Strömungsführendes Bauteil und Verfahren zur Herstellung eines solchen

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines strömungsführenden Bauteils, das eine um- bzw. überströmte Fläche aufweist. Die Erfindung betrifft aber auch ein solches strömungsführendes Bauteil selbst.

[0002] Strömungsführende Bauteile können beispielsweise Strömungsmaschinen oder Rohre bzw. Rohrleitungen sein. Strömungsmaschinen können z.B. als Gasturbine, Dampfturbine oder dergleichen ausgeführt sein. In den beispielhaften Strömungsmaschinen strömt ein Medium (z.B. Gas oder Dampf) entlang einem vorgegebenen Weg durch diese hindurch. Rohrleitungen dienen hauptsächlich zum Transport eines Mediums von einem Ort zu einem anderen. Sowohl bei Strömungsmaschinen als auch bei Rohrleitungen wird beobachtet, dass durch die Reibung des jeweiligen Mediums an um- bzw. überströmten Flächen erhebliche Reibungsverluste auftreten, so dass die dem Medium innewohnende bzw. zugeführte Energie durch Reibungsverluste bzw. Turbulenzen teilweise verloren geht. Dadurch wird der Wirkungsgrad der beispielhaft genannten Strömungsmaschinen erheblich reduziert, da die Strömungswiderstände zu hoch sind. Um- bzw. überströmte Flächen sind z.B. Innenwandungen von Gehäusen der Strömungsmaschinen, Wellenoberflächen oder Innenwandungen der Rohrleitungen.

[0003] Im Stand der Technik ist es bekannt, strömungsführende Bauteile an ihren um- bzw. überströmten Flächen mit einer möglichst geringen Rauhigkeit herzustellen, um den Strömungswiderstand zu reduzieren. Nachteiliger Weise treten aber trotz der gewünschten geringen Rauhigkeit Querströmungen auf, die sich dennoch erhöhend auf den Strömungswiderstand und reduzierend auf den Wirkungsgrad auswirken.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mit einfachen Mitteln verbessertes Verfahren zur Herstellung eines strömungsführenden Bauteils und ein mit einfachen Mitteln verbessertes strömungsführendes Bauteil zur Verfügung zu stellen, so dass der Strömungswiderstand an den um- bzw. überströmten Flächen weiter gesenkt und insbesondere der Wirkungsgrad von Strömungsmaschinen weiter erhöht wird.

[0005] Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit einem Verfahren und einem strömungsführenden Bauteil der Eingangs genannten Art dadurch, dass die um- bzw. überströmte Fläche zumindest bereichsweise bearbeitet ist, so dass diese eine Haifischhaut-Effekt erzeugende Oberflächenstruktur aufweist.

[0006] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Bionik, also die Kombination von Natur und Technik, die Funktionsweisen der Natur für Hochtechnologien zunutze machen kann. Die erfindungsgemäße Oberflächenstruktur mit dem vorteilhaften Haifischhaut-Effekt bewirkt dabei vorteilhaft eine Senkung des Strömungswiderstandes an den um- bzw. überströmten Flächen, so dass insbesondere die Strömungsmaschinen einen höheren Wirkungsgrad aufweisen. Hierbei werden die um- bzw. überströmten Flächen zumindest bereichsweise mit in Strömungsrichtung des Mediums verlaufenden feinen Rillen versehen, welche vorteilhaft beispielsweise Turbulenzen weitgehend verhindern. Natürlich kann die Haifischhaut-Effekt erzeugende Oberflächenstruktur auch an dem gesamten Bauteil vorgesehen sein, was insbesondere an Innenwandungen von Rohrleitungen günstig ist. Weiter kann die Oberflächenstruktur mit dem Haifischhaut-Effekt bevorzugt an um- bzw. überströmten Flächen angeordnet sein, an denen eine entsprechend hohe Strömungsgeschwindigkeit des Mediums ansteht.

[0007] Um die Haifischhaut-Effekt erzeugende Oberflächenstruktur herzustellen, ist es günstig im Sinne der Erfindung, wenn die Haifischhaut-Effekt erzeugende Oberflächenstruktur von der zu bearbeitenden um- bzw. überströmten Fläche in bevorzugter Ausführung des Verfahrens abgetragen wird.

[0008] Zweckmäßiger Weise wird die zu bearbeitende um- bzw. überströmte Fläche dabei zunächst mit einer Schicht aus einem geeigneten Material versehen, die bevorzugt mit ätzenden Mitteln abgetragen wird. Die Schicht sollte dabei aus einem dem Anwendungsfall angepassten Material bestehen, wobei insbesondere die Betriebsbedingungen des strömungsführenden Bauteils beachtet werden sollten. Beispielsweise Strömungsmaschinen werden in der Ausführung als Dampfturbine als Hochdruck-, Mitteldruck- und/oder Niederdruckturbinen in jeweils unterschiedlichen Temperaturbereichen betrieben. Die Schicht muss also diesen relativ hohen Temperaturen widerstehen können, da die Schicht nicht komplett abgetragen wird, sondern zur Erzeugung der Haifischhaut-Effekt erzeugenden Oberflächenstruktur entsprechend mit in Strömungsrichtung verlaufenden feinen Rillen versehen ist. Die Schicht ist hierbei natürlich mit ihrer Medium abgewandten Seite hinreichend mit der zu bearbeitenden um- bzw. überströmten Fläche verbunden. Die Schicht kann dabei auf den relevanten Flächen bzw. den zu bearbeitenden Flächen aufgebracht sein, wobei das Ätzmittel durch das entsprechende Bauteil geleitet wird. Das Ätzmittel greift die entsprechenden zu bearbeitenden Stellen an und erzeugt so die Haifischhaut-Effekt erzeugende Oberflächenstruktur. Möglich ist aber auch, dass das Ätzmittel direkt an den gewünschten Stellen, ohne dass eine separate Schicht vorgesehen ist, die Haifischhaut-Effekt erzeugenden Oberflächenstruktur erzeugt. Hierbei könnte dann die relevante um- bzw. überströmte Fläche entsprechend Werkstofftechnisch hergestellt sein, so dass das Ätzmittel hier entsprechend wirken kann.

[0009] Um die Haifischhaut-Effekt erzeugende Oberflächenstruktur, bzw. die in Strömungsrichtung verlaufenden feinen Rillen aus der Schicht bzw. dem Werkstoff abzutragen, ist es günstig im Sinne der Erfindung, wenn die Schicht bzw. der Werkstoff derart ausgeführt bzw. eingestellt ist, dass diese bzw. dieser Bereiche aufweist, in denen das verwendete Ätzmittel einen größeren Betrag abträgt als in anderen Bereichen. Hierdurch ergeben sich in der Schicht auf ihrer dem Medium zugewandten Seite Erhebungen und Vertiefungen, so dass sich die in Strömungsrichtung verlaufenden feinen Rillen ergeben. Die Erhebungen und Vertiefungen bzw. die feinen Rillen weisen einen Betrag im Mycrometerbereich (µm) auf. Selbstverständlich weist die Schicht in Ihrem unbearbeiteten Zustand auch nur einen Dickenbetrag im Mycrometerbereich (µm) auf, so dass eine Verengung des effektiven Durchgangsquerschnittes vernachlässigbar ist.

[0010] Möglich ist selbstverständlich auch, dass die Haifischhaut-Effekt erzeugende Oberflächenstruktur mit mechanischen Mitteln abgetragen wird. Beispielsweise könnte die um- bzw. überströmte Fläche schleiftechnisch bearbeitet werden. Denkbar ist aber auch, dass die Haifischhaut-Effekt erzeugende Oberflächenstruktur auf die um- bzw. überströmten Flächen aufgetragen wird. Möglich wäre z.B. ein Auftragen der Haifischhaut-Effekt erzeugende Oberflächenstruktur auf eine Folie, die mit den um- bzw. überströmten Flächen hinreichend verbunden wird. Natürlich muss dabei auf eine den entsprechenden Betriebsbedingungen angepasste Verbindungsart bzw. auf ein geeignetes Verbindungsmittel geachtet werden.

[0011] Die Verwendung der Haifischhaut-Effekt erzeugenden Oberflächenstruktur eignet sich insbesondere in Strömungsmaschinen und Rohrleitungen als strömungsführende Bauteile mit entsprechend hohen Strömungsgeschwindigkeiten. Durch das bevorzugte Abtragen (Ätzen) werden in Strömungsrichtung verlaufende feine Rillen erzeugt, so dass Querströmungen herabgesetzt und Randverluste verringert sind.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines strömungsführenden Bauteils, das eine um- bzw. überströmte Fläche aufweist
dadurch gekennzeichnet, dass
die Fläche zumindest bereichsweise derart bearbeitet ist, dass diese eine Haifischhaut-Effekt erzeugende Oberflächenstruktur aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Haifischhaut-Effekt erzeugende Oberflächenstruktur von der Fläche abgetragen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche zunächst mit einer Schicht versehen wird, die mittels ätzender Mittel abgetragen wird, so dass die Haifischhaut-Effekt erzeugende Oberflächenstruktur erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht derart ausgeführt ist, dass zum einen Bereiche mit einem größeren Betrag und zum anderen Bereiche mit einem geringerem Betrag abgetragen werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Haifischhaut-Effekt erzeugende Oberflächenstruktur mit mechanischen Mitteln abgetragen wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Haifischhaut-Effekt erzeugende Oberflächenstruktur auf der Fläche aufgetragen wird.

7. Strömungsführendes Bauteil, das eine um- bzw. überströmte Fläche aufweist, wobei das strömungsführende Bauteil insbesondere nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche zumindest bereichsweise eine Haifischhaut-Effekt erzeugende Oberflächenstruktur aufweist.

8. Strömungsführendes Bauteil nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Haifischhaut-Effekt erzeugende Oberflächenstruktur in einer Strömungsmaschine angeordnet ist.

9. Strömungsführendes Bauteil nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Haifischhaut-Effekt erzeugende Oberflächenstruktur in einem Rohr bzw. einer Rohrleitung angeordnet ist.

10. Strömungsführendes Bauteil nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die Haifischhaut-Effekt erzeugende Oberflächenstruktur in einer geätzten Schicht angeordnet ist.

11. Verwendung einer Haifischhaut-Effekt erzeugenden Oberflächenstruktur an um- bzw. überströmten Flächen insbesondere in einem strömungsführenden Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche.