Stand der Technik Die Bauteile von Verdichtern in Turbinen, wie zum Beispiel von Kraftanlagen, Flugzeug-und Schiffsgetrieben, sind während des Verdichterbetriebs verschiedenen Partikeln ausgesetzt, welche die Oberflächen der Bauteile nachhaltig beschädigen können. Zu diesen Partikeln gehören Flüssigkeitstropfen, unter anderem Wassertropfen sowie Feststoffpartikel wie zum Beispiel Staubpartikel, die mit der angesaugten Luft in den Verdichter gelangen. Ferner sind auch Eispartikel zu nennen, die sich durch Desublimierung aufgrund der Erkaltung der Luft durch die Beschleunigung der Luft bilden können. Von den Bauteilen im Einlassbereich der Verdichter ist insbesondere die Beschaufelung von potentiellen Schäden durch diese Partikel betroffen.

Es ist bekannt, dass während des Verdichterbetriebs gezielt bestimmte Flüssigkeiten mit dem Gas-oder Luftstrom eingespritzt werden. Es wird zum Beispiel zwecks Reinigungszwecken ein Gemisch aus Wasser und einem handelsüblichen Konzentrat mittels einer oder mehrerer Zerstäubungsdüsen in den Verdichter eingespritzt wie es beispielsweise in der EP 0 468 024 beschrieben ist.

Während des Winterbetriebs ist die Bildung von Eis am Eintritt der Verdichterbeschaufelung und das Ansaugen von Eispartikeln (auch unter dem Begriff"ice ingestion"bekannt) äusserst gefährlich für die Integrität des

Verdichters. Aus diesem Grund werden zur Verhinderung von Eisbildung am Verdichtereintritt Glykolmischungen eingespritzt.

Weiter wird zum Zweck der Verdunstungskühlung des angesaugten Gases oder der angesaugten Luft Wasser durch Einspritzung oder Zerstäubung in den Verdichter eingeführt. Diese Verdunstungskühlung dient der Erhöhung des Wirkungsgrads des Verdichters und letztendlich der Erhöhung der Gasturbinenleistung. Ein solches Verfahren ist beispielsweise US 5,463, 873 offenbart.

Bei den Verdichtern von Turbinenstrahlantrieben, wie zum Beispiel in Flugzeugen und gasturbinenbetriebenen Schiffen tritt das Problem von Beschädigungen an den Verdichterbauteilen auf, die durch die Ansaugung von Regen, Nebel, Eis oder Salzwasser verursacht werden.

Bei Einspritzungen von verschiedenen Flüssigkeiten oder bei der Ansaugung von Flüssigkeitstropfen oder Feststoffpartikeln entsteht das Problem von Tropfenschlagerosion bzw. Erosion durch Feststoffpartikel an den Oberflächen der Bauteile, insbesondere der Beschaufelung und der Bauteile im Einlassbereich des Verdichters. Die Tropfenschlagerosion wird einerseits direkt durch die eingesprühten oder angesaugten Flüssigkeitstropfen auf den Oberflächen der Bauteile verursacht. Zu Beginn der Betriebszeit der Sprühdüsen für die Einspritzung von Flüssigkeiten sind die eingesprühten Tropfen zunächst klein, d. h. im Bereich von 10-20 Mikrometern Durchmesser. Nach einer gewissen Betriebszeit werden die Sprühdüsen jedoch derart abgenützt, dass die von ihnen versprühten Tropfen allmählich eine Grösse von bis zu 100 Mikrometern Durchmesser erreichen. Da die Masse und damit die kinetische Energie der Tropfen mit der dritten Potenz des Tropfendurchmessers anwächst, können grössere Tropfen weitaus mehr Erosionsschäden verursachen als kleine Tropfen.

Deshalb können die von den Sprühdüsen versprühten Tropfen beträchtliche Tropfenschlagerosion verursachen.

Anderseits entsteht Tropfenschlagerosion auch nach der Bildung von geschlossenen Flüssigkeitsfilmen, falls die Bauteile von der eingespritzten Flüssigkeit benetzt worden sind. Durch Flüssigkeitsabriss von einer Oberfläche können sich sekundäre grosse Tropfen bilden, die auf stromabwärts angeordneten Bauteilen Tropfenschlagerosion verursachen können.

Schliesslich besteht auch allgemein das Problem der Verschmutzung durch Bestandteile, die dem eingespritzten Wasser zugesetzt worden sind und sich allmählich auf den Oberflächen ablagern. Ablagerungen dieser Bestandteile sowie von weiterem Fremdmaterial kann sich negativ auf die Lebensdauer der Bauteile sowie auch auf die Leistung der Gasturbine auswirken.

Darstellung der Erfindung Es ist der vorliegenden Erfindung die Aufgabe gestellt, Bauteile eines Verdichters für eine Gasturbine, wie zum Beispiel in einer Kraftanlage oder einem Flugzeug- oder Schiffstriebwerk zu schaffen, deren Oberflächen der Tropfenschlagerosion durch Flüssigkeitstropfen und der Erosion durch Feststoffpartikel wie Staubpartikel und Eis widerstehen. Weiter sollen die Oberflächen der Bauteile so beschaffen sein, dass sie den in Flüssigkeiten vorhandenen Zusätzen und Bestandteilen widerstehen und sich Verschmutzungen auf ihnen nicht ablagern können.

Diese Aufgabe ist durch einen Verdichter für eine Gasturbine gemäss Anspruch 1 gelöst. Weitere besondere und bevorzugte Lösungen sind in den Unter- ansprüchen angegeben.

Ein Verdichter für eine Gasturbine gemäss der Erfindung weist Bauteile auf, wie zum Beispiel die Beschaufelung, die an ihren Oberflächen mit einer Beschichtung versehen sind, die mindestens zwei Schichten aus einem amorphen Kohlenstoff oder einem Plasmapolymer enthält. Die äusserste Schicht der Beschichtung besitzt insbesondere hydrophobe Eigenschaften. Für die hydrophobe Schicht

eignen sich alle Schichten oder Schichtsysteme, die eine geringe Grenzflächenenergie besitzen, sofern sie kleiner ist als die Oberflächenspannung von Wasser.

Weiter besitzen diese Schichten zudem die für amorphen Kohlenstoff oder ein Plasmapolymer inhärent hohe Oberflächenhärte, wie zum Beispiel von 500 bis zu 3000 HV. Für Materialien mit hydrophoben Eigenschaften sowie auch Härten dieser Grösse ist der erwähnte amorphe Kohlenstoff oder ein Plasmapolymer besonders geeignet.

Die hydrophobe Eigenschaft der äussersten Schicht verhindert die Benetzung der Oberflächen. Auftreffende Flüssigkeitstropfen gehen eine sehr geringe Wechselwirkung mit der Oberfläche ein, da deren Grenzflächenenergie gering ist.

Dadurch haften die Flüssigkeitstropfen nicht an den Oberflächen, vielmehr rollen sie über die Oberfläche hinweg unter Beibehaltung ihrer kleinen Grösse und ohne sich mit anderen Tropfen zu vereinigen oder gar einen geschlossenen Flüssigkeitsfilm zu bilden. Die Bildung von grossen Flüssigkeitstropfen durch Abriss eines geschlossenen Films an einer Kante eines Bauteils wird dadurch verhindert. Die klein bleibenden Tropfen vermögen sodann auch keine signifikante Tropfenschlagerosion zu verursachen.

Hydrophobe Schichten wie zum Beispiel solche aus amorphem Kohlenstoff besitzen ferner auch schmutzabweisende Eigenschaften. Dadurch, dass die Flüssigkeitstropfen sofort abrollen, wird eine chemische Wechselwirkung der Flüssigkeit oder von Bestandteilen, die in der Flüssigkeit gelöst sind, mit der Oberfläche verhindert. Dies vermeidet sodann auch eine Ablagerung von weiterem Fremdmaterial, was sich positiv auf die Gasturbinenleistung und die Lebensdauer der beschichteten Bauteile auswirkt.

In einer speziellen und bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Bauteile des Verdichters eine Schutzbeschichtung auf, die eine Schichtenfolge mit einem Schichtpaar oder mehreren Schichtpaaren aufweist, wobei die innere Schicht eines Schichtpaares im Vergleich zur äusseren Schicht des Schichtpaares eine höhere Härte aufweist und die äussere eine relativ niedrige Härte aufweist.

Insbesondere weist die innere Schicht des Schichtpaares eine Härte von 1500 bis 3000 HV und die äussere Schicht eine Härte von 500 HV bis zu 1500 HV auf.

Die alternierende Auftragung von Schichten mit einer hohen und einer im Vergleich niedrigeren Härte bewirkt beim Aufprall eines Flüssigkeitstropfens oder eines Feststoffpartikels einen Interferenzeffekt, bei dem sich die Druck-oder Kompressionswellen verschiedener, im Idealfall gegenläufiger Phasen weitgehend auslöschen. Dies führt zur Vernichtung der Druck-oder Kompressionswellen und letztendlich zur Verhinderung von Tropfenschlagerosion durch Flüssigkeitstropfen oder Erosion durch feste Partikel wie Staub oder Eis.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung weisen die einzelnen Schichten der Schichtenfolge Dicken im Bereich von jeweils 0.1 bis 2 Mikrometern auf.

In einer weiteren besonderen Ausführung der Erfindung verhalten sich die Dicken der einzelnen Schichten der Schichtenfolge im umgekehrten Verhältnis zu ihrer relativen Härte. Als Beispiel kann die äussere Schicht eine Dicke von 1.0 bis 1.5 Mikrometer und die innere Schicht eine Dicke von 0.5 bis 0.75 Mikrometern aufweisen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung weisen die Oberflächen der Bauteile des Verdichters eine Haftschicht auf, auf der ein Schichtpaar oder mehrere Schichtpaare aufgetragen sind. Als Haftschicht eignet sich zum Beispiel eine auf Titan aufgebrachte härtere Schicht, welche der oben genannten inneren Schicht entspricht.

Ausführung der Erfindung Gemäss der Erfindung enthält die hydrophobe Beschichtung amorphen Kohlenstoff. Hierunter sollen im folgenden wasserstoffhaltige Kohlenstoffschichten mit 10 bis 50 at-% Wasserstoffgehalt und mit einem Verhältnis von Sp3 ZU sp2-Bindungen zwischen 0.1 bis 0.9 verstanden werden.

Generell können alle mittels Carbon-oder Hydro-Carbon-Precursorn hergestellten amorphen oder dichten Kohlenstoffschichten sowie Plasmapolymerschichten, polymerähnliche oder dichte Kohlenstoff-und Kohlenwasserstoffschichten verwendet werden, sofern sie die hydrophoben und die im folgenden genannten mechanischen oder chemischen Eigenschaften des amorphen Kohlenstoffs zur

Herstellung von Einzelschichten oder Schichtfolgen aufweisen. Amorpher Kohlenstoff, auch diamond like carbon genannt, ist allgemein bekannt für seine aussergewöhnliche Härte, chemische Stabilität sowie auch für seine Elastizität.

Ferner besitzt amorpher Kohlenstoff unter bestimmten Bedingungen eine niedrige Oberflächenenergie im Vergleich zur Oberflächenspannung von Wasser, sodass eine hydrophobe oder wasserabweisende Eigenschaft herbeigeführt wird. Dabei ist die Härte von amorphem Kohlenstoff durch Variierung der Parameter für die Herstellung einer Beschichtung veränderbar. Eine Schicht von relativ niedrigerer Härte (innerhalb des Härtebereichs von amorphem Kohlenstoff) ist im Vergleich zu einer harten Schicht lediglich als weniger hart zu verstehen. Eine weniger harte Schicht weist insbesondere eine ausgeprägte hydrophobe Eigenschaft auf.

Die erfindungsgemässe Beschichtung kann nach verschiedenen, allgemein bekannten Herstellungsverfahren realisiert werden, wie zum Beispiel Abscheidung mittels Glimmentladung in einem Plasma aus kohlenwasserstoffhaltigen Precursorn, lonenstrahlbeschichtung und Sputtern von Kohlenstoff in wasserstoffhaltigem Arbeitsgas.

Bei diesen Verfahren wird das Substrat einem Strom von lonen von mehreren 100 eV ausgesetzt. Bei der Glimmentladung wird das Substrat in einer Reaktorkammer in Kontakt mit einer Kathode, die kapazitiv mit einem 13.56 MHz RF Generator verbunden ist, angeordnet. Die geerdeten Wände der Plasmakammer bilden dabei eine grosse Gegenelektrode. In dieser Anordnung lässt sich jeder Kohlenwasserstoffdampf oder jedes Kohlenwasserstoffgas als erstes Arbeitsgas für die Beschichtung verwenden. Um besondere Schichteigenschaften zu erzielen, beispielsweise verschiedene Oberflächenenergien, Härten, optische Eigenschaften usw. werden verschiedene Gase zum ersten Arbeitsgas dazugegeben. Unter Zugabe von Stickstoff, fluor- oder silizium-haltigen Gasen werden beispielsweise hohe oder niedrige Oberflächenenergien erreicht. Die Zugabe von Stickstoff führt zusätzlich zu einer Erhöhung der Härte der resultierenden Schicht. Ferner ist mittels der Veränderung der Bias-Spannung über den Elektroden zwischen 100 und 1000 V die resultierende Härte der Schicht steuerbar, wobei eine hohe Bias-Spannung zu

einer harten, amorphen Kohlenstoffschicht und eine tiefe Spannung zu einer amorphen Kohlenstoffschicht mit relativ niedrigerer Härte führt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verdichter sind sämtliche Bauteile, die mit der angesaugten Luft oder mit eingespritzten Flüssigkeiten in Kontakt kommen mit der Schichtenfolge versehen. Insbesondere sind die Bauteile im Einlassbereich wie zum Beispiel die Beschaufelung und das Lager für die verstellbare Vorleitreihe damit zu versehen.

Die Erfindung ist auf Verdichter für Gasturbinen von Kraftanlagen jeder Art sowie auch von Turbinenstrahlantrieben und anderen Bauteilen in Flugzeugen und Schiffen anwendbar, wie etwa die Vorderkante der Tragflächen von Flugzeugen.

Die Bauteile des erfindungsgemässen Verdichters bestehen aus Materialien wie zum Beispiel Titan, rostfreie Stähle, Chromstähle, Aluminium sowie Karbidbildner.

Die beschriebene Schichtenfolge mit Haftschicht eignet sich durchaus für eine Auftragung auf diesen Materialien.