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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Abscheidungen,
die auf Oberflächen
gebildet werden, die sich in Kontakt mit Kohlenwasserstoff-Strömungsmitteln
befinden, und spezieller auf Oberflächen, die eine Textur aufweisen,
die vorgesehen ist, die Bildung von Koks-, Ruß- und Öl-Abscheidungen zu hemmen bzw. zu hindern.
Diese Offenbarung bezieht sich auch auf Gegenstände mit solchen Oberflächen und
Verfahren zum Herstellen solcher Gegenstände und Oberflächen.
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Kohlenwasserstoff-Strömungsmittel,
wie der Begriff hierin benutzt wird, ist allgemein als Kohlenwasserstoff-Flüssigkeiten,
Kohlenwasserstoffgase oder Mischungen daraus definiert. „Abbauprodukte
von Kohlenwasserstoff-Strömungsmitteln”, wie hierin
benutzt, schließt
Produkte, die sich aus den Kohlenwasserstoffen bilden, z. B., gewisse
Polymere, die aus der thermischen Umwandlung von Paraffinen in Cycloparaffine,
aromatische Verbindungen und polycyclische Moleküle in dem Kohlenwasserstoff
resultieren, ebenso wie Produkte ein, die aus der tatsächlichen
Zersetzung des Brennstoffes resultieren, z. B. Kohlenstoff.
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Da
hohe Temperatur üblicherweise
mit unerwünschten
Niveaus der Abscheidungsbildung aus Kohlenwasserstoff-Strömungsmitteln
verbunden ist, wird dies hierin üblicherweise
als thermische Instabilität
oder, im Falle von Brennstoffen, als Brennstoff-Instabilität bezeichnet.
Fließende
Kohlenwasserstoff-Strömungsmittel, die
Schmieröle,
Hydrauliköle,
brennbare Brennstoffe und Ähnliche
einschließen,
können
Ruß-,
Koks- und Öl-Abscheidungen
auf der Oberfläche
von Behälterwänden und
anderen Teilen bilden, mit denen sie in Kontakt geraten, wenn das
Strömungsmittel
und/oder die Oberfläche
erhitzt wird. So schließt „Verkoken”, z. B.,
die Verfestigung von flüssigen
Brennstoffen zu kohlenstoffhaltigen Abscheidungen ein, die sich
auf erhitzten Oberflächen
bilden, die in Kontakt mit den flüssigen Brennstoffen stehen.
Beispiele von Prozessen und Systemen, die durch eine solche Abscheidung
beeinflusst werden, können
petrochemische Prozesse, Maschinenwerkzeuge, Automobilmotoren, Flugzeug-Gasturbinentriebwerke,
Schiffs- und industrielle Triebwerke bzw. Maschinen und Ähnliche
einschließen,
bei den Oberflächen-Abscheidungen
aus Kohlenwasserstoff-Strömungsmitteln, -Brennstoffen
und -Ölen
ein Hauptproblem sind. Abscheidungen können Wärmeaustauscher verschmutzen, Brennstoff-Injektoren
ebenso wie Schmiermittel-Verteilungsdüsen verstopfen, Regelventile
blockieren und Probleme mit vielen anderen Arten von Betriebs- und
Regelvorrichtungen verursachen, die mit Kohlenwasserstoff-Strömungsmitteln,
-Brennstoffen und -Ölen
in Beziehung stehen. Darüber
hinaus kann eine solche Abscheidung die Brennstoffströmung vermindern,
die Betriebsdrucke in Brennstoffleitungen erhöhen und die Leistungsfähigkeit
von Injektions- und/oder Verbrennungs-Systemen oder den gesamten
Prozess, das gesamte System oder das gesamte Triebwerk beeinträchtigen.
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In
einem Beispiel treten feste Abscheidungen und Lackbildung auf durch
flüssigen
Brennstoff benetzten internen und externen Oberflächen des
Brennstoff-Zuführungssystems
auf. Zusätzlich
zu den Brennstoff-Injektoren können
andere durch Brennstoff benetzte Komponenten, die Rohrleitungen,
Abmessven tile, Verteilungsventile und Luftspül/Check-Ventile einschließen, die
sowohl Brennstoff als auch Luft hoher Temperatur oder hohen Umgebungstemperaturen
ausgesetzt sind, an Verkokung und Kohlenstoffbildung leiden. Bedingungen
zum Verkoken sind eine Funktion der Brennstoff-Zusammensetzung,
der gelösten
Sauerstoff-Konzentration, der Oberflächen-Rauheit, der Oberflächenzusammensetzungen
und viele andere Variablen haben Einfluss auf die Verkokungsrate
in einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff. Die derzeitige Praxis besteht
darin, die Temperaturen der durch Brennstoff benetzten Oberflächen auf
300°F oder
weniger zu begrenzen, um die Kohlenstoffbildung zu minimieren. Dies
ist in einer typischen Gasturbinen-Umgebung schwierig, wo die Kompressor-Auslasstemperaturen
für Maschinen
relativ geringen Druckverhältnisses/Leistungsfähigkeit
700°F übersteigen
und für
Systeme höherer
Leistungsfähigkeit
1000°F übersteigen.
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Eine
zweite Art von Kohlenstoffbildung, die sich auf sowohl durch Flüssigkeit
als auch durch Gas befeuerte Verbrennungssysteme erstrecken kann,
tritt auf, wenn feste Kohlenstoff-Teilchen und Ruß auf den Komponenten
des Verbrennungssystems agglomerieren. Solche Kohlenstoff-Abscheidungen,
häufig „Klinker” genannt,
beeinträchtigen
die Luft- und Brennstoff-Verteilung im Brenner, erhöhen die
Emissionen, die Temperaturen des Komponentenmetalles und schrägen das
Temperaturprofil des Brennerausganges ab, was die Lebensdauer von
stromabwärts
gelegenen Komponenten reduziert. Solche festen Kohlenstoff-Abscheidungen können auch
Erosion rotierender Turbinenschaufeln verursachen, was Einfluss
sowohl auf die Leistungsfähigkeit
als auch die Lebensdauer hat, wenn diese großen „Klinker” durch Vibration, Luftströmung oder
differenzielles thermisches Wachstum ihren Ort verändern und
in dem stromabwärts
gelegenen Turbinenteil zerfallen. Da die Kollisionen zwischen den
großen
Kohlenstoff-Abscheidungen und Schaufeln bei sehr hoher relativer Geschwindigkeit
(Hunderte oder sogar Tausende von US-Fuß/s) auftreten können und
der Kohlenstoff in dieser Form bemerkenswert hart ist, ist Erosion
der Schaufel-Oberflächen ein
Haltbarkeitsproblem.
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Ein
besonderer Problembereich für
Flüssigkeitsgefeuerte,
am Flugzeugflügel
befindliche und aus der Luftfahrt abgeleitete Triebwerke ist die
Ablenkplatte. Bei diesen Arten von Triebwerken kann sich Koks auf
der Ablenkplatte aufbauen und schließlich können sich Koksschuppen lösen und
Sperrüberzüge auf den
Brenner-Komponenten beschädigen.
Solche Probleme können
einen ersten Einfluss auf die Betriebsfähigkeit des Triebwerkes haben.
Ein anderer problematischer Bereich bezüglich der Koksbildung in derzeitigen
Gasturbinen-Triebwerken sind die Brennstoffleitungen, die zum Brenner
führen.
Ist die Temperatur der Brennstoffleitung innerhalb eines gewissen
Temperaturfensters, dann kann sich Koks innerhalb der Brennstoffleitungen
bilden, was den erforderlichen Pumpdruck erhöht und/oder den Brennstofffluss
zum Triebwerk beschränkt.
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Wie
oben erwähnt,
war ein Verfahren zum Mildern des Aufbaus von Koks- und anderen
Abscheidungen in Brennstoffleitungen und auf anderen Kontaktoberflächen von
Turbinen-Triebwerken das Halten der Temperatur auf einem genügend geringen
Wert, um zu verhindern, dass die Koksabscheidungs-Reaktion auftritt.
Solche Turbinen-Triebwerke müssen
dann jedoch bei weniger als optimalen Temperaturen arbeiten und können daher
ineffizient sein. Alternativ wurden Kühlapparate zu den Verbrennungssystemen
hinzugefügt,
um die Temperaturen der Oberflächen
geringer zu halten, ohne optimale Zündtemperaturen zu opfern. Diese
Apparaturen fügen
jedoch Kosten und Komplexität
zum Turbinentriebwerks-Design hinzu. Ein anderes Verfahren war das Überziehen
der Oberflächen
mit einem Katalysator oder Überzug,
manchmal Kokssperr-Überzüge (CBC)
genannt, wobei die Überzüge chemisch
vorgesehen waren, das Binden der thermischen Abscheidungen an den
Oberflächen
zu hemmen. Wiederum fügen
spezielle Überzüge Kosten
und eine zusätzliche
Prozessstufe zum Design eines Turbinen-Triebwerkes hinzu. Darüber hinaus
sind einige derzeitige Überzüge nicht
für jede
Art thermischer Abscheidung geeignet, die in dem Verbrennungssystem
auftreten kann. Ein noch anderes Verfahren der Befassung mit der
thermischen Abscheidung war die Modifizierung des Kohlenwasserstoff-Brennstoffes mit
Zusätzen.
Der Brennstoff muss vor der Benutzung vorbehandelt werden oder es
müssen spezielle
Brennstoffe mit bereits hinzugemischten Zusätzen zu einem höheren Preis
gekauft werden.
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Eine
Oberfläche
für einen
Metallgegenstand, die die Bildung thermischer Abscheidungen hemmt,
insbesondere eine Anti-Verkokungsoberfläche, ohne das Kohlenwasserstoff-Strömungsmittel
modifizieren zu müssen,
ohne Anwendung spezieller Prozeduren und ohne Installation spezieller
Ausrüstung
könnte
für derzeitige
Turbinen für
Flüssigbrennstoff
und andere ähnliche
Apparaturen erwünscht
sein.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Hierin
sind Verfahren offenbart, um eine Oberfläche dahingehend zu konfigurieren,
dass sie die Bildung thermischer Abscheidungen verhindert.
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In
einer Ausführungsform
schließt
ein Verfahren zum Verhindern thermischer Kohlenwasserstoff-Abbauabscheidungen
auf einer Oberfläche
einer Gasturbinen-Komponente ein: Bereitstellen der Turbinen-Komponente
mit einer Oberfläche,
die zum Kontakt mit einem Kohlenwasserstoff-Strömungsmittel konfiguriert ist, wobei
das Substrat ein Material umfasst, das eine nominelle Flüssigkeits-Benetzbarkeit
aufweist, die genügt, um,
mit Bezug auf ein Öl,
einen nominellen Kontaktwinkel zu erzeu gen, Anordnen einer Vielzahl
von Merkmalen auf dem Substrat zur Bildung einer Antiabscheidungs-Oberflächentextur,
wobei die Vielzahl von Merkmalen eine Größe, Gestalt und Orientierung
aufweist, die derart ausgewählt
ist, dass die Oberfläche
eine effektive Benetzbarkeit hat, die, mit Bezug auf ein Öl, genügt, um einen
effektiven Kontaktwinkel zu erzeugen, der größer als der nominelle Kontaktwinkel
ist, und die Merkmale eine Breiten-Abmessung (a) und eine Abstands-Abmessung
(b) umfassen, wobei die Merkmale das Kohlenwasserstoff-Strömungsmittel
hindern, in die Oberflächentextur
einzudringen und dadurch die Adhäsion
thermischer Kohlenwasserstoff-Abscheidungen an der Oberfläche verringern.
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In
einer anderen Ausführungsform
schließt
ein Verfahren zum Verhindern von Koksabscheidungen auf einer Oberfläche einer
Gasturbinen-Komponente ein: Bereitstellen der Turbinen-Komponente
mit einer Oberfläche,
die konfiguriert ist zum Kontakt mit einem Kohlenwasserstoff-Strömungsmittel,
wobei das Substrat ein Material umfasst, das eine nominelle Flüssigkeits-Benetzbarkeit
aufweist, die genügt,
um, mit Bezug auf ein Öl,
einen nominellen Kontaktwinkel zu erzeugen, Anordnen einer Vielzahl
von Merkmalen auf der Oberfläche zum
Bilden einer Antiverkokungs-Oberflächentextur, wobei die Vielzahl
von Merkmalen eine Größe, Gestalt und
Orientierung aufweist, die derart ausgewählt ist, dass die Oberfläche eine
effektive Benetzbarkeit aufweist, die, mit Bezug auf ein Öl, genügt, um einen
effektiven Kontaktwinkel zu erzeugen, der größer als der nominelle Kontaktwinkel
ist, und die Merkmale eine Breiten-Abmessung (a) und eine Abstands-Abmessung
(b) umfassen, wobei die Merkmale das Kohlenwasserstoff-Strömungsmittel
hindern, in die Oberflächentextur
einzudringen und dadurch die Adhäsion
von Koks-Abscheidungen an der Oberfläche vermindern.
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Ein
Brenner für
ein Gasturbinen-Triebwerk kann eine Verbrennungskammer, konfiguriert,
ein Kohlenwasserstoff-Strömungsmittel
zu enthalten, das in den Brenner injiziert ist, und eine Ablenkplatte
einschließen, die
an einem Ende der Verbrennungskammer am nächsten zur Kohlenwasserstoff-Strömungsmittelinjektion angeordnet
ist und eine Oberfläche
aufweist, die zum Kontakt mit dem Kohlenwasserstoff-Strömungsmittel konfiguriert
ist, wobei die Ablenkplatte ein Material umfasst, das eine nominelle
Flüssigkeits-Benetzbarkeit
aufweist, die, unter Bezugnahme auf ein Öl, genügt, um einen nominellen Kontaktwinkel
zu erzeugen, wobei eine Vielzahl von Merkmalen auf der Ablenkplatten-Oberfläche angeordnet
ist, um eine Antiverkokungs-Oberflächentextur zu bilden, wobei
die Vielzahl von Merkmalen eine Größe, Gestalt und Orientierung
aufweist, die derart ausgewählt
sind, dass die Oberfläche
eine effektive Benetzbarkeit hat, die, unter Bezugnahme auf ein Öl, genügt, um einen
effektiven Kontaktwinkel zu erzeugen, der größer als der nominelle Kontaktwinkel
ist, und wobei die Merkmale eine Breiten-Abmessung (a) und eine
Abstands-Messung (b) umfassen, wobei die Abmessungen verhindern,
dass das Kohlenwasserstoff-Strömungsmittel
in die Oberflächentextur
eindringt und dadurch die Adhäsion
einer Koksabscheidung an der Oberfläche verringern, und wobei ein
Verhältnis
von b/a kleiner als 2 und ein Verhältnis von h/a kleiner als etwa
5 ist.
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Die
oben beschriebenen und andere Merkmale werden durch die folgenden
Figuren und die detaillierte Beschreibung beispielhaft erläutert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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In
den Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugsziffern versehen:
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1 ist
ein schematischer Querschnitt eines Gasturbinen-Triebwerkes;
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2 ist
eine schematische Querschnittsansicht eines Brenners, der bei dem
Gasturbinen-Triebwerk von 1 benutzt
wird;
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3 ist
ein schematischer Querschnitt eines stationären Hochleistungs- oder industriellen
Gasturbinen-Triebwerkes;
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4 ist
eine schematische Querschnittsansicht eines Brenners, der bei dem
Gasturbinen-Triebwerk der 3 eingesetzt
wird;
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5 ist
eine schematische Querschnittsansicht einer beispielhaften Ausführungsform
der Oberfläche
eines Gegenstandes, die die Textur zeigt;
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6 ist
eine schematische Querschnittsansicht eines Strömungsmittels, das auf einer
nominell flachen Oberfläche
angeordnet ist;
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7 veranschaulicht
grafisch die Design-Parameter
für postenartige
Merkmale auf einer Oberfläche, um
zu Tröpfchen
entfernen, die bei verschiedenen Geschwindigkeiten auftreffen;
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8 zeigt
grafisch die Design-Parameter für
Poren (z. B. Hohlräume)
statt Pfosten als das Oberflächen-Merkmal;
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9 liefert
grafisch einen weiteren Vergleich zwischen Laplace-Drucken (PL) und Kapillardrucken (PC)
für den
Abstand der Pfosten-Merkmale, und
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10 und 11 veranschaulichen
grafisch den Flächen-Bruchteil
der Oberfläche,
der für
die Adhäsion
der Koksabscheidung für
Pfosten-Merkmale bzw. Poren-Merkmale verfügbar ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Oberflächen, die dem Aufbau thermischer
Abscheidungen, wie, z. B., Koks, Ruß, Kohlenstoff-Teilchen und Ähnlichem,
widerstehen. Wie hierin beschrieben, kann der Gebrauch oleophober
Oberflächentexturen
die Ansammlung solcher Abscheidungen durch Verhindern, dass das Öl die Oberfläche signifikant
benetzt, hemmen. Die offenbarte Textur kann das Ablösen von Öltröpfchen fördern und
verhindern, dass das Öl
die erforderliche Verkokungs-Temperatur erreicht. Der Gebrauch geeigneter
Textur verhindert auch das Anhaften von Koks-Kristallisationskernen
an der Oberfläche,
wodurch die Bildung weiterer Koksschichten verhindert wird. Die
Modifikationen der Oberflächentextur,
wie sie hierin beschrieben sind, sind konfiguriert, das Eindringen
von Öltröpfchen in
die Oberflächentextur
zu hemmen und dadurch die Adhäsion
der Koksabscheidungen an der Oberfläche zu vermindern. Der Begriff „oleophobe
Oberfläche” wird allgemein
in der Bedeutung der physikalischen Eigenschaften des Moleküls oder
der Oberfläche
benutzt, Öl
abzustoßen.
Der Begriff „oleophobe
Oberfläche” und „oleophobe
Oberflächentextur”, wie er
hierin benutzt wird, soll spezifischer irgendeine Oberfläche bedeuten,
die einen Kohlenwasserstoff-Brennstoff abstößt und die Bildung thermischer
Abbauabscheidungen daraus hemmt. Obwohl die Erfindung nicht auf
irgendeinen flüssigen
Kohlenwas serstoff-Brennstoff gerichtet oder dadurch beschränkt ist,
können
typische Brennstoffe, für
die die Oberflächen
angepasst werden können,
und typische Brennstoffe, vor denen die Oberflächen der Gegenstände geschützt sind,
brennbare Kohlenwasserstoffgase, wie Erdgas und Kohlenwasserstoff-
oder Destillat-Brennstoffe einschließen, die Kohlenwasserstoff
und Destillationsprodukte daraus einschließen können, die bei Raumtemperatur
im Allgemeinen flüssig
sind. Die Brennstoffe können
Mischungen von Kohlenwasserstoffen, Mischungen solcher Destillationsprodukte,
Mischungen von Kohlenwasserstoffen und Destillationsprodukten, Gasolin,
Diesel-Brennstoffe Nr. 1 oder Nr. 2, Strahltriebwerks-Brennstoffe,
wie Strahl-A-Brennstoff, Brennstofföle oder irgendwelche der vorhergehenden
Brennstoffe, vermischt mit Zusätzen,
die im Stande der Technik bekannt sind, einschließen. Flüssige Kohlenwasserstoff-Brennstoffe
können
Bezug nehmen auf flüssige
Brennstoffe, die üblicherweise
in Reaktionsmotoren eingesetzt werden, einschließlich, darauf jedoch nicht beschränkt, Industrie-Gasturbinen,
Triebwerke, die in internen oder reziproken Verbrennungs-Triebwerken
eingesetzt werden, einschließlich,
darauf jedoch nicht beschränkt,
Automobil- und Laster-Triebwerke, Strahltriebwerks-Flugzeuge, irgendeine
andere Gasturbine und Ähnliche.
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Die
oleophoben Oberflächen,
wie sie hierin offenbart sind, können
bei irgendeiner Komponente benutzt werden, die zum Kontakt mit heißem flüssigem Kohlenwasserstoff-Brennstoff
angepasst sind oder solchen enthalten, z. B. flüssigen Kohlenwasserstoff-Strahltriebwerks-
oder Diesel-Brennstoff, erhitzt auf eine Temperatur, bei der sich
Abbauprodukte in den Kohlenwasserstoffen bilden. Beispiele solcher
Gegenstände oder
Komponenten können,
ohne Einschränkung,
Leitungen zum Transportieren flüssigen
Brennstoffes, Wärmeaustauscher,
Boiler, Öfen,
Brennstoff-Lagertanks, Brennstoff-Injektoroberflächen, Düsen, Auskleidungen von Brennern
und Ähnliche
einschließen. Die
vorliegende Offenbarung wendet einen Oberflächenzustand auf Oberflächen nahe
dem Brennstoff-Injektor an, wo sich Kohlenstoffruß ansammeln
kann, der nicht klebrig ist (antistick), sodass sich große Abscheidungen
weniger wahrscheinlich bilden und, wenn gebildet, bei sehr viel geringerer
relativer Größe entfernt
werden würden,
was weniger Erosion in Komponenten im heißen Gaspfad verursacht.
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In
der Zeichnung allgemein und in 1 im Besonderen
beschreiben die Darstellungen eine spezielle Ausführungsform
der Oberfläche
und des Gegenstandes, wie sie hierin offenbart sind, und sie sind
nicht als darauf beschränkt
anzusehen. 1 ist eine schematische Querschnittsansicht
eines beispielhaften Gas-Triebwerkes. Es wird Bezug genommen auf
die Nutzung von oleophoben Oberflächen-Behandlungen im Brennersystem
der Flüssiggas-Turbine.
Es sollte jedoch klar sein, dass die hierin offenbarten Oberflächen-Behandlungen
vorteilhafterweise in irgendeinem System oder Prozess benutzt werden
können,
in denen thermische Abscheidungen von Kohlenwasserstoff-Brennstoffen, wie
Koks, Ruß,
Kohlenstoff und Ähnliche,
auf der Oberfläche
von Metallen auftreten, was die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer solcher
Systeme vermindert.
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Hinsichtlich
der Gasturbinen-Triebwerke können
der Verkokung entgegenwirkende Oberflächen die Betriebsfähigkeit
der Triebwerke im Verbrennungssystem stark verbessern sowie die
Beschränkung
der Brennstoffströmung
zum Triebwerk in Brennstoff-Leitungen verhindern, die mit Koksabscheidungen
verstopft sind. Oleophob texturierte Oberflächen in Turbinen-Triebwerken können die
Notwendigkeit beseitigen, Brennstoffzusätze oder aktiv kühlende Komponenten
im Verbrennungssystem einzusetzen. Als ein spezifisches Beispiel
kann eine Umlenkplatte mit einer oleophob texturierten Oberfläche den
Koksaufbau darauf hemmen. Durch Mildern der Koksbildung auf der
Ab lenkplatte ist die Gelegenheit zum Lösen von Koksabscheidungen und
Beschädigen
benachbarter Sperrüberzüge auf Oberflächen stark
reduziert und somit die Betriebslebensdauer der Turbine verlängert.
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1 veranschaulicht
eine beispielhafte Ausführungsform
eines Gasturbinen-Triebwerkes 10 mit einer Gebläse-Baueinheit 12,
einem Hochdruckkompressor 14 und einem Brenner 16.
Triebwerk 10 schließt auch
eine Hochdruck-Turbine 18, eine Niederdruck-Turbine 20 und
einen Verstärker
(booster) 22 ein. Die Gebläse-Baueinheit 12 schließt eine
Reihe von Gebläseschaufeln 24 ein,
die sich von einer Rotorscheibe 26 aus radial nach außen erstrecken.
Triebwerk 10 hat eine Aufnahmeseite 28 und eine
Auslassseite 30.
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In
Betrieb strömt
Luft durch die Gebläse-Baueinheit 12 und
komprimierte Luft wird dem Hochdruckkompressor 14 zugeführt. Die
stark komprimierte Luft wird an den Brenner 16 geliefert.
Eine Luftströmung
vom Brenner 16 treibt die Turbinen 18 und 20 und
Turbine 20 treibt die Gebläse-Baueinheit 12 an.
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2 ist
eine Querschnittsansicht des in dem Gasturbinen-Triebwerk 10 eingesetzten
Brenners 16. Brenner 16 kann eine ringförmige äußere Auskleidung 40,
eine ringförmige
innere Auskleidung 42 und ein gewölbeartiges Ende 44 aufweisen,
das sich zwischen der äußeren und
inneren Auskleidung 40 bzw. 42 erstreckt. Die äußere Auskleidung 40 und
die innere Auskleidung 42 definieren eine Verbrennungskammer 46.
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Die
Verbrennungskammer 46 hat eine allgemein ringförmige Gestalt
und kann zwischen Auskleidungen 40 und 42 angeordnet
sein. Äußere und
innere Auskleidung 40 und 42 erstrecken sich bis
zu einer Turbinendüse 56,
die stromabwärts
vom gewölbten
Ende 44 des Brenners angeordnet ist. In der bei spielhaften
Ausführungsform
können
die äußere und
innere Auskleidung 40 und 42 jeweils eine Vielzahl
von Platten 58 einschließen, die eine Reihe von Stufen 60 einschließen, von
denen jede einen bestimmten Abschnitt der Brenner-Auskleidungen 40 und 42 bildet.
Das gewölbeartige
Ende 44 des Brenners kann eine ringförmige Gewölbe-Baueinheit 70 einschließen, die
in einer ringförmigen
Konfiguration arrangiert ist. Die Gewölbe-Baueinheit 70 des Brenners
ist konfiguriert, um dem stromaufwärts gelegenen Ende 72 des
Brenners 16 strukturelle Stützung zu bieten, und die Gewölbe-Baueinheit 70 schließt eine
Gewölbeplatte
oder Brillenplatte 74 und eine Ablenkplatten-Öffnungskonus-Baueinheit 76 ein.
Ablenkplatten-Öffnungskonus-Baueinheit 76 ist
einheitlich und schließt
einen Ablenkplattenabschnitt 77 ein.
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Brenner 16 kann
durch einen Brennstoff-Injektor 80, der mit einer (nicht
gezeigten) Brennstoffquelle verbunden ist und sich durch das Gewölbe-Ende 44 des
Brenners erstreckt, mit Brennstoff versehen werden. Spezifischer
erstreckt sich der Brennstoff-Injektor 80 durch Gewölbe-Baueinheit 70 und
entlässt
Brennstoff in einer (nicht gezeigten) Richtung, die im Wesentlichen
konzentrisch mit Bezug auf eine zentrale Symmetrie-Längsachse 82 des
Brenners ist. Brenner 16 kann auch eine Brennstoff-Zündvorrichtung 84 einschließen, die
sich stromabwärts
vom Brennstoff-Injektor 80 in den Brenner 16 hinein
erstreckt. Brenner 16 schließt auch einen ringförmigen Luftverwirbeler 90 mit
einem ringförmigen
Ausgang ein, der sich im Wesentlichen symmetrisch um die zentrale
Symmetrie-Längsachse 82 herum
erstreckt.
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Der
Ablenkplattenabschnitt 77 ist konfiguriert, um zu verhindern,
dass heiße
Verbrennungsgase, die innerhalb des Brenners 16 erzeugt
wurden, und Brennstoff-Spritzer vom Injektor 80 zurückspritzen
und auf die Gewölbeplatte
des Brenners auftreffen. Die Ablenkplatte selbst kann thermischer
Abscheidung vom Abbau vom Kohlenwasserstoff-Brennstoff auf ihrer
Oberfläche
unterliegen, weil es die Funktion der Ablenkplatte ist, die Strömung des
Kohlenwasserstoff-Brennstoffes und kohlenstoffhaltiger Gase von
anderen Komponenten wegzulenken. In einigen Fällen können bei fortgesetztem Aufbau
von Koks- und Öl-Abscheidungen
diese sich während
des Betriebes lösen
und auf andere Oberflächen
des Brenners 16 auftreffen. Diese Geschehnisse können zur
Beschädigung
innerhalb des Brenners und verringerter Betriebsfähigkeit
führen.
Durch Bereitstellen einer Ablenkplatte und/oder anderer Komponenten
mit oleophoben Oberflächentexturen
in Kontakt mit dem erhitzten Kohlenwasserstoff-Brennstoff kann die
Bildung thermischer Abbau-Abscheidungen auf Komponenten-Oberflächen gemildert
oder gänzlich
verringert werden. In einigen Ausführungsformen kann eine der Verkokung
entgegenwirkende Oberfläche
mit einer Textur aus Oberflächen-Merkmalen
(wie weiter unten detailliert beschrieben) über der gesamten Ablenkplatten-Oberfläche angeordnet
sein. In gewissen Fällen
kann die der Verkokung entgegenwirkende Oberflächentextur nur an einem speziellen
Abschnitt oder Abschnitten der Oberfläche notwendig oder erwünscht sein.
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Als
eine andere Anwendung, bei der die hierin beschriebenen oleophoben
Oberflächen
erwünscht
wären,
ist in 3 eine stationäre
industrielle Gasturbine 400 mit einem ringförmigen Verbrennungssystem 410 veranschaulicht. 4 ist
eine vergrößerte Querschnittsansicht
des in 3 gezeigten Verbrennungssystems 410.
Jeder Brenner 410 schließt ein im Wesentlichen zylindrisches
Brennergehäuse 412 ein.
Das rückwärtige oder
proximale Ende des Brennergehäuses
ist durch einen Endabdeckungs-Baueinheit 414 abgeschlossen, die
Rohre, Rohrleitungen und dazugehörige
Ventile zum Zuführen
von Kohlenwasserstoff-Brennstoff, Luft und Wasser zum Brenner einschließt. Die
Endabdeck-Baueinheit 414 empfängt mehrere (z. B. drei bis
sechs) „äußere” Brennstoffdüsen-Baueinheiten 416 (in 4 ist
aus Zwecken der Bequemlichkeit und Klarheit nur eine gezeigt), angeordnet
in einer kreisförmigen
Reihe um eine Längsachse
des Brenners und eine zentrale Düse herum.
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Innerhalb
des Brennergehäuses 410 ist
in im Wesentlichen konzentrischer Beziehung dazu eine im Wesentlichen
zylindrische Strömungshülse 418 montiert,
die an ihrem vorderen Ende mit der äußeren Wand 420 des
doppelwandigen Übergangskanals 422 verbindet.
Die Strömungshülse 418 ist
an ihrem rückwärtigen Ende
mittels eines radialen Flansches 424 mit dem Brennergehäuse 412 verbunden,
wo vordere und rückwärtige Abschnitte
des Brennergehäuses 412 verbunden
sind.
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Innerhalb
der Strömungshülse 418 gibt
es eine konzentrisch angeordnete Brennerauskleidung 430, die
an ihrem vorderen Ende mit der inneren Wandung des Übergangskanals 422 verbunden
ist. Die Brennerauskleidung 430 wird durch eine Verbrennerauskleidungs-Kappenbaueinheit
und durch eine Vielzahl von (nicht im Detail gezeigten) Streben
und Montage-Baueinheiten
innerhalb des Brennergehäuses 412 abgestützt.
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Ähnlich der
Ablenkplatte des Verbrennungssystems in dem Flugzeug-Turbinentriebwerk
sind sowohl die Oberfläche
der Brennstoffdüsen 416 als
auch die Brennerauskleidung 430 Regionen des stationären Turbinen-Verbrennungssystems,
die zur Abscheidung von Koks und Kohlenstoff neigen können. Der
flüssige
Kohlenwasserstoff-Brennstoff und das verbrannte Kohlenwasserstoffgas
können
mit den Düsen-
und Brennerauskleidungs-Oberflächen
in direktem Kontakt stehen und diese sogar überziehen. Der thermische Abscheidungsaufbau
auf der Düse
kann, neben dem Abbrechen und Verursachen von Schaden an internen
Oberflächen, die
Strömung
des Kohlenwasserstoff-Brennstoffes in den Brenner selbst beschränken. Dies
kann die Wirkung der Erhöhung
des er forderlichen Pumpdruckes und/oder der Beschränkung der
Brennstoffströmung
zum Triebwerk haben. Die Oberflächen
sowohl der Brennstoffdüse
als auch der Brennerauskleidung sind Brenner-Komponenten, die Nutzen haben würden von
oleophoben Oberflächen
zum Abstoßen
von flüssigen Brennstoffen
auf Kohlenwasserstoff-Grundlage.
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Die
Begriffe „Kontaktwinkel” oder „statischer
Kontaktwinkel”,
wie sie hierin benutzt werden, sind der Winkel, der zwischen einem
stationären
Tropfen einer Bezugsflüssigkeit
und einer horizontalen Oberfläche
gebildet wird, auf der der Tropfen angeordnet ist, gemessen an der
Flüssigkeit/Substrat-Grenzfläche. Der
Kontaktwinkel wird als ein Maß der
Benetzbarkeit der Oberfläche
benutzt. Breitet sich die Flüssigkeit
vollständig auf
der Oberfläche
aus und bildet einen Film, dann ist der Kontaktwinkel 0 Grad. Mit
zunehmendem Kontaktwinkel nimmt die Benetzbarkeit ab. Die oleophoben
Oberflächen-Behandlungen,
wie sie hierin beschrieben wurden, werden nun allgemein zur Erleichterung
der Diskussion als eine „der
Verkokung entgegenwirkende Oberfläche” bezeichnet. Eine „der Verkokung
entgegenwirkende Oberfläche” beschreibt
eine Oberfläche,
die eine beträchtlich
verringerte Neigung zur Ölbenetzung
aufweist. Eine der Verkokung entgegenwirkende Oberfläche fördert auch
das einfachere Abschütteln
von Öltröpfchen,
als dies bei gegenwärtigen
Turbinen-Oberflächen
der Fall ist. Eine texturierte, der Verkokung entgegenwirkende Oberfläche, wie
sie hierin beschrieben ist, verhindert das Eindringen von Ölschichten
in die Oberflächentextur,
was zu einer signifikanten Verringerung in der Adhäsion von
Koksabscheidungen an der Oberfläche
führt.
Dem Verkoken entgegenwirkende Oberflächen sind charakterisiert durch
verringerten thermischen Abscheidungsaufbau, verglichen mit Oberflächen ohne
die offenbarte Behandlung.
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Die
Ablenkplatte 77 und die inneren Oberflächen des Brenners 16 der 2 sind
ein Beispiel von Gegenständen,
die ideal für
der Verkokung entgegenwirkende Oberflächen in Flugzeug- und von der
Luftfahrt abgeleiteten Turbinen-Verbrennungssystemen sind. In ähnlicher
Weise sind die Brennstoffdüse 416 und
die Brennerauskleidung 430 von 4 Beispiele
von Gegenständen,
die ideal für
der Verkokung entgegenwirkende Oberflächen in stationären Turbinen-Verbrennungssystemen
sind. Es sollte jedoch klar sein, dass diese der Verkokung entgegenwirkenden
Oberflächen
in irgendeinem Verbrennungssystem brauchbar sein können, in dem
sich ein flüssiger
Brennstoff auf Kohlenwasserstoff-Grundlage in Kontakt mit einer
erhitzten Oberfläche befindet.
Oberflächen-Behandlungen
in Bereichen, wo das erhitzte Kohlenwasserstoff-Strömungsmittel
mit einer Oberfläche
(d. h., zum Verkoken neigenden Oberflächen) in Kontakt kommt, wie
der Ablenkplatte, können der
Verkokung entgegenwirkende, der Rußbildung entgegenwirkende und ähnliche
Oberflächen-Eigenschaften
bereitstellen.
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In 5 ist
eine schematische Querschnittsansicht einer zum Verkoken neigenden
Oberfläche
eines Gegenstandes gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. Gegenstand 100 umfasst
eine Oberfläche 120.
Der Begriff „Oberfläche”, wie er
hierin benutzt wird, bezieht sich auf den Abschnitt des Gegenstandes 100,
der sich in direktem Kontakt mit einem Kohlenwasserstoff-Strömungsmittel
befindet, das den Gegenstand 100 umgibt. Die Oberfläche kann
das Substrat, die Merkmale oder die Oberflächen-Modifikationsschicht einschließen, die über dem
Substrat angeordnet ist, was von der spezifischen Konfiguration
des Gegenstandes abhängt.
Oberfläche 120 hat
eine geringe Flüssigkeits-Benetzbarkeit.
Ein üblicherweise
akzeptiertes Maß der
Flüssigkeits-Benetzbarkeit
einer Oberfläche 120 ist
der Wert des statischen Kontaktwinkels 140, der zwischen
Oberfläche 120 und
einer Tangente 130 zu einer Oberfläche von einem Tröpfchen 150 einer
Bezugsflüssigkeit
an dem Punkt des Kontaktes zwischen Oberfläche 120 und Tröpfchen 150 gebildet
wird. Hohe Werte des Kontaktwinkels 140 zeigen eine geringe
Benetzbarkeit für
die Bezugsflüssigkeit
auf der Oberfläche 120 an.
Die Bezugsflüssigkeit
kann irgendeine Flüssigkeit
von Interesse sein. Wie für
das oben beschriebene System und die Verfahren benutzt, kann die
Bezugsflüssigkeit
eine Flüssigkeit
sein, die mindestens einen Kohlenwasserstoff enthält. In einer
besonderen Ausführungsform
ist die Bezugsflüssigkeit
ein Öl.
Beispiele von Ölen
können,
ohne Einschränkung,
Petroleum-Produkte, wie Rohöl
und daraus destillierte Produkte, wie Kerosin, Gasolin, Diesel-Brennstoffe
Nr. 1 oder Nr. 2, Strahltriebwerks-Brennstoffe, wie Strahl-A, Paraffin
und Ähnliche
einschließen.
Der Begriff „ölbeständig”, wie er
hierin benutzt wird, ist als Bezugnahme auf eine Oberfläche zu verstehen,
die einen statischen Kontaktwinkel mit Öl von mindestens etwa 30 Grad
erzeugt. Weil die Benetzbarkeit teilweise von der Oberflächenspannung
der Bezugsflüssigkeit abhängt, kann
eine gegebene Oberfläche
eine andere Benetzbarkeit (und daher verschiedene Kontaktwinkel bilden)
für verschiedene
Flüssigkeiten
haben.
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Die
Oberfläche 120 umfasst
ein Material mit einer genügenden
nominellen Flüssigkeits-Benetzbarkeit, um,
unter Bezugnahme auf ein Öl,
einen nominellen Kontaktwinkel von mindestens etwa 30 Grad zu erzeugen. Für die Zwecke
des Verstehens der Erfindung bedeutet ein „nomineller Kontaktwinkel” 340 (6)
den statischen Kontaktwinkel 340, gemessen, wo ein Tropfen
einer Bezugsflüssigkeit 360 auf
einer flachen glatten (Oberflächen-Rauheit < 1 nm) Oberfläche 320 angeordnet
ist, die im Wesentlichen aus dem Material besteht. Dieser nominelle
Kontaktwinkel 340 ist eine Messung der „nominellen Benetzbarkeit” des Materials.
In einer Ausführungsform
ist der nominelle Kontaktwinkel, unter Bezugnahme auf ein Öl, mindestens
etwa 30 Grad, spezifisch mindestens etwa 70 Grad, spezifischer mindestens
etwa 100 Grad und noch spezifischer mindestens etwa 120 Grad.
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Oberfläche 120 (5)
umfass mindestens ein Material, ausgewählt aus der Gruppe bestehend
aus einem keramischen und einem intermetallischen Material. Geeignete
Keramikmaterialien schließen
anorganische Oxide, Carbide, Nitride, Boride und Kombinationen daraus
ein. Nicht einschränkende
Beispiele solcher Keramikmaterialien schließen Aluminiumnitrid, Bornitrid,
Chromnitrid, Siliciumcarbid, Siliciumdioxid, Zinnoxid, Titandioxid,
Titancarbonitrid, Titannitrid, Titanoxynitrid, Stibinit (SbS2), Zirkoniumdioxid, Hafniumdioxid, Zirkoniumnitrid
und Kombinationen daraus ein. In gewissen Ausführungsformen umfasst die Oberfläche ein
intermetallisches Material. Beispiele geeigneter intermetallischer
Materialien schließen,
ohne darauf beschränkt
zu sein, Nickelaluminid, Titanaluminid und Kombinationen daraus
ein. Das Material ist ausgewählt
auf der Grundlage des erwünschten
Kontaktwinkels, der benutzten Fabrikationstechnik und der Endanwendung
des Gegenstandes.
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Oberfläche 120 umfasst
weiter eine Textur mit einer Vielzahl von Merkmalen 160.
Durch Versehen einer Oberfläche 120,
die ein Material vergleichsweise hoher nomineller Benetzbarkeit
umfasst, mit einer spezifischen Textur, wie detailliert weiter unten
beschrieben, kann die resultierende texturierte Oberfläche eine
signifikant geringere Benetzbarkeit haben als die, die dem Material
inhärent
ist, aus dem die Oberfläche
hergestellt ist. Im Besonderen hat Oberfläche 120 eine effektive
Benetzbarkeit (das ist die Benetzbarkeit der texturierten Oberfläche) für die Bezugsflüssigkeit,
die genügt,
um einen effektiven Kontaktwinkel von mehr als dem nominellen Kontaktwinkel
zu erzeugen. In einer Ausführungsform
ist der effektive Kontaktwinkel um mindestens etwa 5 Grad größer als
der nominelle Kontaktwinkel, spezifisch um mindestens etwa 10 Grad
größer als der
nominelle Kontaktwinkel, spezifischer um mindestens etwa 20 Grad
größer als
der nominelle Kontaktwinkel und noch spezifischer um mindestens
etwa 30 Grad größer als
der nominelle Kontaktwinkel. Der effektive Kontaktwinkel hängt teilweise
von der Merkmals-Gestalt, den -Abmessungen und den -Abständen ab,
wie detailliert weiter unten beschrieben wird.
-
Wie
oben beschrieben, hat Oberfläche 120 eine
Textur, die eine Vielzahl von Merkmalen 160 umfasst. Die
Vielzahl von Merkmalen 160 kann von irgendeiner Gestalt
sein, mindestens eine von Vertiefungen, Vorsprüngen, nanoporösen Feststoffen,
Einbuchtungen oder Ähnlichen
einschließen.
Die Merkmale können
Beulen, Kegel, Stäbe,
Pfosten, Drähte,
Kanäle,
im Wesentlichen kugelförmige
Merkmale, im Wesentlichen zylindrische Merkmale, pyramidenförmige Merkmale,
prismenförmige
Strukturen, deren Kombinationen und Ähnliche einschließen. Zahlreiche
Arten von Merkmalsgestalten sind zum Einsatz als Merkmale 160 geeignet.
In einigen Ausführungsformen
steht, wie in 5 gezeigt, zumindest ein Untersatz
der Vielzahl von Merkmalen 160 über die Oberfläche 120 des
Gegenstandes hinaus. In einigen Ausführungsformen ist mindestens
ein Untersatz der Vielzahl von Merkmalen 160 eine Vielzahl
von Hohlräumen
(z. B. Poren) 170, die in der Oberfläche 120 angeordnet
sind. In einigen Ausführungsformen
hat mindestens ein Untersatz der Merkmale 160 eine Gestalt,
ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus einem Würfel, einem rechteckigen Prisma,
einem Kegel, einem Zylinder, einer Pyramide, einem trapezförmigen Prisma
und einer Halbkugel oder einem anderen kugelförmigen Abschnitt. Diese Gestalten
sind geeignet, sei das Merkmal ein Vorsprung 160 oder ein
Hohlraum 170.
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Die
Größe der Merkmale 160 (5)
kann auf eine Anzahl von Arten charakterisiert werden. Merkmale 160 umfassen
eine Höhenabmessung
(h) 200, die die Höhe
der vorspringenden Merkmale oberhalb der Oberflächen 120 repräsentiert
oder, im Falle von Hohlräumen 170,
die Tiefe, bis zu der sich die Hohlräume in die Oberfläche 120 hinein
erstrecken. Merkmale 160 umfassen weiter eine Breitenabmessung
(a) 220. Die genaue Natur der Breitenabmessung hängt von
der Gestalt des Merkmales ab, ist jedoch definiert als die Breite des
Merkmales an dem Punkt, an dem das Merkmal natürlicherweise mit einem Tropfen
von Flüssigkeit,
der auf der Oberfläche
des Gegenstandes angeordnet ist, in Kontakt stehen würde. Die
Höhen-
und Breiten-Parameter
der Merkmale 160 haben eine signifikante Auswirkung auf
das auf der Oberfläche 120 beobachtete
Benetzungs-Verhalten.
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Die
Merkmal-Orientierung ist eine weitere Design-Betrachtung bei der Technik der Oberflächen-Benetzbarkeit.
Ein signifikanter Aspekt der Merkmal-Orientierung ist der Abstand
der Merkmale. Bezugnehmend auf 3 sind in
einigen Ausführungsformen
Merkmale 160 in einer beabstandeten Beziehung angeordnet, die
durch eine Abstandsabmessung (b) 240 charakterisiert ist.
Die Abstandsabmessung 240 ist definiert als der Abstand
zwischen den Kanten der beiden nächsten
Nachbarmerkmale. Andere Aspekte der Orientierung können ebenfalls
in Betracht gezogen werden, wie, z. B., das Ausmaß, zu dem
Oberteil 250 (oder Boden 260 für einen Hohlraum) davon abweichen,
dass sie parallel zur Oberfläche 120 verlaufen,
oder das Ausmaß,
zu dem Merkmale 160 von einer senkrechten Orientierung
mit Bezug auf die Oberfläche 120 abweichen.
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In
einigen Ausführungsformen
haben alle Merkmale 160 in der Vielzahl im Wesentlichen
die gleichen entsprechenden Werte für h, a und/oder b („eine geordnete
Anordnung”), obwohl
dies kein allgemeines Erfordernis ist. So kann, z. B., die Vielzahl
der Merkmale 160 eine Ansammlung von Merkmalen sein, die
eine regellose Verteilung von Größe, Gestalt
und/oder Orientierung zeigt. In gewissen Ausführungsformen ist darüber hinaus
die Vielzahl von Merkmalen durch eine multimodale Verteilung (z.
B. eine bimodale oder trimodale Verteilung) in h, a, b oder irgendeiner
Kombination daraus charakterisiert. Solche Verteilungen können vorteilhafterweise
eine verringerte Benetzbarkeit in Umgebungen zeigen, wo ein Bereich
von Tropfengrößen angetroffen
wird. Die Abschätzung
der Auswirkungen von h, a und b auf die Benetzbarkeit wird somit
am besten ausgeführt
durch Berücksichtigen
der distributiven Natur dieser Parameter. Die Merkmale können in
irgendeinem Parameter variiert sein und sollten geeignet sein zum
Erzeugen einer Oberfläche,
die verhindert, dass Tröpfchen
in die Oberflächen-Merkmale
eindringen und dadurch zu einem verringerten Kontakt zwischen der
Koksabscheidung und der texturierten Oberfläche führen. Demgemäß sollte
klar sein, dass dort, wo die Parameter a, b, h und Ähnliche
im Kontext der Vielzahl von Merkmalen, eher als einzelnen Merkmalen,
beschrieben werden, solche Parameter dahingehend zu verstehen sind,
dass sie Mittelwerte für
die Vielzahl von Merkmalen, als einer Ansammlung, repräsentieren.
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Viele
der Anwendungen für
Oberflächen
geringer Benetzbarkeit, wie der Verkokung entgegenwirkenden Oberflächen, erfordern,
z. B., einen vernünftig
großen
Kontaktwinkel für Öl, neben
einem geringen Reibungsniveau und anderen Kontaktkräften zwischen
Tropfen und Oberfläche,
um den Koks-Abscheidungsaufbau zu fördern. Die Gestalt, Abmessungen
und der Abstand der Merkmale, zusammen mit der Material-Zusammensetzung
der Oberfläche,
beeinflussen alle die Benetzbarkeit der Oberfläche. Es ist möglich, die
Merkmal-Abmessungen und -Abstände
derart auszuwählen,
dass der effektive Kontaktwinkel für Öl optimal ist, um die Bildung
thermischer Abscheidungen (z. B. Koksbildung) auf der Oberfläche zu mildern.
Die so entworfenen und hergestellten Oberflächen haben eine ausgewählte Benetzbarkeit
für Öl, um der
Verkokung entgegenwirkende Charakteristika zu erzielen.
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Die
Benetzungs-Beständigkeit
einer texturierten Oberfläche
steigt wegen des positiven Kapillardruckes, den die Textur erzeugt.
Dieser Druck hilft, das Tröpfchen
vom Eindringen in die Textur (z. B. die Merkmale) der Oberfläche abzuhalten.
Für eine
Oberflächentextur,
die eine Anordnung quadratischer Pfosten-Merkmale mit Abmessungen
Breite „a”, Abstand „b” und Höhe „h” aufweist,
kann der Kapillardruck abgeleitet werden als:
worin:
- PC
- = Kapillardruck,
- γLV
- = Oberflächenspannung
der Flüssigkeit.
-
Für eine Oberflächentextur,
die eine Anordnung von Hohlraum-Merkmalen mit einem Radius „a”, Abstand
zwischen Poren von „b” und eine
Höhe „h” hat, ist
der Kapillardruck gegeben durch:
-
Wird
ein stationäres
Tröpfchen
auf der die Merkmale umfassenden Oberfläche angeordnet, dann widerstehen
die obigen Kapillardrucke dem so genannten Laplace-Druck (PL = 2γLV/R, worin R der Tröpfchenradius ist). Trifft der
Tropfen mit einer Geschwindigkeit V auf die Oberfläche auf,
dann hat der mit der Oberfläche verbundene
Kapillardruck dem Bernoulli-Druck (PB ~ ρV2/2) zu widerstehen. Für stationäre Tropfen muss die Oberflächentextur
daher derart entworfen sein, dass PC > PL,
und für
sich bewegende Tropfen muss die Oberflächentextur so entworfen sein,
dass PC > PB ist.
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7 veranschaulicht
grafisch die Design-Parameter für
Pfosten-Merkmale auf einer Oberfläche, um Tropfen, die bei verschiedenen
Geschwindigkeiten auftreffen, zu entfernen. Die Figur zeigt die
Beziehung zwischen der Pfostengröße (d. h.
Breite „a”) und dem
relativem Abstand der Pfosten (d. h. Verhältnis b/a von Abstand zu Breite)
bei variierenden Tröpfchen-Geschwindigkeiten.
Die Regionen unter den Kurven geben den Bereich von Design-Parametern,
die zum Entfernen eines Flüssigkeitströpfchens
bei der gegebenen Geschwindigkeit geeignet sind. 8 veranschaulicht
grafisch die Design-Parameter
für Poren
(z. B. Hohlräume) als
dem Oberflächen-Merkmal, statt Pfosten.
Die Figur zeigt die Beziehung zwischen dem Porenradius („a”) und der
Tröpfchen-Geschwindigkeit.
Die Region unter der Kurve gibt die Design-Parameter, die zum Entfernen des
Flüssigkeitströpfchens
bei der gegebenen Geschwindigkeit geeignet sind.
-
9 gibt
grafisch einen weiteren Vergleich zwischen Laplace-Drucken (PL) und Kapillardrucken (PC). Die
Abhängigkeit
der Kapillar- und Laplace-Drucke (gemessen in Pascal (Pa)) für einen
Mikroliter (μl)
von Wassertröpfchen
wurde als eine Funktion des relativen Oberflächen-Abstandes von Pfosten-Merkmalen (d. h.
Verhältnis
b/a des Pfostenabstandes zur Breite) errechnet. Die gestrichelte
Linie repräsentiert
Pfosten-Merkmale mit
einer Breite von 15 Mikrometern (μm).
Bei einem relativen Abstands-Verhältnis (b/a) von 6 (d. h. b
= 90 μm) ü bersteigt
der durch die durchgezogene Linie repräsentierte PL den
PC. Die gepunktete Linie repräsentiert Pfosten-Merkmale
mit einer Breite (a) von 3 μm.
Wie in 9 ersichtlich, übersteigt bei vergleichbaren
Verhältnissen
von Abstand zu Breite PC immer PL, wenn man die 3 μm breiten Pfosten benutzt. Diese
Figuren veranschaulichen daher, dass eine geeignete, der Verkokung
entgegenwirkende Merkmalsgröße eine
Breite „a” von weniger
als 15 μm
und einen relativen Abstand (b/a) von weniger als etwa 6 haben sollte,
damit die Oberfläche
benetzungsbeständig
ist.
-
Um
weiter geeignete Parameter für
der Verkokung entgegenwirkende Oberflächen-Merkmale zu definieren,
sollte der effektive Flächenbruchteil
der Oberfläche,
an dem die Koks-Abscheidung haften könnte, errechnet werden. Die
effektive Fläche
wird durch die folgenden Gleichungen gegeben: Flächenbruchteil
für Pfosten
= 1/(1 + b/a)2 Gleichung 3 Flächenbruchteil
für Poren
= 1 – π/4(1 + b/a)2 Gleichung
4
-
Die
Gleichungen zeigen, dass spärlichere
Pfosten (d. h., größeres Verhältnis von
Abstand zu Breite) die effektive Kontaktfläche für die Koks-Abscheidungen und
daher die Chancen der Adhäsion
und des Aufbaus reduziert. 10 und 11 veranschaulichen
grafisch den Flächenbruchteil
der Oberfläche,
der für
die Adhäsion
von Koksabscheidungen für
Pfostenmerkmale bzw. Porenmerkmale verfügbar ist.
-
Durch
richtige Auswahl von b/a und h und a, gekoppelt mit der richtigen
Auswahl von Materialien, bezogen auf die Anwendungs-Umgebung, kann
eine derartige Oberflächentextur
entworfen werden, dass Tröpfchen
von Kohlenwasserstoff-Strö mungsmittel
auf der Oberfläche
verkokungsbeständige
Eigenschaften, kombiniert mit einem einfachen Ablösungsverhalten
zeigen. Die Merkmale umfassen daher eine Höhenabmessung (h), eine Breitenabmessung
(a) und eine Abstandsabmessung (b) derart, dass das Verhältnis b/a
geringer als etwa 6 ist und das Verhältnis h/a geringer als etwa
10 ist.
-
Für über die
Oberfläche
hinaus vorstehende Merkmale, z. B. Pfosten (10), ist
Parameter a typischerweise geringer als etwa 25 μm. In einigen Ausführungsformen
ist a geringer als etwa 10 μm.
In anderen Ausführungsformen
ist a geringer als etwa 5 μm.
In noch anderen Ausführungsformen
ist a geringer als etwa 1 μm.
In gewissen Ausführungsformen
liegt b/a in einem Bereich von etwa 0,1 bis etwa 6. In gewissen
anderen Ausführungsformen
liegt b/a im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 4. In noch anderen Ausführungsformen
liegt b/a im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 2. In gewissen Ausführungsformen
ist h/a geringer als etwa 10. In gewissen anderen Ausführungsformen
ist h/a geringer als etwa 5. In noch anderen Ausführungsformen
ist h/a geringer als etwa 1.
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In ähnlicher
Weise ist für
Merkmale, die unter die Oberfläche
hin vorstehen, z. B. Poren, wie in 11 gezeigt,
Parameter a typischerweise geringer als etwa 25 μm. In einigen Ausführungsformen
ist a geringer als etwa 10 μm.
In anderen Ausführungsformen
ist a geringer als etwa 5 μm.
In noch anderen Ausführungsformen ist
a geringer als etwa 1 μm.
In gewissen Ausführungsformen
liegt b/a in einem Bereich von etwa 0,1 bis etwa 6. In gewissen
anderen Ausführungsformen
liegt b/a in dem Bereich von etwa 0,5 bis etwa 4. In noch anderen Ausführungsformen
liegt b/a von etwa 0,5 bis etwa 2. In gewissen Ausführungsformen
ist h/a geringer als etwa 10. In gewissen anderen Ausführungsformen
ist h/a geringer als etwa 5. In noch anderen Ausführungsformen ist
h/a geringer als etwa 1.
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Die
Vielzahl der Merkmale 160 (5), die
die Textur bildet, muss nicht auf die Oberfläche 120 oder eine
Region unmittelbar benachbart der Oberfläche 120 beschränkt sein.
In einigen Ausführungsformen
umfasst Gegenstand 100 weiter einen massiven Abschnitt 110,
der unterhalb der Oberfläche 120 angeordnet
ist, und die Vielzahl von Merkmalen 160 erstreckt sich
in den massiven Abschnitt 110. Das Verteilen von Merkmalen 160 durch
den Gegenstand 100 hindurch, einschließlich an der Oberfläche 120 und
innerhalb des massiven Abschnittes 110, gestattet, dass
die Oberfläche 120 regeneriert
wird, da die obere Schicht der Oberfläche durch Erosion verschwindet.
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In
gewissen Ausführungsformen
umfasst die Oberfläche
eine (nicht gezeigte) Oberflächenenergie-Modifikationsschicht.
In gewissen Fällen
umfasst die Oberflächenenergie-Modifikationsschicht
einen über einem
Substrat angeordneten Überzug.
Das Substrat kann mindestens ein Metall, eine Legierung, eine Keramik
oder irgendeine Kombination daraus umfassen. Das Substrat kann die
Form eines Filmes, einer Folie oder einer massiven Gestalt annehmen.
Das Substrat kann Gegenstand 100 in seiner Endform, wie
einem fertiggestellten Teil, einer Rohgestalt oder einer Vorform
repräsentieren,
die später
zum Gegenstand 100 verarbeitet wird. Oberfläche 120 kann
ein integraler Teil des Substrates sein. So kann, z. B., Oberfläche 120 durch
Nachbilden einer Textur direkt auf der Oberfläche oder durch Eindrücken der
Textur in das Substrat oder durch irgendein anderes solches Verfahren
gebildet werden, das im Stande der Technik bekannt ist, oder dadurch, dass
man einer Substrat-Oberfläche
eine vorbestimmte Oberflächentextur
verleiht. Alternativ kann Oberfläche 120 eine
Schicht umfassen, die auf dem Substrat mittels irgendeiner Anzahl
von Techniken angeord net oder abgeschieden ist, die im Stande der
Technik bekannt sind.
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Der Überzug umfasst
mindestens ein Material, ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus einem oleophoben Hartüberzug,
einem fluorierten Material, einem Verbundmaterial und verschiedenen
Kombinationen daraus. Beispiele geeigneter oleophober Hartüberzüge schließen ein,
ohne darauf beschränkt
zu sein, diamantartigen Kohlenstoff (DLC), einschließend fluorierten
DLC, Tantaloxid, Titancarbid, Titannitrid, Chromnitrid, Bornitrid,
Chromcarbid, Molybdäncarbid,
Titancarbonitrid, Bornitrid, Zirkoniumnitrid, stromlos aufgebrachtes Nickel,
Siliciumdioxid, Titandioxid und Nickelaluminid. Der Begriff „oleophobe
Hartüberzüge”, wie er
hierin benutzt wird, bezieht sich auf eine Klasse von Überzügen, die
eine größere Härte haben,
als sie für
Metalle beobachtet wird, und die eine Benetzbarkeits-Beständigkeit
zeigen, die genügt,
um, mit einem Öltropfen
einen nominellen statischen Kontaktwinkel von mindestens etwa 30
Grad zu erzeugen. Als ein nicht einschränkendes Beispiel haben fluorierte
DLC-Überzüge eine
signifikante Beständigkeit
gegen Benetzen durch Öl
gezeigt. Andere Hartüberzüge, wie
Nitride, Boride, Carbide und Oxide, können diesem Zweck ebenfalls
dienen. Diese Hartüberzüge und Verfahren
zu deren Aufbringung, wie chemische Dampfabscheidung (CVD), physikalische Dampfabscheidung
(PVD) usw., sind im Stande der Technik bekannt und können von
besonderem Nutzen in harschen Umgebungen sein. Alternativ kann die
Oberflächen-Modifikationsschicht
durch Diffundieren oder Implantieren molekularer, atomarer oder
ionischer Materialien in die Oberfläche gebildet werden, um eine
Materialschicht mit geänderten
Oberflächen-Eigenschaften zu
bilden, verglichen mit dem Material unter der Oberflächen-Modifikationsschicht.
In einer Ausführungsform
umfasst die Oberflächen-Modifikationsschicht
ein Ionen-implantiertes Material, z. B. Ionen-implantiertes Metall.
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Gegenstände mit
kontrollierter Benetzbarkeit für Öl sind für viele
Anwendungen attraktiv, die zu thermischen Abscheidungsproblemen,
wie Verkoken, neigen. Beispiele potenzieller Anwendungen der hierin
offenbarten Ausführungsformen
schließen
Verbrennungssysteme in Triebwerken, wie bei Gasturbinen-Triebwerken
am Flügel,
und aus der Luftfahrt abgeleiteten Gasturbinen-Triebwerken, kommerziellen
Boilern, Öfen
und Ähnlichen
ein. Andere beispielhafte Gegenstände schließen, ohne darauf beschränkt zu sein,
Rohre für
den Transport erhitzten Kohlenwasserstoff-Strömungsmittels zu Triebwerks-Verbrennungssystemen
ein. Die Natur der Anwendung bestimmt das Ausmaß, zu dem Merkmale auf einem
Gegenstand angeordnet werden müssen. Das
Verkoken führt
zu einem Abbau der Oberflächen,
auf denen sich Abscheidungen bilden und diese können zu einer verringerten
Leistungsfähigkeit
der Verbrennungssysteme führen.
Die der Verkokung entgegenwirkenden Eigenschaften der hierin offenbarten
Gegenstände
verbessern die Leistungsfähigkeit
und verlängern die
Lebensdauer der gegenwärtigen
Systeme, die zum Verkoken und anderen mit der thermischen Abscheidung
in Beziehung stehenden Problemen neigen.
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Ein
anderer Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren, um die Oberfläche eines
Gegenstandes verkokungsresistent zu machen. Das Verfahren umfasst:
Bereitstellen eines Gegenstandes, der ein zum Verkoken neigendes
Substrat umfasst, Anordnen einer Vielzahl von Merkmalen auf dem
Substrat, um eine derartige Oberfläche zu bilden, bei der das
Verkoken der Oberfläche
verringert ist. Das Substrat umfasst ein Material mit einer nominellen
Flüssigkeits-Benetzbarkeit,
die, unter Bezugnahme auf ein Öl,
genügt,
einen nominellen Kontaktwinkel zu erzeugen. Die Merkmale haben eine
Größe, Gestalt
und Orientierung, die derart ausgewählt sind, dass die Oberfläche eine
genügende
effektive Benetzbarkeit aufweist, um, unter Bezug nahme auf ein Öl, einen effektiven
Kontaktwinkel zu erzeugen, der größer als der nominelle Kontaktwinkel
ist. Die Merkmale umfassen eine Höhenabmessung (h), eine Breitenabmessung
(a), eine Abstandsabmessung (b) derart, dass das Verhältnis b/a
kleiner als etwa 2 ist und das Verhältnis h/a kleiner als etwa
10 ist. Die Oberfläche
hat einen effektiven Kontaktwinkel, mit Bezug auf ein Öl, von größer als
etwa 30 Grad.
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Die
Merkmale sind auf dem Substrat zur Bildung einer Oberfläche angeordnet.
Die Merkmale können mit
irgendwelchen Texturierungs-Verfahren, die im Stande der Technik
bekannt sind, auf dem Substrat angeordnet werden. Beispiele einiger
geeigneter Verfahren schließen
ein: Lithografie, weiche Lithografie, Einprägen, Formen, Ätzen, Schablonen-Wachstum,
Filmabscheidung, Laserbohren, Sandstrahlen, thermisches Spritzen,
elektrochemisches Ätzen
und Ähnliche.
Die Merkmale können
das gesamte Material als das Substrat oder als ein anderes Material
umfassen. Die genaue Auswahl der Substrat- und Merkmals-Materialien
sowie Merkmalsgröße und -Abstand
hängen
teilweise von der erwünschten
Benetzbarkeit der Oberfläche
ab, wie oben erläutert.
Typischerweise hat die Oberfläche
einen effektiven Kontaktwinkel, mit Bezug auf ein Öl, von größer als
etwa 30 Grad. In einigen Ausführungsformen
hat die Oberfläche
den effektiven Kontaktwinkel, mit Bezug auf ein Öl, von mehr als etwa 50 Grad.
In anderen Ausführungsformen
hat die Oberfläche
den effektiven Kontaktwinkel, mit Bezug auf ein Öl, von mehr als etwa 100 Grad.
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Die
vorerwähnten
Ausführungsformen
bieten klare Vorteile gegenüber
existierenden Verfahren, um thermische Abscheidungen in Oberflächen von
Komponenten von Gasturbinen-Triebwerken
zu mildern. So bieten, z. B., die die vorgenannten Oberflächen umfassenden
Turbinen-Komponenten eine verlängerte
Lebensdauer und Betriebsfähigkeit
gegenüber
gegenwärtigen
Kom ponenten, die an thermischer Abscheidung leiden. Die hierin offenbarten,
dem Verkoken entgegenwirkenden Oberflächen können vorteilhaft die Bildung thermischer
Abscheidungen, insbesondere das Verkoken, hemmen, ohne das Kohlenwasserstoff-Strömungsmittel
zu modifizieren, ohne spezielle Prozeduren auszuführen und
ohne die Installation spezieller Ausrüstung, was erwünscht wäre für derzeitige
Flüssigbrennstoff-Turbinen
und andere ähnliche
Apparaturen.
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Das
folgende Beispiel dient zum Veranschaulichen der Merkmale und Vorteile,
die durch die Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung geboten werden, und soll die Erfindung
nicht einschränken.
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Hierin
offenbarte Bereiche sind einschließlich und kombinierbar (z.
B. Bereiche von „bis
zu etwa 25 Gew.-% oder, spezifischer, etwa 5 Gew.-% bis etwa 20
Gew.-%” schließen die
Endpunkte und alle Zwischenwerte der Bereiche von „etwa 5
Gew.-% bis etwa 25 Gew.-%” ein,
usw.). „Kombination” schließt Gemenge,
Mischungen, Legierungen, Reaktionsprodukte und Ähnliche ein. Weiter bezeichnen
die Begriffe „erster”, „zweiter” und Ähnliche
nicht irgendeine Reihenfolge, Menge oder Bedeutung, sondern sie
werden vielmehr benutzt, um ein Element von einem anderen zu unterscheiden,
und die Begriffe „ein” und „eine” bezeichnen
nicht eine Beschränkung
der Menge, sondern vielmehr die Anwesenheit mindestens eines der
in Bezug genommenen Dinge. Die Modifizierung „etwa”, die in Verbindung mit einer
Menge benutzt wird, schließt
den genannten Wert ein und hat die durch den Kontext diktierte Bedeutung
(z. B. schließt
den Grad des Fehlers ein, der mit der Messung der speziellen Menge
verbunden ist). Eine Mehrzahlendung, wie sie hierin benutzt wird,
soll sowohl den Singular als auch den Plural des Begriffes einschließen, den
sie modifiziert, und dadurch einen oder mehrere dieses Begriffes
(z. B. das (die) Färbemittel schließt ein oder
mehrere Färbemittel
ein) einschließen.
Die Bezugnahme in der Anmeldung auf „1 Ausführungsform”, „eine andere Ausführungsform”, „eine Ausführungsform” usw. bedeutet,
dass ein spezielles Element (z. B. Merkmal, Struktur und/oder Charakteristik),
das in Verbindung mit der Ausführungsform
beschrieben wurde, in mindestens einer darin beschriebenen Ausführungsform
eingeschlossen ist und in anderen Ausführungsformen vorhanden sein
kann aber nicht vorhanden zu sein braucht. Zusätzlich sollte klar sein, dass
die beschriebenen Elemente in irgendeiner geeigneten Weise in den Ausführungsformen
kombiniert werden können.
-
Während die
Erfindung unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform
beschrieben wurde, sollte klar sein, dass verschiedene Änderungen
vorgenommen und Äquivalente
für Elemente
davon eingesetzt werden können,
ohne dass man den Umfang der Erfindung verlässt. Zusätzlich können viele Modifikationen ausgeführt werden,
um eine spezielle Situation oder ein spezielles Material an die
Lehren der Erfindung anzupassen, ohne deren wesentlichen Umfang
zu verlassen. Die Erfindung soll daher nicht auf die offenbarte
spezielle Ausführungsform
beschränkt
sein, die als die beste Art zum Ausführen dieser Erfindung angegeben
ist, sondern die Erfindung schließt alle Ausführungsformen
ein, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.
-
Ein
Verfahren zum Verhindern thermischer Kohlenwasserstoff-Abbauabscheidungen
auf einer Oberfläche
einer Gasturbinen-Komponente
16,
100, wobei das
Verfahren einschließt:
Bereitstellen der Turbinen-Komponente
16,
100,
umfassend die Oberfläche
120,
die zum Kontakt mit einem Kohlenwasserstoff-Strömungsmittel
konfiguriert ist, wobei das Substrat ein Material umfasst, das eine
nominelle Flüssigkeits-Benetzbarkeit
aufweist, die, unter Bezugnahme auf ein Öl, genügt, einen no minellen Kontaktwinkel
140 zu
erzeugen; Anordnen einer Vielzahl von Merkmalen
160 auf
dem Substrat, um eine der Abscheidung entgegenwirkende Oberflächentextur
zu bilden, wobei die Vielzahl der Merkmale eine Größe, Gestalt
und Orientierung aufweist, die derart ausgewählt sind, dass die Oberfläche eine
effektive Benetzbarkeit aufweist, die, unter Bezugnahme auf ein Öl, genügt, einen
effektiven Kontaktwinkel zu erzeugen, der größer als der nominelle Kontaktwinkel
ist, und die Merkmale eine Breitenabmessung (a)
220 und
eine Abstandsabmessung (b)
240 umfassen, worin die Merkmale
das Kohlenwasserstoff-Strömungsmittel
am Eindringen in die Oberflächentextur
hindern und dadurch die Adhäsion
der thermischen Kohlenwasserstoff-Abscheidungen an der Oberfläche vermindern. Bezugszeichenliste:
| 10 | Gasturbinen-Triebwerk |
| 12 | Gebläse-Baueinheit |
| 14 | Hochdruck-Kompressor |
| 16 | Brenner |
| 18 | Hochdruck-Turbine |
| 20 | Niederdruck-Turbine |
| 22 | Verstärker |
| 24 | Gebläseschaufeln |
| 26 | Rotorscheibe |
| 28 | Aufnahmeseite |
| 30 | Auslassseite |
| 40 | Äußere ringförmige Auskleidung |
| 42 | Innere
ringförmige
Auskleidung |
| 44 | Gewölbeende |
| 46 | Verbrennungskammer |
| 56 | Turbinendüse |
| 58 | Platten |
| 60 | Stufen |
| 70 | Ringförmige Gewölbe-Baueinheit |
| 72 | Stromaufwärts gelegenes
Ende |
| 74 | Brillenplatte |
| 76 | Ablenkplatten-Erweiterungskegel-Baueinheit |
| 77 | Ablenkplattenabschnitt |
| 80 | Brennstoffinjektor |
| 82 | Symmetrieachse |
| 84 | Brennstoff-Zündvorrichtung |
| 100 | Gegenstand |
| 110 | Massiver
Abschnitt |
| 120 | Oberfläche |
| 130 | Tangente |
| 140 | Statischer
Kontaktwinkel |
| 150 | Tröpfchen |
| 160 | Merkmale |
| 170 | Hohlräume |
| 200 | Höhenabmessung
h |
| 220 | Breitenabmessung
a |
| 240 | Abstandsabmessung
b |
| 250 | Merkmal-Oberteil |
| 260 | Hohlraumboden |
| 320 | Oberfläche |
| 340 | Kontaktwinkel |
| 360 | Bezugsflüssigkeit |
| 400 | Industrielles
Gasturbinen-Triebwerk |
| 410 | Ringförmiges Kannen-Verbrennungssystem |
| 412 | Brennergehäuse |
| 414 | Abdeck-Baueinheit |
| 416 | Brennstoffdüsen-Baueinheiten |
| 418 | Strömungshülse |
| 420 | Außenwand |
| 422 | Übergangskanal |
| 424 | Radialer
Flansch |
| 430 | Brenner-Auskleidung |
