АРМИРОВАННАЯ ТРУБА-ОБОЛОЧКА ДЛЯ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК F16L9/14 

Изобретение относится к трубам-оболочкам из композиционных материалов, в частности к армированным трубам-оболочкам для высокого давления, используемым в качестве несущих корпусных деталей, находящихся в условиях нагружения кратковременного воздействия избыточного давления высокотемпературного газового потока, например в корпусах РДТТ.

К трубам-оболочкам из композиционных материалов предъявляются повышенные требования по прочности, надежности и эффективности использования в условиях воздействия избыточного давления газового потока в составе двигателя, в напряженно-деформированном состоянии должны обеспечивать надежную работу, нести внешние нагрузки без разрушения составляющих их узлов и деталей.

Известна армированная труба-оболочка для сверхвысокого давления, содержащая силовой каркас из слоистого композиционного материала и фланцы, установленные по полюсным отверстиям днищ, скрепленные с каркасом по конгруэнтным профилированным поверхностям со ступенчато расположенными на них кольцевыми выступами (American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc. 1981, S. 341-348, Development of Thickwalled composite pressure vessels for Ultra-high internal pressure).

К недостаткам известной трубы-оболочки следует отнести неравномерное распределение армирующего материала в пределах кольцевого выступа каждой ступени и наличие за ними утонение слоев, разрушение каркаса в зоне полюсных отверстий из-за повышенной концентрации напряжений и выдавливание фланцев.

Известна также армированная труба-оболочка аналогичной конструкции, в которой в местах утонений предусмотрено изменение угла расположения армировки, введение усилений (патент США N 4438858, НКИ 220-3, 1984).

Известна также армированная труба-оболочка для сверхвысокого давления, содержащая силовой каркас из слоистого композиционного материала и фланцы, установленные по полюсным отверстиям днищ, скрепленные с каркасом конгруэнтными профилированными поверхностями со ступенчато расположенными на них кольцевыми выступами, находящимися в зацеплении с опорными кольцевыми поясками выпуклой и вогнутой кривизны (патент США N 4585136, НКИ 220-3, 1986).

В указанной армированной трубе-оболочке слои ее силового каркаса в каждой кольцевой канавке заканчиваются у соседнего кольцевого выступа, являются разнодлинными по сравнению со слоями в той же канавке у предыдущего кольцевого выступа, напряжения по ним перераспределяются неравномерно, возникают сдвиговые усилия, приводящие к расслоению слоистого каркаса и вырыву фланцев при нагружении трубы оболочки внутренним давлением.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является армированная труба-оболочка для высокого давления, содержащая силовой каркас из слоистого композиционного материала, фланцы, установленные по его концам, скрепленные с ним по конгруэнтным профилированным поверхностям, и внутреннее защитное покрытие (патент РФ 2096674, МПК F 16 L 9/12, 20.11.1997).

Труба-оболочка способна воспринимать сверхвысокие циклические давления при наличии на кольцевых выступах конических поясков. Однако для таких нагрузок эти трубы-оболочки обладают повышенной массой. Для давлений ниже сверхвысоких трубы-оболочки должны обладать меньшей массой, высокой прочностью и надежностью.

Основной задачей является создание армированной трубы-оболочки для высокого давления, при одноразовом использовании которой ее напряженно-деформированное состояние позволяло бы равномерно нагружать армирующий материал, исключая концентрацию напряжений, труба-оболочка меньше бы содержала профилированных элементов.

Техническим результатом от использования изобретения является повышение прочности, надежности трубы-оболочки и эффективное использование в ней армирующих материалов, снижение затрат на ее изготовление.

Основная задача решена и технический результат достигнут за счет изменения конструкции ее каркаса, фланцев, связей между ними и усовершенствования внутреннего защитного покрытия.

Для этого в армированной трубе-оболочке для высокого давления, содержащей силовой каркас из слоистого композиционного материала, фланцы, установленные по его концам, скрепленные с ним по конгруэнтным профилированным поверхностям, и внутреннее защитное покрытие, ее фланцы снабжены выполненными за одно целое с ними упругогибкими кольцевыми хвостовиками выпуклой кривизны, плавно сопряженными по наружным поверхностям с кольцевыми радиусными углублениями в основаниях фланцев, а внутреннее защитное покрытие - упругогибкими кольцевыми манжетами, выступающими в полость трубы-оболочки и перекрывающими торцы защитных вкладышей, установленных в центральных каналах фланцев, причем в кольцевых радиусных углублениях оснований фланцев установлены охватывающие их тонкостенные упругоэластичные кольцевые прокладки из резиноподобного материала, зафиксированные в них витками нитей композиционного материала силового каркаса. Фланец с наибольшим диаметром центрального канала выполнен с раструбным переходником с внутренней опорной поверхностью и торцевыми центровочными поясками. Каркас может быть выполнен в комбинации 2-3 слоев спирально перекрещивающихся высокомодульных нитей и 6-8 слоев высокомодульных нитей кольцевого направления. Каркас трубы-оболочки может быть выполнен из арамидных нитей, например нитей СВМ или Армос. Каркас трубы-оболочки выполнен длиной, равной 10-15 его диаметрам. По наружной поверхности каркас трубы-оболочки снабжен выполненными на ней, равномерно расположенными в параллельных плоскостях, опорными выступами. Каркас трубы-оболочки выполнен суженным по диаметру на его длине.

Отличительными особенностями армированной трубы-оболочки для высокого давления являются следующие признаки:
- снабжение фланцев трубы-оболочки выполненными с ними за одно целое упругогибкими кольцевыми хвостовиками выпуклой кривизны,
- плавное сопряжение упругогибких кольцевых хвостовиков по наружным поверхностям с кольцевыми радиусными углублениями в основаниях фланцев,
- снабжение внутреннего защитного покрытия упругогибкими кольцевыми манжетами, выступающими в полость трубы-оболочки,
- перекрытие кольцевыми манжетами торцев защитных вкладышей, установленных в центральных каналах фланцев,
- установка в кольцевых радиусных углублениях оснований фланцев охватывающих их тонкостенных упругоэластичных кольцевых прокладок из резиноподобного материала,
- фиксация кольцевых прокладок витками нитей композиционного материала силового каркаса,
- выполнение фланца с наибольшим диаметром центрального канала с раструбным переходником с внутренней опорной поверхностью и торцевыми центровочными поясками,
- выполнение силового каркаса в комбинации 2-3 слоев спирально перекрещивающихся нитей и 6-8 слоев нитей кольцевого направления,
- выполнение силового каркаса из арамидных нитей, например нитей СВМ или Армос,
- выполнение силового каркаса длиной, равной 10-15 его диаметрам,
- снабжение силового каркаса опорными выступами, равномерно расположенными на его наружной поверхности в параллельных плоскостях,
- выполнение силового каркаса суженным по диаметру на его длине.

Указанные отличительные признаки являются существенными, так как каждый из них в отдельности и совместно направлен на решение поставленной задачи и достижение нового технического результата, исключение какого-либо из них не позволяет решить поставленную задачу. Наличие упругогибких кольцевых хвостовиков выпуклой кривизны необходимо для эффективного взаимодействия фланцев с силовым каркасом трубы-оболочки в условиях напряженно-деформированного состояния при мгновенных кратковременных нагрузках высоким давлением, таким, например, как возникающим при работе РДТТ. Но этого недостаточно, необходимо чтобы упругогибкие кольцевые хвостовики были плавно сопряжены по наружной поверхности с кольцевыми углублениями в основаниях фланцев, в которой между армировкой и ими установлены упругоэластичные кольцевые прокладки, позволяющие упругий разворот фланцев относительно силового каркаса, отсутствие которых приведет к их защемлению и повышению концентрации напряжений в нитях силового каркаса и последующему его разрушению. Выступающие в полость трубы-оболочки упругогибкие кольцевые манжеты необходимы для перекрытия торцев защитных вкладышей, установленных в центральных отверстиях фланцев, и их защиты от прорыва газов в условиях напряженно-деформированного состояния силового каркаса и фланцев. Раструбный переходник во фланце необходим для установки облицовки с базированием ее по его внутренней поверхности. Наличие центровочных поясков на раструбном переходнике необходимо для повышения точности установки посадочными поверхностям управляющих элементов, что в совокупности повышает надежность работы соплового блока и РДТТ в целом. Наименьший вес трубы-оболочки достигается при выполнении ее силового каркаса в предложенном исполнении из высокомодульных нитей 2-3 слоев спирально-перекрестного армирования и 6-8 слоев нитей кольцевого направления, в частности из арамидных нитей типа СВМ или Армос. Наиболее эффективной является труба-оболочка при выполнении ее силового каркаса длиной, равной 10-15 его диаметрам, в этом случае армирующие нити могут быть уложены по равновесным траекториям без перенапряжения в слоях. Опорные выступы на силовом каркасе трубы-оболочки необходимы для ее центровки в пусковой трубе, выполнение их в параллельных плоскостях позволяет распределить силовые нагрузки, воздействующие на силовой каркас, стабилизировать ее положение при пуске. Выполнение силового каркаса суженным по диаметру на его длине необходимо для повышения прочности и надежности трубы-оболочки для восприятия максимальных осевых нагрузок, при силовом каркасе постоянного диаметра на всей длине труба-оболочка будет подвержена большему деформированию от осевых сжимающих нагрузок, что может привести к ее разрушению.

Указанные отличительные признаки являются не только существенными, но и новыми, так как их использование в известном уровне техники, аналогах и прототипе не обнаружено, что позволяет характеризовать предложенную совокупность признаков в предложенном техническом решении по армированной трубе-оболочке для высокого давления соответствием критерию "новизна".

Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными существенными признаками позволяет решить поставленную задачу по созданию армированной трубы-оболочки для высокого давления и достичь новый технический результат, выраженный в повышении ее прочности, надежности и эффективности, и характеризует новое техническое решение существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа. Новое техническое решение является результатом конструкторской разработки, опытно-экспериментальных исследований и творческого вклада, получено без использования каких-либо нормативов, стандартов или рекомендаций в данной области техники, в предложенной совокупности признаков соответствует критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами и сопутствующими краткими пояснениями.

На фиг. 1 представлен общий вид армированной трубы-оболочки для высокого давления, на фиг. 2 - силовой каркас трубы-оболочки из слоистого композиционного материала, на фиг. 3 - расположение фланца с меньшим центральным каналом в силовом каркасе трубы-оболочки и положение примыкающей к нему соответствующей упругогибкой кольцевой манжеты внутреннего защитного покрытия, на фиг. 4 -расположение фланца с большим центральным каналом в силовом каркасе трубы-оболочки с раструбным переходником и положение примыкающей к нему соответствующей упругогибкой кольцевой манжеты внутреннего защитного покрытия, на фиг. 5 - показ опорных выступов, равномерно расположенных на наружной поверхности силового каркаса трубы-оболочки.

Более подробное описание сущности нового технического решения состоит в следующем.

Армированная труба-оболочка для высокого давления содержит силовой каркас 1 из слоистого композиционного материала, фланцы 2 и 3, установленные по его концам, скрепленные с ним по конгруэнтным профилированным поверхностям 4, 5, и внутреннее защитное покрытие 6. Фланцы 2, 3 трубы-оболочки снабжены выполненными с ними за одно целое упругогибкими кольцевыми хвостовиками 7, 8 выпуклой кривизны, плавно сопряженными по наружным поверхностям 9, 10 с кольцевыми радиусными углублениями 11, 12 в их основаниях 13, 14. Внутреннее защитное покрытие 6 снабжено упругогибкими кольцевыми манжетами 15, 16, выступающими в полость 17 трубы-оболочки и перекрывающими торцы 18, 19 защитных вкладышей 20, 21, установленных в центральных каналах 22, 23 фланцев 2, 3. В кольцевых радиусных углублениях 11, 12 в основаниях 13, 14 фланцев 2, 3 установлены охватывающие их тонкостенные упругоэластичные кольцевые прокладки 24, 25 из резиноподобного материала, зафиксированные в них витками 26, 27 нитей композиционного материала силового каркаса 1. Фланец 3 с наибольшим диаметром центрального канала 23 выполнен с раструбным переходником 28 с внутренней опорной поверхностью 29 и торцевыми центровочными поясками 30 и 31. Силовой каркас 1 трубы-оболочки выполнен в комбинации 2-3 слоев 32 спирально перекрещивающихся высокомодульных нитей 33 и 6-8 слоев 34 высокомодульных нитей 35 кольцевого направления. Силовой каркас 1 может быть выполнен, в частности, из арамидных нитей СВМ или Армос. Силовой каркас 1 выполнен длиной, равной 10-15 его диаметрам. От фланца 3 к фланцу 2 силовой каркас 1 трубы-оболочки выполнен суженным по диаметру на его длине. На наружной поверхности 36 силового каркаса 1 выполнены опорные выступы 37, равномерно расположенные на ней в параллельных плоскостях. Силовой каркас 1 представляет собой цельнонамотанную конструкцию из нитей 33 и 35, скрепленных полимерным связующим.

Функционирование армированной трубы-оболочки для высокого давления заключается в снаряжении ее необходимыми деталями и узлами, восприятии нагрузок в условиях хранения, транспортировки и пуска РДТТ при соответствующих давлениях, температурах газового потока. При нахождении трубы-оболочки в напряженно-деформированном состоянии от нагрузок фланцы 2, 3 и внутреннее защитное покрытие 6 взаимодействуют с силовым каркасом 1. Упругогибкие кольцевые манжеты 15, 16 защищают фланцы 2, 3 и установленные в их центральных каналах 22, 23 защитные вкладыши 20, 21. Силовой каркас 1 воспринимает дополнительно осевые сжимающие нагрузки, приходящие со стороны внешних кольцевых выступов 38, 39 фланцев 2, 3.

На основе нового технического решения были изготовлены армированные трубы-оболочки для высокого давления и испытаны, результаты испытаний положительные.

В качестве армирующего материала использовались нити СВМ по ТУ 6-06-9-92-86, в качестве связующего - связующее на основе эпоксихлордиановой смолы ЭХД-МК по ТУ B-3-734-87. Внутреннее защитное покрытие изготовлялось из каландрованной резины 51-2185 по ТУ 38-105-16-92-85. Фланцы изготавливались из алюминиевого сплава B 95 T по ГОСТ 18482-79.

Армированная труба-оболочка для высокого давления воспроизводима промышленным способом.

Следует отметить, что могут быть различные варианты выполнения армированной трубы-оболочки для высокого давления в отношении формы, размеров и расположения отдельных элементов, если все это не выходит за пределы объема технического решения, изложенного в пунктах формулы.

Таким образом, новое техническое решение в совокупности предложенных признаков позволяет достичь новый технический результат в повышении прочности, надежности и эффективности армированной трубы-оболочки, характеризуется соответствием и критерию "промышленная применимость", т.е. уровню изобретения.

Изобретение относится к трубам-оболочкам. Фланцы трубы-оболочки снабжены выполненными за одно целое упругогибкими кольцевыми хвостовиками выпуклой кривизны, плавно сопряженными по наружным поверхностям с кольцевыми радиусными углублениями в основаниях фланцев. Внутреннее защитное покрытие снабжено упругогибкими кольцевыми манжетами, выступающими в полость трубы-оболочки и перекрывающими торцы защитных вкладышей, установленных в центральных каналах фланцев. В кольцевых радиусных углублениях оснований фланцев установлены охватывающие их тонкостенные упругоэластичные кольцевые прокладки из резиноподобного материала, зафиксированные в них витками нитей композиционного материала силового каркаса. В результате достигается повышение прочности и надежности трубы оболочки. 6 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Армированная труба-оболочка для высокого давления, содержащая силовой каркас из слоистого композиционного материала, фланцы, установленные по его концам, скрепленные с ним по конгруэнтным профилированным поверхностям, и внутреннее защитное покрытие, отличающаяся тем, что фланцы трубы-оболочки снабжены выполненными за одно целое упругогибкими кольцевыми хвостовиками выпуклой кривизны, плавно сопряженными по наружным поверхностям с кольцевыми радиусными углублениями в основаниях фланцев, а внутреннее защитное покрытие - упругогибкими кольцевыми манжетами, выступающими в полость трубы-оболочки и перекрывающими торцы защитных вкладышей, установленных в центральных каналах фланцев, причем в кольцевых радиусных углублениях оснований фланцев установлены охватывающие их тонкостенные упругоэластичные кольцевые прокладки из резиноподобного материала, зафиксированные в них витками нитей композиционного материала силового каркаса. 2. Труба-оболочка по п.1, отличающаяся тем, что фланец с наибольшим диаметром центрального канала выполнен с раструбным переходником с внутренней опорной поверхностью и торцевыми центровочными поясками. 3. Труба-оболочка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что ее каркас выполнен в комбинации 2 - 3 слоев спирально перекрещивающихся высокомодульных нитей и 6 - 8 слоев высокомодульных нитей кольцевого направления. 4. Труба-оболочка по пп.1 - 3, отличающаяся тем, что ее каркас выполнен из арамидных нитей, например нитей СВМ или Армос. 5. Труба-оболочка по пп.1 - 4, отличающаяся тем, что каркас трубы-оболочки выполнен длиной, равной 10 - 15 его диаметрам. 6. Труба-оболочка по пп.1 - 5, отличающаяся тем, что каркас снабжен опорными выступами, равномерно расположенными по его наружной поверхности в параллельных плоскостях. 7. Труба-оболочка по пп. 1 - 6, отличающаяся тем, что каркас выполнен суженным по диаметру на его длине.