СОСУД ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ Российский патент 1996 года по МПК F17C1/00 F17C1/16 

Изобретение относится к сосудам высокого давления для текучей среды, в частности к сосудам высокого давления, изготавливаемым из композиционного материала. Предлагаемый сосуд рассчитан на работу с давлением текучей среды от 300 до 750 бар и может быть использован, главным образом, в качестве автономного источника питания различных видов приводных средств, например на самолетах в приводах для выпуска шасси, в автомобилях с двигателем, приводимым в действие сгоранием сжатого газа.

Обычно сосуды высокого давления из композиционного материала представляют собой корпус цилиндрической формы, изготавливаемый намоткой пропитанного эпоксидным связующим составом жгута высокопрочных волокон (органоволокно, стекловолокно, углеволокно) на технологическую оправку, выполненную из легковымываемого или легкорастворяемого материала, например смеси воска, гипса, каменной соли. При этом внутренняя поверхность корпуса имеет герметизирующий слой в виде, например, слоя напыленного полиэтилена, либо металлической тонкостенной гофрированной оболочки, которая перед намоткой жгута располагается на оправке.

Изготовленный таким образом сосуд имеет в одном или обоих днищах корпуса отверстие, расположенное соосно с корпусом. Перед намоткой жгута волокон к оправке в месте, прилегающем к отверстию в днище корпуса, устанавливается с прижатием металлический фланец под съемную крышку.

Полученный из композиционного материала сосуд высокого давления по прочности сравним со стальным, но обладает гораздо меньшей массой.

В то же время известно, что сосуды из композиционного материала под воздействием давления заполняющей их текучей среды испытывают определенные деформации, негативно влияющие на герметичность сосуда в месте сочленения (контакта) крышки и фланца. Поэтому достаточно сложной технической проблемой является именно обеспечение надежности герметизации отверстия сосуда.

Известен сосуд высокого давления для текучей среды из композиционного материала, имеющий корпус с относительно малым по диаметру отверстием в днище корпуса, прилегающий к внутренней поверхности днища корпуса металлический фланец, расположенный вокруг отверстия, и соединяемую герметично с фланцем заглушку, которая служит для установки контрольной и регулирующей аппаратуры, а также для стыковки трубопроводов заправки и сброса текучей среды [1] В силу того, что диаметр отверстия данного сосуда меньше 0,3 наружного диаметра его корпуса, сосуд обладает высокой несущей способностью и герметичного отверстия.

Однако при эксплуатации данного сосуда возникает ряд неудобств в отношении проведения регламентных проверок, ремонтных и других работ из-за малого диаметра отверстия в сосуде. По этой причине всегда стремятся к увеличению диаметра отверстия в корпусе сосуда, дающего возможность визуального и аппаратурного наблюдения целостности герметизирующего внутреннего слоя сосуда. При увеличении диаметра отверстия свыше 0,3 наружного диаметра корпуса возникает сложность с сохранением высокой несущей способности сосуда.

Известен сосуд высокого давления из композиционного материала с отверстием большего диаметра, в котором металлический фланец уже соединен с перекрывающей отверстие выпуклой крышкой при помощи резьбового соединения для повышения несущей способности сосуда и герметичности [2] При этом фланец дополнительно закреплен в корпусе сосуда крепежными элементами, пропущенными через сквозные отверстия в силовой оболочке корпуса.

Однако и в этом случае вследствие воздействия на фланец, крышку и крепежные элементы растягивающих и сдвиговых усилий от давления текучей среды трудно ожидать высокую несущую способность сосуда из-за взаимного смещения и перекоса указанных фланца, крышки и крепежных элементов.

Следует отметить, что отмеченный выше недостаток частично может быть устранен за счет применения крышки с вогнутой силовой оболочкой в сосудах высокого давления, как это описано в [3]
Наиболее близким к изобретению является сосуд высокого давления.

Для текучей среды, содержащий корпус цилиндрической формы из композиционного материала, имеющий в одном из днищ отверстие, расположенное по горизонтальной оси корпуса [4] К внутренней поверхности днища вокруг отверстия и частично к ограничивающей его стенке прилегает металлический фланец с кольцевым седлом, с которым контактирует металлическая крышка для закрывания отверстия, несущая приспособление для соединения полости сосуда с потребителем текучей среды под давлением. При этом крышка и фланец соединены между собой с помощью множества шпонок, имеющих параллельные образующие противоположных опорных граней и размещенных в кольцевых пазах крышки и фланца.

При таком техническом решении удается повысить несущую способность сосуда и герметичность крышки и фланца до 300 бар. При дальнейшем повышении давления текучей среды в сосуде происходит взаимное смещение фланца и крышки, сопровождаемое смятием кромок опорных граней шпонок, фланца и крышки даже при изготовлении их из твердых сплавов, например на основе титана. В результате этого извлечение крышки из фланца бывает затруднено и в некоторых случаях исключается последующее технологическое обслуживание внутренней поверхности корпуса сосуда.

Задача изобретения создание сосуда высокого давления из композиционных материалов с большей несущей способностью путем усовершенствования шпонок и взаимодействующих с ними фланца и крышки.

Для этого в сосуде высокого давления для текучей среды, содержащим корпус цилиндрической формы из композиционного материала, имеющий в одном из днищ отверстие, расположенное по горизонтальной оси корпуса, металлический фланец с кольцевым седлом, прилегающий к внутренней поверхности днища вокруг отверстия и частично к ограничивающей его стенке, металлическую крышку для закрывания отверстия, контактирующую с кольцевым седлом фланца, закрепленное в этой крышке приспособление для соединения сосуда с потребителем и множество шпонок с параллельными образующими противоположных опорных граней, размещенных в кольцевых пазах крышки и фланца и соединяющих последние между собой, в каждой шпонке две противоположные опорные грани с параллельными образующими выполнены коническими, а кольцевые пазы крышки и фланца имеют по одной конической поверхности, взаимодействующей с соответствующей конической гранью шпонки.

Предпочтительно угол наклона образующей каждой опорной грани шпонки к горизонтальной оси корпуса выбрать в пределах 70-73^о.

Целесообразно, чтобы каждая шпонка имела выступающую относительно конической опорной грани со стороны фланца дополнительную грань, имеющую образующую, расположенную параллельно горизонтальной оси корпуса, и взаимодействующую с частью внутренней поверхности фланца, ближней к отверстию.

При этом дополнительная грань может быть выполнена цилиндрической с радиусом кривизны, равным внутреннему радиусу фланца.

Предложенное техническое решение дает возможность добиться согласованных деформационных перемещений крышки, фланца и корпуса под действием давления текучей среды в сосуде и повысить тем самым его несущую способность до 750 бар, что является основным преимуществом предлагаемого изобретения.

На фиг.1 показан предлагаемый сосуд высокого давления для текучей среды, продольный разрез; на фиг.2 шпонка в аксонометрии для сочленения крышки и фланца сосуда в месте их соединения шпонками между собой; на фиг.3 то же, для сочленения крышки и фланца (в соответствии с изобретением); на фиг.4 в аксонометрии частичный вид крышки в месте загрузочного окна для установки шпонки в общий кольцевой паз и прилегающего к крышке фланца.

Сосуд высокого давления для текучей среды (жидкости, газа) имеет цилиндрической формы корпус 1 с днищами 2 и 3, выполненный из композиционного материала (фиг.1). Таким материалом могут быть, в частности, пропитанный, например, эпоксидным связующим составом жгут из волокон высокопрочных полимеров или неорганических материалов (органоволокно, стекловолокно, углеволокно), который при изготовлении корпуса 1 наматывают в определенной последовательности на технологическую оправку (не показана) в виде цилиндрического сердечника. Обычно оправка делается из легкорастворимого или легковыплавляемого материала, например из смеси каменной соли, гипса, воска, и по этой причине может быть легко и просто удалена из корпуса 1 после его отверждения.

В процессе изготовления корпуса 1 в одном из днищ 2 формируют отверстие 4, расположенное по горизонтальной оси корпуса 1, путем обматывания заодно с технологической оправкой металлического фланца 5, плотно прижатого к ней и снабженного юбкой 6, образующей отверстие 4 на части его длины. Юбка 6 служит также для удержания фланца 5 от нежелательных перемещений внутрь сосуда под действием усилий во время сборки сосуда.

Снаружи корпуса 1 также путем намотки монтируется кожух 7 из того же материала, что и корпус 1, выступающий своими торцами 8 за его пределы по длине. Эти торцы 8 предназначены для закрепления различных крепежных средств (не показаны), удерживающих сосуд высокого давления на рабочем месте или в процессе его транспортирования, а также для размещения внутри них требуемой для обслуживания сосуда аппаратуры (не показана).

Между корпусом 1 и кожухом 7 располагается демпфирующий слой 9, предпочтительно из резины или подобного эластичного материала. Благодаря наличию этого слоя 9, корпус 1 под воздействием внутреннего давления текучей среды может ограниченно перемещаться в продольном и радиальном направлениях.

На внутренней поверхности корпуса 1 закреплен герметизирующий слой 10, который может быть образован либо путем напыления полиэтилена по одной из известных технологий, либо в виде металлической тонкостенной гофрированной оболочки, которая перед намоткой корпуса укладывается на технологическую оправку. В процессе эксплуатации сосуда целостность этого герметизирующего слоя периодически контролируется визуально или аппаратурным способом через отверстие 4 в корпусе 1 и при необходимости ремонтируется.

Указанное отверстие 4 в корпусе 1 перекрывается металлической крышкой 11, которой может быть придана плоская, вогнутая или выпуклая форма. Для предложенной конструкции сосуда предпочтительно применять крышку 11, вогнутой внутрь сосуда, как это видно на фиг.1. В крышке 11 смонтировано приспособление 12 типа штуцера для подсоединения полости сосуда к потребителю текучей среды под давлением либо для подключения контрольной или управляющей аппаратуры (не показана).

Как показано на фиг.2, фланец 5 выполнен с внутренним кольцевым седлом 13 и ограничительным буртом 14. При закрывании отверстия 4 крышка 11 садится на кольцевое седло 13 фланца 5 и уплотняется эластичным кольцом 15, находящимся между буртом 14 и кольцевым выступом 16 на наружной стороне крышки 11.

Крышка 11 и фланец 5 соединяются между собой посредством множества шпонок 17, расположенных в общем кольцевом пазу, образованном обращенными один к другому открытыми кольцевыми пазами 18 и 19 соответственно в крышке 11 и фланце 5. При этом кольцевой паз 18 крышки 11 и кольцевой паз 19 фланца 5 имеют напротив расположенные по одной конической поверхности 20 и 21, взаимодействующие с опорными коническими гранями 22 и 23 шпонки 17. Предпочтительно, чтобы угол наклона поверхностей 20 и 21 и граней 22 и 23 составлял 70-73^о к горизонтальной оси корпуса 1 сосуда.

Каждая шпонка 17 имеет форму, представленную на фиг.3. Помимо уже указанных конических опорный граней 22 и 23, шпонка 17 снабжена дополнительной гранью 24, выступающей относительно конической опорной грани 23 со стороны фланца 5 и расположенной концентрично горизонтальной оси корпуса 1. Дополнительная грань 24 шпонки 17 взаимодействует с внутренней поверхностью фланца 5. Для этого она выполнена цилиндрической с радиусом кривизны, равным внутреннему радиусу фланца 5.

Как показано на фиг.4, крышка 11 имеет по меньшей мере одно окно 25, выходящее в общий кольцевой паз между фланцем 5 и крышкой 11. Это окно 25 предназначено для установки набора шпонок 17 в указанный общий кольцевой паз, пока он не будет заполнен ими полностью. При установке шпонок 17 крышка 11 монтажным усилием перемещается в осевом направлении внутрь корпуса 1, вызывая упругую деформацию эластичного кольца 15 и увеличивая расстояние между коническими поверхностями 20 крышки 11 и поверхностью 21 фланца 5 до значения, превышающего расстояние между гранями 22 и 23 шпонки 17.

Шпонки 17 через окно 25 вводятся в общий кольцевой паз и перемещаются по нему до полного заполнения. По окончании процесса заполнения общего кольцевого паза шпонками 17 с крышки 11 снимается монтажное усилие и она под действием силы упругости эластичного кольца 15 возвращается назад, поджимая шпонки 17 к фланцу 5.

В этом положении сосуд подготовлен для заполнения текучей среды под давлением.

При заполнении корпуса 1 текучей среды под давлением в крышке 11 возникают распорные силы, направленные радиально от горизонтальной оси корпуса 1. Под действием этих радиальных сил крышка 11 увеличивается в диаметре и распирается в кольцевом седле 13 фланца 5, выбирая имеющийся между ней и седлом 13 зазор, чем обеспечивается дополнительный кольцевой пояс герметизации в этом месте.

Давление текучей среды, воспринимаемое крышкой 11, передается ею через коническую поверхность 20 на коническую опорную грань 22 шпонки 17 и далее через ее коническую опорную грань 23 на коническую поверхность 21 фланца 5. На протяжении всего времени восприятия крышкой 11 давления текучей среды в сосуде дополнительная грань 24 шпонки 17 взаимодействует с поверхностью фланца 5 и препятствует перекосу и проворачиванию шпонки 17 в общем кольцевом пазу.

Дальнейшая деформация крышки 11 и фланца 5 согласуется с деформацией днища 2 корпуса 1, в результате чего устанавливаются допустимые контактные напряжения в месте прилегания фланца 5 к днищу 2 корпуса 1. Именно это обстоятельство создает главное преимущество сосуда в повышении его несущей способности с 300 до 750 бар.

Дополнительным преимуществом предложенного сосуда является уменьшение массы крышки 11 и фланца 5 примерно на 50% благодаря применению шпонок 17 для их соединения между собой.

Сущность изобретения: сосуд высокого давления для текучей среды с корпусом из композиционного материала, имеющим в днище отверстие и металлический фланец вокруг него с седлом под крышку для закрывания отверстия, которая соединяется с фланцем множеством шпонок, размещаемых в общем кольцевом пазу между ними и выполненных с двумя коническими опорными гранями, взаимодействующими с соответствующими коническими поверхностями в пазах крышки и фланца и воспринимающими давление текучей среды в сосуде через крышку. 4 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. СОСУД ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ, содержащий корпус цилиндрической формы из композиционного материала, имеющий в одном из днищ отверстие, расположенное по его горизонтальной оси, металлический фланец с кольцевым седлом, прилегающим к внутренней поверхности днища вокруг отверстия и частично к ограничивающей его стенке, металлическую крышку для закрывания отверстия, контактирующую с кольцевым седлом фланца, закрепленное в этой крышке приспособление для соединения сосуда с постребителем и множество шпонок с параллельными образующими противоположных опорных граней, размещенных в кольцевых пазах крышки и фланца и соединяющих последние между собой, отличающийся тем, что в каждой шпонке две противоположные грани с параллельными образующими выполнены коническими, а кольцевые пазы крышки и фланца имеют по одной конической поверхности, взаимодействующей с соответствующей конической гранью шпонки. 2. Сосуд по п.1, отличающийся тем, что угол наклона каждой опорной грани шпонки к горизонтальной оси корпуса составляет 70 - 73^o. 3. Сосуд по пп.1 и 2, отличающийся тем, что шпонка имеет выступающую относительно конической опорной грани со стороны фланца дополнительную грань, имеющую образующую, расположенную параллельно горизонтальной оси корпуса, и взаимодействующую с частью поверхности фланца, ближней к отверстию. 4. Сосуд по п.3, отличающийся тем, что дополнительная грань выполнена цилиндрической. 5. Сосуд по п.4, отличающийся тем, что радиус дополнительной цилиндрической грани равен внутреннему радиусу фланца.