Shark skin inspired surfaces for aerodynamically optimized high temperature applications : fabrication, oxidation, characterization

Büttner, Claudia Christine; Schneider, Jochen

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-36893

Shark skin inspired surfaces for aerodynamically optimized high temperature applications : fabrication, oxidation, characterization = Haifischhaut-inspirierte Oberflächen für aerodynamisch optimierte Hochtemperaturanwendungen : Herstellung, Oxidation, Charakterisierung

Büttner, Claudia Christine (Author)

2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Claudia Christine Büttner

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

UmfangVIII, 102 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Schneider, Jochen (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-05-25

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-36893
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/64468/files/3689.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Flugtriebwerk (Genormte SW) ; Mikrometerbereich (Genormte SW) ; Riblets (Genormte SW) ; Oxidation (Genormte SW) ; Laser (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Haifischhaut (frei) ; Galvanik (frei) ; PVD (frei) ; Wandreibungsverminderung (frei) ; shark skin (frei) ; electrodeposition (frei) ; skin friction reduction (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die hohen Geschwindigkeiten von Haien lassen sich unter anderem mit der reduzierten Reibung zwischen ihrer Haut und dem Wasser erklären. Dafür sind Ribletstrukturen auf den Schuppen des Haifisches verantwortlich. Bei der Verwendung einer mit Riblets strukturierten Oberfläche wird der Anteil der turbulenten Impulsübertragung mit der Wand, welcher die Ursache für den Reibungswiderstand ist, vermindert. Dies gilt für Fluide, wie Flüssigkeiten und Gase. Der Effekt der Verminderung des Reibungswiderstandes wurde bereits erfolgreich auf Flugzeugtragflächen, welche mit Ribletfolien beklebt wurden, getestet. Es entsteht ein reduzierter Stömungswiderstand, was einen geringeren Treibstoffverbrauch zur Folge hat. Eine neue Anwendung für Riblet-strukturierte Oberflächen können Lauf- und Leitschaufeln für Flugzeugtriebwerke sein. Beschichtungen für diese Schaufeln, welche mit Riblets strukturiert sind, fungieren als Oxidations- und Korrosionsschutz und bieten zusätzlich eine Reduktion des Reibungswiderstand auf der Oberfläche. Die reduzierte Reibung der Luft würde zu einer höheren Effektivität der Triebwerke führen. In der vorliegenden Doktorarbeit wurden die Herstellung, Oxidation und Charakterisierung von Ribletstrukturen im Mikrometerbereich für aerodynamisch optimierte Hochtemperaturanwendungen untersucht. Zunächst wurden die notwendigen Ribletgrößen für die unterschiedlichen Bereiche im Triebwerk berechnet. Die Größe der reibungsreduzierenden Riblets hängt von den Umgebungsbedingungen wie Geschwindigkeit, Temperatur und Druck des strömenden Gases ab. Die notwendigen Ribletgrößen für den Kompressoreinlass, Kompressorauslass, Turbineneinlass und Turbinenauslass wurden auf Grundlage eines Beispiel-Flugzeugtriebwerkes berechnet. Die Berechnungen zeigen, dass die optimale Ribletgröße auf Triebwerksschaufeln je nach lokaler Temperatur, Druck und Geschwindigkeit des Gases im ein- bis zweistelligen Mikrometerbereich liegen. Für die Untersuchung des generellen Oxidationsverhaltens von möglichen Materialien für die Ribletherstellung wurden Titan, Nickel, Chrom, Aluminium, Silizium und Platin auf Nickel beziehungsweise Titan basierte Hochtemperatur-Substratwerkstoffe aufgebracht und bei Temperaturen zwischen 400 und 1000°C, je nach späterer möglicher Anwendung im Kompressor oder in der Turbine, oxidiert. Auf Grundlage der durchgeführten Berechnungen für die notwendigen Ribletgrößen wurden Ribletstrukturen hergestellt. Eine Machbarkeitsstudie für die Herstellung von Ribletstrukturen mit unterschiedlichsten Methoden wurde durchgeführt. In der vorliegenden Arbeit wurden direkte Strukturierungsmethoden, wie Lasermaterialabtrag und Diamantzerspanung, als auch Strukturierungsmethoden mit Hilfe von Masken untersucht. Als Masken wurden Metallmasken und Lackmasken verwendet. Durch thermische Verdampfung, Sputtern und galvanische Abscheidung wurden unterschiedliche Beschichtungen aufgebracht. Mit Hilfe der Methoden zur direkten Strukturierung wurden die besten Resultate mit der Laserstrukturierung erreicht. Die Photolithographie mit einer anschließenden galvanischen Abscheidung von Nickel zeigte die besten Ergebnisse für die Strukturierungsmethoden mit einer Maske. Alle untersuchten Methoden für die Ribletherstellung wurden bezüglich ihrer Anwendbarkeit zur Strukturierung von Teilen im Triebwerk beurteilt. Die hergestellten Ribletstrukturen wurden zwischen 900 und 1100°C oxidiert, um das Verhalten bei hohen Anwendungstemperaturen zu simulieren. Die Untersuchungen zeigen, dass die Strukturen auch nach der Oxidation noch intakt sind. Die Effektivität der Ribletstrukturen wurde für ein Ribletdesign im Ausgangszustand getestet. Ein hochskalliertes Modell wurde in einem Ölkanal gemessen, um die Reduzierung der Wandschubspannung zu beurteilen. Die gemessene Ribletoberfläche zeigte eine deutliche Wandschubspannungsverminderung von bis zu 4.9%. Diese Doktorarbeit identifiziert und bewertet damit mögliche Methoden zur Herstellung von effektiven Ribletstrukturen für den Hochtemperatureinsatz wie zum Beispiel für Teile im Flugzeugtriebwerk.

Among other things, the high speed of sharks is caused by reduced friction between water and skin due to riblet structures on the shark scales. When using a surface with riblet structures, the turbulent momentum transfer at the wall, which is responsible for the skin friction, is hampered. This works for all turbulent flowing fluidic media such as liquids and gases. The effect of drag reduction has already been used for airfoil wings that were laminated with polymer based riblets. A reduced flow resistance was obtained, resulting in less fuel consumption. A potential new application field for riblet surfaces are blades and vanes for aeroengines. Riblet structured coatings on the blades would act as oxidation and corrosion protection and additionally reduce the skin drag on the surface. The reduced friction of the air flow would lead to higher efficiencies of engines. This dissertation deals with the fabrication, oxidation and characterization of riblet structures with micrometer dimensions for aerodynamically optimized high temperature applications. First, the necessary riblet sizes were calculated for the different areas in the aeroengine. The size of the riblets depends on the surrounding conditions, namely the velocity, temperature and pressure of the flowing gas. The necessary riblet sizes for compressor inlet, compressor outlet, turbine inlet and turbine outlet were calculated on the basis of one example aeroengine. Calculations show that riblet sizes on blades and vanes for aeroengines vary between single-digit micrometers up to several tens of micrometers, depending on local temperature, pressure and gas velocity. For studying the general oxidation behavior of the riblet candidate materials, different coating materials such as titanium, nickel, chromium, aluminium, silicon and platinum were deposited on high temperature substrate materials such as nickel and titanium based alloys and were oxidized at various temperatures between 400 and 1000°C, depending on a later application in compressor or turbine. Based on the calculations of the necessary riblet dimensions, the feasibility of various methods for the fabrication of riblet structures was investigated. As riblet fabrication methods direct structuring methods such as laser material removal and diamond cutting were investigated as well as structuring methods via a mask. As masks metal masks and resist masks were applied. Different coatings were deposited via thermal evaporation, sputter deposition and electrodeposition. For the direct structuring, best results were obtained via laser structuring. Photolithography and subsequent electrodeposition of nickel showed the best results for the structuring methods with the help of a mask. All tested riblet fabrication methods were evaluated concerning their applicability for structuring parts in aeroengines. The fabricated riblets were oxidized between 900 and 1100°C for simulating the high application temperatures. The structures were still intact after oxidation. The effectiveness of the riblet structures was exemplarily tested for one as-fabricated riblet design. An scaled-up model was measured in an oil channel for determining the reduction of the wall shear stress. The measured riblet design showed a significant wall shear stress reduction of up to 4.9%. Therefore, this doctoral thesis identifies and evaluates possible methods for the design and development of effective riblet structures for high temperature applications such as for parts in aeroengines.

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