КОМБИНИРОВАННЫЙ БАЛЛОН ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F17C1/16 

Изобретение относится к производству изделий из полимерных композиционных материалов, а именно к изготовлению баллонов высокого давления для хранения газов, применяемых в различных отраслях промышленности: химической, нефтехимической, автомобильной и т.п.

Особенностью баллонов, работающих под давлением длительное время, является требование сохранения ими герметичности. Существующие в настоящее время композиционные материалы с полимерной матрицей обладают достаточно большой проницаемостью и требуют введения герметизирующего слоя из различных материалов резины, термопластов и т.д. Используемые способы герметизации не всегда соответствуют предъявляемым требованиям. В частности, резиновый герметизирующий слой или слой специального герметика с течением времени теряют герметичность вследствие старения; слой термопласта можно использовать в сравнительно узком диапазоне температур. Одним из перспективных путей обеспечения герметичности является введение несущего металлического слоя, обладающего малой проницаемостью и позволяющего использовать металлическую оболочку в качестве технологической оправки при изготовлении баллона высокого давления. Баллоны, состоящие из внутреннего изотропного слоя и наружного армированного, получили название комбинированных.

Из предшествующего уровня техники известен комбинированный баллон высокого давления (И.Ф. Образцов, В.В. Васильев и В.А. Буланов, Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционных материалов, М. "Машиностроение", 1977, с.128), содержащий тонкостенную металлическую оболочку, снабженную по торцам двумя соосно расположенными фланцами и покрытую трехслойной оболочкой из композиционного волокнистого материала, при этом слои силовой оболочки сформированы спиральной намоткой волокнистого материала под неровными углами.

Недостаток этого баллона заключается в том, что силовая оболочка не является равнопрочной, поскольку, хотя спиральная намотка цилиндрической части совмещена с замоткой днищ, однако полная замотка днищ обеспечивается только при формировании первого слоя. Кроме того, изготовление известного баллона сопряжено с необходимостью использования сложного, дорогостоящего оборудования и большими трудозатратами, что приводит к увеличению его стоимости.

Известен также комбинированный баллон высокого давления, взятый в качестве прототипа (заявка ФРГ N 3821852, кл. F 17 С 1/02, 1988), содержащий герметичную (металлическую) цилиндрическую оболочку, снабженную полусферическими или эллиптическими днищами с полюсными бобышками и покрытую двухслойной силовой оболочкой из композиционного волокнистого материала, причем внешний слой силовой оболочки расположен в пределах цилиндрического участка продольного каркаса и сформирован намоткой волокнистого материала. Продольный же каркас силовой оболочки сформирован путем продольной намотки волокнистого материала с одновременной замоткой днищ.

Недостаток этого баллона заключается в том, что при его изготовлении необходимо использовать сложное оборудование (устройство для продольной намотки), что приводит к существенному увеличению его стоимости. Кроме того, у известного баллона силовая оболочка на днищах ослаблена в поперечном направлении в кольцевых зонах, расположенных между краями внешнего слоя силовой оболочки и полюсными областями. Но именно в этих зонах возникают значительные поперечные деформации при испытаниях баллона циклическим нагружением внутренним давлением.

В основу изобретения поставлена задача разработать комбинированный баллон высокого давления с такой силовой оболочкой, конструктивное выполнение которой обеспечило бы при существенном упрощении процесса изготовления равнопрочность силовой оболочки как в продольном, так и в поперечном направлениях, что позволило бы улучшить эксплуатационные качества баллона при одновременном снижении его стоимости.

Задача решена тем, что комбинированный баллон высокого давления, содержащий герметичную цилиндрическую оболочку, снабженную полусферическими или эллиптическими днищами с полюсными бобышками и покрытую силовой оболочкой из композиционного волокнистого материала, причем внешний слой силовой оболочки расположен в пределах цилиндрического участка продольного каркаса силовой оболочки и сформирован окружной намоткой волокнистого материала, согласно изобретению, дополнительно на поверхность каждого днища соосно цилиндрической оболочке и вплотную друг к другу уложены кольца, выполненные из мотков волокнистого композиционного материала и имеющие профиль образованной к днищу поверхности, повторяющий профиль соответствующего кольцевого участка внешней поверхности днища, продольный каркас силовой оболочки выполнен из n пар замкнутых элементов, каждый из которых выполнен по крайней мере из одного мотка волокнистого композиционного материала и включает два прямолинейных участка, концы которых попарно сопряжены между собой криволинейными участками, расположенными в плоскостях, повернутых в одну и туже сторону относительно плоскости, в которой расположены прямолинейные участки соответственно на угол Φ и 180^° - Φ прямолинейные участки каждой пары замкнутых элементов расположены вплотную друг к другу на поверхности цилиндрической оболочки, параллельно ее оси и симметрично относительно соответствующей диаметральной плоскости, а криволинейные участки каждой смежной пары замкнутых элементов расположены поверх колец, по разные стороны относительно бобышек и касаются их в диаметрально противоположных точках.

Такое выполнение комбинированного баллона высокого давления обеспечивает упрощение процесса изготовления большей части элементов силовой оболочки: колец и замкнутых элементов. Действительно, для изготовления колец и замкнутых элементов используется простое намоточное оборудование, предназначенное для изготовления мотков волокнистого композиционного материала, а не сложное оборудование для намотки волокнистого композиционного материала на герметичную оболочку. Кроме того, наличие колец на поверхности каждого днища, расположенных соосно цилиндрической оболочке вплотную друг к другу и зафиксированных посредством криволинейных участков замкнутых элементов, обеспечивает высокую прочность баллона в поперечном направлении не только в пределах цилиндрической оболочки, но и его днищ равнопрочность в поперечном направлении по всей длине баллона. Предложенное выполнение продольного каркаса обеспечивает не только изготовления баллона, а следовательно, и снижение его стоимости, но и высокие прочностные параметры в продольном направлении поскольку смещению замкнутых элементов друг относительно друга препятствует размещение криволинейных участков каждой смежной пары замкнутых элементов по разные стороны относительно бобышек так, что они касаются бобышек в диаметрально противоположных точках.

На фиг. 1 изображен частичный продольный разрез комбинированного баллона высокого давления; на фиг. 2 схема укладки пары замкнутых элементов (кольца не показаны).

Комбинированный баллон высокого давления содержит тонкостенную герметичную цилиндрическую оболочку 1 полусферическими днищами 2, бобышками 3 и силовую оболочку из композиционного волокнистого материала. Силовая оболочка включает кольца 4, выполненные из мотков волокнистого композиционного материала, продольный каркас 5 и внешний слой 6, который сформирован окружной намоткой композиционного волокнистого материала в пределах цилиндрического участка продольного каркаса 5. Кольца 4 расположены на поверхности днищ 2 вплотную друг к другу и соосно цилиндрической оболочке 1. Обращенные к соответствующему днищу 2 поверхности колец 4 имеет профиль, повторяющий профиль соответствующего кольцевого участка внешней поверхности днища. В результате обеспечивается плотное прилегание колец 4 к поверхности соответствующего днища.

Продольный каркас 5 силовой оболочки (фиг.2) выполнен из n-пар замкнутых элементов, 7^I, 7^II, которые сформированы из одного или нескольких мотков волокнистого композиционного материала. Каждый замкнутый элемент 7i (где i 1, 2, 2n), включает два параллельных прямолинейных участка 8ⁱ, 9ⁱ, концы которых сопряжены между собой криволинейными участками 10ⁱ и 11ⁱ, которые расположены в плоскостях 12ⁱ и 13ⁱ, повернутых в одну и ту же сторону относительно плоскости, в которой расположены прямолинейные участки 8ⁱ и 9ⁱ, соответственно на угол v и 180^° - Φ
Прямолинейные участки каждой пары (на фиг.2 8' и 8'', 9' и 9'') замкнутых элементов расположенных вплотную друг к другу на поверхности цилиндрической оболочки 1 параллельно оси и симметрично относительно соответствующей диаметральной плоскости 14. Криволинейные же участки каждой пары замкнутых элементов (на фиг.2 10' и 10'', 11' и 11'') размещены поверх колец 4 (не показаны) по разные стороны соответствующих бобышек 3 касаются их в диаметрально противоположных точках.

Устройство работает следующим образом.

При подаче под давлением рабочей среды в полость герметичной оболочки поперечные усилия воспринимаются в цилиндрической части внешнем слоем 6 силовой оболочки, а на днищах кольцами 4 и криволинейными участками 10ⁱ и 11ⁱ замкнутых элементов 7ⁱ. Продольные нагрузки на силовую оболочку как в ее цилиндрической части, так и на днищах воспринимаются замкнутыми элементами 7ⁱ, составляющим продольный каркас 5. При этом, хотя каждый замкнутый элемент 7ⁱ расположен в трех плоскостях (фиг.2), соскальзывание его с днищ 2 не происходит поскольку, во первых, угол v выбирается достаточно малым (соизмеримым с углом трения покоя волокнистого материала относительно материала тонкостенной герметичной оболочки, которая предпочтительно выполняется из металла). Во-вторых, сдвиговые усилия, действующие на прямолинейные участки 8' и 9' одного элемента 7', уравновешиваются сдвиговыми усилиями, действующими в противоположном направлении на прямолинейном участке 8'' и 9'' другого смежного с ним замкнутого 7'' соответствующей пары. В третьих поверх продольного каркаса 5 расположен слой 6, сформированный окружной намоткой.

Использование изобретения позволяет упростить изготовление и снизить стоимость комбинированного баллона высокого давления с одновременным обеспечением его равнопрочности.

Сущность изобретения: комбинированный баллон высокого давления содержит герметичную цилиндрическую оболочку, снабженную полусферическими или эллиптическими днищами с полюсными бобышками. На поверхности каждого днища соосно цилиндрической оболочке и вплотную друг к другу уложены кольца из мотков волокнистого композиционного материала. На поверхности цилиндрической оболочки и поверх колец размещен продольный каркас силовой оболочки, который выполнен из n пар замкнутых элементов. Каждый замкнутый элемент выполнен из мотков волокнистого композиционного материала и включает два параллельных участка, концы которых попарно сопряжены между собой криволинейными участками. Прямолинейные участки пары замкнутых элементов расположены вплотную друг к другу на поверхности цилиндрической оболочки, параллельно ее оси и симметрично относительно соответствующей диаметральной плоскости. Криволинейные участки каждой смежной пары замкнутых элементов размещены поверх колец и по разные стороны относительно бобышек и касаются их в диаметрально противоположных точках. Поверх цилиндрического участка продольного каркаса расположен верхний слой силовой оболочки, который сформирован окружной намоткой композиционного волокнистого материала. 2 ил.

Комбинированный баллон высокого давления, содержащий герметичную цилиндрическую оболочку, снабженную полусферическими или эллиптическими днищами с полюсными бобышками и покрытую силовой оболочкой из композиционного волокнистого материала, причем внешний слой силовой оболочки расположен в пределах цилиндрического участка продольного каркаса силовой оболочки и сформирован окружной намоткой волокнистого материала, отличающийся тем, что дополнительно на поверхность каждого днища соосно c цилиндрической оболочкой и вплотную друг к другу уложены кольца, выполненные из мотков волокнистого композиционного материала и имеющие профиль обращенной к днищу поверхности, повторяющий профиль соответствующего кольцевого участка внешней поверхности днища, продольный каркас силовой оболочки выполнен из n пар замкнутых элементов, каждый из которых выполнен по крайней мере из одного мотка волокнистого композиционного материала и включает два прямолинейных параллельных участка, концы которых попарно сопряжены между собой криволинейными участками, расположенными в плоскостях, повернутых в одну и ту же сторону относительно плоскости, в которой расположены прямолинейные участки, соответственно на угол Φ и 180^°-Φ , прямолинейные участки каждой пары замкнутых элементов расположены вплотную друг к другу на поверхности цилиндрической оболочки, параллельно ее оси и симметрично относительно соответствующей диаметральной плоскости, а криволинейные участки каждой смежной пары замкнутых элементов размещены поверх колец, по разные стороны относительно бобышек и касаются их в диаметрально противоположных точках.