КОМБИНИРОВАННЫЙ БАЛЛОН ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F17C1/06 F17C1/16 F16J12/00 

Изобретение относится к технике высокого давления может быть использовано при создании сосудов высокого давления, например газотопливных баллонов.

В технике известны сосуды высокого давления, изготовленные из металла, композиционных материалов и комбинированные.

Сосуды высокого давления из композиционных материалов имеют, как правило, силовую оболочку, выполненную из слоев волокнистого композиционного материала, намотанных по кольцу, по спирали или иначе и герметизирующую оболочку, выполненную с зазором или без по отношению к силовой оболочке. Герметизирующая оболочка может быть выполнена из металла или эластичного пластического материала. С торцов сосуды из композиционных материалов закрывают днищами, места соединений дополнительно герметизируют различными средствами (см. патенты РФ N 2051307, 2051308).

Так, например, баллон высокого давления по заявке РФ N 92010460/26 содержит емкость из полимерного материала, на торцах которой установлены металлические накладки в виде частей сфер. На поверхности баллона размещена намотка армирующего волокна. В соосных отверстиях, выполненных в торце емкости и в накладке, размещена горловина с фланцем. Между фланцем и емкостью установлена прокладка, дополнительно поджимаемая прижимной гайкой. Отверстие в накладке выполнено с отбортовкой, на которую надета шайба. Фиксирующим механизмом служит стопорная шайба с выступом, контактирующим с продольным пазом на горловине.

Несмотря на то, что целью данного изобретения было упрощение конструкции, по сравнению с предлагаемым техническим решением конструкция сложна из-за наличия большого количества конструктивных элементов. Кроме того, высока трудоемкость обмотки баллона по наружным цилиндрической и сферическим поверхностям, а главное - невозможно обеспечить работоспособность баллона при рабочих давлениях 10,0-25.0 МПа.

Известен усиленный волокном сосуд для газов высокого давления по патенту США N 4588622, который имеет внешнюю облицовку, состоящую из центральной цилиндрической части с двумя осевыми концами, первой и второй торцевых куполообразных частей, замыкающих концы цилиндрической части и первого и второго переходных участков, причем первый и второй переходные участки расположены между первым и вторым осевым концом цилиндрической части и первой и второй торцевой куполообразной частью соответственно. Усиливающий слой этого сосуда состоит из нескольких слоев: цилиндрического внутреннего слоя, имеющего в основном одинаковую толщину, и первый и второй открытые осевые концы, копланарные с первым и вторым осевым концом цилиндрической части; цилиндрического внешнего слоя между внутренним слоем и внешней облицовкой, края которого скошены (причем скос выполнен радиально наружу над первым и вторым осевыми концами) по отношению к внутреннему слою усиленного участка с целью усиления первого и второго переходных участков внешней облицовки.

Недостатками данного технического решения являются большая масса сосуда, сложность его конструкции и очень высокая трудоемкость изготовления, связанная с необходимостью последовательной намотки внутреннего и внешнего усиливающих слоев и монтажа внешней облицовки.

Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является баллон давления из композиционных материалов по патенту РФ N 2049289, состоящий из днища и обечайки, скрепленных между собой. Отличительными признаками этого баллона является то, что днище выполнено в виде втулки с кольцевой тороидальной впадиной, сопряженной с внутренней поверхностью обечайки, которая в зоне соединения с днищем снабжена равномерно расположенными продольными прорезями, при этом форма прорезей соответствует поверхности впадины, а на наружной поверхности обечайки в зоне установки днища выполнено методом намотки композиционное кольцо.

Основным недостатком данной конструкции является недостаточная прочность узла соединения днищ и обечайки. При высоких давлениях (рабочее - 10-25 МПа, испытательное - 50-55 МПа) такая конструкция неработоспособна даже при оптимальных механических характеристиках композита. Кроме того, предлагаемое техническое решение приводит к уменьшению внутренних размеров и полезного объема баллона, увеличению массы днищ, требует сложной технологии изготовления.

Задачей настоящего изобретения является создание комбинированного баллона с высокой прочностью, эксплуатационной надежностью и одновременно технологичного при серийном производстве.

Поставленная задача решается предлагаемой конструкцией комбинированного баллона высокого давления, который состоит из скрепленных между собой обечайки из композиционного материала и днищ, причем днища выполнены металлическими, имеют цилиндросферическую форму и соединены с обечайкой с помощью ленточной резьбы, выполненной на внутренней поверхности цилиндрической части днищ и наружной поверхности обечайки, причем на торцах днищ со стороны в зоне окончания резьб выполнены кольцевые канавки, в которых защемлены торцы обечайки и установлены уплотнительные кольца из эластичного материала.

Предлагаемая конструкция отличается от прототипа иным выполнением днищ и иным выполнением соединения днищ с обечайкой. Днище прототипа выполнено в виде втулки с кольцевой тороидальной впадиной, а в предлагаемом техническом решении днища имеют цилиндросферическую форму. Соединение днищ с обечайкой в прототипе осуществлено с помощью кольцевой тороидальной впадины, сопряженной с внутренней поверхностью обечайки, которая в зоне соединения с днищем снабжена равномерно расположенными продольными прорезями, форма которых соответствует поверхности впадины; предлагаемое решение предлагает осуществить соединение днищ с обечайкой путем специальной ленточной резьбы, нанесенной на внутреннюю поверхность цилиндрической части и внешнюю поверхность обечайки. Таким образом, предлагаемая конструкция значительно отличается от прототипа, что соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом показало, что в технике известны конструкции комбинированных баллонов, в которых обечайка выполнена из композиционного материала, а днища - металлическими. Однако известные конструкции не позволяют обеспечить работоспособность сосуда при давлениях до 50 МПа.

И только в результате экспериментального изучения поведения композиционных материалов и металла в процессе нагружения сосудов давлением удалось создать комбинированный баллон высокого давления прочный, надежный в эксплуатации и технологичный. Настоящее техническое решение предлагает цилиндросферические металлические днища соединить с обечайкой с помощью специальной ленточной резьбы, а дополнительно к резьбе на внутренней поверхности металлического днища сделать канавку, имеющую в сечении форму прямоугольной трапеции, в которую устанавливается уплотнительное кольцо из эластичного материала, например резины. Кольцевая канавка при сборке днищ с обечайкой защемляет торцы обечайки и не позволяет им при воздействии внутреннего давления деформироваться внутрь. Этим обеспечивается совместность работы днищ и обечайки и нераскрытие резьбового соединения (стыка) металл - композит, что повышает прочность и эксплуатационную надежность баллона. Параметры резьбы определяются из соотношений
t = (0,7-0,15)D_вн,
S_днS_об=(1,1-1,6)τ_об/τ_дн,
где
D_вн - внутренний диаметр;
t - шаг резьбы;
S_дн - ширина витка резьбы на днище;
S_об - ширина витка резьбы на обечайке;
τ_об- предел прочности на сдвиг материала обечайки;
τ_дн- предел прочности на сдвиг материала днищ.

Таким образом, именно предлагаемая совокупность признаков технического решения позволяет получить требуемый технический результат. Такая совокупность признаков непосредственно из уровня техники не вытекает и не была очевидной для специалистов, хотя проблема повышения прочности сосудов высокого давления существует давно, что позволяет считать предлагаемое техническое решение соответствующим критерию "изобретательский уровень".

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлен пример конкретного выполнения комбинированного баллона высокого давления в продольном разрезе. На чертеже приняты следующие обозначения: 1 - обечайка; 2 - днище; 3 - резьба; 4 - кольцевая канавка; 5 - уплотнительное кольцо.

На композитную обечайку (1) с обоих торцов навинчивают металлические цилиндросферические днища (2), при их навинчивании торцы обечайки попадают в кольцевые канавки (4) и защемляются, а установленные в канавках (4) уплотнительные кольца (5) деформируются, в результате чего обеспечивается герметизация узла соединения и повышение его прочности. Для большей надежности и прочности соединения на резьбовые поверхности обечайки и днищ может быть нанесен эпоксидно-каучуковый компаунд или герметик.

Конструкция работает следующим образом: через резьбовой наконечник, находящийся в днище баллона, внутрь баллона закачивается газ под рабочим давлением порядка 200 атм, расходование газа осуществляется по мере необходимости, постепенное расходование газа обеспечивается предохранительным устройством и запорной арматурой.

Создание предлагаемого комбинированного баллона высокого давления позволило добиться повышения прочности баллона и эксплуатационной надежности в сочетании с высокой технологичностью их производства, т.к. технологический процесс намотки обечайки и соединения с ней днищ имеет высокую производительность. Технические приемы и способы, которыми изготавливают обечайку и днища, в технике известны, материалы, из которых изготавливается баллон, имеются в продаже, поэтому изготовление комбинированного баллона высокого давления не вызовет затруднений, что соответствует критерию "промышленная применимость".

Изобретение относится к технике высокого давления и может быть использовано при создании сосудов высокого давления, например газотопливных баллонов. Комбинированный баллон высокого давления состоит из скрепленных между собой обечайки из композиционного материала и днищ. При этом днища выполнены металлическими, имеют цилиндросферическую форму и соединены с обечайкой с помощью ленточной резьбы, выполненной на внутренней поверхности цилиндрической части днищ и наружной поверхности обечайки, а на торцах днищ со стороны обечайки в зоне окончания резьб выполнены кольцевые канавки, в которых защемлены торцы обечайки и установлены уплотнительные кольца из эластичного материала. Предложенная конструкция комбинированного баллона высокого давления обладает повышенной прочностью, надежностью в эксплуатации и высокой технологичностью при изготовлении. 1 ил.

Комбинированный баллон высокого давления, состоящий из скрепленных между собой обечайки из композиционного материала и днищ, отличающийся тем, что днища выполнены металлическими, имеют цилиндросферическую форму и соединены с обечайкой с помощью ленточной резьбы, выполненной на внутренней поверхности цилиндрической части днищ и наружной поверхности обечайки, при этом на торцах днищ со стороны обечайки в зоне окончания резьб выполнены кольцевые канавки, в которых защемлены торцы обечайки и установлены уплотнительные кольца из эластичного материала.