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Oberflächenbehandlungen und -überzüge zum Zerstäuben

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Publication number
DE102009025797A1
DE102009025797A1 DE200910025797 DE102009025797A DE102009025797A1 DE 102009025797 A1 DE102009025797 A1 DE 102009025797A1 DE 200910025797 DE200910025797 DE 200910025797 DE 102009025797 A DE102009025797 A DE 102009025797A DE 102009025797 A1 DE102009025797 A1 DE 102009025797A1
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DE
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Application
Patent type
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Withdrawn
Application number
DE200910025797
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English (en)
Inventor
Nitin Bhate
Jeffrey Scott Goldmeer
Geoffrey David Myers
Kripa Kiran Varanasi
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General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
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Publication date

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING LIQUIDS OR OTHER FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05BSPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B7/00Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/02Spray pistols; Apparatus for discharge
    • B05B7/06Spray pistols; Apparatus for discharge with at least one outlet orifice surrounding another approximately in the same plane
    • B05B7/062Spray pistols; Apparatus for discharge with at least one outlet orifice surrounding another approximately in the same plane with only one liquid outlet and at least one gas outlet
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

Ein Zerstäuber (12), umfassend eine Vor-Filmbildungs-Region (27, 54, 66) und einen Lippenabschnitt (29, 71, 67), der an einem Ende der Vor-Filmbildungs-Region angeordnet und konfiguriert ist, hydrodynamische Instabilitäten in einem Flüssigkeitsfilm zu erzeugen, wobei der Lippenabschnitt ein alternierendes Muster benetzender (110, 210, 452, 462) und nichtbenetzender Oberflächen (110, 210, 454, 464) umfasst, worin die nichtbenetzende Oberfläche einen Kontaktwinkel, mit Bezug auf die Flüssigkeit, von mehr als 90 Grad umfasst und die benetzende Oberfläche einen Kontaktwinkel, mit Bezug auf die Flüssigkeit, von weniger als 90 Grad umfasst.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • [0001]
    Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Gegenstände mit Oberflächen, die derart ausgebildet sind, dass sie eine selektive Benetzung der Oberflächen durch Flüssigkeiten fördern. Spezieller bezieht sich diese Erfindung auf das Fördern der Zerstäubung durch Erhöhen der Benetzbarkeit der Vor-Filmbildungsregion der Oberflächen und das Induzieren hydrodynamischer Instabilitäten in selektiven Regionen des Zerstäubers.
  • [0002]
    Die Zerstäubung bezieht sich allgemein auf die Umwandlung einer Flüssigkeitsmasse in einen Sprühnebel oder Nebel (d. h. eine Ansammlung von Tropfen), häufig, indem man die Flüssigkeit durch eine Düse führt. Ein Zerstäuber ist eine Vorrichtung zum Erzielen der Zerstäubung. Übliche Beispiele von Zerstäubungs-Systemen können einschließen: Gasturbinen, Karburatoren, Luftbürsten, Vernebler, Sprühflaschen und Ähnliche. In internen Verbrennungstriebwerken z. B. kann die feinkörnige Brennstoffzerstäubung für eine effiziente Verbrennung förderlich sein.
  • [0003]
    Derzeitige Gebläse-Zerstäuber breiten Flüssigkeit von einer Düsenöffnung zu einem Film auf einer oder mehreren Vor-Filmbildungs-Regionen aus. Die Zerstäuber können Druck, Luftströmung, elektrostatische, Ultraschall- und ähnliche andere Methoden nutzen, um Instabilitäten in dem Flüssigkeitsmassenfilm zu erzeugen, um Tröpfchen zu bilden. Der Flüssigkeitsmassenfilm in den Vor-Filmbildungs-Regionen wird Luft ho her Geschwindigkeit ausgesetzt, die auf beiden Seiten der Düsenöffnung in die Regionen eintritt. Die Luftströme können hydrodynamische Instabilitäten in dem Flüssigkeitsfilm erzeugen und verursachen, dass er in Tröpfchen zerbrochen wird. Die mittlere Tropfengröße, die durch einen Zerstäuber erzeugt wird, wird signifikant durch die Gleichförmigkeit und Dicke des Flüssigkeitsfilms in seiner Vor-Filmbildungs-Region beeinflusst. In einigen Fällen kann die mittlere Tropfengröße mit der Quadratwurzel der Filmdicke variieren. Je dünner der Film, je feiner daher die Zerstäubung (d. h., die Tropfengröße). Derzeitige Zerstäuber haben keine Einrichtungen, um sicherzustellen, dass die Flüssigkeit in den Vor-Filmbildungs-Regionen zu dem notwendigen dünnen Film ausgebreitet wird. Dies kann trockene Flecken auf der Oberfläche der Vor-Filmbildungs-Region erzeugen, die zu einem ungleichförmigen Flüssigkeitsfilm und folglich zu größeren gröberen Tröpfchengrößen führen.
  • [0004]
    Es besteht daher ein Bedarf, die Gleichförmigkeit des Flüssigkeitsmassenfilms zu verbessern und weitere hydrodynamische Instabilitäten einzuführen, um die Zerstäubung zu fördern.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • [0005]
    Hierin sind Zerstäuber offenbart, die eine Oberfläche aufweisen, die zum Fördern der Zerstäubung einer Flüssigkeit konfiguriert ist. In einer Ausführungsform schließt der Zerstäuber eine Vor-Filmbildungs-Region ein, umfassend eine Oberfläche, konfiguriert, um die mittlere Tropfengröße einer zerstäubten Flüssigkeit zu verringern, wobei die Oberfläche einen effektiven Kontaktwinkel mit Bezug auf die zerstäubte Flüssigkeit, von weniger als etwa 30 Grad aufweist.
  • [0006]
    In einer anderen Ausführungsform schließt der Zerstäuber eine Vor-Filmbildungs-Region und einen Lippenabschnitt ein, der an einem Ende der Vor-Filmbildungs-Region angeordnet und der konfiguriert ist, in einem Flüssigkeitsfilm hydrodynamische Instabilitäten zu erzeugen, wobei der Lippenabschnitt ein alternierendes Muster benetzender und nicht-benetzender Oberflächen umfasst, wobei die nicht-benetzende Oberfläche einen Kontaktwinkel, mit Bezug auf die Flüssigkeit, von mehr als 90 Grad umfasst und die benetzende Oberfläche einen Kontaktwinkel, mit Bezug auf die Flüssigkeit, von weniger als 90 Grad aufweist.
  • [0007]
    In noch einer anderen Ausführungsform ist ein Zerstäuber konfiguriert, einen Flüssigkeitsfilm in einen Sprühnebel umzuwandeln, und er schließt eine Düse zum Injizieren der Flüssigkeit in einen unter Druck stehenden Strömungspfad, eine Vor-Filmbildungs-Region stromabwärts der Düse, umfassend eine Oberfläche, konfiguriert zum Verringern der mittleren Tropfengröße der Flüssigkeit, wobei die Oberfläche einen effektiven Kontaktwinkel, mit Bezug auf die Flüssigkeit, von weniger als etwa 30 Grad aufweist, und einen Lippenabschnitt ein, der stromabwärts der Vor-Filmbildungs-Region angeordnet und konfiguriert ist, hydrodynamische Instabilitäten in dem Flüssigkeitsfilm zu erzeugen, wobei der Lippenabschnitt ein alternierendes Muster benetzender und nicht-benetzender Oberflächen umfasst, wobei die nicht-benetzende Oberfläche einen Kontaktwinkel, mit Bezug auf die Flüssigkeit, von mehr als 90 Grad umfasst und die benetzende Oberfläche einen Kontaktwinkel, mit Bezug auf die Flüssigkeit, von weniger als 90 Grad umfasst.
  • [0008]
    Die oben beschriebenen und andere Merkmale werden durch die folgenden Figuren und die detaillierte Beschreibung beispielhaft erläutert.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • [0009]
    Es wird nun auf die Figuren Bezug genommen, in denen gleiche Elemente mit gleichen Bezugszahlen versehen sind:
  • [0010]
    1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines derzeitigen Vor-Filmbildungs-Zerstäubers zum Einsatz in einem Brennersystem;
  • [0011]
    2 ist eine schematische Querschnittsansicht einer beispielhaften Ausführungsform der Oberfläche eines Gegenstandes, der eine Überzugsschicht zeigt;
  • [0012]
    3 ist eine schematische Querschnittsansicht einer beispielhaften Ausführungsform der Oberfläche eines Gegenstandes, der die Textur zeigt;
  • [0013]
    4 ist eine schematische Querschnittsansicht, die den Unterschied zwischen einem Wenzeltropfen-Zustand und einem Cassietropfen-Zustand veranschaulicht;
  • [0014]
    5 ist eine grafische Darstellung des effektiven Kontaktwinkels als eine Funktion des relativen Abstandes für verschiedene Aspektverhältnisse, wobei die Merkmale Vorsprünge sind;
  • [0015]
    6 ist der Zerstäuber von 1, wobei geeignete Bereiche zum Anordnen einer Hybridtextur-Region hervorgehoben sind;
  • [0016]
    7 veranschaulicht beispielhafte Ausführungsformen verschiedener Hybridflecken-Konfigurationen;
  • [0017]
    8 ist eine grafische Darstellung eines effektiven Kontaktwinkels als eine Funktion des b/a-Verhältnisses;
  • [0018]
    9 veranschaulicht beispielhafte Ausführungsformen hydrophiler Wenzelzustands-Oberflächenmerkmale;
  • [0019]
    10 zeigt Fotografien von Öltröpfchen auf Siliciumpfosten-Oberflächenmerkmalen, die verschiedene b/a-Verhältnisse aufweisen, um das Abrollen zu messen und den Kontaktwinkel zu bestimmen, und
  • [0020]
    11 ist eine grafische Darstellung des effektiven Kontaktwinkels als eine Funktion des relativen Abstandes (b/a-Verhältnis) für eine hydrophile/superhydrophile Oberfläche.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • [0021]
    Bezugnehmend auf die Zeichnung allgemein und auf 1 im Besonderen wird klar sein, dass die Darstellungen den Zweck der Beschreibung einer speziellen Ausführungsform des hierin offenbarten Gegenstandes haben und eine Beschränkung darauf nicht beabsichtigt ist. 1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines beispielhaften Zerstäubers eines Gasturbinen-Brennersystems. Hierin wird Bezug genommen auf die Anwendung von Oberflächen-Behandlungen und -Überzügen im Brennersystem. Es sollte jedoch klar sein, dass die hierin offenbarten Oberflächen-Behandlungen vorteilhafterweise in irgendeinem Zerstäubungssystem eingesetzt werden können, um die Leistungsfähigkeit des Zerstäubers zu verbessern. Beispiele von Systemen, die eine Strömungsmittel-Zerstäubung erfordern, schließen, ohne Einschränkung, Landwirtschaft, Nahrungsmittelherstellung, Anstreichen, Waschen und Ähnliche ein. Der Gebrauch hydrophiler oder superhydrophiler Oberflächen- Behandlungen kann zu gleichmäßigeren dünneren Flüssigkeitsmassen-Filmen führen, die feinere Tröpfchengrößen erzeugen können, d. h., die mittlere Tropfengröße einer Flüssigkeit verringern, verglichen mit gegenwärtigen Zerstäubern ohne solche Oberflächen-Behandlungen. Zusätzlich kann der Einsatz von hydrophob/hydrophilen Hybrid-Regionen in selektiven Bereichen, wie den Lippen der verschiedenen Vor-Filmbildungs-Zerstäuberregionen, hydrodynamische Instabilitäten einführen, die zu einem effizienten Aufbrechen des Flüssigkeitsfilmes und zu einer verbesserten Zerstäubung führen.
  • [0022]
    Mit Bezug auf Verbrennungs-Anwendungen, wie in Turbinen, kann die verbesserte Zerstäubung einen signifikanten Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der Verbrennung haben. Im Allgemeinen ist ein Maß für die Leistungsfähigkeit eines Gebläse-Zerstäubers das Verhältnis von Luft zu Flüssigkeit und der Luft-Seitendruckabfall, der zum Erzeugen eines Sprühnebels einer gegebenen mittleren Tropfengröße erforderlich ist. Typischerweise ist der Druckabfall ein großer Bruchteil des Druckabfalls für das gesamte Verbrennungssystem und das Strömungsverhältnis von Luft zu Flüssigkeitsmasse ist gleich oder größer als 1,0 für einen Sprühnebel feiner Tröpfchengröße. In industriellen Gasturbinen oder in Flugzeug-Triebwerken ist der Brenner-Druckabfall ein Nachteil (d. h., ein parasitärer Verlust) für die Brennstoffeffizienz des Systems. Folglich repräsentiert die Fähigkeit zum Verringern des Zerstäuber-Druckabfalls oder des Luft-zu-Flüssigkeits-Verhältnisses, das für einen Sprühnebel der erforderlichen Qualität benötigt wird, einen Nutzen der System-Brennstoffeffizienz. Der Gebrauch oleophiler und oleophober oder hydrophiler und hydrophober Überzüge auf den den Sprühnebel herstellenden Oberflächen des Zerstäubers zum Verringern der mittleren Tropfengröße der zerstäubten Flüssigkeit kann vorteilhaft in einer Verbesserung der Sprühnebelqualität für einen gegebenen Druckabfall oder ein Luft-zu-Flüssigkeits-Verhältnis relativ zu einem nicht überzogenen Zerstäuber resultieren. Die flüssigkeitsbenetzten Abschnitte des Zerstäubers, die den Sprühnebel in erster Linie über eine Druck-Verwirbelungs-Zerstäubung (d. h., an den Vor-Filmbildungslippen) erzeugen, können auch einen Nutzen von hydrophoben oder oleophoben Oberflächen haben, die für eine gegebene mittlere Tröpfchengröße einen geringeren Flüssigkeitszufuhr-Druck gestatten. Dieser verringerte Druck kann eine Ersparnis in der Pumpenarbeit repräsentieren, die zum Zuführen von Brennstoff zum Zerstäubungssystem erforderlich ist.
  • [0023]
    Darüber hinaus können die offenbarten hydrophoben oder oleophoben Oberflächen den potenziellen Nutzen verringerter Toleranzen und Genauigkeit bei der Herstellung bereitstellen. Die Oberflächen-Behandlungen können möglicherweise eine gleichförmigere Flüssigkeitsfilm-Dicke und -Verteilung auf den Vor-Filmbildungs-Regionen erleichtern, was einen gleichmäßigeren Sprühnebel trotz Herstellungs-Unvollständigkeiten erzeugt, wie Werkzeugmarken, Mangel an perfekter Konzentrizität, unrunden Abmessungs-Öffnungen und anderen Fehlern, die gewöhnlich Streifen in dem Sprühnebel und andere Symptome der Ungleichmäßigkeit in der Brennstofffilmdicke verursachen. Die hierin offenbarten Oberflächen-Behandlungen könnten auch zum Einstellen der räumlichen Verteilung des Sprühnebels benutzt werden, um die Geometrie des Verbrennungssystems besser zu nutzen. So erzeugen gegenwärtige Düsen einen axialsymmetrischen konischen Sprühnebel, der entweder solid oder hohl ist, was vom spezifischen Typ abhängt. Injiziert man diese gleichmäßige Verteilung in einen ringförmigen Brenner, dann kann es, vom Standpunkt der Haltbarkeit, mehr Brennstoff als erwünscht nahe den inneren und äußeren Wandungen geben. Die Verteilung der offenbarten Oberflächen-Behandlungen auf dem Vorfilmbilder könnten benutzt werden, den Flüssigkeits-Sprühnebel neu zu verteilen, den Massenfluss einzustellen, um den flüssigen Brennstoff in dem stromabwärts gelegenen Brennervolumen gleichmäßiger zu verteilen. In dem ringförmigen Brenner könnte dies durch Benutzen eines elliptischen Kegels statt eines kreisförmigen Kegels bewerkstelligt werden, wobei die lange Achse der Ellipse umfangsmäßig orientiert ist, um an das ringförmige Volumen anzupassen.
  • [0024]
    1 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform eines Gasturbinen-Brennstoffinjektors 10 eines Brennersystem. Der Gasturbinen-Brennstoffinjektor 10 kann einen Zerstäuber 12 umfassen. Der Zerstäuber 12 kann eine äußere Wandung 14, einen äußeren Pilot-Verwirbeler 16, einen inneren Pilot-Verwirbeler 18 und einen Pilot-Brennstoffinjektor 20 einschließen. Der Zerstäuber hat eine Symmetrieachse 49 und ist allgemein zylindrisch mit einem ringförmigen Querschnittsprofil geformt.
  • [0025]
    Der Pilot-Brennstoffinjektor 20 liegt entlang der Symmetrieachse 49 und ist innerhalb des Zerstäubers 12 derart angeordnet, dass der Brennstoffinjektor im Wesentlichen koaxial mit dem Zerstäuber liegt. Der Brennstoffinjektor 20 injiziert Brennstoff zum Pilot und schließt eine Aufnahmeseite 22, eine Auslassseite 24 und einen sich dazwischen erstreckenden Körper 26 ein. Die Auslassseite 24 schließt eine konvergente Auslassdüse 28 ein, die von dem Brennstoffinjektor 20 eine (nicht gezeigte) Brennstoffströmung nach außen dirigiert.
  • [0026]
    Der innere Pilot-Verwirbeler 18 ist ringförmig und umfangsmäßig um den Pilot-Brennstoffinjektor 20 herum angeordnet. Der innere Pilot-Verwirbeler 18 schließt eine Aufnahmeseite 30 und eine Auslassseite 32 ein. Ein (nicht gezeigter) innerer Pilot-Luftstrom tritt in die Einlassseite 30 des inneren Pilot-Verwirbelers ein und wird vor dem Austritt durch die Auslassseite 32 des inneren Pilot-Verwirbelers beschleunigt.
  • [0027]
    Ein Grundlinien-Pilot-Gebläseaufspalter 40 ist stromabwärts des inneren Pilot-Verwirbelers 18 angeordnet. Der Grundlinien-Pilot-Gebläseaufspalter 40 schließt einen stromaufwärts gelegenen Abschnitt 42 und einen stromabwärts gelegenen Abschnitt 44 ein, der sich von dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt 42 aus erstreckt. Der stromaufwärts gelegene Abschnitt 42 schließt eine Vorderkante 46 ein und hat einen Durchmesser 48, der von der Vorderkante 46 bis zum stromabwärts gelegenen Abschnitt 44 des Pilot-Gebläseaufspalters konstant ist. Der stromaufwärts gelegene Abschnitt 42 schließt auch eine innere Oberfläche 50 ein, die im Wesentlichen parallel und benachbart dem inneren Pilot-Verwirbeler 18 angeordnet ist. Die Begriffe „stromaufwärts” und „stromabwärts”, wie sie hierin benutzt werden, sollen die Stelle der Komponenten innerhalb eines Brennersystems beschreiben, wie sie sich auf die Strömung des Strömungsmittels (z. B. Brennstoff) durch das System beziehen.
  • [0028]
    Der stromabwärts gelegene Abschnitt 44 des Grundlinien-Pilot-Gebläseaufspalters erstreckt sich vom stromaufwärts gelegenen Abschnitt 42 bis zu einer Hinterkante 52 des Aufspalters 40. Der stromabwärts gelegene Abschnitt 44 konvergiert zur Zerstäuber-Symmetrieachse 49 hin derart, dass bei einem Mittelpunkt 54 des stromabwärts gelegenen Abschnitts 44 dieser stromabwärts gelegene Abschnitt 44 einen Durchmesser 56 aufweist, der geringer ist als der Durchmesser 48 des stromaufwärts gelegenen Abschnittes. Der stromabwärts gelegene Abschnitt 44 divergiert vom Mittelpunkt 54 des stromabwärts gelegenen Abschnittes derart nach außen, dass der Hinterkanten-Durchmesser 58 größer ist als der Mittelpunkt-Durchmesser 56 des stromabwärts gelegenen Abschnittes, aber geringer als der Durchmesser 48 des stromaufwärts gelegenen Abschnittes.
  • [0029]
    Der äußere Pilot-Verwirbeler 16 erstreckt sich im Wesentlichen senkrecht vom Grundlinien-Pilot-Gebläseaufspalter 40 und ist an einer Konturwand 60 befestigt. Die konturierte Wand 60 ist an einer Außenwand 14 des Zerstäubers befestigt. Der äußere Pilot-Verwirbeler 16 ist ringförmig und umfangsmäßig um den Grundlinien-Pilot-Gebläseaufspalter 40 herum angeordnet. Die konturierte Wandung 60 schließt einen Scheitel 62 ein, der zwischen einem konvergenten Abschnitt 64 der konturierten Wandung 60 und einem divergenten Abschnitt 66 der konturierten Wandung 60 angeordnet ist. Der stromabwärts gelegene Abschnitt 44 des Aufspalters divergiert zum divergenten Abschnitt 66 der konturierten Wandung hin. Die konturierte Wandung 60 schließt auch eine Hinterkante 70 ein, die sich vom divergenten Abschnitt 66 der konturierten Wandung aus erstreckt. Hinterkante 70 verläuft im Wesentlichen senkrecht zur Symmetrieachse 49 des Zerstäubers und liegt benachbart einer Verbrennungszone 80.
  • [0030]
    Im Betrieb injiziert ein Pilot-Brennstoffkreislauf 90 Brennstoff durch den Pilot-Brennstoffinjektor 20 zum Brennersystem 10. Gleichzeitig tritt eine Luftströmung in die Aufnahme 30 des Pilot-Verwirbelers ein und wird von der Auslassseite 32 des Pilot-Verwirbelers nach außen beschleunigt. Die Pilot-Luftströmung strömt im Wesentlichen parallel zur Symmetrieachse 49 des Zerstäubers und trifft auf den Luft-Aufspalter 40, der die Pilot-Luftströmung in einer verwirbelten Bewegung zum Brennstoff hin dirigiert, der aus dem Pilot-Brennstoffinjektor 20 austritt. Die Pilot-Luftströmung führt nicht zum Zusammenfallen eines (nicht gezeigten) Sprühmusters des Pilot-Brennstoffinjektors 20, sondern stabilisiert und zerstäubt statt dessen den Brennstoff.
  • [0031]
    Während die Flüssigkeitsmasse, in diesem Fall Brennstoff, aus dem Pilot-Brennstoffinjektor 20 austritt, breitet sich ein Teil des Brennstoffes zu einem Film auf Oberflächen des Zerstäubers 12 aus. Die flachen Oberflächen, z. B., die innere Oberfläche des Pilot-Aufspalters oder die Düsenlippe, können einen dünnen Film des Brennstoffes sammeln und sie sind manchmal als „Vor-Filmbildungs”-Oberflächen bekannt. Eine solche allgemeine Terminologie wird hierin benutzt. Die flache Fläche der Oberfläche erzeugt einen Rezirkulationsbereich geringen Druckes, der den Brennstoff von der Ausgangsdüse 28 auf die flachen Oberflächen zieht. Dieses „Vor-Filmbilden” gestattet die Bildung einer dünnen Schicht des Brennstoffes. Die Zerstäubung des Brennstoffes wird gefördert, indem zuerst der Brennstoff zu einer dünnen Filmschicht auf den Vor-Filmbildungs-Oberflächen ausgebreitet wird. Die gegenwärtigen Zerstäuber-Vor-Filmbildungs-Oberflächen sind jedoch nicht in der Lage, eine gleichmäßige Dispersion des Films über die Oberfläche oder das Verdünnen der Flüssigkeitsmasse, während sie entlang der Oberflächen stromabwärts (d. h., weg von der Düse) fließt, zu fördern. Dies kann zu einer nicht-gleichmäßigen Filmdicke, die Streifen oder Spalten in dem resultierenden Sprühnebel verursachen und dickeren Filmmassen führen, die ihrerseits gröbere Tröpfchengrößen und eine ineffiziente Zerstäubung verursachen. Durch Fördern der Benetzbarkeit der Vor-Filmbildungs-Oberflächen unter Anwendung hydrophiler oder superhydrophiler Oberflächen-Behandlungen kann sich ein dünnerer, gleichmäßigerer Brennstofffilm auf den Oberflächen bilden, was zu einer besseren Zerstäubung durch feinere mittlere Tröpfchengrößen führen kann. Durch Behandeln der Lippenregionen der Vor-Filmbildungs-Oberflächen mit den hydrophob-hydrophilen Hybrid-Oberflächen können hydrodynamische Instabilitäten eingeführt werden, die zum leichteren Aufbrechen des Filmes und feinerer Tröpfchenbildung führen.
  • [0032]
    Der Gasturbinen-Flüssigbrennstoff-Injektor 10 der 1 wird als ein Beispiel zum Identifizieren von Vor-Film bildungs-Oberflächen zum Bilden von Flüssigkeitsmassen-Filmen benutzt. In einer beispielhaften Ausführungsform kann der Flüssigkeitsfilm durch Bilden auf der inneren Oberfläche 27 der Auslassdüse 28 und der Düsenlippe 29 beginnen. Während mehr Brennstoff in die Verbrennungszone 80 injiziert wird, kann der Brennstoffstrom stromabwärts wandern und einen Film bilden, der allgemein am Mittelpunkt 54 des stromabwärts gelegenen Abschnittes 44 des Aufspalters beginnt und sich bis zur Lippe 71 der Hinterkante 70 erstreckt. Während der Brennstoff weiter durch den Injektor 20 zugeführt wird, kann er sich weiter auf den divergenten Abschnitt 66 der konturierten Wandung 60 ausbreiten und zur Wandlippe 67 hin fortschreiten. Hydrophile Oberflächen-Behandlungen in den flachen Oberflächenbereichen, wie auf der inneren Oberfläche 27 der Auslassdüse 28, dem Mittelpunkt 54 bis zur Hinterkante 70 des Pilot-Aufspalters und dem divergenten Abschnitt 66 außerhalb auf der konturierten Wandung, kann die Brennstofffilm-Gleichmäßigkeit und die Filmdicke durch Verringern der mittleren Tropfengröße des Brennstoffes fördern. Eine Kombination hydrophiler und hydrophober (d. h., hybrider) Oberflächen-Behandlungen in strategischen Bereichen kann hydrodynamische Oberflächen-Instabilitäten erzeugen, um die Leistungsfähigkeit des Zerstäubers signifikant zu verbessern. Beispiele solcher strategischen Bereiche für die Hybrid-Oberflächenbehandlungen können die Düsenlippe 29, die Hinterkantenlippe 71 des Pilot-Aufspalters 40 und die Lippe 67 der konturierten Wandung einschließen. Solche Behandlungen können dann einen feineren und gleichmäßigeren Sprühnebel erzeugen.
  • [0033]
    Die „Flüssigkeits-Benetzbarkeit” oder „Benetzbarkeit” einer festen Oberfläche wird bestimmt durch Beobachten der Natur der Wechselwirkung, die zwischen der Oberfläche und einem Tropfen einer gegebenen Flüssigkeit auftritt, der auf der Oberfläche angeordnet wird. Eine Oberfläche mit einer ho hen Benetzbarkeit für die Flüssigkeit gestattet dem Tropfen das Ausbreiten über einen relativ weiten Bereich der Oberfläche (um dadurch die Oberfläche „zu benetzen”). Im extremen Fall breitet sich die Flüssigkeit in einem Film über die Oberfläche aus. Wo andererseits die Oberfläche eine geringe Benetzbarkeit für die Flüssigkeit aufweist, bleibt die Flüssigkeit in einem wohlgeformten ballförmigen Tropfen (der „nicht benetzenden” Oberfläche). Im extremen Fall bildet die Flüssigkeit kugelförmige Tropfen auf der Oberfläche, die bei der geringsten Störung leicht von der Oberfläche herabrollen.
  • [0034]
    Das Ausmaß, in dem eine Flüssigkeit in der Lage ist, eine feste Oberfläche zu benetzen, spielt eine signifikante Rolle bei der Bestimmung, wie die Flüssigkeit und der Feststoff miteinander in Wechselwirkung treten. So genannte „hydrophile” und „superhydrophile” Materialien haben z. B. eine relativ hohe Benetzbarkeit in Gegenwart von Wasser, was zu einem hohen Grad der „Ausbreitung” bzw. „Folienbildung” des Wassers über der festen Oberfläche führt. Hydrophile und superhydrophile Oberflächen sind Beispiele benetzender Oberflächen. Ein hoher Grad des Benetzens führt zu relativ großen Bereichen des Kontaktes zwischen Flüssigkeit und Feststoff und ist erwünscht in Anwendungen, wo eine beträchtliche Menge der Wechselwirkung zwischen den beiden Oberflächen nützlich ist, wie, z. B., beim Bilden eines gleichmäßigen ultradünnen Films der Flüssigkeitsmasse in einem Zerstäuber. Ein gewöhnlich akzeptiertes Maß der Flüssigkeits-Benetzbarkeit einer Oberfläche ist der Wert des statischen Kontaktwinkels, der zwischen der Oberfläche und einer Tangente eines Tropfens einer Vergleichsflüssigkeit am Kontaktpunkt zwischen der Oberfläche und dem Tröpfchen gebildet wird. Geringe Werte des Kontaktwinkels zeigen eine hohe Benetzbarkeit für die Bezugsflüssigkeit auf der Oberfläche an. Die Bezugsflüssigkeit kann irgendeine interessierende Flüssigkeit sein. In vielen Anwendungen ist die Be zugsflüssigkeit Wasser. In anderen Anwendungen ist die Bezugsflüssigkeit eine Flüssigkeit, die mindestens einen Kohlenwasserstoff, wie, z. B., Öl, Petroleum, Gasolin, ein organisches Lösungsmittel und ähnliches enthält. Weil die Benetzbarkeit teilweise von der Oberflächenspannung der Bezugsflüssigkeit abhängt, kann eine gegebene Oberfläche eine unterschiedliche Benetzbarkeit (und somit einen unterschiedlichen Kontaktwinkel) für verschiedene Flüssigkeiten haben.
  • [0035]
    Der Begriff „hydrophil” wird allgemein benutzt, um Oberflächen zu beschreiben, die, unter Bezugnahme auf Wasser, einen nominellen Kontaktwinkel von weniger als etwa 90 Grad erzeugen. „Superhydrophil” wird allgemein benutzt, um Oberflächen zu beschreiben, die, unter Bezugnahme auf Wasser, einen nominellen Kontaktwinkel von weniger als 10 Grad erzeugen. Gleichermaßen wird der Begriff „hydrophob” allgemein benutzt, um Oberflächen zu beschreiben, die, unter Bezugnahme auf Wasser, einen nominellen Kontaktwinkel von mehr als etwa 90 Grad erzeugen. „Superhydrophob” wird allgemein benutzt, um Oberflächen zu beschreiben, die, unter Bezugnahme auf Wasser, einen nominellen Kontaktwinkel von mehr als etwa 150 Grad erzeugen. Hydrophobe und superhydrophobe Oberflächen sind daher Beispiele nicht-benetzender Oberflächen.
  • [0036]
    In einer beispielhaften Ausführungsform kann ein Zerstäuber eine Vor-Filmbildungs-Region umfassen, die eine Oberfläche umfasst, die konfiguriert ist, die mittlere Tropfengröße einer zerstäubten Flüssigkeit zu verringern, wobei die Oberfläche einen effektiven Kontaktwinkel, mit Bezug auf die zerstäubte Flüssigkeit, von weniger als etwa 30 Grad hat. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann ein Zerstäuber einen Lippenabschnitt aufweisen, der stromabwärts der Vor-Filmbildungs-Region angeordnet und konfiguriert ist, hydrodynamische Instabilitäten in einem Flüssigkeitsfilm zu erzeugen, wobei der Lippenabschnitt ein alternierendes Muster benetzender und nicht-benetzender Oberflächen umfasst, wobei die nicht-benetzende Oberfläche einen Kontaktwinkel, unter Bezugnahme auf die Flüssigkeit, von mehr als 90 Grad umfasst, und die benetzende Oberfläche einen Kontaktwinkel, unter Bezugnahme auf die Flüssigkeit, von weniger als 90 Grad umfasst. In noch einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann ein Zerstäuber sowohl die in der ersten Ausführungsform beschriebene Oberfläche der Vor-Filmbildungs-Region zusammen mit der benetzenden/nicht-benetzenden Hybrid-Oberfläche des Lippenabschnittes, die in der zweiten Ausführungsform beschrieben ist, einschließen.
  • [0037]
    Bezugnehmend auf 2, kann in einer beispielhaften Ausführungsform das Substrat 100 eines Zerstäubers eine Oberfläche 110 aufweisen. Die Oberfläche 110 könnte irgendeine der oben beschriebenen Oberflächen sein, wobei eine Vor-Filmbildung erwünscht wäre, wie bei den inneren Oberflächen des Verwirbelers, der konturierten Wandung oder der Auslassdüse. Die Oberfläche 110 kann eine die Oberflächenenergie modifizierende Überzugsschicht 112 zum Modifizieren der Oberflächenenergie der Oberfläche umfassen. In gewissen Fällen kann die die Oberflächenenergie modifizierende Überzugsschicht 112 einen Überzug umfassen, der über der Oberfläche 110 des Zerstäuber-Substrates 100 angeordnet ist. Die Oberfläche 110 kann mindestens eines von einem Metall, einer Legierung, einem Kunststoff, einer Keramik oder irgendeiner Kombination daraus umfassen. Die Oberfläche 110 kann die Form eines Filmes, einer Folie oder einer massiven Gestalt annehmen. Die Überzugsschicht 112 kann ein integraler Teil der Oberfläche 110 sein oder die Überzugsschicht 112 kann eine Schicht umfassen, die auf der Oberfläche 110 mittels irgendeiner Anzahl von Techniken, die im Stande der Technik bekannt sind, aufgebracht oder abgeschieden ist.
  • [0038]
    Die die Oberflächenenergie modifizierende Überzugsschicht 112 kann mindestens ein Material umfassen, ausgewählt aus der Gruppe umfassend einen hydrophilen Überzug, wie eine Keramik, ein Verbundmaterial und verschiedene Kombinationen daraus. Beispiele geeigneter hydrophiler Keramiken schließen, ohne Einschränkung, anorganische Oxide, Carbide, Nitride, Boride und Kombinationen daraus ein. Solche Keramikmaterialien schließen Titan, Silicium, Aluminium, Magnesium, Zirkonium, Zink, Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid, Magnesiumaluminatspinel und Zinkoxide, Aluminium- und Galliumnitride, Silicium- und Wolframcarbid, Kobalt-Chrom-Carbid; Kombinationen daraus und andere ähnliche Keramiken ein. Das Oberflächenmaterial kann auf der Grundlage des erwünschten Kontaktwinkels, der benutzten Herstellungstechnik und der Endverwendung des Gegenstandes ausgewählt sein. Die Überzugsschicht-Materialien 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.
  • [0039]
    Die Oberfläche 110 kann eine Überzugsschicht 112 umfassen, die eine nominelle Benetzbarkeit aufweist, die zum Erzeugen eines nominellen Kontaktwinkels von bis zu etwa 90 Grad genügt. Zum besseren Verstehen bedeutet ein „nomineller Kontaktwinkel” 114 den statischen Kontaktwinkel, der gemessen wird, wo ein Tropfen einer Bezugsflüssigkeit 116 auf einer flachen, glatten (weniger als 1 mm Oberflächenrauheit) Oberfläche angeordnet ist. Dieser nominelle Kontaktwinkel 114 ist eine Messung der „nominellen Benetzbarkeit” eines Materials, aus dem die Oberfläche im Wesentlichen zusammengesetzt ist.
  • [0040]
    In einer alternativen Ausführungsform kann die Oberfläche 110 eine Vielzahl von Oberflächen-Merkmalen 120 um fassen, wie in 3 gezeigt. Die Größe, Gestalt und Orientierung der Merkmale 120 haben eine starke Auswirkung auf die Benetzbarkeit der Oberfläche 110 und, in den beispielhaften Ausführungsformen, die hierin offenbart sind, sind diese Parameter derart ausgewählt, dass die Oberfläche 110 eine effektive Benetzbarkeit (das ist die Benetzbarkeit der texturierten Oberfläche) aufweist, die zum Erzeugen eines effektiven Kontaktwinkels von weniger als dem nominellen Kontaktwinkel 114, mit Bezug auf Wasser, genügt. Die Vielzahl der Oberflächen-Merkmale 120 kann wirksam sein, eine Oberfläche, die einen hydrophilen Überzug aufweist, zu einer Oberfläche zu verändern, die superhydrophile Benetzbarkeit hat.
  • [0041]
    Wie oben ausgeführt, können die Größe, Gestalt und Orientierung der Merkmale 120 derart ausgewählt sein, dass die Oberfläche 110 eine superhydrophile Benetzbarkeit zeigt. Die Auswahl beruht auf der Physik, die der Wechselwirkung der Flüssigkeiten und der festen Oberflächen zugrunde liegt. Ein Tropfen der Flüssigkeit verbleibt auf einer texturierten Oberfläche typischerweise in einem einer Anzahl von Gleichgewichtszuständen. In dem „Cassie”-Zustand, der in 4A abgebildet ist, sitzt ein Tropfen 200 auf den Oberflächen-Merkmalen, in diesem Fall Pfosten 212, der texturierten Oberfläche 210 und schließt Lufttaschen zwischen den Pfosten ein. In dem „Wenzel”-Zustand, der in 4B abgebildet ist, benetzt Tropfen 200 die gesamte Oberfläche 210 und füllt die Räume zwischen den Spitzen 212 mit Flüssigkeit. Andere Gleichgewichts-Zustände kann man sich im Allgemeinen als Zwischenzustände zwischen dem reinen Cassie- und dem reinen Wenzel-Verhalten vorgestellen, wobei die Tropfen die Räume zwischen den Oberflächenrauheits-Merkmalen nur teilweise füllen. Der Begriff „nicht-Wenzel”, wie er hierin benutzt wird, bezieht sich auf irgendeinen Zustand, der kein reines Wenzelzustands-Verhalten zeigt, wobei der Begriff „nicht-Wenzel” reines Cas siezustands-Verhalten und irgendwelche Zwischenzustände einschließt, die kein reines Wenzel-Verhalten zeigen.
  • [0042]
    Der vom Tropfen auf der Oberfläche eingenommene spezielle Zustand hängt von der Gesamtenergie des Feststoff/Flüssigkeit/Dampf-Systems ab, das wiederum eine Funktion der geometrischen Charakteristike – wie Größe, Gestalt und Orientierung – der Oberflächenrauheits-Merkmale des Feststoffes ist. Wo, z. B., der Cassie-Zustand in einer geringeren Energie als der Wenzel-Zustand resultiert, wird ein auftreffender Tropfen im Allgemeinen immer das Cassiezustands-Verhalten zeigen. Selbst in Fällen jedoch, in denen der Wenzel-Zustand eine geringere Energie zeigt, kann das nicht-Wenzel-Zustandsverhalten aufgrund der Existenz einer Energiebarriere zwischen den beiden Zuständen aufrechterhalten bleiben, was die Zufuhr von Energie erfordert, um den Übergang aus dem „metastabilen” nicht-Wenzel-Zustand zum Wenzel-Zustand geringerer Energie zu erzielen. Ein Verstehen der Beziehung zwischen der Oberflächen-Geometrie und der -Energie ermöglicht das Entwerfen von Oberflächen, um erwünschte Benetzbarkeit-Charakteristika, einschließlich Kontaktwinkel und Art des Benetzungszustands-Verhaltens, bereitzustellen, die durch Flüssigkeit auf der festen Oberfläche gezeigt wird.
  • [0043]
    Der effektive Kontaktwinkel theta (θ*) auf der texturierten Oberfläche steht in Beziehung zum nominellen Kontaktwinkel (θ) nach Gleichung (1) für den Wenzel-Tropfen (w) und nach Gleichung (2) für den Cassie-Tropfen (c): cos(θw*) = rcos(θ) (1) cos(θc*) = fSLcos(θ) – fLA (2) worin „r” der Textur-Parameter ist, der definiert ist als die Kontaktfläche für die Oberfläche, dividiert durch die projizierte Fläche. Für eine quadratische Anordnung quadratischer Pfosten ist r durch den folgenden Ausdruck gegeben: r = 1 + 4(h/a)/(1 + b/a) 2 (3)worin ”a” die Breite der Pfosten, ”b” der Abstand zwischen den Pfosten von Kante zu Kante und ”h” die Höhe der Pfosten ist. Die Ausdrücke für fSL und fLA sind gegeben durch fSL = 1/(1 + b/a)2; (4)und fLA = 1 – 1/(1 + b/a)2 (5)
  • [0044]
    Wie durch die obigen Ausdrücke ersichtlich, ist der effektive Kontaktwinkel auf texturierten Oberflächen stark durch Parameter, wie die Größe, den Abstand und das Aspektverhältnis der Textur-Merkmale beeinflusst. Das Texturieren einer Oberfläche zum Erzeugen eines Wenzel-Zustand-Tröpfchens ist kritisch für das Bilden einer superhydrophilen Oberfläche. 5 ist eine grafische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem effektiven Kontaktwinkel, θw*, für den Wenzel-Tropfen und dem Textur-Parameter r zeigt. In dieser Figur ist die Beziehung zwischen dem Oberflächenbereich der Oberfläche (wie gemessen durch r, das Verhältnis des tatsächlichen Oberflächenbereiches zum projizierten Oberflächenbereich) und dem mit Wasser gebildeten effektiven Kontaktwinkel für Oberflächen aufgetragen, die nominelle Kontaktwinkel von 50 Grad, 60 Grad und 70 Grad aufweisen. Es sollte klar sein, dass der r-Parameter eine Funktion der Geometrie der Oberfläche ist, einschließlich solcher Parameter, wie b/a und h/a, und dass die Natur der speziellen Funktion von der Konfiguration der Oberfläche abhängt. Die grafische Darstellung zeigt, dass eine signifikante Verringerung im effektiven Kontaktwinkel (so gering wie 0 Grad) im Falle eines Wenzel-Tropfens erzielt werden kann, wenn eine hydrophile Oberfläche (d. h., eine Oberfläche mit einem nominellen Kontaktwinkel von weniger als 90 Grad) dahingehend texturiert wird, dass sie Oberflächen-Merkmale aufweist. Während die Textur der Oberflächen-Merkmale dichter (rauer) wird, nimmt der Wert von r zu und der effektive Kontaktwinkel wird vorteilhaft verringert. Wenn daher ein Gegenstand eine existierende hydrophile Oberfläche (wie die meisten Metalloberflächen) aufweist oder die Oberflächen mit einem hydrophilen Oberflächenüberzug überzogen worden ist, dann kann die Oberfläche geeignet texturiert werden durch Auswählen des Textur-Parameters (r), der in dem erwünschten geringen oder null betragenden effektiven Kontaktwinkel resultiert, indem man einen Wenzel-Zustand erzielt.
  • [0045]
    Zurückbeziehend auf 3, kann die Größe von Oberflächen-Merkmalen 120 in einer Anzahl von Wegen charakterisiert werden. In einigen Ausführungsformen steht, wie in 3 gezeigt, zumindest ein Untersatz der Vielzahl von Merkmalen 120 vom Zerstäuber-Substrat 100 hervor. Darüber hinaus ist in einigen Ausführungsformen zumindest ein Untersatz der Vielzahl von Merkmalen eine Vielzahl von (nicht gezeigten) Hohlräumen, die in dem Zerstäuber-Substrat 100 angeordnet ist. Oberflächen-Merkmale 120 umfassen eine Höhen-Abmessung (h) 121, die die Höhe der hervorstehenden Merkmale 120 oder, im Fall von Hohlräumen, die Tiefe repräsentiert, bis zu der sich die Hohlräume in das Zerstäuber-Substrat 100 hinein erstrecken. Oberflächen-Merkmale 120 umfassen weiter eine Breiten-Abmessung (a) 124. Die genaue Natur der Breiten-Abmessung hängt von der Gestalt des Merkmals ab, ist jedoch als die Breite des Merkmals an dem Punkt definiert, an dem das Merkmal natürlicherweise einen auf der Oberfläche des Gegenstandes angeordneten Flüssigkeitstropfen kontaktieren würde. Die Breiten-, Ab stands- und Höhen-Parameter der Oberflächen-Merkmale 120 können eine signifikante Auswirkung auf das Benetzungsverhalten haben, das auf der Oberfläche 110 beobachtet wird.
  • [0046]
    Zahlreiche Varietäten von Merkmals-Gestalten sind zum Einsatz als Oberflächen-Merkmale 120 geeignet. In einigen Ausführungsformen hat mindestens ein Untersatz der Oberflächen-Merkmale 120 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, unabhängig davon, ob das Merkmal einen Vorsprung, wie ein Podest, oder ein Hohlraum, wie eine Rille oder eine Pore ist. Als ein Beispiel umfasst in speziellen Ausführungsformen mindestens ein Untersatz der Merkmale Nanodrähte, die Strukturen sind, die eine seitliche Größe, die auf einige 10 Nanometer oder weniger beschränkt ist, und eine unbeschränkte Längsgröße haben. Verfahren zum Herstellen von Nanodrähten aus verschiedenen Materialien sind im Stande der Technik bekannt und schließen, z. B., chemische Dampfabscheidung auf einem Substrat ein. Nanodrähte können direkt auf Gegenstand 100 gezüchtet oder sie können auf einem separaten Substrat gezüchtet, von dem Substrat (z. B. unter Anwendung von Ultraschall) entfernt, in einem Lösungsmittel angeordnet und auf Gegenstand 100 übertragen werden, indem man das Lösungsmittel auf der Gegenstands-Oberfläche anordnet und das Lösungsmittel trocknen lässt.
  • [0047]
    Die Merkmals-Orientierung ist eine weitere Design-Betrachtung beim Einstellen der Oberflächen-Benetzbarkeit gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein signifikanter Aspekt der Merkmal-Orientierung ist der Abstand der Merkmale. Bezugnehmend auf 3 sind in einigen Ausführungsformen Merkmale 120 in einer beabstandeten Beziehung an geordnet, die durch eine Abstands-Abmessung (b) 126 charakterisiert ist. Die Abstands-Abmessung 126 ist als der Abstand zwischen den Kanten der beiden am meisten benachbarten Merkmale definiert.
  • [0048]
    In einigen Ausführungsformen sind die gesamten Merkmale 120 der Vielzahl in einer nicht-regellosen Verteilung angeordnet. In einigen Fällen haben Merkmale 120 im Wesentlichen die gleichen entsprechenden Werte für h, a und/oder b („eine geordnete Anordnung”), obwohl dies keine allgemeine Anforderung ist. So kann, z. B., die Vielzahl von Merkmalen 120 eine Ansammlung von Merkmalen sein, wie, z. B., Nanodrähte, die eine regellose Verteilung von Größe, Gestalt und/oder Orientierung zeigen. In gewissen Ausführungsformen ist darüber hinaus die Mehrzahl von Merkmalen durch eine multimodale Verteilung (z. B. eine bimodale oder trimodale Verteilung) in h, a, b oder irgendeiner Kombination davon charakterisiert. Solche Verteilungen können vorteilhaft eine verbesserte Benetzbarkeit in Umgebungen bereitstellen, in denen ein Bereich von Tropfengrößen angetroffen wird. Die Abschätzung der Auswirkungen von h, a und b auf die Benetzbarkeit erfolgt deshalb am besten, indem man die distributive Natur dieser Parameter in Betracht zieht. Techniken, wie Monte Carlo-Simulation, zum Ausführen von Analysen unter Einsatz von Variablen, die Wahrscheinlichkeits-Verteilungen repräsentieren, sind im Stande der Technik bekannt. Solche Techniken können beim Entwerfen von Merkmalen 120 zum Gebrauch in Gegenständen, wie sie hierin offenbart sind, angewendet werden.
  • [0049]
    In Abhängigkeit von der Anwendung des Zerstäubers kann die Gegenstands-Oberfläche 110 ein Material sein, das aus einem Metall, wie einem Metall, umfassend ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Eisen, Titan, Kupfer, Zirkonium, Aluminium und Nickel, zusammengesetzt ist. In gewissen Ausführungsformen ist das Material im Wesentlichen vollständig metallisch. In anderen Ausführungsform umfasst das Material eine Keramik, wie ein Oxid, typischerweise Titanoxid, Siliciumdioxid und Zirkoniumoxid. Andere mild bis sehr hydrophile Materialien, wie, z. B., gewisse polymere Materialien, können in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.
  • [0050]
    Spezifische Bereiche und Kombinationen der Oberflächenmerkmals-Parameter, die oben beschrieben sind, können ein Regime bereitstellen, in dem die effektive Benetzbarkeit der Oberfläche 110 einen effektiven Kontaktwinkel von weniger als etwa 10 Grad mit einem Tropfen der Bezugsflüssigkeit erzeugen kann, in einigen Fällen kann der effektive Kontaktwinkel bis zu nahe null verringert werden. Ein derartig geringer Kontaktwinkel auf einer Oberfläche der Vor-Filmbildungs-Region eines Zerstäubers kann die Bildung eines ultradünnen Flüssigkeitsmassenfilmes auf der Oberfläche ermöglichen, was zusammen mit gegenwärtigen Techniken zum Erzeugen hydrodynamischer Instabilitäten in der Vor-Filmbildungs-Region zu einer feineren mittleren Tropfengröße und einer verbesserten Zerstäubung führt.
  • [0051]
    In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Oberfläche 110 eine Vielzahl von Oberflächen-Merkmalen 120 umfassen, die eine mittlere Merkmalsgröße a und einen mittleren Merkmalsabstand b aufweisen. Das Verhältnis b/a zeigt den Abstand der Merkmale an, und, wenn diese Merkmale enger beieinander stehen, dann nimmt der Kontaktbereich der Oberfläche 110 zu (d. h., der Textur-Parameter (r) nimmt zu), was mehr Kontaktbereich für die Flüssigkeit bereitstellt. In einigen Situationen gibt es jedoch, teilweise aufgrund von Beschränkungen in den Herstellungsverfahren, eine praktische untere Grenze, wie dicht die Merkmale beieinander stehen können. Darüber hinaus können in gewissen Anwendungen zu dicht nebeneinander ste hende Oberflächen-Merkmale 120 eine Situation verursachen, bei der Tröpfchen der Flüssigkeit zwischen Merkmalen suspendiert werden, ohne die Bereiche zwischen den Merkmalen 120 zu benetzen. Ein solcher Zustand würde den effektiven Benetzungsbereich verringern. Wenn sich (a) ändert, der Abstand (b) aber konstant ist, dann ändert sich die Merkmalsbreite, doch der Merkmalsabstand ändert sich nicht. Dies hängt jedoch davon ab, wie (b) definiert ist, sei es von Merkmalskante zu Merkmalskante oder von Merkmalszentrum zu Merkmalszentrum.
  • [0052]
    Das Aspektverhältnis (h/a) der Oberflächen-Merkmale 120 spielt auch eine Rolle bei der Bestimmung des effektiven Benetzungsverhaltens der Oberfläche 110. Im Allgemeinen sind hohe Aspektverhältnisse, wie mindestens etwa 1 und, in einigen Ausführungsformen, mindestens etwa 4, erwünscht, weil der Oberflächenbereich zunimmt, wenn das Aspektverhältnis zunimmt. In einigen Zerstäubungs-Anwendungen bei hoher Temperatur, wie sie, z. B., in Gasturbinen gefunden werden, haben Merkmale hohen Aspektverhältnisses (h/a mindestens etwa 4) eine erwünschte Größe und einen erwünschten Abstand voneinander, um ein b/a im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 6 zu ergeben. Diese Kombination von Parameterwerten ergibt eine Oberfläche, die den Überzug eines ultradünnen gleichmäßigen Filmes auf einer Zerstäuber-Oberfläche maximiert.
  • [0053]
    Wie oben ausgeführt, können außer benetzenden (z. B. hydrophilen oder sogar superhydrophilen) Oberflächen in den Vor-Filmbildungs-Regionen eines Zerstäubers weitere Vorteile erzielt werden, wenn Kombinationen von benetzenden/nicht-benetzenden (d. h., hydrophil-hydrophoben oder „hybriden”) Regionen in strategischen Positionen innerhalb des Zerstäubers angeordnet werden. 6 veranschaulicht das Brennersystem und den Zerstäuber von 1. Beispielhafte Stellen für die Hybridflecken wurden eingekreist und durch Pfeile hervorgeho ben. In dieser Ausführungsform können die Hybridflecken an der Düsenlippe 29, der Hinterkantenlippe 71 des Pilot-Aufspalters 40 und der Lippe 67 der konturierten Wandung angeordnet sein. Der Bequemlichkeit halber werden diese Stellen allgemein als Zerstäubungslippen bezeichnet. 7 veranschaulicht Beispiele verschiedener Hybridflecken-Konfigurationen. Es wurde festgestellt, dass die Benutzung der Hybridkonfigurationen hydrodynamische Instabilitäten in einen Flüssigkeitsmassenfilm über die hinaus einführen kann, die für den Zerstäuber vorgesehen sind (wie Hochgeschwindigkeitsluft). Die Oberflächen-induzierten Instabilitäten können in Verbindung mit den durch die Luftströmung induzierten Instabilitäten zusammenarbeiten, um die Qualität der Zerstäubung zu verbessern. In einer beispielhaften Ausführungsform kann ein alternierendes Muster hydrophober (oder superhydrophober) und hydrophiler (oder superhydrophiler) Textur benutzt werden, um die Oberflächen-induzierten Instabilitäten zu erzeugen. Wie, z. B., in 7 gezeigt, kann ein Hybridflecken 450 vertikal oder horizontal orientierte alternierende Streifen hydrophiler Textur 452 und hydrophober Textur 454 aufweisen. In einer anderen Ausführungsform kann ein Hybridflecken 460 ein Gittermuster hydrophober Regionen 464 bilden, das von Regionen 462 hydrophiler Textur geschnitten ist. So können, z. B., alternierende Flecken hydrophil-hydrophober Oberfläche unter Anwendung von Maskierungstechniken ähnlich denen, die in der Fotolithografie benutzt werden, ausgeführt werden. Ein solches Verfahren ist dem Fachmann bekannt, wobei eine Chemikalie benutzt wird, das erwünschte benetzende oder nicht benetzende Muster auf die Oberfläche zu ätzen, während der Rest der Oberfläche durch eine Widerstandsmaske geschützt ist. Das gleiche Herangehen kann nicht nur zum Erzeugen der Hybridflecken in zwei Stufen benutzt werden, sondern auch zum Maskieren der Bereiche der Oberfläche, an denen die Oberflächen-Behandlung nicht erwünscht ist. Ein anderes Verfahren zum Erzeugen von Hybridoberflächen ist das Ausführen des Mikrokontakt-Druckens.
  • [0054]
    Die Streifen hydrophober Textur 454, 464 sind Bereiche geringer Benetzbarkeit im Vergleich zu den hydrophilen Streifen 452, 462. Hydrophobe Materialien haben eine relativ geringe Flüssigkeits-Benetzbarkeit, um die Bildung von Flüssigkeitstropfen zu fördern, die einen minimalen Kontaktbereich mit der Oberfläche 110 aufweisen. Superhydrophobe Materialien haben noch eine geringere Wasser-Benetzbarkeit, was zu Oberflächen führt, bei denen Wasser, das auf die Oberfläche auftrifft, abgestoßen wird. Die Natur der hydrophoben Regionen benachbart hydrophilen Regionen erzeugt eine Oberflächen-Instabilität in dem Flüssigkeitsmassenfilm an den Zerstäuberlippen, weil dies die Stelle ist, an welcher der Film aufgrund der Luftströmung auf dem Film in Tröpfchen aufzubrechen beginnt. Durch Benutzen der Hybridoberflächen in dieser Region erhöht diese Instabilität die gesamte hydrodynamische Instabilität, was bei der Zerstäubung erwünscht ist und zu feineren Tröpfchengrößen führt. Die Kante der Vor-Filmbildungs-Lippe ist ein geeigneter Ort zum Erzeugen hydrodynamischer Instabilitäten und zum Verdünnen der Flüssigkeitsfolie, unmittelbar vor der Disintegration der Folie in Bänder und Tropfen.
  • [0055]
    Die Regionen hydrophober Oberfläche können eine Textur haben, die eine Vielzahl von Merkmalen umfasst, wie es für die hydrophilen Oberflächen oben beschrieben wurde. Die Oberflächen-Merkmale haben jedoch Gestalten und Parameter, die besser geeignet sind zum Bereitstellen einer Oberfläche mit geringerer effektiver Benetzbarkeit als der nominellen Benetzbarkeit, die dem Material innewohnt, aus dem die Oberfläche hergestellt ist. Die so entworfenen und hergestellten Oberflächen haben eine ausgewählte Benetzbarkeit für Wasser und Öl, um Oberflächen-Instabilitäten in Zerstäuber-Lippenbereichen des Brennersystems 10 zu verursachen. In einer Ausführungsform ist der nominelle Kontaktwinkel, mit Bezug auf Wasser, größer als etwa 100 Grad, spezifische größer als etwa 120 Grad und noch spezifischer größer als etwa 150 Grad.
  • [0056]
    In beispielhaften Ausführungsformen umfassen die Regionen hydrophober Oberfläche 454, 464 Oberflächen-Texturen mit hohem Kontaktwinkel (geringer Benetzbarkeit) für Wasser und Öl und ebenfalls für ein leichtes Abrollen der Tropfen. Durch richtige Auswahl von b/a und h/a, gekoppelt mit der richtigen Auswahl von Materialien auf der Grundlage der Anwendungs-Umgebung, kann eine Oberfläche derart entworfen werden, dass Flüssigkeitstropfen, die auf die Oberfläche auftreffen, hydrophobe und ölbeständige Eigenschaften zeigen, kombiniert mit einem einfachen Abroll-Verhalten. Demgemäß umfassen die Oberflächen-Merkmale eine Höhenabmessung (h), eine Breitenabmessung (a) und eine Abstandabmessung (b) derart, dass das Verhältnis b/a geringer als etwa 4 ist und das Verhältnis h/a geringer als etwa 10 ist. In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Parameter a geringer als etwa 25 Mikrometer (μm), spezifisch geringer als etwa 10 μm und noch spezifischer geringer als etwa 2 μm. In einigen Ausführungsformen kann b/a in einem Bereich von etwa 0,3 bis etwa 10, spezifisch etwa 0,5 bis etwa 2 liegen und h/a kann in einem Bereich von etwa 0,5 bis etwa 5, spezifisch bis etwa 0,5 bis etwa 1 liegen.
  • [0057]
    Die Oberflächen-Merkmale sowohl für die hydrophile Oberfläche 110 als auch die Hybridkonfigurationsflecken 450, 460 können durch eine Anzahl von Verfahren hergestellt und der Zerstäuber-Oberfläche 100 verliehen werden. In einigen Ausführungsformen können die Oberflächen-Merkmale direkt auf der Oberfläche 110 hergestellt werden. In anderen Ausführungsformen können die Oberflächen-Merkmale separat hergestellt und dann auf der Oberfläche 100 angeordnet werden. Das Anordnen der O berflächen-Merkmale auf dem Substrat 100 kann durch individuelles Anbringen der Merkmale erfolgen oder die Merkmale können auf einem Film, einer Folie oder einem anderen geeigneten Medium angeordnet werden, das dann an dem Substrat 100 angebracht wird. Das Befestigen kann in jedem Fall durch irgendein geeignetes Verfahren erfolgen, wie, darauf jedoch nicht beschränkt, Schweißen, Hartlöten, mechanisches Befestigen oder Ankleben mittels Epoxy- oder anderem Klebstoff, thermisches Spritzen und Ähnliches.
  • [0058]
    Die Anordnung der Oberflächen-Merkmale kann durch Anordnen von Material auf der Oberfläche des Gegenstandes, durch Entfernen von Material von der Oberfläche oder eine Kombination von sowohl Anordnen als auch Entfernen erfolgen. Im Stande der Technik sind viele Verfahren zum Hinzufügen oder Entfernen von Material von einer Oberfläche bekannt. So kann, z. B., einfaches Aufrauen der Oberfläche durch mechanische Operation, wie Schleifen, Sandstrahlen, Schrothämmern und Ähnliches geeignet sein, wenn entsprechende Medien/Werkzeuge und Oberflächen-Materialien ausgewählt sind. Solche Operationen werden im Allgemeinen in einer Verteilung regellos orientierter Merkmale auf der Oberfläche resultieren, während die Größe der Merkmale signifikant von der Größe der Medien und/oder Werkzeuge abhängt, die für die Operation der Materialentfernung eingesetzt wurden. Das allgemeine Aufrauen von Oberflächen zum Fördern besseren Benetzens kann dazu benutzt werden, Oberflächen-Merkmale zu erzeugen. Gewisse Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erfordern jedoch die Kontrolle über spezifische Parameter, wie relativen Abstand und Aspektverhältnis der Oberflächen-Merkmale, um eine verbesserte oder verringerte Benetzung bereitzustellen. Viele der Parameter-Bereiche und -Kombinationen sind sehr schwierig oder unmöglich durch Anwendung traditionell beschriebener Aufrauhungsverfahren, wie Sandstrahlen, z. B., zu erzielen.
  • [0059]
    Lithografische Verfahren werden gewöhnlich benutzt, um Oberflächen-Merkmale auf ätzbaren Oberflächen, einschließlich Metall-Oberflächen, zu erzeugen. Mit diesen Verfahren können geordnete Reihen von Merkmalen bereitgestellt werden; die untere Grenze der Merkmalsgröße, die mit diesen Techniken erhältlich ist, ist durch die Auflösung des speziell angewendeten lithografischen Verfahrens begrenzt. Lithografie und andere Ätzverfahren sind wegen der Neigung zum „Unterschneiden”, d. h., seitlich ebenso wie vertikal zu ätzen, im Allgemeinen nicht gut geeignet für die Bildung von Merkmalen mit hohem Aspekt-Verhältnis auf einigen Metall-Oberflächen.
  • [0060]
    Elektroplattierungs-Verfahren werden auch üblicherweise benutzt, um Oberflächen-Merkmale hinzuzufügen. Eine elektrisch leitende Oberfläche kann in einer gemusterten Reihe maskiert werden, um Bereiche freizulegen, auf denen Merkmale angeordnet werden sollen, und die Merkmale können auf diesen freigelegten Regionen durch Plattieren aufgebaut werden. Dieses Verfahren gestattet die Erzeugung von Merkmalen mit höheren Aspekt-Verhältnissen als bei solchen, die üblicherweise durch Ätztechniken erzielt werden. In speziellen Ausführungsformen erfolgt das Maskieren durch den Einsatz einer anodisierten Aluminiumoxid (AAO)-Schablone mit einer gut kontrollierten Porengröße. Material wird durch die Poren auf das Substrat elektroplattiert und die AAO-Schablone wird dann selektiv entfernt; dieses Verfahren wird üblicherweise im Stande der Technik angewendet, um Merkmale hohen Aspektverhältnisses, wie Nanostäbe, herzustellen. Nanostäbe aus Metall und Metalloxiden können unter Anwendung üblicherweise bekannter Behandlung abgeschieden werden, und diese Materialien können weiter (z. B. durch Karburisierung) behandelt werden, um verschiedene Keramikmaterialien, wie Carbide, zu bilden. Wie detaillierter unten beschrieben wird, können Überzüge oder an dere Modifikations-Techniken auf die Merkmale angewendet werden, um noch bessere Benetzbarkeits-Eigenschaften bereitzustellen.
  • [0061]
    Mikromaschinelle Techniken, wie mikromaschinelles Bearbeiten mit Laser (üblicherweise für Silicium und korrosionsbeständige Stähle, z. B., benutzt) und Ätztechniken (z. B. solche, die üblicherweise für Silicium benutzt werden) sind ebenfalls geeignete Verfahren. Solche Techniken können benutzt werden, um Hohlräume (wie beim Laserbohren) ebenso wie hervorstehende Merkmale zu bilden. Wo die Vielzahl der Oberflächenmerkmale Hohlräume einschließt, kann der Gegenstand in einigen Ausführungsformen ein poröses Material, wie, z. B., ein anodisiertes Metalloxid, umfassen. Anodisiertes Aluminiumoxid ist ein spezielles Beispiel eines porösen Materials, das zur Anwendung in einigen Ausführungsformen geeignet sein kann. Anodisiertes Aluminiumoxid umfasst typischerweise säulenförmige Poren, und Poren-Parameter, wie Durchmesser und Aspektverhältnis, können durch das Anodisierungsverfahren unter Anwendung von Verfahrens-Kontrollen, die im Stande der Technik bekannt sind, um eine Schicht aus Metall in eine Schicht aus porösem Metalloxid umzuwandeln, genau kontrolliert werden.
  • [0062]
    Hartlot-Techniken können benutzt werden, um Oberflächen-Merkmale an dem Gegenstand anzubringen. Bei diesem Verfahren kann eine Überzugsmischung auf der Oberfläche des Gegenstands-Substrates abgeschieden werden, wobei die Überzugsmischung ein Hartlotmaterial und ein Textur bereitstellendes Material umfassen kann. Das Hartlotmaterial kann dann erhitzt werden, um das Textur bereitstellende Material an die Oberfläche des Gegenstandes zu binden. In einem anderen Verfahren können die Oberflächen-Merkmale über ein thermisches Spritz- oder Kaltspritz-Verfahren hinzugefügt werden. So kann, z. B., eine Mischung aus Teilchen (von Nano-Größe oder Mikro- Größe) und einem Binder auf der Oberfläche des Gegenstands-Substrates zum Bilden einer hydrophilen oder hydrophoben Oberfläche abgeschieden werden. Die Mischung kann ohne Schmelzen der Teilchen abgeschieden werden, um die richtige Textur der Oberfläche sicherzustellen.
  • [0063]
    Kurz gesagt, kann irgendeine Anzahl von Abscheidungs-Verfahren oder Material-Entfernungsverfahren, die im Stande der Technik bekannt sind, zum Bereitstellen von Merkmalen auf einer Oberfläche benutzt werden. Wie oben beschrieben, können die Oberflächen-Merkmale direkt auf Substrat 100 aufgebracht oder auf ein Substrat aufgebracht werden, das dann am Substrat 100 angebracht wird.
  • [0064]
    Die Natur der Anwendung bestimmt das Ausmaß, zu dem Merkmale auf dem Gegenstand anzuordnen sind. Ungleichmäßige Filmschichten, die dicker als erwünscht sind, führen zu einer Brenner-Ineffizienz und zum erhöhten Brennstoffverbrauch und zu erhöhten Kosten. Zerstäuber, die Oberflächen aufweisen, die zur Förderung der Zerstäubung einer Flüssigkeit konfiguriert sind, wie hierin offenbart, können die Gleichförmigkeit und Tröpfchengröße eines Sprühnebels verbessern und die Effizienz von Brennersystemen erhöhen. Die vorerwähnten Ausführungsformen präsentieren klare Vorteile gegenüber existierenden Zerstäubungs-Systemen und solche Oberflächen umfassenden Turbinen-Komponenten. Zusätzlich können diese Zerstäubungs-Oberflächen die Leistungsfähigkeit von Brennstoff-Verdampfern verbessern. Diese Vorrichtungen erzeugen Brennstoffdampf, der dann mit einem inerten Gas oder Dampf vermischt werden kann, sodass Brennstoff in Vormischern verbrannt werden kann, die für die Injektion gasförmigen Brennstoffes vorgesehen sind. Brennstoff-Verdampfer können ein wichtiges Mittel zum Verbrauchen flüssiger Brennstoffe in existierenden Trocken-Brennersystemen mit geringen Emissionen werden, ohne eine sekundäre Sprühverbrennungs-Fähigkeit zu entwickeln. Die verbesserte Zerstäubung, die durch die Oberflächen-Behandlungen und -Überzüge bereitgestellt wird, wie hierin offenbart, könnte die erforderliche Wärmezuführung in einen Brennstoff-Verdampfer verringern und die Verdampfer-Effizienz verbessern.
  • [0065]
    Das folgende Beispiel dient der Veranschaulichung der Merkmale und Vorteile, die durch die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung geboten werden, und sie sollen nicht darauf beschränken.
  • BEISPIELE
  • Beispiel 1
  • [0066]
    Silicium-Substrate wurden mittels Lithografie mit aufrechten rechteckigen Prismapfosten-Merkmalen von etwa 3 μm in der Breite (a) und mit einer Vielfalt von Pfostenabständen (b/a-Verhältnissen) und Aspekt-Verhältnissen (h/a) bereitgestellt. Die Substrate wurden dann in einer Kammer mit einem Fläschchen flüssigen Fluorsilans (FS) angeordnet und die Kammer wurde evakuiert, um das Verdampfen und Kondensieren der Flüssigkeit aus der Gasphase auf dem Silicium-Substrat zu gestatten, wodurch ein hydrophiler Film auf der Oberfläche erzeugt wurde. Der effektive Wenzelzustands-Kontaktwinkel wurde als eine Funktion des b/a-Verhältnisses aufgezeichnet. 8 veranschaulicht grafisch den Trend der Variierung des b/a-Verhältnisses zum Reduzieren des effektiven Kontaktwinkels. Drei Oberflächen mit nominellen Kontaktwinkeln (CAn) von 50, 60 bzw. 70 Grad wurden mit den rechteckigen Oberflächen-Pfostenmerkmalen texturiert. Wie in 8 gezeigt, wird der effektive Kontaktwinkel verringert (bis zu etwa null Grad), wenn der relative Abstand zwischen jedem Pfosten verringert wird. Darüber hinaus kann das Erhöhen des Aspekt-Verhältnisses im Verringern des Kontaktwinkels für den gleichen Abstand resultieren, weil es energetisch günstig ist, mehr Fläche zu benetzen. Messungen auf Siliciumscheiben mit quadratischen Podesten zeigen, dass für einen gewissen Bereich von b/a der Kontaktwinkel so gering wie null Grad ist. Diese Resultate sind unten in Tabelle 1 gezeigt, wo die Parameter (Höhe, Breite und Abstand) der Oberflächen-Merkmale einen etwa null Grad betragenden effektiven Kontaktwinkel erzeugen. Tabelle 1
    a (μm) b (μm) Aspekt-Verhältnis (h/a) Effektiver Kontaktwinkel (Grad)
    3 1 3,3 0
    3 1,5 3,3 0
    3 2 3,3 0
    3 3 3,3 0
    3 4,5 3,3 0
    3 6 3,3 0
    15 5 1,6 0
    15 7,5 1,6 0
    15 15 1,6 0
    15 11,3 1,6 0
  • [0067]
    9 zeigt weiter Beispiele der Oberflächen-Pfostenmerkmale, die konfiguriert sind, um Wenzelzustands-Tropfen zu bilden und die geringen effektiven Kontaktwinkel zu erzeugen, die in der obigen Tabelle gezeigt sind. Das obere Beispiel veranschaulicht Pfostenmerkmale mit einer pyramidalen oberen Oberfläche. Das mittlere Beispiel veranschaulicht Pfostenmerkmale mit einer erhöhten pyramidalen oberen Oberfläche, wobei die Merkmale eine größere Höhen-Abmessung als das obere Beispiel aufweisen und die Pyramidengestalt nicht das gesamte Merkmal abdeckt. Schließlich veranschaulicht das untere Beispiel Pfostenmerkmale mit einer halbkugelförmigen oberen Oberfläche.
  • [0068]
    10 zeigt die Fotografien von Öltröpfchen auf Silicium-Pfosten mit unterschiedlichen b/a-Verhältnissen. 10 führt den nominellen Kontaktwinkel von Öl auf verschiedenen Oberflächenmerkmals-Parametern auf. Das eingesetzte Öl war ein Maschinenschmieröl Terasitic GT 32®, das kommerziell von Exxon Mobil erhältlich ist. Die Oberflächen haben eine allgemein oleophobe Natur. Die Einfachheit des Abrollens wurde gemessen durch Bestimmen des Kippwinkels aus der Horizontalen, der erforderlich ist, bevor ein Tropfen von der Oberfläche herunterrollen wird. Ein Tropfen, der einen nahezu vertikalen Kippwinkel erfordert, ist stark an der Oberfläche befestigt, während ein Tropfen, der ein leichtes Abrollen zeigt, einen sehr kleinen Kippwinkel erfordert, um von der Oberfläche abzurollen. Regionen 5 und 6 waren die einzigen Regionen, bei denen Öltröpfchen von den Pfosten rollten. Die Öltröpfchen hatten ein Volumen von 2 und 4 Mikrolitern (μl). Zum Vergleich wurden die gleichen Merkmale mit Wassertröpfchen ähnlichen Volumens getestet. Mit Wasser als einer Bezugsflüssigkeit rollten die Tröpfchen von den Regionen 5 bis 10 herunter. Auf der Grundlage des Abroll-Datums auf den glatten Siliciumscheiben, die mit FS überzogen waren, wurde der Festhalte-Parameter zu 0,029 N/m (Newton pro Meter) errechnet. Der Parameter wurde unter Benutzung eines Goniometers getestet und auf der Grundlage der Gleichung berechnet: ρVgsinθ = μl, worin ρ die Dichte der Flüssigkeit ist, V das Volumen des Tropfens ist, g die Schwerkraft ist, θ der Kontaktwinkel ist, μ der Festhalte-Parameter ist und l die Kontaktlinien-Länge ist. Für Wasser liegt der Festhalte-Parameter in der Größenordnung von 0,013 N/m. Aus diesen Daten ist ersichtlich, dass ein verschiedenes Oberflächenmerkmal-Design für oleophobe Oberflächen-Anwendungen benötigt wird, verglichen mit hydrophoben Oberflächen.
  • Beispiel 2
  • [0069]
    11 ist eine grafische Darstellung der effektiven Kontaktwinkel (Grad) in Abhängigkeit vom relativen Abstand der Oberflächen-Merkmale (Abstands-Abmessung (b), dividiert durch die Breitenabmessung (a)). Die grafische Darstellung zeigt eine Vielfalt hydrophiler/superhydrophiler Oberflächen, die in den Vor-Filmbildungs- und/oder Lippenregionen eines Zerstäubers eingesetzt werden könnten. Die Oberflächen-Merkmale waren Pfosten, die von der Oberfläche aus vorstanden und eine Breitenabmessung (a) von etwa 3 μm aufwiesen. Wie in der Figur ersichtlich, nahm der effektive Kontaktwinkel der Oberfläche von etwa 25 Grad bis etwa 40 Grad zu, wenn der relative Abstand der Pfostenmerkmale von etwa 4 zu etwa 10 erhöht wurde. War der relative Abstand der Merkmale enger (z. B. ein b/a von weniger als etwa 4), dann betrug der effektive Kontaktwinkel der Oberfläche etwa null Grad oder vollständiges Benetzen.
  • [0070]
    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.-%” usw. ein). „Kombination” schließt Gemenge, Mischungen, Legierungen, Reaktionsprodukte und Ähnliche ein. Die Begriffe „erster”, „zweiter” und Ähnliche sollen hierin keine Reihenfolge, Quantität oder Bedeutung bezeichnen, sondern sie werden vielmehr benutzt, um ein Element vom anderen zu unterscheiden, und die Begriffe „ein” und „eine” bezeichnen keine Begrenzung der Menge, sondern bezeichnen die Anwesenheit von mindestens einer der angesprochenen Sachen. Die Modifizierung „etwa”, die in Verbindung mit einer Menge benutzt wird, ist einschließlich des genannten Wertes und hat die durch den Zusammenhang diktierte Bedeutung (z. B. schließt sie den Fehlergrad ein, der mit der Messung der speziellen Menge verbunden ist). Der Anhang „(e/en)”, wie er hierin benutzt wird, soll sowohl den Singular als auch den Plural des Begriffes einschließen, den es modifiziert, wobei ein oder mehr dieses Begriffes eingeschlossen werden (so schließt, z. B., Färbemittel ein oder mehrere Färbemittel ein). Die Bezugnahme auf „eine Ausführungsform”, „eine andere Ausführungsform” usw. in dieser Beschreibung bedeutet, dass ein spezielles Element (z. B. Merkmal, Struktur und/oder Charakteristikum, das in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wurde, in mindestens einer hierin beschriebenen Ausführungsform eingeschlossen ist und in anderen Ausführungsformen vorhanden sein kann aber nicht zu sein braucht. Zusätzlich sollte klar sein, dass die beschriebenen Elemente in irgendeiner geeigneten Weise in den verschiedenen Ausführungsformen kombiniert werden können.
  • [0071]
    Während die Erfindung unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, sollte klar sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Äquivalente anstelle von Elementen eingesetzt werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Zusätzlich können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine spezielle Situation oder ein spezielles Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne deren wesentlichen Umfang zu verlassen. Es ist daher beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die spezielle Ausführungsform beschränkt ist, die als die beste Art der Ausführung dieser Erfindung vorgesehen ist, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen einschließt, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.
  • [0072]
    Ein Zerstäuber 12, umfassend eine Vor-Filmbildungs-Region 27, 54, 66 und einen Lippenabschnitt 29, 71, 67, der an einem Ende der Vor-Filmbildungs-Region angeordnet und konfiguriert ist, hydrodynamische Instabilitäten in einem Flüssigkeitsfilm zu erzeugen, wobei der Lippenabschnitt ein alternierendes Muster benetzender 110, 210, 452, 462 und nicht-benetzender Oberflächen 110, 210, 454, 464 umfasst, worin die nicht-benetzende Oberfläche einen Kontaktwinkel, mit Bezug auf die Flüssigkeit, von mehr als 90 Grad umfasst und die benetzende Oberfläche einen Kontaktwinkel, mit Bezug auf die Flüssigkeit, von weniger als 90 Grad umfasst. Bezugszeichenliste
    10 Gasturbinen-Brennstoffinjektor
    12 Zerstäuber
    14 Äußere Wandung
    16 Äußerer Pilot-Verwirbeler
    18 Innerer Verwirbeler
    20 Pilot-Brennstoffinjektor
    22 Aufnahmeseite
    24 Auslassseite
    26 Körper
    27 Innere Oberfläche der Auslassdüse
    28 Auslassdüse
    29 Düsenlippe
    30 Verwirbeler-Aufnahmeseite
    32 Verwirbeler-Auslassseite
    40 Pilot-Gebläse-Aufspalter
    42 Stromaufwärts gelegener Abschnitt
    44 Stromabwärts gelegener Abschnitt
    46 Vorderkante
    48 Durchmesser des stromaufwärts gelegenen Abschnittes
    49 Symmetrieachse
    50 Innere Oberfläche
    52 Hinterkante
    54 Mittelpunkt
    56 Durchmesser
    58 Hinterkanten-Durchmesser
    60 Konturierte Wandung
    62 Scheitel
    64 Konvergenter Abschnitt
    66 Divergenter Abschnitt
    67 Wandlippe
    70 Hinterkante
    71 Lippe
    80 Verbrennungszone
    90 Pilot-Brennstoffkreislauf
    100 Substrat
    110 Oberfläche
    112 Oberflächenenergie modifizierende Überzugsschicht
    114 Nomineller Kontaktwinkel
    116 Bezugsflüssigkeit
    120 Oberflächen-Merkmale
    121 Höhenabmessung h
    124 Breitenabmessung a
    126 Abstandsabmessung b
    200 Tröpfchen
    210 Oberfläche
    212 Oberflächen-Merkmale
    220 Breitenabmessung a
    240 Abstandsabmessung b
    450 Hybrid-Oberflächenflecken
    452 Hydrophile Oberflächentextur
    454 Hydrophobe Oberflächentextur
    460 Hybridoberflächenflecken
    462 Hydrophile Texturregionen
    464 Hydrophobe Texturregionen
    400 Industrielles Gasturbinentriebwerk
    410 Ringförmiges Kanister-Verbrennungssystem
    412 Brennergehäuse
    414 Deckelbaueinheit
    416 Brennstoffdüsen-Baueinheiten
    418 Strömungshülse
    420 Äußere Wandung
    422 Übergangskanal
    424 Radialer Flansch
    430 Brennerauskleidung

Claims (10)

  1. Zerstäuber (12), umfassend: eine Vor-Filmbildungs-Region (27, 54, 66), umfassend eine Oberfläche (110), konfiguriert zum Verringern einer mittleren Tropfengröße einer zerstäubten Flüssigkeit, wobei die Oberfläche einen effektiven Kontaktwinkel, mit Bezug auf die zerstäubte Flüssigkeit, von weniger als etwas 30 Grad aufweist.
  2. Zerstäuber (12), umfassend: eine Vor-Filmbildungs-Region (27, 54, 66) und einen Lippenabschnitt (29, 71, 67), der an einem Ende der Vor-Filmbildungs-Region angeordnet und konfiguriert ist, hydrodynamische Instabilitäten in einem Flüssigkeitsfilm zu erzeugen, wobei der Lippenabschnitt ein alternierendes Muster benetzender (110, 210, 452, 462) und nicht-benetzender Oberflächen (110, 210, 454, 464) umfasst, wobei die nicht-benetzende Oberfläche einen effektiven Kontaktwinkel, mit Bezug auf die Flüssigkeit, von mehr als 90 Grad und die benetzende Oberfläche einen Kontaktwinkel, mit Bezug auf die Flüssigkeit, von weniger als 90 Grad umfasst.
  3. Zerstäuber (12) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Oberfläche eine die Oberflächenenergie modifizierende Überzugsschicht (112) umfasst.
  4. Zerstäuber (12) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin die die Oberflächenenergie modifizierende Überzugsschicht (112) ein Keramikmaterial, ein hydrophiles polymeres Material oder eine Kombination umfasst, die mindestens eines der vorhergehenden Materialien umfasst, wobei das Kera mikmaterial Titanoxid, Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Zirkoniumoxid, Zinkoxid, Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid, Magnesiumaluminat-Spinel, Aluminiumnitrid, Galliumnitrid, Siliciumcarbid, Wolframcarbid, Kobalt-Chromcarbid oder eine Kombination umfasst, die mindestens eines der Vorhergehenden umfasst.
  5. Zerstäuber (12) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Oberfläche ein texturiertes Muster umfasst, wobei das texturierte Muster eine Vielzahl von Oberflächen-Merkmalen (120, 212) umfasst, die eine Höhenabmessung (h), eine Breitenabmessung (a) und eine Abstandsabmessung (b) aufweisen, worin ein Verhältnis von b zu a (b/a) geringer ist als oder gleich 8, und worin die Mehrzahl der Oberflächen-Merkmale einen effektiven Kontaktwinkel, mit Bezug auf die zerstäubte Flüssigkeit, von weniger als etwa 30 Grad aufweist.
  6. Zerstäuber (12) nach Anspruch 2, worin eine ausgewählte oder beide der benetzenden (452, 462) und der nicht-benetzenden Oberflächen (454, 464) ein texturiertes Muster umfasst, wobei das texturierte Muster eine Vielzahl von Oberflächen-Merkmalen (120, 212) umfasst, die eine Höhenabmessung (h), eine Breitenabmessung (a) und eine Abstandsabmessung (b) aufweisen, worin ein Verhältnis von b zu a (b/a) geringer ist als oder gleich 8 und worin die Mehrzahl der Merkmale eine ausgewählte oder beide von einer Vielzahl von Pfosten oder einer Vielzahl von Poren umfasst, wobei die Vielzahl von Pfosten oberhalb der Oberfläche vorsteht und die Vielzahl von Poren auf der Oberfläche angeordnet ist, und worin die Breitenabmessung (a) geringer ist als etwa 100 μm und das Aspekt-Verhältnis (h/a) größer ist als etwa 0,25.
  7. Zerstäuber (12) nach Anspruch 2, worin die benetzenden Oberflächen (110, 210) die die Oberflächenenergie modifi zierende Überzugsschicht (112) umfassen, wobei die Schicht ein Keramikmaterial, ein hydrophiles polymeres Material oder eine Kombination umfasst, die mindestens eines der vorhergehenden Materialien umfasst, wobei das Keramikmaterial Titanoxid, Siliciumoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Zirkoniumoxid, Zinkoxid, Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid, Magnesiumaluminat-Spinel, Aluminiumnitrid, Galliumnitrid, Siliciumcarbid, Wolframcarbid, Kobalt-Chromcarbid oder eine Kombination umfasst, die mindestens eines der Vorhergehenden umfasst.
  8. Zerstäuber (12) nach Anspruch 2, worin die nicht-benetzenden Oberflächen (110, 112) eine die Oberflächenenergie modifizierende Schicht (112) umfassen, wobei die Schicht mindestens ein Material umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einer Keramik, einem polymeren Material, einem fluorierten Material, einer intermetallischen Verbindung und einem Verbundmaterial, wobei die Keramik diamantartigen Kohlenstoff, fluorierten diamantartigen Kohlenstoff, Tantaloxid, Titancarbid, Titannitrid, Chromnitrid, Bornitrid, Chromcarbid, Molybdäncarbid, Titancarbonitrid, stromlos aufgebrachtes Nickel, Zirkoniumnitrid, Siliciumdioxid, Titandioxid oder eine Kombination umfasst, die mindestens eines der Vorhergehenden umfasst, wobei die intermetallische Verbindung Nickelaluminid, Titanaluminid oder eine Kombination umfasst, die mindestens eines der Vorhergehenden umfasst, und worin das polymere Material Polytetrafluorethylen, Fluoracrylat, Fluorurethan, Fluorsilicon, Fluorsilan, modifiziertes Carbonat, Silicon oder eine Kombination umfasst, die mindestens eines der Vorhergehenden umfasst.
  9. Zerstäuber (12) nach Anspruch 2, worin die benetzenden Oberflächen (452, 462) ein texturiertes Muster umfassen, wobei das texturierte Muster eine Vielzahl von Oberflächen-Merkmalen (120, 212) umfasst, die eine Höhenabmessung (h), ei ne Breitenabmessung (a) und eine Abstandsabmessung (b) aufweisen, wobei ein Verhältnis von b zu a (b/a) kleiner ist als oder gleich 8 und worin die Vielzahl der Oberflächen-Merkmale einen effektiven Kontaktwinkel, mit Bezug auf die Flüssigkeit, von weniger als etwa 30 Grad aufweist.
  10. Zerstäuber (12) nach Anspruch 2, worin die nicht-benetzenden Oberflächen (454, 464) ein texturiertes Muster umfassen, wobei das texturierte Muster eine Vielzahl von Oberflächen-Merkmalen (120, 212) umfasst, die eine Höhenabmessung (h), eine Breitenabmessung (a) und eine Abstandsabmessung (b) aufweisen, wobei ein Verhältnis von b zu a (b/a) geringer ist als oder gleich 8 und worin die Vielzahl der Oberflächen-Merkmale einen effektiven Kontaktwinkel, mit Bezug auf die zerstäubte Flüssigkeit, von mehr als etwa 120° aufweist.
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