es dauerte etwas mehr als 1 Minute, bis der Schub von 1,6 N auf 0 N sank.
3. Wenn das Eis nach etwa 75 Sekunden vom Propeller abfällt, kommt es zu einem schnellen Schubanstieg, da die Drehzahl ansteigt, bevor der PID sie stabilisieren kann.
4. Die Masse der Eisakkretion kurz vor dem Abfallen betrug 17 g.
5. Der Wirkungsgrad des Propellers sinkt allmählich mit zunehmender Eisbildung und erreicht kurz vor dem Abfallen 0 %.
6. Der Propeller mit der Anti-Ice-Beschichtung behielt den Schub >0 N etwa 4-mal länger als der Propeller ohne Anti-Ice-Beschichtung (48 Sekunden im Vergleich zu 12 Sekunden).

Abbildung 4: Entwicklung des Schubs, des Motordrehmoments, des Eisgewichts, des Propellerwirkungsgrades und der Motordrehzahl während eines Tests bei 3500 U/min mit einer Windgeschwindigkeit von 3,2m/s. Die gestrichelte Linie stellt die Kontrollmessung ohne Vereisung dar. Die durchgezogene Linie stellt eine Vereisungssituation mit einem Sprühwasserdruck von 8 bar dar.

Abbildung 5: Leistungsvergleich zwischen einem unbeschichteten Propeller und einem Propeller mit Anti-Ice-Beschichtung.

Fazit

Zusammenfassend haben die Autoren der Studie einen realistischen Testaufbau entwickelt, der eine Möglichkeit bietet, die Leistung von Drohnen unter Vereisungsbedingungen zu untersuchen.

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