Propellertechnologie
studiegebiedTechnology
bachelorindeluchtvaart
Inhoud
Fluid and electrical de-icing equipment.
EASA Part 66 M17
5.1 Fluid and electrical de-icing equipment
Een vliegtuig moet in alle weersomstandigheden zijn vluchtplan veilig kunnen afwerken. Dit is niet zo eenvoudig als het lijkt. Een van de belangrijkste problemen is ijsafzetting op het vliegtuig. Deze ijsafzetting komt voor op diverse onderdelen van het vliegtuig zoals vleugels, propeller, externe meetprobes,… ATA hoofdstuk 30.
Dit systeem omvat twee hoofdsystemen nl. het ijs detectie systeem en het eigenlijke systeem voor het tegengaan en verwijderen van ijs.
Hoogvliegende vliegtuigen ondergaan ijsafzetting in drie vluchtfasen: - tijdens stijg- of daalvlucht, - tijdens de landingsfase.
Vermits op grote hoogte water niet meer voorkomt in druppelvorm, is er GEEN ijsafzetting die optreedt op kruishoogte.
Verschillende beschermingssysteem werden ontwikkeld om de meest kritische fases van de vlucht te beschermen, dit zijn stijgvlucht, daalvlucht en landing.
5.1.1 Gevaren van ijs op de propeller
IJsvorming treedt op wanneer:
- onderkoelde waterdruppels (0°C tot -15°C) aan het toestel vastvriezen, - gasvormig water zich in de vorm van ijskristallen afscheidt.
Bij het doorvliegen van wolken uit onderkoelde waterdruppels, vriezen deze zich vast aan het toestel. Hierbij komt het tot opbouw van een ijslaag bij het doorvliegen van middelhoge en hoge stratusbewolking.
Het doorvliegen van onderkoelde zware regenwolken (vooral tijdens de winter) leidt tot een glasachtige ijslaag. Bij contact vloeien de druppeltjes nog even voor vast te vriezen. Daarna ontstaat een glasachtige afzetting.
Er bestaan verschillende soorten ijsafzettingen.
Hieronder een opsomming van de belangrijkste problemen die zich kunnen voordoen bij ijsafzetting op een propeller:
- de profielweerstand van het propellerblad gaat stijgen. Hierdoor kan het maximale toegelaten motorkoppel overschreden worden. Dit leidt tot overbelasting en snellere slijtage van de motor.
- de propeller kan in onbalans geraken, wat leidt tot trillingen. Deze trillingen kunnen na een tijd leiden tot vermoeidheid en zelfs breuk van het propellerblad.
- ijsafscheidingen kunnen in de motorinlaat terechtkomen. Dit kan resulteren in het uitvallen of beschadigd raken van de motor.
5.1.2
Vormen van ijsafzetting
In volgorde van gevaar of intensiteit onderscheiden we: rijp, ruige rijp, ruige vorst en ijzel.
Rijp/rijm (Frost)
Rijp ontstaat door rechtstreekse omzetting van waterdamp in ijs, zodra de damp in aanraking komt met een voorwerp dat een temperatuur heeft lager dan 273 K (0° C).
- Het is ijs van een brosse, fijne kristalstructuur.
- Tijdens het vliegen wordt het niet dikker en het laat vlug los door trillingen.
- Rijp kan ook ontstaan op vliegtuigen die op de grond staan geparkeerd.
Ruige rijp(Soft Rime)
Ruige rijp ontstaat bij het vliegen door wolken waarin zich veel kleine onderkoelde waterdruppeltjes bevinden.
- Het is een zwaardere vorm van rijp.
- Ook ruige rijp laat snel los door trillingen.
Ruige vorst
Ruige vorst ontstaat bij vliegen door wolken waarin de onderkoelde waterdruppels wat groter zijn.
- Op het vliegtuig of op de vliegtuigonderdelen ontstaat bros ijs dat melkachtig van kleur is.
- Het aangroeien van de ijslaag gaat snel en is zeer gevaarlijk voor de vliegveiligheid.
IJzel (Glaze or Clear Ice)
Het ontstaat wanneer de onderkoelde druppels in de wolk nog groter zijn. In het begin verloopt de ijsafzetting vrij traag, maar daarna groeit de laag snel aan.
- Er vormt zich een grillige, harde, heldere ijslaag die zich sterk aanhecht, vooral op uitstekende delen en oneffen oppervlakken.
- IJzel kan ook ontstaan op inlaatopeningen van straalmotoren bij het proefdraaien of taxiën, ook bij temperaturen tot enkele graden boven 0° C.
5.1.3 IJsdetectie
Bij sommige vliegtuigen wordt een automatische ijsdetector ingebouwd. Wordt ijsafzetting vastgesteld, dan verschijnt er een amber verklikkerlichtje (caution) in de cockpit.
Voorbeeldwerking
Buitenlucht wordt in een detectiedoos gebracht waarin zich een membraan bevindt. Dit membraan is geijkt, een bepaalde vliegsnelheid geeft een bepaalde verschildruk erover.
Is er ijsafzetting, dan verandert de verschildruk. Er wordt een verwarmingselement ingeschakeld en op hetzelfde moment verschijnt het lampje in de cockpit.
Is na verwarming het ijs verdwenen, dan wordt de verwarming uitgeschakeld (en dus ook de cockpitindicatie).
5.1.4
De-icing en anti-icing
Er zijn twee vormen van bescherming tegen ijs. De eerste methode, de-icing, gaat het reeds gevormde ijs wegsmelten. De tweede manier van ijsbescherming, anti-icing, gaat ervoor zorgen dat ijsvorming voorkomen wordt.
De vier meest gebruikte vormen van ijsbescherming zijn:
- pneumatisch-mechanisch ontijzen
- bestrijding van ijs met alcohol
- het ijs smelten met warme lucht
- ijsafzettingen elektrisch verwijderen
a. De-icing en anti-icing met vloeistoffen
De hier toegepaste vloeistof leidt tot een verlaging van het vriespunt van de waterdruppels die op de koude oppervlakken terechtkomen.
Dit principe kan toegepast worden zowel voor de-icing als anti-icing.
Anti-icing
Wordt het middel voor het ontstaan van ijs op de te beschermen oppervlakken aangebracht, dan kunnen de impacterende druppels mengen met het middel, wordt het vriespunt verlaagd en worden de druppels stroomafwaarts weggevoerd.
De-icing
Wordt het middel losgelaten na ijsafzetting, dan mengt het met het ijs.
Lokaal wordt de ijslaag verzwakt en door de aerodynamische druk breekt de ijslaag in stukken en wordt door de stroming meegevoerd
Het vloeistof systeem wordt toegepast op kleinere en middelgrote toestellen waar de “normale“ technieken (compressorlucht, elektrisch verwarmen of warme lucht) niet voldoende zijn.
Op grotere toestellen is deze techniek niet van toepassing vanwege de grote oppervlakken die moeten gecontroleerd worden.
Globale nadelen van het vloeistofsysteem
- de-icing met vloeistof is enkel bruikbaar in kleine en middelgrote vliegtuigen,
- het gebruik beperkt de vluchtduur (grootte van de tank),
- vloeistof op de radar radome kan leiden tot transmissieverliezen,
- de installatie moet reeds een tijd voor het binnenvliegen van een zone met slecht weer ingeschakeld worden.
Gebruikte vloeistoffen
De meest voorkomende vloeistoffen zijn: - Ethyleenglycol, - Isopropylalcohol, - Ethylalcohol, - Methylalcohol.
Ethyleenglycol wordt het meest toegepast en heeft meerdere voordelen, hoewel het niet zo effectief is als alcohol: - het is in grote hoeveelheden beschikbaar, - vervliegt niet zo vlug, - is moeilijk te ontvlammen.
Mengverhouding
De mengverhouding van de ontijzingsvloeistoffen, de uitlaatdruk en de daarmee afhankelijke tankcapaciteit zijn afhankelijk van een groot aantal factoren: - het type vliegtuig, - de range (bereik) van het toestel, - het oppervlak van de te beschermen onderdelen, - de vliegsnelheid, - de vlieghoogte, - de omgevingstemperatuur, - het gebruikte middel.
Het berekenen van de nodige hoeveelheden vloeistof aan boord van een vliegtuig is zo goed als onmogelijk.
Men baseert zich meestal op resultaten van proefvluchten waaruit men een aantal vuistregels voor benaderende berekeningen haalt.
Toepassing van een vloeistofsysteem (anti-icing):
Het hoofdeffect van ijsopbouw op een propellerblad is de toename van de profielweerstand. Dit kan al vlug leiden tot het overschrijden van het toegelaten draaimoment van de motor.
Ook leidt de ijsafzetting tot zware trillingsproblemen.
Vloeistof
Er bestaan meerdere methoden om een propeller ijsvrij te maken, het sproeier systeem wordt maar zelden toegepast (een elektrisch systeem is technisch eenvoudiger).
Worden sproeiers toegepast, dan wordt van de centrifugaal kracht gebruik gemaakt om de vloeistof te geleiden.
Een pomp stuwt de vloeistof in een ring in de propellernaaf. Daarna vloeit het langs een leiding in de propeller aanvalsboord om tenslotte via openingen over het blad te vloeien
De vloeistof is meestal een mengsel van 90% Ethyl-alcohol en 10% Glycerine. De mengverhouding is functie van het type en de grootte van de propeller
b. Elektrothermisch de-icing
Het elektrothermisch ontijzen gebeurt met elektrische weerstandselementen (folie, film, grid, matten,...), die in glasvezel, rubber of metaal ingebed liggen.
Deze vormen het oppervlak van de te beschermen structuur of zijn ermee verbonden.
Het elektrothermisch de-icing van propeller en rotorbladen kan door: - verwarmingsmatten die op de aanvalsboord geplaatst worden - door interne verhittingselementen.
Materiaal
Het materiaal op de aanvalsboord moet uit erosie bestendig materiaal bestaan dat ook de impact van hagel kan weerstaan. Ook moet, om onbalans te vermijden, de snelheid waarmee het ontijzen gebeurt op alle bladen dezelfde zijn.
Elektrisch vermogen
Het te beschermen oppervlak wordt door de verwarming strips opgedeeld in kleinere zones. Hierdoor wordt de benodigde energie kleiner en kan er constant verwarmd worden.
Een typisch propellerblad heeft nood aan 5 tot 10 watt per vierkante inch.
De elektriciteit wordt via sleepringen van de propellernaaf aangevoerd.
Toepassing van een elektrothermisch systeem :
Zoals reeds eens eerder vermeld is het ontijzen van de propeller nodig omdat: - ijsafzettingen de aerodynamische zuiverheid van het propellerprofiel veranderen, - ijsafzettingen kunnen leiden tot onbalans, - ijsafscheidingen in de motorinlaat kunnen binnendringen.
Afhankelijk van de plaats maakt men een keuze tussen cyclisch of permanent (140 sec interval) verwarmde delen.
De propellernaaf wordt permanent verwarmd (running wet systeem, 8 watt).
Van de propellerbladen wordt de binnenste 30% cyclisch verwarmd, ijsafzetting op de rest is verwaarloosbaar klein.
De contactring voor het ontijzingssysteem (de-icer contact ring)
De contactring voor het ontijzingsysteem wordt op de rear spinner vastgemaakt met bouten. Deze contactring heeft vier sleepringen, vier contactborstels, een magneet en een tegengewicht voor de magneet.
Elektriciteit van het AC net van het vliegtuig wordt doorgegeven via een aantal koolstofborstels die op de prop sturing geplaatst zijn. Deze borstels maken contact met de vier sleepringen.
Het ijsbeschermingsysteem van de spinner, de elementen van het ontijzingsysteem en de contactborstels zijn aangesloten op deze contactringen.
De vier contactborstels staan tegen de koperen ringen op de bladvoet om de verwarmingselementen op de pallen van elektriciteit te voorzien.
De magneet die op de contactring zit is een deel van een pulsgenerator voor het synchrophasing systeem. Het tegengewicht voor de magneet heeft als doel om de contactring terug in balans te brengen. Dit is belangrijk om trillingen te verminderen.
Verdeling van het elektrisch vermogen
Tweebladige propellers
Tweemotorig vliegtuig
Driebladige propellers (Piper Seneca V)
c. Indicaties (Piper Seneca V)
When (PROP HEAT) is switched on, power is supplied to the de-ice pads on all three of the propeller blades on one engine for 90 seconds. Each pad draws approximately 5 amps, so if all three pads are functioning correctly, approximately 14 to 18 amps will be used.
After 90 seconds, power switches automatically to the blades on the other engine which, in turn, will be heated for 90 seconds. This sequence continues until power is switched off, but it is not possible to tell which engine blades are being heated at any particular moment in time.
Toepassing van een elektrothermisch systeem :
Motor inlaat
Deze vorm van ontijzen komt vooral voor op turboprop motoren, ook de inlaat van de oliekoeler wordt verwarmd.
Verwarmingselement
De elektrische verwarmingselementen zijn over de gehele omtrek talrijk aanwezig.
Ze bestaan uit geleidingstrips die ingebed liggen tussen neopreenlagen of glasvezelmatten geïmpregneerd met epoxy weerstandsmateriaal. Om het geheel tegen regen-erosie te beschermen wordt een polyurethaan laag aangebracht.
Periodisch
De lippen van de inlaat worden permanent verwarmd, terwijl het achterliggende gedeelte cyclisch een stroomdoorvoer krijgt. Om de totale elektrische last zo laag mogelijk te houden wordt afwisselend spanning gezet op de propellerelementen en de motorinlaat.
De periode van de cyclische verwarming is kort zodat er geen grote ijsafzetting kan gebeuren tussen twee stroompieken, maar toch lang genoeg om geen run back ice te verkrijgen.