DE102009003898A1 - Turbinenschaufeln und andere massive Bauteile - Google Patents

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Abstract

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. Demgegenüber beschreibt die vorliegende Erfindung stromaufwärts gelagerte massive Bauteile, die unter der Strömung auch dann noch trocken bleiben, wenn die jeweilige Kondensations- oder Taupunktstemperatur deutlich unterschritten wird. Dadurch wird Agglomeration von kleinen zu großen Tropfen verhindert. Die Bauteile weisen dazu eine Oberfläche auf, die durch eine nanoskopische (nanoskalig morphologische) Gipfel-Täler-Strukturierung gekennzeichnet ist.

Description

  • 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
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  • Zitierte Patentliteratur
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    • - EP 0468024 [0003]
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    • - 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]

Claims (8)

  1. Massive Bauteile 3 im Niederdruck-Arbeitsbereich einer thermodynamischen Maschine, eines Wärmerohrs oder eines Apparats der chemischen Industrie, die Hohlräume aufweisen können und deren äußere Oberflächen einer Strömung von kondensierbarem Gas oder einem Gas-/Dampfgemisch oder einer trockenen oder tropfenbeladenen Dampfströmung ausgesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß auch bei Unterschreitung der jeweiligen Kondensationstemperatur oder des jeweiligen Taupunkts auf jedem Bereich der äußeren, der Strömung ausgesetzten Oberflächen dieser Bauteile 3 keine Kondensation aus dieser Strömung stattfinden kann.
  2. Massive Bauteile 3 nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ihre der Gas- oder Dampfströmung ausgesetzten Oberflächen 1 nanoskopisch, nanoskalig morphologisch strukturiert sind.
  3. Massive Bauteile 3 nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie an ihren äußeren, der Gas- oder Dampfströmung ausgesetzten Oberflächen 1 Gipfel 10 und Täler 11 aufweisen, die beide in regelmäßigem geometrischen, nanoskopischen, nanoskalig morphologischen Muster auf den Oberflächen ausgebildet sind.
  4. Massive Bauteile 3 nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gipfel 10 gleichmäßig als diskrete punktförmige Erhöhungen gebildet werden.
  5. Massive Bauteile 3 nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Täler 11 gleichmäßig als diskrete punktförmige Senken gebildet werden.
  6. Massive Bauteile 3 nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Weiten und Tiefen der Täler 11 geometrisch so dimensioniert sind, daß bezogen auf die mittlere freie Weglänge des auf die Oberfläche des Bauteile strömenden Gases oder Dampfes eine Knudsenzahl von mindestens 1, vorzugsweise größer als 10, gebildet wird.
  7. Massive Bauteile 3 nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die von oben gesehenen, auf der Gipfelhöhe H ermittelten Querschnitte jedes Gipfels 10 zwischen 10–15 und 10–8 m2, vorzugsweise zwischen 10–14 und 10–9 m2, die Gipfelhöhen H zwischen 10 und 2000 Nanometern, vorzugsweise zwischen 50 und 150 Nanometern, und die lichten Weiten W der Täler 11 zwischen den Gipfeln 10 zwischen 10 und 50 Nanometern, vorzugsweise zwischen 15 und 30 Nanometern in allen Raumrichtungen betragen.
  8. Massive Bauteile 3 nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die der Strömung ausgesetzte nanoskopische, nanoskalig morphologische Oberflächenstruktur 1 der Bauteile durch Beschichten aus der Gasphase (chemical vapour deposition, CVD) auf den Bauteilen erzeugt wird.
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