МНОГОСЛОЙНЫЙ СОСУД ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ СЖАТОГО ГАЗА Российский патент 1996 года по МПК F17C1/04 F16J12/00 

Изобретение относится к области энергетики, а более конкретно к производству газовой аппаратуры, и может использоваться, например, в автотранспорте на газовом топливе.

Непременным элементом газовой аппаратуры автомобиля является баллон для хранения сжатого газа при высоком давлении (см.книгу: Морев А.И. Ерохов В.И. Эксплуатация и техническое обслуживание газобаллонных автомобилей. М. Транспорт, 1988). Газовый баллон является одним из наиболее опасных в эксплуатации элементов газовой аппаратуры и повышение безопасности ее эксплуатации во многом определяется безопасностью баллона.

Известна конструкция многослойного сосуда высокого давления, содержащего внешнюю силовую оболочку из композиционных материалов и внутреннюю металлическую герметизирующую оболочку-лейнер (см. патенты США N 29888240, кл. 220-3, 1961 и N 3446385, кл. 220-3, 1969; последняя конструкция принята в качестве прототипа). Металлический лейнер выполняется в виде сварной оболочки, на которую производится намотка слоев композитной силовой оболочки.

Одним из основных недостатков конструкции является ее низкая надежность вследствие низкой усталостной прочности сварных швов. Указанный недостаток затрудняет применение таких сосудов давления в тех случаях, когда конструкция должна выдерживать большое число циклов нагружения (например, в автомобильных баллонах для сжатого газа).

Для устранения данного недостатка следует изменить конструкцию сосуда таким образом, чтобы при нагружении сосуда внутренним давлением зоны сварных швов не подвергались высоким нагрузкам.

Известна конструкция металлического сосуда давления, в которой сварные швы выполнены на специальных отбортовках соединяемой частей сосуда (см. патент США N 3987923, кл. 220-3, 1976). Однако такая конструкция не способна воспринимать высокое давление, поскольку в ней отсутствует силовая оболочка, а соединение отбортовок "раскрывается" при положении значительного внутреннего давления.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение надежности сосуда высокого давления путем повышения его прочности при многократном нагружении внутренним давлением за счет размещения сварных швов в зонах, не подверженных действию высоких напряжений.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемой конструкции металлический лейнер в зонах сварных швов выполнен в виде полости, открытой со стороны силовой оболочки и замкнутой с внутренней стороны сосуда, сварные швы расположены с внешней стороны полости, а полость заполнена эластичным материалом без зазоров между эластичным материалом, лейнером и внешней силовой оболочкой.

Выполнение металлического лейнера в зонах сварных швов в виде полости, открытой со стороны силовой оболочки и замкнутой с внутренней стороны сосуда, и расположение сварных швов на внешней оболочке лейнера позволяет разгрузить зону сварного шва при нагружении сосуда внутренним давлением. Заполнение полости эластичным материалом без зазоров между эластичным материалом лейнером и внешней силовой оболочкой позволяет избежать "раскрытия" стыка между свариваемыми частями лейнера при нагружении внутренним давлением.

Указанные признаки в их совокупности обеспечивают получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Кроме того, в частном случае выполнения заявленного устройства при усилении внешней силовой оболочки в зонах сварных швов дополнительными кольцевыми слоями может быть достигнут дополнительный технический результат, заключающийся в уменьшении напряжений и деформаций металлического лейнера в зонах сварных швов, приводящем к дополнительному увеличению прочности.

Представленные сведения иллюстрируют следующие фигуры:
фиг.1 общий вид предлагаемой конструкции сосуда;
фиг.2 схема выполнения зоны сварного шва;
фиг.3 и 4 варианты выполнения металлического лейнера;
фиг. 5 схема усиления внешней силовой оболочки в зонах сварных швов.

Возможность осуществления заявленного устройства подтверждается представленными фигурами, на которых цифрой 1 обозначена внешняя силовая оболочка из волокнистого композиционного материала, 2 металлический лейнер. В зоне сварного шва 3 металлический лейнер выполнен в виде полости, открытой со стороны силовой оболочки 1 и замкнутой с внутренней стороны сосуда. Полость образована внутренней оболочкой 4 и внешней оболочкой 5, при этом сварной шов расположен на внешней оболочке лейнера 5. Полость заполнена эластичным материалом 6 без зазоров между эластичным материалом, лейнером и внешней силовой оболочкой.

Изготовление заявленного устройства производится следующим образом. Предварительно изготовленные части металлического лейнера 7 и 8 сваривают сварным швом 3, при этом в зоне сварного шва образуется двойная оболочка 4 и 5. Затем вставляют эластичный элемент 6, выполненный из эластичного материала (например, резины) таким образом, чтобы внешний контур эластичного элемента в зоне контакта с металлическим лейнером повторял внутренний контур двойной оболочки металлического лейнера, а в зоне контакта с внешней силовой оболочкой требуемый внутренний контур силовой оболочки 9см.фиг.2). Затем производится намотка силовой оболочки из композиционного материала 1. Возникающее при намотке контактное давление на эластичный материал обеспечивает отсутствие зазоров между эластичным материалом, лейнером и внешней силовой оболочкой.

При работе заявленного устройство (т.е. при его циклическом нагружении внутренним давление) в силовой оболочке и металлическом лейнере возникают переменные напряжения. При этом зона сварного шва 3 оказывается разгруженной от действия больших напряжений, что обеспечивает достижение требуемого технического результата повышения надежности сосуда высокого давления путем повышения его прочности при многократном нагружении внутренним давлением.

Варианты лейнера с двумя сварными швами 9 и 10 показаны на фиг.3 и 4; в этом случае лейнер изготавливается из трех предварительно отформованных частей 11, 12 и 13. Внешняя силовая оболочка в зоне каждого сварного шва может быть усилена дополнительными кольцевыми слоями 14. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4

Использование: производство газовой аппаратуры, автотранспорт на газовом топливе. Сущность: сосуд содержит внешнюю силовую оболочку из волокнистого многослойного композиционного материала и внутренний металлический лайнер. В зонах сварных швов металлический лайнер выполнен с полостью, открытой со стороны силовой оболочки и замкнутой с внутренней стороны сосуда, сварные швы расположены с внешней стороны полости, а полость заполнена эластичным материалом без зазоров между эластичным материалом, лайнером и внешней силовой оболочкой. Внешняя силовая оболочка в зонах сварных швов может быть выполнена дополнительными кольцевыми слоями. Конструкция сосуда обеспечивает повышенную прочность его при многократном нагружении внутренним давлением за счет размещения сварных швов в зонах, не подверженных действию высоких напряжений. 1 з.п.ф. 5 ил.

1. Многослойный сосуд высокого давления для хранения сжатого газа, содержащий внешнюю силовую оболочку из волокнистого композиционного материала и внутренний сварной металлический лейнер, отличающийся тем, что металлический лейнер в зонах сварных швов выполнен с полостью, открытой со стороны силовой оболочки и замкнутой с внутренней стороны сосуда, сварные швы расположены с внешней стороны полости, а полость заполнена эластичным материалом без зазоров между эластичным материалом, лейнером и внешней силовой оболочкой. 2. Сосуд по п.1, отличающийся тем, что внешняя силовая оболочка в зонах сварных швов усилена дополнительными кольцевыми слоями.