Hur påverkar droppstorlek och flödeshastighet issbildning på rotorkraftmotorers luftintag och dess anti-iskystem?

Studier visar att issbildning på luftintaget till rotorkraftmotorer starkt påverkas av flera faktorer, där droppstorlek och hastighetsprofil i luftintaget är centrala. Genom numerisk simulering och experiment utförda i en avancerad isvindkanal har man kunnat analysera hur dropparnas storlek och luftflödets egenskaper styr isansamlingen på ytan av luftintaget, särskilt där ett elektrotvärmebaserat anti-iskystem är installerat.

Vid högre droppstorlekar, med medelvolymdiametrar (MVD) upp till 40 mikrometer, ökar den effektiva insamlingen av vätskedroppar på luftintagets yta jämfört med mindre droppstorlekar på 20 mikrometer. Detta innebär att större droppar leder till en större yta med hög insamlingseffektivitet, vilket i sin tur skapar förutsättningar för mer omfattande issbildning. Detta gäller särskilt i områden kring den övre kanten på motorintaget där luftflödet uppvisar höga hastigheter och lågtryckszoner som främjar ackumulering av iskristaller.

Den numeriska modellen har bekräftat att luftflödet i intaget är tredimensionellt och komplex, till skillnad från den axi-symmetriska naturen hos kommersiella flygplansmotorers luftintag vid små anfallsvinklar. Tryck- och hastighetsfördelningar visar att den mest intensiva issamlingen sker i stagnationsregionen nära den övre innerkanten av intaget, en zon som också omfattas av värmepadsystemets skydd. Detta indikerar att anti-iskystemets skyddsområde är väl identifierat och täcker de mest kritiska områdena för issamling.

Vid låga temperaturer, exempelvis kring −20 °C, dominerar rime-isens form, som kännetecknas av sin porösa och ojämna struktur. Under sådana förhållanden är issamlingen högst asymmetrisk och koncentrerad nära stagnationszonen, vilket ökar belastningen på just denna del av luftintaget. Vid högre mängd flytande vatteninnehåll (LWC) i luften, upp till 0,6 g/m³, observeras liknande mönster i insamlingseffektivitet men med något mindre utbredning av hög effektivitet jämfört med vid högre hastigheter. Lägre flödeshastighet ger en mer begränsad zon med hög insamling, men intensiteten i den centrala stagnationsregionen kvarstår.

Experiment från CIRA:s isvindkanal, där fullskaliga modeller används för att undvika skalningsproblem, har validerat de numeriska resultaten och meta-modellerna av anti-iskystemens prestanda i tredimensionella flödesfält. Vindkanalens miljö möjliggör realistiska, kontrollerade och upprepbara simuleringar av flygförhållanden i kalla moln, vilket är avgörande för att förstå och förbättra anti-iskretsar för rotorkraftmotorer.

Den insamlade kunskapen framhäver att effektiva anti-iskystem måste vara noggrant utformade för att täcka de delar av luftintaget med hög insamlingseffektivitet, vilket i praktiken innebär en strategisk placering av värmepads inom stagnationsområden och kring de högsta flödeshastigheterna. Det är också viktigt att förstå att droppstorleken och LWC kan variera kraftigt i verkliga flygsituationer, vilket påverkar isbildningens dynamik och därför måste tas i beaktande vid systemdesign.

Det är dessutom av vikt att inse att isbildningens påverkan på motorprestanda och säkerhet är starkt kopplad till var på intaget isen ackumuleras. Isansamling i stagnationszoner kan snabbt leda till blockeringar eller störningar i luftflödet, vilket i sin tur kan påverka motorns dragkraft och leda till farliga situationer. Därför är kartläggning och exakt modellering av dessa processer grundläggande för flygsäkerhet och underhållsstrategier.

Slutligen måste läsaren förstå att dessa processer är dynamiska och beroende av flygplanets hastighet, temperatur, luftfuktighet och molnens egenskaper. Detta gör anti-iskretsens design och funktion komplex och kräver kontinuerlig forskning för att möta de varierande miljöförhållanden som rotorcraft och andra flygfordon möter.

Hur optimeras elektrisk anti-icing och de-icing för löpande vått och förångande isregim?

Vid optimering av elektrisk anti-icing och de-icing är det avgörande att balansera energiförbrukning och effektivitet för att uppnå önskad isskyddseffekt utan onödigt hög energikonsumtion eller skadliga temperaturer i materialet. I löpande vått regime är en kritisk faktor valet av temperaturmarginal ovanför fryspunkten, vanligtvis satt till 276 K för att undvika isbildning vid 273,15 K. Om marginalen blir för stor krävs en överdriven mängd energi, vilket försämrar effektiviteten. En exempelstudie visar att en sådan marginal kan öka energibehovet med 32 % jämfört med en mer exakt styrning utan onödig marginal.

För att ytterligare förbättra energieffektiviteten används en målvärmtemperatur (target wall temperature), där ytan över hela uppvärmningszonen inte tillåts bli varmare än nödvändigt. Denna strategi minskar elförbrukningen med cirka 15 % jämfört med en enklare temperaturmarginal och undviker överhettning i områden där det inte krävs. Dock är det i löpande vått regime svårt att helt eliminera runback-is, eftersom vattenfilmen ofta passerar utanför den skyddade zonen, vilket leder till isbildning även på ytor utanför aktiv uppvärmning.

Jämförelse mellan olika optimeringsfall i förångningsregimen visar att användningen av explicita målvärmtemperaturer i kombination med noggrant definierade begränsningar för is- och vattenfilmshantering ger bättre konvergens och effektivitet. Dock innebär införandet av marginaler över fryspunkten en ökad energikostnad även här, men till en lägre grad än i löpande vått regime. Det är också tydligt att vissa typer av temperaturbegränsningar kan vara motstridiga med kravet på fullständig vattenavdunstning, varför dessa måste väljas med omsorg.

Att förstå dynamiken mellan olika temperatur- och isbegränsningar är centralt för att kunna designa effektiva anti-icing-system. Optimering handlar inte bara om att nå isfritt tillstånd utan också om att minimera energiförbrukning och undvika temperaturer som kan skada kompositmaterialets struktur och funktion. Effektfördelningen måste anpassas för att kontrollera både isbildning och runback utan överdriven energiåtgång, vilket kräver en noggrant balanserad optimeringsstrategi med flera samverkande restriktioner.

Det är viktigt att inse att systemets prestanda är starkt beroende av hur väl temperaturmarginaler, måltemperaturer och restriktioner på vattenfilmshantering samverkar. Energiförbrukning och isskydd är alltid en avvägning mellan säkerhet och kostnad, där optimal design är nyckeln till hållbar och effektiv drift. Dessutom måste förhållandena i den skyddade zonen och dess omgivning analyseras i detalj för att förhindra runback-is, vilket annars underminerar hela anti-icing-effekten. Temperaturen bör därför regleras så att den är precis tillräcklig för att hålla ytan isfri utan att slösa energi eller riskera materialskador.