ЕМКОСТЬ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1998 года по МПК F17C1/06 B01J3/03 

Изобретение относится к машиностроению, более конкретно к изготовлению емкостей и сосудов высокого давления, и может быть использовано при проектировании и изготовлении емкостного оборудования, камер сгорания ракетных двигателей на твердом топливе, химических реакторов и других объектов техники.

В ряде отраслей техники на емкости кроме обычных эксплуатационных требований (высокая прочность, химическая защищенность и т.д.) накладываются дополнительные жесткие ограничения, такие как габаритные (в свободном и в нагруженном состоянии) или весовые. Это приводит к необходимости разработки прочных и жестких оболочек, имеющих максимальный объем при заданных габаритах. Требование по прочности и малому весу приводит к необходимости применения композиционных материалов.

Известны корпуса для изделий аэрокосмической техники, емкости и сосуды высокого давления из композиционных материалов (Устинов В.А., Бейдер Э.Я. Применение композиционных материалов с термопластичной матрицей. Технология. МНТС, серия Композиционные материалы, выпуск 1, 1991 г., Москва).

Такие конструкции, работающие на внутреннее давление, традиционно представляют собой оболочки типа "кокон". Конструктивно "кокон" исполняется в виде круговой цилиндрической оболочки с двумя равновесными днищами. Днища при этом выполняются достаточно большой высоты, достигающей 0,65 от радиуса цилиндрической оболочки, и компоновка оболочек (с такими высокими днищами) с соседними аналогичными оболочками или узлами затруднена. Кроме того, деформируемость таких днищ при нагружении оболочки внутренним давлением (эквидистантно исходному равновесному профилю) ограничивает возможность размещения на них элементов конструкции изделия или узлов химического реактора и тем повышает его габариты.

Таким образом, недостатками существующих конструкций оболочек при имеющих место габаритных ограничениях являются проблемы с компонованием в целое изделие из-за большой высоты днищ; деформируемость днищ по всей поверхности.

Наиболее близкой к заявляемой является конструкция емкости из композиционных материалов (Миткевич А.Б., Протасов В.Д. Равновесные стеклопластиковые баллоны давления минимальной массы при негеодезической намотке. Механика и полимеры, 1975, N 6, Рига, Зинанте). Однако, недостатки конструкции, указанные выше, прототипу сопутствуют в полной мере.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков при выполнении требований габаритных ограничений.

Указанная цель достигается тем, что днища выполняются с кольцевой гофрой выпуклостью наружу, увеличивающей начальный объем. Этим уменьшается высота днищ и преодолевается или, по крайней мере, уменьшается проблема компонования таких оболочек. Высота гофры не должна превышать величины деформации днищ при эксплуатационном давлении. Ширину гофры определяет ее синусоидальный профиль. Высота, ширина и профиль гофры выведены теоретически и подтверждены экспериментально.

На чертеже представлен эскиз предлагаемого технического решения, где, 1 - цилиндрическая оболочка, 2 - равновесная часть днища, 3 - неравновесная часть днища (кольцевая гофра), 4 - равновесная часть днища.

При нагружении такой оболочки внутренним давлением P₁ (штриховая линия) выявлен следующий эффект: днище вне кольцевой гофры зоны 2 и 4 деформируется, как и традиционная оболочка, эквидистантно исходному равновесному профилю, а в зоне выпуклости (неравновесная форма 3) не деформируется вовсе или деформируемость его понижена по отношению к соседнему равновесному участку. При дальнейшем нагружении оболочки давлением P₂ (штрихпунктирная линия) после выбора перемещающимся днищем высоты гофры деформирование его происходит эквидистантно уже не исходному, а получившемуся равновесному профилю, т.е. днище не "ощущает", что оно было неравновесным.

Если высота гофры больше предельного деформирования (перемещения) днища, то оно разрушается в этой зоне, приближаясь, но не достигая равновесного профиля.

Практика разработки оболочек в настоящее время такова, что они проектируются равновесными в свободном состоянии и остаются таковыми и в нагруженном состоянии; (после эквидистантного перемещения относительно исходного профиля). Во изменение традиционного подхода предлагается равновесную форму днищ обеспечивать не в исходном, а в нагруженном эксплуатационным давлением состоянии.

Такое днище по сравнению с традиционным позволяет повысить объем оболочки (емкости или сосуда), понизить деформируемость днища в кольцевой зоне, улучшить компонуемость оболочки с соседними вследствие более плоской формы днища.

Предлагаемое днище с кольцевыми выпуклостями (гофрами) проектируется, исходя из обеспечения равновесности их не в свободном состоянии, а при эксплуатационном (рабочем) давлении.

При эксплуатационном нагружении такая оболочка, деформируясь, достигает равновесного профиля. Цель разработчика состоит в том, чтобы определить величину (высоту, ширину) и положение этой гофры в ненагруженной оболочке.

Технологически обеспечивается это следующим образом: на оправке под равновесное днище делается кольцевой припуск, который сначала повторяется защитным покрытием, а затем и силовой оболочкой "кокона".

Таким образом, разработана и экспериментально исследована конструкция с выпуклыми наружу днищами, позволяющая повысить объем и компонуемость емкости и снизить ее деформируемость практически без увеличения массы.

Изобретение может быть использовано при проектировании и изготовлении емкостного оборудования, камер сгорания ракетных двигателей на твердом топливе, химических реакторов и других объектов техники, работающих в условиях жестких габаритных (в свободном и в нагруженном состоянии) и весовых ограничений. Сущность изобретения: днища пластикового корпуса выполняются с кольцевой гофрой выпуклостью наружу, увеличивающей начальный объем равновесного днища и улучшающей компонуемость с соседними агрегатами. При нагружении такой оболочки внутренним давлением днища вне зоны выпуклости деформируются как и традиционные - эквидистантно исходному профилю, а в зоне выпуклости не деформируются вовсе или деформируются существенно меньше по сравнению с соседними невыпуклыми зонами. Таким образом, неравновесное исходное днище при нагружении внутренним давлением приближается к равновесному, тем, самым эксплуатационные свойства корпуса не будут понижены. 1 ил.

Емкость высокого давления из композиционных материалов, содержащая цилиндрическую оболочку с днищами, отличающаяся тем, что на днищах выполнены кольцевые гофры синусоидального профиля выпуклостью наружу высотой, не превышающей деформируемость днища при эксплуатационном давлении.