ПОРИСТЫЕ СТРУКТУРЫ С ПОВТОРЯЮЩИМСЯ ПОРЯДКОМ РАСПОЛОЖЕНИЯ ПРОДОЛГОВАТЫХ ОТВЕРСТИЙ
POROUS STRUCTURES WITH REPEATING ELONGATED-APERTURE PATTERN

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится в целом к пористым структурам и твердым телам с ячеистой структурой. В частности, аспекты данного изобретения относятся к материалам, обладающим повторяющимся порядком расположения отверстий, что приводит к необычным механическим свойствам, таким как отрицательный коэффициент Пуассона, а также к системам, способу и устройствам, использующим такие материалы.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] При сжатии материалов вдоль конкретной оси чаще всего наблюдают их расширение в направлениях, перпендикулярных приложенной нагрузке. Показателем, характеризующим данное поведение, является коэффициент Пуассона, который может быть определен как отношение отрицательной поперечной деформации к продольной деформации. Большинство материалов характеризуются положительным коэффициентом Пуассона, который приблизительно составляет 0,5 для резины и 0,3 для стекла и стали. Материалы с отрицательным коэффициентом Пуассона будут испытывать сжатие (или расширение) в поперечном направлении при сжатии (или растяжении), и, хотя они и могут существовать в принципе, демонстрация примеров практического осуществления является относительно редким явлением. Материалы, демонстрирующие поведения с отрицательным коэффициентом Пуассона, часто носят название "ауксетики" (auxetics). Результаты многих исследований подтверждают, что ауксетическое поведение вызвано взаимосвязью между микроструктурой материала и его деформацией. Примеры этого приведены на основании выявления того, что металлы с кубической решеткой, натуральная многослойная керамика, ферроэлектрическая поликристаллическая керамика и цеолиты - все они могут демонстрировать поведения с отрицательным коэффициентом Пуассона. Кроме того, было предложено несколько вариантов геометрии и механизмов для достижения отрицательных значений коэффициента Пуассона, в том числе пеноматериалы с повторяющимися структурами, многоуровневые слоистые материалы, полимерные и металлические пеноматериалы. Эффекты отрицательного коэффициента Пуассона были также продемонстрированы в микронном масштабе с использованием композиционных материалов, которые были изготовлены с применением легкой литографии и - в нанометровом масштабе - с использованием комплектов листов из углеродных нанотрубок.
[0003] Значительной проблемой при изготовлении материалов с ауксетическими свойствами является то, что для этого обычно необходимо размещение структур со сложной геометрией в матрице основного материала. В связи с этим процесс производства являлся "узким местом" при практическом осуществлении в отношении прикладных задач. Структура, которая формирует основу многих ауксетичных материалов, является такой же, как и у твердого тела с ячеистой структурой, и исследование деформации этих материалов представляет собой достаточно хорошо исследованную область с основным упором на явление поперечного выпучивания, нагрузочную способность и поглощение энергии при сжимающем нагружении. Совсем недавно результаты комплексного экспериментального и численного исследования продемонстрировали, что механические нестабильности в двухмерных периодических пористых структурах могут вызвать существенные изменения исходной геометрии. В частности, обнаружено, что одноосное нагружение квадратного массива круглых полостей в упругой матрице приводит к порядку расположению чередующихся взаимно перпендикулярных эллипсов пока массив находится под нагрузкой. Это возникает вследствие потери устойчивости при упругих деформациях при превышении критического значения приложенной деформации. Реорганизация геометрии, наблюдаемая в состоянии потери устойчивости, является обратимой и воспроизводимой и происходит в узком диапазоне приложенной нагрузки. Кроме того, было показано, что изменение порядка приводит к поведению с отрицательным коэффициентом Пуассона в одном направлении для двухмерной структуры, т.е. это происходит только при сжатии.
[0004] В патенте США 5,233,828 ("Патент '828") (Phillip D. Napoli), показан пример разработанного структурного элемента - жаровой трубы камеры сгорания - используемого в высокотемпературных устройствах. Жаровые трубы камеры сгорания главным образом используют в секции камеры сгорания газовой турбины. Жаровые трубы камеры сгорания также могут быть использованы в выхлопной секции или других секциях или компонентах газовой турбины, таких как лопатки турбины. В ходе эксплуатации горение газа в камерах сгорания происходит при очень высоких температурах, таких как около 3000°F (1650°C) или выше. Для того чтобы эта значительная тепловая энергия не повредила камеру сгорания до выхода на турбину, во внутреннюю часть камеры сгорания оснащают жаровой трубой камеры сгорания для изоляции прилегающего двигателя. Для минимизации перепадов температуры и давления по жаропрочным трубам камеры сгорания стандартно были обеспечены охлаждающие щелевые отверстия, как показано в патенте '828. В патенте '828 показана часть кольцевой жаровой трубы камеры сгорания, имеющей расположенные с определенным порядком охлаждающие отверстия, размещенные под углом по непрерывному порядку расположения по всей толщине стенки жаровой трубы. В качестве другого примера в патенте США 8,066,482 В2, James Page Strohl и др., показан другой пример разработанного структурного элемента, имеющего охлаждающие полости заданной формы для усиления охлаждения необходимой области газовой турбины и уменьшения уровней напряжений в охлаждающих отверстиях и вокруг них. В патенте Европы № ЕР 0971172 А1, доктор Jakob Keller, аналогично показан другой пример жаровой трубы с отверстиями, используемой в зоне камеры сгорания газовой турбины. В еще одном примере в опубликованной заявке на патент США 2010/0009120 А1, Mary С. Boyce и др., описан ряд преобразующихся периодических структур, которые включают в себя упругие или упруго-пластичные твердые тела с периодической структурой, подверженные изменению структурной конфигурации при приложении критического макроскопического напряжения или деформации. Все вышеупомянутые патентные документы включены в данный документ посредством ссылок во всей их полноте и для любых целей.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] Аспекты настоящего изобретения адресованы пористым структурам с повторяющимися порядками расположения продолговатых отверстий, которые обеспечивают поведения с отрицательным коэффициентом Пуассона (также известные как "ауксетические материалы"). На основании форм деформированных пор, обнаруженных в резиновых образцах под внешней нагрузкой, дальнейшие аспекты посвящены материалам с формами пор, которые получают в ненапряженном состоянии для достижения поведения с отрицательным коэффициентом Пуассона в материале без деформации материала при производстве. Другие аспекты настоящего изобретения посвящены многофункциональным воздушным каналам в горячей секции газовой турбины. Дополнительные аспекты адресованы камерам сгорания газовых турбин, которые изготовлены со стенками из материала со специальной пористой структурой, обеспечивающей, в частности, тепловые, демпфирующие и/или акустические функциональные свойства. Такие функциональные свойства включают, например, акустическое усиление (или демпфирование шумов), уменьшение напряжений (или демпфирование нагрузок) и охлаждение горячих элементов (или тепловое демпфирование).
[0006] В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения описана пористая структура. Пористая структура включает в себя жесткое или полужесткое тело с первым множеством первых продолговатых отверстий и вторым множеством вторых продолговатых отверстий. Каждое из продолговатых отверстий имеет большие оси и малые оси. Большие оси первых продолговатых отверстий перпендикулярны большим осям вторых продолговатых отверстий. Первое и второе множества продолговатых отверстий расположены в массиве рядов и столбцов. Каждый из рядов и каждый из столбцов чередуется между первыми и вторыми продолговатыми отверстиями. Другими словами, каждый ряд и каждый столбец может включать в себя 100 отверстий - 50 вертикально ориентированных отверстий, которые перемежаются с 50-ю горизонтально ориентированными отверстиями. Отверстия совместно сконфигурированы для достижения поведения с отрицательным коэффициентом Пуассона при воздействии напряжения или деформации или и того и другого.
[0007] Другие аспекты настоящего изобретения относятся способу производства пористой структуры. Способ включает в себя обеспечение жесткого или полужесткого тела и добавление первых продолговатых отверстий и вторых продолговатых отверстий в жесткое или полужесткое тело. Каждое из продолговатых отверстий имеет большие оси и малые оси. Большие оси первых продолговатых отверстий перпендикулярны большим осям вторых продолговатых отверстий. Продолговатые отверстия расположены в массиве рядов и столбцов. Каждый из рядов и каждый из столбцов чередуется между первыми и вторыми продолговатыми отверстиями. Отверстия совместно сконфигурированы для достижения поведения с отрицательным коэффициентом Пуассона при воздействии напряжения или деформации или и того и другого. Первые и вторые продолговатые отверстия могут быть добавлены в жесткое или полужесткое тело любым известным способом, включая микрообработку, интерференционную литографию, лазерную резку или электронно-лучевую резку или любую их комбинацию.
[0008] В соответствии с другим аспектом этого изобретения, описана камера сгорания газовой турбины. Камера сгорания газовой турбины включает в себя металлическую стенку с множеством вертикально продолговатых отверстий и множеством горизонтально продолговатых отверстий. Каждое из продолговатых отверстий имеет большие оси, которые перпендикулярны малым осям. Большие оси вертикально продолговатых отверстий перпендикулярны большим осям горизонтально продолговатых отверстий. Продолговатые отверстия расположены в массиве равноудаленных рядов, которые перпендикулярны равноудаленным столбцам. Каждый из рядов и каждый из столбцов чередуются между вертикально и горизонтально продолговатыми отверстиями. Продолговатые отверстия имеют заданную пористость и заданное соотношение сторон, которые совместно сконфигурированы для достижения поведения с отрицательным коэффициентом Пуассона под воздействием макроскопических нагрузок, вызывающих напряжения и деформации.
[0009] Вышеприведенное раскрытие изобретения не предназначено для представления каждого варианта осуществления или каждого аспекта настоящего изобретения. В значительной степени раскрытие изобретения единственно обеспечивает пояснение на примерах некоторых новых признаков, представленных в данном документе. Вышеуказанные признаки и преимущества и другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из дальнейшего подробного описания иллюстративных вариантов реализации и способов осуществления настоящего изобретения при их рассмотрении совместно с прилагаемыми чертежами и прилагаемыми пунктами формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0010] Фиг. 1 представляет собой график зависимости коэффициента Пуассона от деформации, иллюстрирующий поведение с отрицательным коэффициентом Пуассона различных характерных пористых структур в соответствии с аспектами настоящего изобретения.
[0011] Фиг. 2а-2с представляют собой изображения трех разных квадратных массивов эллиптических пор, демонстрирующих поведение с отличающимся отрицательным коэффициентом Пуассона в соответствии с аспектами настоящего изобретения.
[0012] Фиг. 3 представляет три изображения временных зависимостей квадратного массива деформированных пор, уменьшающих термические напряжения, вызванные горячим пятном в рассматриваемой области, в соответствии с аспектами настоящего изобретения.
[0013] Фиг. 4 представляет собой изображение квадратного массива выравненных по вертикали и по горизонтали отверстий эллиптической формы в ненапряженном состоянии, который обеспечивает поведение с отрицательным коэффициентом в соответствии с аспектами настоящего изобретения.
[0014] Фиг. 5 представляет собой изображение квадратного массива выровненных по горизонтали и по вертикали отверстий двутавровой формы в ненапряженном состоянии, который обеспечивает поведение с отрицательным коэффициентом Пуассона в соответствии с аспектами настоящего изобретения.
[0015] Фиг. 6-8 иллюстрируют различные характерные формы отверстий в соответствии с аспектами настоящего изобретения.
[0016] Так как аспекты этого изобретения допускают различные изменения и различные варианты, специальные варианты реализации были показаны на примере на чертежах и будут подробно описаны в данном документе. Тем не менее, следует понимать, что изобретение, как предполагается, не ограничено описанными отдельными вариантами. В значительной степени предполагают, что изобретение охватывает все модификации, эквиваленты и варианты, соответствующие существу и объему изобретения, как указано в прилагаемых пунктах формулы изобретения.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0017] Данное изобретение допускает много различных вариантов осуществления. Характерные варианты реализации изобретения показаны на чертежах и будут подробно описаны в данном документе; необходимо понимать, что настоящее описание изобретения следует рассматривать как пояснение на примерах принципов изобретения, и оно, как предполагается, не ограничивает широкие аспекты изобретения проиллюстрированными вариантами реализации. Таким образом, элементы и ограничения, описанные, например, в разделах "Реферат", "Раскрытие изобретения" и "Подробное описание", но не предусмотренные в явном виде в формуле изобретения, не должны быть включены в формулу изобретения по отдельности или все вместе подразумеваемым образом, путем логических выводов или иным способом. Для целей настоящего подробного описания, если не указано иное, единственное включает множественное и наоборот; слова "и" и "или" являются соединительными и разделительными; слово "все" означает "любой и все"; слово "любой" значит "любой и все"; и слова "включающий" и "содержащий" означают "включающий без ограничений". Кроме того, слова, выражающие приближенное значение, такие как "около", "почти", "по существу", "приблизительно" и подобные им могут быть использованы в данном документе в смысле "около, почти или без малого", или "в пределах 3-5% от", или "в пределах допустимых допусков производства", или, например, любой логической комбинации из них.
[0018] Аспекты настоящего изобретения адресованы пористым структурам, которые в условиях устойчивости при отсутствии макроскопического нагружения включают повторяющиеся порядки расположения продолговатых отверстий, что обеспечивает поведение с отрицательным коэффициентом Пуассона (NPR). Коэффициент Пуассона (или "отношение Пуассона") может быть в общем определен как отношение поперечной деформации сжатия к продольной деформации растяжения в растягиваемом объекте. Коэффициент Пуассона обычно положительный, так как большинство материалов, включая многие полимерные пеноматериалы и твердые тела с ячеистой структурой, становятся тоньше в поперечном сечении при растяжении. Пористые структуры, описанные в данном документе, демонстрируют поведение с отрицательным коэффициентом Пуассона. Эти типы материалов также носят название "ауксетики" или "ауксетические материалы".
[0019] В некоторых из описанных вариантов осуществления при сжатии структуры в направлении оси Y ввиду способа расположения соседних отверстий деформация в направлении оси Y приводит к возникновению момента вокруг центра каждой ячейки, что приводит к вращению ячеек. Каждая ячейка вращается в направлении, противоположном направлению вращения ближайших соседних ячеек. Это вращение приводит к уменьшению расстояния по оси X между горизонтальными соседними ячейками. Другими словами, сжатие структуры в направлении оси Y приводит к ее сжатию в направлении оси X. И наоборот, растяжение в направлении оси Y приводит к растяжению в направлении оси X. В масштабах всей структуры это имитирует поведение акуксетического материала. Тем не менее, многие структуры, описанные в данном документе, состоят из обычных материалов. "Псевдоауксетическое" поведение является новым свойством структуры. Иначе говоря, собственно материал может иметь положительный коэффициент Пуассона, но при изменении структуры путем ввода порядков расположения продолговатых отверстий, описанных в данном документе, структура на микроскопическом уровне ведет себя как имеющая отрицательный коэффициент Пуассона.
[0020] Фиг. 1 представляет собой график зависимости коэффициента Пуассона от деформации, иллюстрирующий поведение коэффициента Пуассона трех характерных пористых структур, показанных на фиг. 2а-2с. График на фиг. 1 показывает коэффициент Пуассона (PR) исследуемого образца под нагрузкой. На определенном уровне деформации "мгновенный" коэффициент PR может быть определен и изображен на графике в зависимости от параметра (например, номинальной деформации), представляющего уровень деформации. Когда у разработчика есть необходимый отрицательный коэффициент NPR для заданного приложения, можно найти уровень деформации, соответствующий этому коэффициенту PR, и геометрические характеристики полостей для этого определенного условия. Этот порядок расположения форм полостей может далее быть получен механической обработкой (изготовлен) на ненапряженной части для получения компонента с требуемым коэффициентом PR.
[0021] Как видно из фиг. 2b и 2c, порядки расположения продолговатых отверстий с отрицательным коэффициентом NPR могут состоять из горизонтально ориентированных и вертикально ориентированных эллиптических отверстий (также называемых "полости" или "эллипсы"). Эллипсы расположены по горизонтальным и вертикальным линиям (например, рядам и столбцам квадратного массива) таким образом, что вертикальные линии расположены на одинаковом расстоянии друг от друга и горизонтальные линии расположены на одинаковом расстоянии друг от друга (также Δx=Δy). Центр каждого отверстия расположен в точке пересечения двух данных линий. Горизонтально ориентированные и вертикально ориентированные эллипсы перемежаются по вертикальным и горизонтальным линиям таким образом, что любой вертикальный эллипс окружен горизонтальными эллипсами вдоль линий (и наоборот), и следующие вертикальные эллипсы находятся по обеим диагоналям. Поры могут также действовать как охлаждающие и/или демпфирующие полости и ввиду их расположения также как элементы для уменьшения напряжений.
[0022] Также описана камера сгорания газовой турбины, которая изготовлена со стенками из материала с любыми специальными пористыми структурами, описанными в данном документе. В некоторых вариантах осуществления формы отверстий создают в металлическом теле непосредственно в ненапряженном состоянии так, что формы отверстий эквивалентны форме деформированных пор, обнаруженных в резине при воздействии внешней нагрузки, с целью получения поведения с отрицательным коэффициентом Пуассона в металле без деформирования металлической структуры при изготовлении. Для воспроизводства порядков расположения пор в металлическом компоненте могут быть использованы различные способы производства. Производственный процесс не обязательно должен включать поперечное выпучивание в качестве одной из стадий способа. Пористые структуры, описанные в данном документе, не ограничены стенкой камеры сгорания; в значительной степени эти элементы могут быть встроены в другие секции турбины (например, лопатку, канал и т.д.).
[0023] Если считают, что пористость одного листа слишком высокая для специального применения в камере сгорания, то два или более листов укладывают в стопку под углом так, чтобы получить оптимальную долю пористости одного листа для достижения заданного поведения и получения оптимального воздушного потока через лист с целью достижения заданного уровня охлаждения и/или демпфирования. Например, два листа с одинаковым (или сходным) порядком расположения отверстий могут быть наложены друг на друга таким образом, что отверстия будут выровнены (например, иметь общие центральные оси) или целенаправленно смещены (например, центральные оси соседних отверстий смещены в радиальном направлении) для совместного достижения необходимых термических, механических и/или акустических функций.
[0024] Поведение стенки камеры сгорания имеет преимущества возникшего (макроскопического) поведения с отрицательным коэффициентом Пуассона. Даже когда эта структура изготовлена из обычного металла, будет происходить ее сжатие в поперечном направлении при приложении к ней осевой сжимающей нагрузки, при этом собственно материал может не быть изготовлен из материала, имеющего отрицательный коэффициент Пуассона. Поведение обусловлено специальной пористой структурой.
[0025] В обычной стенке камеры сгорания полости, используемые для обеспечения охлаждающего потока воздуха и демпфирования, также ведут себя как концентраторы напряжений. В некоторых из описанных вариантов осуществления, так как материал стенки в зоне горячего пятна оказывает давление на окружающий материал, например, в вертикальном направлении, отрицательный коэффициент Пуассона будет заставлять материал стенки испытывать сжатие в горизонтальном направлении, и наоборот. Это поведение значительно уменьшит напряжения в зоне горячего пятна. Этот эффект является более сильным, чем просто влияние уменьшения жесткости. Напряжение в зоне горячего пятна оказывается уменьшенным на 50%, что приводит к увеличению усталостной долговечности на несколько порядков. Уменьшение напряжения с помощью поведения с отрицательным коэффициентом NPR не увеличивает потребление воздуха стенкой камеры сгорания. Более высокая долговечность может быть использована как таковая, или материал стенки может быть заменен на более дешевый для значительного уменьшения затрат.
[0026] Мы также продемонстрировали, что замена круглых охлаждающих полостей камеры сгорания эллиптическими воздушными каналами с долей 2-3% уменьшает термомеханическое напряжение по меньшей мере в пять раз при сохранении показателей охлаждения и демпфирования. Например, теоретически было предсказано, что эллиптические охлаждающие отверстия в камере сгорания приводят к пятикратному снижению наиболее сильного критического напряжения. С помощью введения поведения с отрицательным коэффициентом NPR было добавлено еще одно функциональное свойство охлаждающим отверстиям. Пятикратное уменьшение наиболее сильного критического напряжения в результате модификации охлаждающих отверстий для обеспечения поведения с отрицательным коэффициентом Пуассона. При рассмотрении усталости от напряжений суперсплавов, специально применяемых для камер сгорания, уменьшение напряжения компонента в два раза увеличивает усталостную долговечность более чем на порядок. В некоторых вариантах реализации суперсплав может являться суперсплавом на основе никеля, таким как инконель (Inconel) (например, IN100, IN600, IN713), васпалой (Waspaloy), сплавы Рене (например, Rene 41, Rene 80, Rene 95, Rene N5), сплавы Хэйнс (Haynes), инколой (Incoloy), МР98Т, сплавы TMS и монокристаллические сплавы CMSX (например, CMSX-4).
[0027] Было показано, что более низкая пористость обеспечивает усиление функции охлаждения. В контексте настоящего документа "пористость" может быть определена как площадь поверхности отверстий АА, деленная на площадь поверхности структуры AS, или Пористость = АА/AS. В некоторых вариантах осуществления может быть необходимо, чтобы пористость данной пористой структуры была приблизительно 1-4% или, в некоторых вариантах реализации, приблизительно 2-3% или, в некоторых вариантах реализации, приблизительно 2%. Для многих способов и методов осуществления существующего уровня техники необходима пористость 40-50%.
[0028] Может существовать заданное оптимальное соотношение сторон для продолговатых отверстий, обеспечивающее необходимое поведение с отрицательным коэффициентом NPR. В контексте настоящего документа "соотношение сторон" может быть определено как длина отверстий, деленная на ширину отверстий, или длина большой оси, деленная на длину малой оси отверстий. В некоторых вариантах осуществления может быть необходимо, чтобы соотношение сторон отверстий было приблизительно 5-40 или, в некоторых вариантах осуществления, приблизительно 30-40. Оптимальный отрицательный коэффициент NPR может быть равен, например, -0,5. Аспекты описанного изобретения могут быть продемонстрированы на структурных порядках расположения, созданных в масштабе миллиметра длины порядка расположения, и равно применимы для структур, обладающих сходными периодическими порядками расположения в меньшем масштабе (например, в микронных, субмикронных и нанометровых масштабах длины).
[0029] Геометрия отверстий может принимать различные формы, размеры и ориентации. Фиг. 2b и 2с иллюстрируют отверстия, принимающие эллиптическую форму. Фиг. 6 иллюстрирует отверстия, принимающие эллиптическую форму с более высоким соотношением сторон, чем те, что показаны на фиг. 2а-2с. Фиг. 3 иллюстрирует отверстия, принимающие деформированную форму. Фиг. 8 показывает отверстия, принимающие двутавровую форму. Фиг. 7 иллюстрирует отверстия, принимающие форму гантели с двумя ограничительными отверстиями, соединенными посредством прямого щелевого отверстия или стержня. Формы могут быть модифицированы и/или видоизменены при переходе от одного применения к другому. Кроме того, эти формы могут быть изменены с помощью используемого способа изготовления. Поведение с отрицательным коэффициентом NPR работает с любой конфигурацией, для которой ячейки поворачиваются таким образом, как описано выше в данном документе.
[0030] При том что многие варианты осуществления и способы реализации настоящего изобретения были подробно описаны выше, лица, знакомые с уровнем техники, к которому относится это изобретение, узнают различные варианты конструкции и варианты осуществления для практического использования изобретения в объеме, изложенном в прилагаемых пунктах формулы изобретения.