-
Technisches Gebiet
-
Die
Erfindung betrifft alle massiven Bauteile von thermodynamischen
Maschinen, Wärmerohren und Apparaten der chemischen Industrie,
auf denen Gase oder Dämpfe kondensieren können,
insbesondere Turbinenschaufeln in der Niederdruckstufe von Dampf-
oder Gasturbinen. Kondensation fördert auf solchen Bauteilen,
insbesondere wenn deren Oberflächen technische Nachbildungen
des Lotusblatts sind, die Bildung von großen Tropfen. Wenn
diese nach Strömungsabriß von solchen stromaufwärts
gelagerten Bauteilen von der Strömung mitgeführt
mit großer Geschwindigkeit auf stromabwärts gelagerten Bauteilen
auftreffen, können sie dort Tropfenschlagerosion verursachen.
Gemäß der Erfindung sind demgegenüber
die einer kondensierbaren Gas- oder einer Dampfströmung
ausgesetzten Oberflächen der Bauteile durch eine nanoskopische
(nanoskalig morphologische) Gipfel-Täler-Struktur gekennzeichnet, mit
der Kondensation und damit Agglomeration von kleinen zu großen
Tropfen vermieden und der Tropfenschlagerosion entgegengetreten
wird.
-
Stand der Technik
-
Beschaufelungen
im Verdichter von Gasturbinen, Beschaufelungen von Dampfturbinen,
Bauteile von Wärmepumpen, Wärmerohren und Apparaten der
chemischen Industrie sind Flüssigkeitstropfen ausgesetzt,
die mit großer Geschwindigkeit auf ihre Oberfläche
auftreffen und sie im Dauerbetrieb durch Tropfenschlagerosion beschädigen
können. Tropfenschlagerosion entsteht bevorzugt durch den
Aufschlag großer Tropfen, die auf stromaufwärts
gelagerten Bauteilen durch Agglomeration gebildet werden, ehe sie
nach Strömungsabriß von diesen Bauteilen vom Gas-
oder Dampfstrom mitgeführt auf stromabwärts gelagerte
Bauteile mit großer Wucht auftreffen.
-
Beispiele
für solche Beanspruchungen sind in der Patentanmeldung
PCT
WO 03/044374
A1 aufgezählt. So werden in den Verdichter einer
Gasturbine Wasser und in Wasser gelöste Reinigungsmittel wie
Glykol in den Luftstrom mittels Zerstäuberdüsen eingespritzt.
Die Zufuhr von Wasser dient der Kühlung und der Erhöhung
der Dichte des dem Verdichter zugeführten Arbeitsfluids
und damit der Erhöhung der Turbinenleistung (
US 5,463,873 ), während die Zufuhr
von Glykol/Wasser-Gemischen zur Reinigung des Verdichters vorgenommen
wird (
EP 0 468 024 ). Da
die Flüssigkeitstropfen in der angesaugten Luft mitgeführt
werden, sind Bauteile des Verdichters dem Aufprall der Flüssigkeitstropfen
ausgesetzt.
-
Weiter
unterliegen Bauteile von Kältemaschinen oder Wärmepumpen
und die inneren Oberflächen der Kondensationszone von Wärmerohren oder
von Destillationskolonnen der chemischen Industrie dem Aufschlag
von Tropfen, die im Wasserdampf oder dem Dampf eines Kältemittels
oder eines anderen Arbeitsfluids mitströmen.
-
Beim
Aufschlag der Flüssigkeitstropfen auf die in diesen Beispielen
genannten Bauteile kann Tropfenschlagerosion entstehen, wenn Masse
und Auftreffgeschwindigkeit der Tropfen groß sind, zum Beispiel
ab einem Tropfendurchmesser von 100 Mikrometer aufwärts
und mit einer Auftreffgeschwindigkeit bis oberhalb 250 m/s. Millionenfacher
Aufprall solcher Tropfen auf bestimmte Bereiche der Bauteile während
der Betriebsdauer führt zu lokaler Materialermüdung
und schließlich zu deren Zerstörung.
-
Wie
in der Patentanmeldung PCT
WO 03/044374 A1 erläutert, beträgt
im Verdichter einer Gasturbine nach Inbetriebnahme neuer Sprühdüsen der
Durchmesser der eingesprühten Tropfen etwa 10 bis 20 Mikrometer.
Durch Alterung der Düsenberandungen erreichen die Tropfen
jedoch bald einen Durchmesser von bis zu etwa 100 Mikrometer. Da Masse
und damit Bewegungsenergie der auf den Bauteilen aufschlagenden
Tropfen mit der dritten Potenz der Tropfendurchmesser anwachsen,
und Erosion mit der Aufschlagenergie zunimmt, können größere
Tropfen weitaus mehr Erosionsschäden verursachen als kleine
Tropfen.
-
Weiter
entsteht Tropfenschlagerosion im Verdichter oder auf Beschaufelungen
und anderen Bauteilen von Dampfturbinen, falls stromaufwärts
angeordnete Bauteile von Flüssigkeit beaufschlagt oder benetzt
worden sind. Besonders beim Flüssigkeitsabriss an der Kante
solcher Bauteile, unter Wirkung von Luft- oder Dampfströmung,
können sich sekundäre, sehr große Tropfen
bilden, die auf stromabwärts angeordneten Bauteilen Tropfenschlagerosion verursachen.
-
Um
der Tropfenschlagerosion auf Bauteilen in den oben genannten Beispielen
entgegenzutreten, sind in der technisch/wissenschaftlichen Literatur
einige passive Maßnahmen aufgezeigt worden. Passive Maßnahmen
sind diejenigen, welche nur gegen Tropfenschlag durch heranfliegende,
auftreffende große Tropfen schützen, wogegen aktive
Maßnahmen, wie sie hier als Erfindung neu beschrieben werden,
darauf zielen, die Bildung großer Tropfen auf stromaufwärts
angeordneten Bauteilen überhaupt zu verhindern, damit auf
stromabwärts angeordneten Bauteilen keine Erosion auftritt.
Zum Beispiel korreliert der Widerstand gegen Tropfenschlagerosion
mit der Härte eines zur Herstellung eines Bauteils verwendeten,
in der Tiefe homogenen Materials. Die Verwendung von Metallen und
Legierungen großer Härte und großer Zähigkeit
zum Bau von Kondensatorrohren oder Beschaufelungen oder anderen
Bauteile als rein passive Maßnahme zur Verhinderung von
Tropfenschlagerosion war bisher jedoch nur teilweise erfolgreich.
-
Eine
fortschrittlichere, wenngleich immer noch passive Maßnahme,
Tropfenschlagerosion auf Bauteilen von Dampfturbinen zu verhindern,
wurde in der Patentanmeldung PCT
WO 03/044374 A1 vorgestellt. Das Grundkonzept
beruht auf einer Beschichtung der Bauteile, die als Vielschichtanordnung
aus abwechselnd harten (HV > 1500)
und weniger harten Materialien (HV > 500; HV bedeutet die Vickers-Härte)
mit jeweils großem Verhältnis von elastischen
zu plastischem Verformungsanteil ausgebildet ist und bei welcher
die oberste, zum Fluid hin gewandte Schicht hydrophobe Eigenschaften
hat. Der Widerstand gegen Tropfenschlagerosion dieser Erfindung beruht
auf der elastischen Verformung einer in der Tiefe inhomogenen Vielschichtstruktur.
-
Solche
Vielschichtanordnungen, zum Beispiel aus amorphem Kohlenstoff durch
Abscheidung aus einer Plasmaentladung, haben jedoch den Nachteil,
daß ihre Abscheidung verfahrenstechnisch schwierig zu beherrschen
ist, weil eine Vielzahl von Beschichtungsparametern (Druck in der
Beschichtungskammer, Potentialdifferenz über das ganze Bauteil,
Zusammensetzung des Arbeitsgases und Betrag des Gasdurchsatzes durch
die Beschichtungskammer) je nach zu beschichtendem Material zuerst
genau erprobt und dann exakt eingehalten werden müssen.
Da außerdem zur Beschichtung mit amorphem Kohlenstoff die
Beschichtungskammer zunächst evakuiert werden und dann
mit Arbeitsdrucken von nur einigen Pa betrieben werden muß,
sind für größere Bauteile wie Turbinenschaufeln
große, evakuierbare Beschichtungskammern, Vakuumpumpen-
und Meßanlagen sowie über die Peripherie längs
der Kammern verteilte Hochfrequenzgeneratoren erforderlich, welche
hohe Investitions- und Beschichtungskosten verursachen. Ein dritter
Nachteil dieser Beschichtungen liegt darin, daß amorphe
Kohlenstoffschichten nur eingeschränkt hydrophobe Eigenschaften
aufweisen. Für perfekt hydrophobe Eigenschaften (absolute
Nichtbenetzung) müßten die Randwinkel an Wassertropfen
auf ebenen Schichten 180 Grad betragen. Mit amorphen Kohlenstoffschichten
können unter günstigsten Bedingungen jedoch nur
Werte bis zu etwa 100 Grad erreicht werden. Randwinkel an Wassertropfen
auf PTFE erreichen demgegenüber Werte bis zu etwa 115 Grad.
Sie lassen sich zwar mit weniger Aufwand auftragen, haben in den
oben genannten Anwendungsbeispielen jedoch nur geringe Lebensdauern.
-
Viel
größere Randwinkel (über 150 Grad) als mit
Wassertropfen auf amorphem Kohlenstoff oder PTFE erreicht man mit
Schichten, die dem Lotus-Effekt nachgebildet sind.
-
Der
Lotuseffekt hat seinen Namen von der Eigenschaft der Lotuspflanze,
sich selbst aus schlammigen Gewässern ohne jede Oberflächenkontamination
zu erheben; die Lotus-Pflanze ist daher in asiatischen Religionen
das Symbol für Reinheit. Nach Barthlott & Neinhuis, Planta
202 (1997), p. 2–8, hat diese Eigenschaft zwei
Ursachen: a) eine Mikrostruktur der Oberfläche, bestehend
aus höckerähnlichen, diskreten Erhebungen, b)
epicuticulare Wachsschichten, die als dünne hydrophobe
Filme die gesamte Mikrostruktur bedecken.
-
Die
Mikrostruktur der Oberfläche 1 des Lotusblatts 2 ist
in 1 schematisch verdeutlicht und durch in etwa gleich
hohe Gipfel 10 und in etwa gleich tiefe und weite Täler 11 gekennzeichnet.
Die Wachsschichten 12 sind als dünne Schichten
angedeutet. Auf der Oberfläche des Lotusblatts bilden sich
keine zusammenhängenden Flüssigkeitsschichten,
und daher werden Schmutzablagerungen auf dem Blatt vermieden. Ein
Wassertropfen 20 rollt (ohne zu gleiten) von Gipfel zu
Gipfel eines Lotusblatts, sobald das Blatt um einen Winkel von höchstens
10 Grad gegen die Horizontale geneigt wird. Das Blatt bleibt trocken.
-
Aus
der Literatur sind Versuche bekannt, die Nichtbenetzbarkeit des
Lotusblatts (den „Lotuseffekt”) mit Beschichtungen
auf Oberflächen technisch nachzubilden. Solche Beschichtungen
werden zum Beispiel als schmutzabweisende Schichten auf Scheinwerfern,
Bad-Armaturen, Fassaden oder Dachabdeckungen angeboten. Diese bekannten, bisher
lediglich schmutzabweisenden Nachbildungen des Lotuseffekts können
Tropfenschlagerosion jedoch nicht verhindern.
-
Zur
Verhinderung von Tropfenschlagerosion muß versucht werden,
das Auftreffen von großen Tropfen auf die Bauteile zu vermeiden.
Also wird man Maßnahmen ergreifen müssen, welche
die Bildung von großen Tropfen überhaupt verhindert.
Eine solche Maßnahme besteht darin, die Agglomeration von primär
kleinen Tropfen, die auf stromaufwärts gelagerten Bauteilen
in den oben beschriebenen Anwendungen kondensiert sind oder dort
mit einer Strömung auftreffen, zu großen Tropfen
auszuschließen. Aktive Verhinderung von Tropfenschlagerosion
besteht demnach darin, Oberflächen zu entwickeln, auf denen
Tropfen abrollen, ohne anderen Tropfen zu begegnen oder sie einzuholen,
um Agglomeration mit diesen entgegenzutreten. Dies können
die bisher bekannten technischen Nachbildungen des Lotuseffekts
nicht leisten.
-
Technische
Nachbildungen des Lotuseffekts sind versucht worden zum Beispiel
durch Aufrauhen einer blanken metallischen Oberfläche und
anschließende Beschichtung dieser Oberfläche mit
einem Polymer oder durch Aufsprühen von Polymeren auf eine
blanke Oberfläche. Bei sehr grober Betrachtung besteht
die Oberfläche solcher Nachbildungen des Lotuseffekts auf
Bauteilen wie beim natürlichen Lotusblatt aus Gipfeln und
Tälern, die wie dort mit einer hydrophoben dünnen
Schicht überzogen sind. Tatsächlich sind die erzielten
Oberflächen, insbesondere nach Aufrauhen, jedoch sehr stark
zerklüftet, die Höhen der Gipfel stark unterschiedlich,
ebenso die Weiten der Täler zwischen den Gipfeln, und der
Abstand der Gipfel ist viel größer als ihre Höhe.
-
Ein
gravierender Nachteil der bisher bekannt gewordenen technischen
Nachbildungen des Lotuseffekts beruht auf dieser stark zerklüfteten Oberflächenstruktur.
Dieser Nachteil tritt hervor, wenn mit der Dampf- oder Luftströmung
an die Nachbildung herangeführte oder bei Kondensation
des Dampfes auf der Nachbildung entstehende Tropfen in die Täler der
Nachbildung eintreten. Wenn die Täler durch Tropfen oder
kondensierten Dampf nämlich nach und nach aufgefüllt
(in der Flüssigkeit schließlich „ertrunken”)
sind, werden weitere, auf der Oberfläche der Nachbildung
herangeführte, nachrückende Tropfen auf den Tälern
durch Benetzung kleben bleiben, agglomerieren, durch Kondensation
aufwachsen und schließlich „Tränen” ausbilden,
die selbst bei Neigungswinkeln von 45 Grad der Oberfläche
einer solchen Nachbildung die Größe von mehreren
Millimetern Durchmesser erreichen können, ohne dass sie abrollen.
Der Lotuseffekt (Nichtbenetzbarkeit) geht dabei verloren. Auch ohne
chemische Änderung der Polymerbeschichtung, welche in den
Nachbildungen die Wachsschichten des natürlichen Lotusblatts
simuliert, unterliegen die nachgebildeten Lotusschichten bisher
einer gravierenden Alterung des Nicht-Benetzungsverhaltens, die
je nach Versuchsbedingungen schon nach Stunden oder Tagen beobachtet werden
kann.
-
In
der
DE 10 2006
044 956 A1 wurde beschrieben, wie das Eindringen von Tropfen
in die Täler einer technischen Nachbildung des Lotuseffekts, als
Beschichtung auf Turbinenschaufeln oder Kondensatorrohren, verhindert
werden kann. Der Vorzug der in der
DE 10 2006 044 956 A1 beschriebenen
Beschichtung besteht darin, dass sie durch aufwärts (aus
den Tälern heraus) gerichtete Kapillardepression die Tropfen
oder das in den Tälern kondensierte Fluid heraushebt, sobald
die Deformationsenergie der Tropfen größer ist
als die dazu erforderliche Hubarbeit. Wie beim, echten Lotusblatt
bleibt die auf diese Weise technisch nachgebildete Oberflächen
auch im tropfenbeladenen Gas- oder Dampfstrom trocken. Allerdings
macht die angestrebte Kapillardepression eine teilweise Beschichtung
(Auskleidung) der Täler mit einer nichtbenetzbaren Substanz
(zum Beispiel einem Polymer) erforderlich.
-
Ein
Hindernis gegen das Eindringen von Dampf in die Täler
11 der
Beschichtung überhaupt entsteht jedoch auch bei der in
der
DE 10 2006
044 956 A1 beschriebenen Nachbildung nicht. Dabei wäre
dies von großem Vorteil: Würde man nämlich auch
das Eindringen von Dampf in die Täler und dort dessen Kondensation
verhindern können, wäre es nicht mehr notwendig,
die Täler selbst noch mit einer nichtbenetzbaren Schicht
auszukleiden, um durch Kapillardepression das Kondensat aus den
Tälern herausdrängen. Eine wärmetechnische
Maßnahme, die Kondensation von in die Täler eingedrungenem Dampf
zu bekämpfen, ist in der
DE 10 2006 044 956 A1 zwar
vorgeschlagen worden. Jedoch wäre es viel vorteilhafter,
wenn man schon das Eindringen von kondensierbarem Gas oder von Dampf
in die Täler verhindern könnte.
-
Dies
soll mit der vorliegenden Erfindung erzielt werden, nämlich
eine Blockade der Täler gegen den Eintritt von Gas oder
Dampf, damit es gar nicht erst zu Kondensation in den Tälern
kommen kann, auch dann nicht, wenn die Temperatur der Oberfläche
des Bauteils, insbesondere die Temperatur am Boden der Täler,
die Taupunktstemperatur deutlich unterschreitet. Gelingt dies, sind
technische Nachbildungen des Lotuseffekts ein noch wirkungsvolleres Mittel,
Tropfenschlagerosion zu verhindern, weil neu herangeführte
Tropfen nur über die Gipfel der technischen Nachbildung
des Lotusblatts rollen können, ohne an Kondensat festzukleben,
das andernfalls die Täler nach und nach aufgefüllt
und den neu herangeführten Tropfen damit eine ideal benetzbare
Oberfläche dargeboten hätte. Massive Bauteile
mit dieser neuen Eigenschaft, nämlich Kondensation in den
Tälern der dem Lotusblatt nachgebildeten Oberflächen dieser
Bauteile zu verhindern, würden nicht nur im tropfenbeladenen
Gas- oder Dampfstrom trocken bleiben sondern hätten diese
Eigenschaft auch dann noch, wenn der Taupunkt unterschritten wird.
-
Um
das Eindringen von kondensierbarem Gas oder von Dampf in die Täler
zu verhindern, bedarf es einer weiteren, grundlegenden, erfinderischen
Umgestaltung der Oberflächenmorphologie der bisherigen
technischen Nachbildungen des Lotuseffekts. Bauteile zu beschreiben,
die nach dieser Umgestaltung der Forderung genügen, Tropfenschlagerosion
schon im Anfangsstadium zu verhindern, indem nämlich schon
Kondensation verhindert wird, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
-
Diese
Aufgabe wird gemäß dem Hauptanspruch der vorliegenden
Erfindung gelöst. Die Erfindung sieht dazu Turbinenschaufeln
und andere massive Bauteile vor, die nanoskopisch (nanoskalig morphologisch)
strukturierte Oberflächen aufweisen. Weitere besondere
und bevorzugte Lösungen werden in den Unteransprüchen
angegeben.
-
Beschreibung der Erfindung
-
Ein
Ausschnitt einer solchen Turbinenschaufel 3 oder eines
anderen massiven Bauteils 3 einer thermodynamischen Maschine,
eines Wärmerohrs oder eines Apparats der chemischen Industrie
ist in 2 schematisch (nicht maßstäblich)
dargestellt.
-
Auf
der äußeren, dem anströmenden Gas oder
Dampf zugewandten Oberfläche 2 haben die Schaufel 3 oder
die anderen Bauteile 3 eine gleichmäßige
nanoskopische (nanoskalig morphologische) Oberflächenstruktur
mit Gipfeln 10 und Tälern 11. Die Flanken 14 der
Gipfel 10 können gerade oder wie in 2 angedeutet,
gekrümmt sein; sie sollten im oberen Gipfelbereich so aufeinander
zulaufen, daß dort eine Gipfelfläche 13 oder
(nicht dargestellt) eine Gipfelspitze gebildet wird. Die Gipfelflächen 13 sind
in 2 lediglich durch dicke kurze Kurvenzüge
angedeutet; auf Einzelheiten der Darstellung ist verzichtet.
-
Tiefe,
H, und Weite, W, der Täler sind so bemessen, dass sich
die aus ihren Abmessungen und der mittleren freien Weglänge,
LDampf, der Gas- oder Dampfmoleküle
gebildete Knudsenzahl, Kn = H/LDampf bzw.
Kn = W/LDampf auf Werte von Kn > 1, vorzugsweise Kn ≥ 10
einstellt.
-
Dementsprechend
müssen die Abmessungen der Täler in jeder Raumrichtung
gleichmäßig sein; Rillen sollen vermieden werden,
weil in Rillen, parallel zu deren Längsachse, sich bei
gleichem Gas- oder Dampfdruck kleinere Knudsenzahlen ergeben würden,
wenn die Rillenlänge größer ist als ihre
Weite zwischen den die Rille seitlich begrenzenden Gipfeln.
-
Bei
hoher Knudsenzahl nimmt die Streufähigkeit eines Beschichtungsprozesses
stark ab. Abscheidungen aus der Gasphase (chemical vapour deposition,
CVD) werden beispielsweise bei sehr kleinen Knudsenzahlen (Kn in
der Größenordnung von 10–4 ≤ Kn ≤ 10–2) vorgenommen, um die Streufähigkeit
zu erhöhen, das heißt das reaktive Gas auch in
Spalte, Poren oder Faserbündel eintreten zu lassen. Die
in der vorliegenden Erfindung demgegenüber verlangte hohe
Knudsenzahl (Kn > 1,
vorzugsweise Kn ≥ 10) reduziert die Anzahl der Gas- oder Dampfmoleküle,
die für ein bestimmtes Molekül als Stoß-
oder Streupartner am oberen Rand und im Innern der nanoskopischen
(nanoskalig morphologischen) Oberflächenstruktur infrage
kommen könnten; solche hohen Knudsenzahlen werden sonst beim
Aufdampfen (PVD) angestrebt. Ein Eindringen der Moleküle
in die Täler wird daher vermieden, da einzelne Gas- oder
Dampfmoleküle keine geeigneten (gleichartigen) Stoß-
oder Streupartner finden, um nach Teilchen-/Teilchenstoß ihre
Bewegungsrichtung zu ändern und einen Diffusionsprozeß in
die engen Täler einzuleiten. Wenn keine Gas- oder Dampfmoleküle
in die Oberflächenstruktur (die Täler) eindringen kann,
wird sich dort auch kein Kondensat bilden können. Da die
Gipfelflächen nach den Patentansprüchen der vorliegenden
Erfindung sehr klein sind, kann sich dort keine nennenswerte Menge
von Kondensat sammeln, das von den Gipfeln in die Täler
herabfließen könnte. Irgendwelche Tropfen werden
vielmehr über die Gipfel abrollen, ohne in die (offenen) Täler
einzudringen.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung
-
Das
folgende Ausführungsbeispiel wird anhand von 2 schematisch
(nicht-maßstäblich) beschrieben.
-
Auf
dem Bauteil 3 wird eine nanoskopisch, nanoskalig morphologisch
strukturierte Beschichtung 2 mit Gipfeln und Tälern
vorgesehen (Bauteile 3 wie Turbinenschaufeln oder Apparate
der chemischen Industrie werden vor der Beschichtung in bekannter Weise
gefertigt). Für die Beschreibung der Ausführungsbeispiele
der Erfindung genügt es daher, zu zeigen, dass die genannten
nanoskopischen, nanoskalig morphologisch strukturierten Oberflächen
auf den Bauteilen 3 durch nachträgliche Beschichtung 2 tatsächlich
aufgebracht werden können.
-
Die
Höhe H der Gipfel 10 (Tiefe der Täler 11) beträgt
zwischen 50 und 150 Nanometer über dem Talboden, 17,
und der mittlere lichte Abstand (die Weite), W, zwischen den Gipfeln 10 zwischen
10 und 50 Nanometer. Der von oben gesehene, auf der Gipfelhöhe
gemittelte Querschnitt eines Gipfels 10 soll zwischen 10–14 und 10–9 m2 liegen.
-
Die
Gipfel 10 bestehen aus anorganischen Substanzen, beispielsweise
aus Metallen oder aus Legierungen oder aus halbleitenden oder elektrisch nichtleitenden
Elementen oder Verbindungen. Es sind bevorzugt Materialien auszuwählen,
die (unter anorganischen Substanzen) eine vergleichsweise niedrige
Grenzflächenspannung gegen das flüssige Arbeitsfluid
aufweisen.
-
Die
Strukturierung der äußeren Oberfläche 1 der
Schaufeln oder Bauteile 3 wird mittels nanoskopisch (nanoskalig
morphologisch) strukturierender Beschichtungsmethoden im Labor oder
in industriellem Maßstab in ein- oder mehrstufigen Arbeitsschritten
vorgenommen. Je nach Verfahren können sich dabei stark
unterschiedliche Morphologien ergeben, die jedoch der Forderung,
eine große Knudsenzahl in der Weite und Tiefe der Täler
in jeder Raumrichtung zu erzeugen, genügen müssen.
-
Beispiel für einen einstufigen
Arbeitsschritt: Abscheidung aus der Gasphase (chemical vapour deposition,
CVD):
-
Wenn
die Abscheidung unter den Bedingungen eines ternären Zustandsdiagramms
stattfindet, ist es durch Variation des Kationenverhältnisses möglich,
c-Achsen oder a,b-Achsen-orientierte Oberflächen auf geeigneten
Substraten zu erzeugen. Für das Resultat einer solchen
CVD-Abscheidung berichtet beispielsweise Fitzer (G. Fitzer,
Untersuchung von Materialien für die Entwicklung eines
supraleitenden Schalters, Diplomarbeit, Universität Karlsruhe, Institut
für elektrotechnische Grundlagen der Informatik, 1990,
Seite 22, Bild 17d, Probe P4) senkrecht stehende, plättchenförmige
YBaCuO-Kristallite mit Orientierung der a,b-Achsen senkrecht zu
einer (100)-orientierten SrTiO3-Substratoberfläche.
Die in der REM-Aufnahme dieser Diplomarebeit hellen Oberkanten der
Kristrallite können für die vorliegende Erfindung
die Gipfel, die dunklen Zwischenräume die Täler
eines Bauteils bilden. Größere Zwischenräume
zwischen den plättchenförmigen Kristalliten haben
Weiten von etwa 500 nm, die Weiten der weitaus zahlreicheren kleinen
Zwischenräume liegen unter 100 nm. Schon in den größeren
Zwischenräumen beträgt bei der Weite von 500 nm
und bei einem Dampfdruck von 20 mbar in der Endstufe einer Dampfturbine
die Knudsenzahl etwa 4, mit der Weite der kleineren Zwischenräume
von etwa 80 nm wird bei gleichem Dampfdruck eine Knudsenzahl Kn ≅ 26 erzielt,
so dass in den wenigen weiten Tälern Kondensation zumindest
unwahrscheinlich, in den zahlreicheren engeren Tälern dagegen
in nennenswertem Umfang gar nicht mehr möglich ist.
-
Für
die nanoskopische (nanoskalig morphologische) Oberflächenstrukturierung
der Schaufeln oder der anderen Bauteile mittels Beschichtung im CVD-Verfahren
ist eine Vielzahl von Element- oder Oxidkombinationen in ähnlichen
ternären Zustandsdiagrammen mit einer ebensolchen Vielfalt
von Substratmaterialien geeignet, insbesondere denjenigen, die für
die Herstellung von Turbinenschaufeln oder anderen Bauteilen verwendet
werden. Gegebenenfalls wird man c-Achsen-orientierte Haft- oder
Zwischenschichten auf den Turbinenschaufel- bzw. Bauteilwerkstoffen
aufbringen, auf denen dann die eigentlichen nanoskopisch (nanoskalig
morphologisch) strukturierten Schichten (wie im obigen Beispiel
mit a,b-Orientierung) abgeschieden werden.
-
Beispiel für einen mehrstufigen
Arbeitschritt: Auf Selbstorganisation bei der Präparation
von Beschichtungsmasken beruhende Nanolithographie.
-
Lithographische
Oberflächenstrukturierung auf der Nanometer-Größenskala
benötigt entsprechend dimensionierte Masken. Im vorliegenden
Fall kann dies, wie von M. Oettinger, Nanoteilchen als Ausgangspunkt
für künstliche Pinningzentren in Supraleitern,
Dissertation, Universität Ulm (2007) und der dort
zitierten Literatur beschrieben, durch Erzeugung einer geordneten
Verteilung von metallischen Nanopartikeln auf einem Substrat erreicht
werden, nämlich durch Lösung von spezifischen
Copolymeren in Toluol, Zugabe von Metallsalzen zur Lösung
und hiermit Beladung der sich ausbildenden Mizellen durch Komplexbildung
an deren polaren Kern. Beim Eintauchen von prinzipiell beliebigen
Substraten und Herausziehen der Substrate aus der Lösung
unter definierter Geschwindigkeit lassen sich die Mizellen in einer
geschlossenen Monolage auf der Substratoberfläche abscheiden.
Die näherungsweise kugelförmigen Mizellen ordnen
sich in Selbstorganisation in dichter Packung und hexagonaler Ordnung
an. Durch anschließendes Ätzen im Sauerstoff-
oder Wasserstoffplasma wird die Polymerhülle um das Metallsalz
entfernt und das Metall-Ion zu metallischen Partikeln reduziert.
Die so hergestellte Verteilung von Nanopartikeln auf dem Substrat
kann für den nächsten Arbeitsschritt als Ätzmaske
benutzt werden, beispielsweise für die Präparierung
von Nano-Säulen in das Substratmaterial oder von Nano-Löchern
in einer Si-Schicht auf einem Si-Substrat. Im ersten Fall bilden
die Nano-Säulen die Gipfel, im zweiten Fall die Nano-Löcher
die Täler für die vorliegende Erfindung von Turbinenschaufeln
und anderen Bauteilen mit nanoskopisch (nanoskalig morphologisch)
strukturierten Oberflächen. In M. Oettingers Dissertation sind
kegelförmige Si-Nanosäulen mit an der Basis 20 nm
Breite und mit einem Abstand von etwa 80 nm hergestellt worden (vergl.
Abbildung 3.2 auf Seite 30 der Dissertation). Deren Höhe
betrug zwischen 50 und 100 nm; es ist möglich, die Höhe
zu variieren, indem die sich während des Ätzens
allmählich verbrauchenden Metallionen restituiert werden.
-
Da
das von M. Oettinger beschriebene Verfahren auf
beliebige Substrate anwendbar ist, können auch Oberflächen
von Turbinenschaufeln und anderen Bauteilen auf diese Weise nanostrukturiert werden.
Wird dieses Verfahren also beispielsweise auf Turbinenschaufeln
angewandt, beträgt die Knudsenzahl für die nach
diesem mehrstufigen Verfahren hergestellte Oberflächenstrukturierung
bei 20 mbar Dampfdruck in der Endstufe der Turbine und der Weite
der Täler von 80 nm wiederum Kn 26.
-
In
beiden Beispielen werden auf der nanoskopischen (nanoskalig morphologischen)
strukturierten Oberfläche der Turbinenschaufel 3 und
anderer Bauteile 3 durch eine Beschichtung 2 und
bei mittleren freien Weglängen, die dem Niederdruckbereich (bei
der Turbinenschaufel der Endstufe einer Dampfturbine) entsprechen,
Knudsenzahlen erzielt, welche diejenigen um mehrere Größenordnungen übertreffen,
die man bei Abscheidungen aus der Gasphase anwendet, um dort hohe
Streufähigkeit zu erreichen. Auf solchermaßen
strukturierten Oberflächen von Turbinenschaufeln und anderen
Bauteilen wird in den Tälern der Oberflächenstruktur
keine Kondensation stattfinden, auch nicht bei Unterschreitung des
Taupunkts, weil das Gas oder der Dampf wegen der hier verschwindenden
Streufähigkeit gar nicht in die Täler eindringen
kann. Dies bedeutet, dass mit der Gas- oder Dampfströmung
an die Oberfläche herangeführte Tropfen auf den
Tälern nicht kleben bleiben, weil in den Tälern
kein Kondensat abgelagert ist, an dem Benetzung stattfinden könnte;
die Täler sind also offen. Die Tropfen werden demnach,
je nach Neigung der Oberfläche, gegebenenfalls durch Mitführung (entrainment)
im Gas- oder Dampfstrom, über die Gipfel der Oberflächenstruktur
abrollen und sich nicht mit anderen Tropfen zu großen Tropfen
vereinigen. Tropfenschlagerosion wird wirksam bekämpft,
indem deren Hauptursache, das heißt dem Einschlag großer
Tropfen auf stromabwärts gelagerten Turbinenschaufeln oder
anderen Bauteilen schon anfänglich entgegengetreten wird
(nämlich zu einem Zeitpunkt, bevor große Tropfen
durch Agglomeration aus kleinen Tropfen überhaupt entstehen
könnten).
-
Damit
ist gezeigt, daß Turbinenschaufeln 3 und andere
massive Bauteile 3 von thermodynamischen Maschinen, Wärmerohren
und Apparaten der chemischen Industrie geschaffen werden können, die
wegen ihrer bevorzugten Oberflächenstruktur aktiv zur Vermeidung
von Tropfenschlagerosion beitragen.
-
Noch
höhere Knudsenzahlen könnten erzielt werden, wenn
es möglich wäre, das von St. Seeger et al. (J.
Zimmermann, F. A. Reifler, G. Fortunato, L.-Chr. Gerhardt und St.
Seeger, A Simple, One-Steg Approach to Durable and Robust Superhydrophobic Textiles,
Adv. Funct. Mat. 18 (2008) 3662–3669) berichtete,
wiederum einstufige CVD-Verfahren für Nanofilament-Beschichtungen
auf Textilwerkstoffen auch auf Turbinenschaufeln und anderen Bauteilen zu übertragen.
Der lichte Abstand der Filamente auf Textilien beträgt
nach Angaben der Autoren gegenwärtig etwa 20 nm. Bei erfolgreicher
Anwendung des Verfahrens auf eine Turbinenschaufel im Niederdruckbereich
der Dampfturbine würde die Knudsenzahl an der Oberfläche
der Schaufel auf Werte von über 100 ansteigen. Allerdings
müsste dafür gesorgt und hierzu gegebenenfalls
das Verfahren modifiziert werden, dass die Oberflächenmorphologie
nanoskopisch (nanoskalig morphologisch) gleichmäßig
strukturiert ist, d. h. die Weiten und Tiefen der Täler
in allen Raumrichtungen gleich sind.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - WO 03/044374
A1 [0003, 0006, 0009]
- - US 5463873 [0003]
- - EP 0468024 [0003]
- - DE 102006044956 A1 [0018, 0018, 0019, 0019]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Barthlott & Neinhuis, Planta
202 (1997), p. 2–8 [0012]
- - G. Fitzer, Untersuchung von Materialien für die Entwicklung
eines supraleitenden Schalters, Diplomarbeit, Universität
Karlsruhe, Institut für elektrotechnische Grundlagen der
Informatik, 1990, Seite 22, Bild 17d, Probe P4 [0033]
- - M. Oettinger, Nanoteilchen als Ausgangspunkt für
künstliche Pinningzentren in Supraleitern, Dissertation,
Universität Ulm (2007) [0035]
- - M. Oettingers [0035]
- - M. Oettinger [0036]
- - J. Zimmermann, F. A. Reifler, G. Fortunato, L.-Chr. Gerhardt
und St. Seeger, A Simple, One-Steg Approach to Durable and Robust
Superhydrophobic Textiles, Adv. Funct. Mat. 18 (2008) 3662–3669 [0039]