БАЛЛОН ДЛЯ СЖАТОГО ГАЗА Российский патент 1998 года по МПК F16J12/00 F17C1/14 

Изобретение относится к конструкции сосудов, работающих под высоким давлением, в частности к баллонам высокого давления, предназначенных для хранения, транспортирования и использования сжатых газов (воздуха, аргона, азота и др. ). Баллоны для сжатых газов под высоким давлением являются устройствами, используемыми в различных областях народного хозяйства и техники и, в частности, могут найти применение в дыхательных аппаратах и аквалангах.

Основными требованиями, предъявляемыми к таким газовым баллонам, являются:
- эксплуатационная надежность при минимальных значениях весовых характеристик;
- длительность срока службы;
- коррозионностойкость по отношению к окружающей среде и хранимому в баллонах газу;
- низкая материалоемкость.

Конструкция отечественных баллонов определяется стандартами (например, ГОСТ 949-73 и др.) и представляет собой трубу с закатанными дном и горловиной, причем дно загерметизировано с помощью сварки. При этом толщина стенки к вершине дна горловины плавно увеличивается до 3-4 толщин стенки трубы.

Баллоны данной конструкции, принятые за аналог, выпускаются, например, Первоуральским металлургическим заводом.

Однако существующие конструкции газовых баллонов не обеспечивают достаточной эксплуатационной надежности (прочности) и длительного срока службы, что связано с их определенными конструктивными особенностями.

Наименее надежным элементом конструкции таких баллонов (по ГОСТ 949-73) является зона герметизации дна сваркой. Зона герметизации дна сварки характеризуется наличием сварочных дефектов, подвержена значительной коррозии и снижает срок службы баллонов.

Технология изготовления стандартных баллонов не позволяет получать оптимальные форму и соотношения радиусов и толщин цилиндрической части, дна и горловины.

Оптимальные прочностные характеристики баллонов при минимальном их весе могут быть достигнуты выбором соответствующей формы баллонов - это цилиндр с выпуклыми, приближающимися к полусфере дном и горловиной и толщиной стенок дна и горловины, приблизительно равной половине толщины стенки цилиндрической части, что не выполняется в конструкции рассматриваемых баллонов и приводит к снижению эксплуатационной надежности и увеличению весовых характеристик.

Рассматривая алюминиевые баллоны, также взятые за аналог, запатентованные во Франции (N2221685, 1974, б. N 46) и в Великобритании (N 1419317, 1975), отмечаем тот же недостаток, а именно неоптимальность формы баллонов и соотношений радиусов и толщин цилиндрического корпуса, дна и горловины.

Общими признаками с предлагаемым авторами баллоном является наличие цилиндрического корпуса с дном и горловиной.

Наиболее совершенной конструкцией является конструкция баллонов для сжатого газа фирмы "Faber", (Италия), принятый за прототип (Григорьев У.Г. и др. Газобаллонные автомобили. -М.: Машиностроение, 1989, с. 100-102).

Баллон представляет собой стальной штампованный из листа цилиндрический корпус со сплошным дном и закатанной горловиной. Толщина стенки цилиндра и сплошного дна одинакова. В такой конструкции отсутствует влияние герметизации дна сваркой, но тем не менее не оптимальны форма и соотношения толщин стенок цилиндра, дна и горловины.

Техническая задача, стоящая перед авторами предложенного баллона, состоит в создании долговечной конструкции баллона с высокой эксплуатационной надежностью при минимальном весе и увеличенном количестве запасаемого газа.

Сущность изобретения заключается в том, что баллон для сжатого газа, имеющий форму цилиндра с выпуклыми дном и горловиной в отличие от прототипа выполнен сварным из титанового сплава, причем максимальные радиусы кривизны наружных поверхностей дна R_д и горловины R_г, а также толщины дна δ_д и горловины δ_г соотносятся с радиусом наружной поверхности цилиндра R_ц и его толщиной δ_ц следующим образом:
R_д/R_ц=1...1,5,
R_г/R_ц=1...1,5,
δ_д/δ_ц= 0,45...0,75,
δ_г/δ_ц= 0,45...0,75.

Сварные швы могут быть обработаны изнутри заподлицо с поверхностью цилиндра.

Выбор толщины дна горловины по отношению к цилиндрической части в указанных пределах, а также выбор соответствующих радиусов цилиндра, дна и горловины приводит к практической равнопрочности цилиндра, дна и горловины, уменьшению веса и материалоемкости предлагаемого баллона.

Выполнение баллона из титанового сплава делает его коррозионностойким по отношению к окружающей среде, даже в морской воде, и экологически чистым в части хранимого в нем газа, что благоприятствует применению баллонов в качестве дыхательных аппаратов и аквалангов.

Использование титановых сплавов в баллонах высокого давления известно из патента Японии N1-26065, 1987, F 16 J 12/00.

Несмотря на известность использования титана как коррозионностойкого материала, применение его в сочетании с предложенными выбранными соотношениями толщин и радиусов дна, горловины и цилиндрической части баллона, изготовленного сваркой, позволило получить новый технический результат: равнопрочность конструкции, что влияет на длительность использования баллона под давлением, увеличение количества запасаемого в баллоне газа, уменьшение веса по сравнению с другими конструкциями соответствующих габаритов и уменьшение материалоемкости конструкции, а также возможность использования для хранения экологически чистых газов.

При нарушении выбранных соотношений, предложенных выше, технический результат не достигается.

Наличие отличительных от прототипа признаков говорит о соответствии критерию новизны конструкции предлагаемого баллона.

В подтверждение критерия промышленной применимости можно рассмотреть конструкции баллона на чертеже, где 1 - цилиндрическая часть, 2 - дно, 3 - горловина, R_д, R_ц, R_г - радиусы кривизны наружных поверхностей дна, цилиндра и горловины, δ_д,δ_ц,δ_г- толщины стенок дна, цилиндра и горловины. Баллон выполняется сварным и может состоять из 3-х (цилиндр, штампованные дно и горловина) или 2-х (штампованные цилиндрическая часть с дном и цилиндрическая часть с горловиной) частей.

По предлагаемому изобретению была разработана конструкторская документация, по которой были изготовлены опытные образцы баллонов с предложенными соотношениями.

Испытания подтвердили высокие прочностные, весовые и эксплуатационные характеристики баллонов.

Как показали испытания, в высокопрочных титановых баллонах увеличилось в 1,3 раза количество запасаемого газа по сравнению с прототипом аналогичных размеров.

Баллон предназначен для хранения, транспортировки и использования сжатых газов. Баллон выполнен сварным из титанового сплава. Максимальные радиусы кривизны наружных поверхностей дна (R_д) и горловины (R_г), а также толщины дна (δ_д) и горловины (δ_г) соотносятся с радиусом наружной поверхности цилиндра (R_ц) и его толщиной (δ_ц) следующим образом: R_д/R_ц=1-1,5, R_г/R_ц=1-1,5, δ_д/δ_ц = 0,45-0,75, δ_г/δ_ц = 0,45-0,75. В результате повышается долговечность и надежность конструкции баллона. 1 ил.

1. Баллон для сжатого газа, имеющий форму цилиндра с выпуклыми дном и горловиной, выполненными из титанового сплава, отличающийся тем, что баллон выполнен сварным, причем максимальные радиусы кривизны наружных поверхностей дна (R_д) и горловины (R_г), а также толщины дна (δ_д) и горловины (δ_г) соотносятся с радиусом наружной поверхности цилиндра (R_ц) и его толщиной (δ_ц) следующим образом: R_д/R_ц = 1 - 1,5, R_г/R_ц = 1 - 1,5, δ_д/δ_ц= 0,45 - 0,75, δ_г/δ_ц= 0,45 - 0,75. 2. Баллон по п.1, отличающийся тем, что сварные швы обработаны изнутри заподлицо с поверхностью цилиндра.