КОРПУС ДЛЯ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2001 года по МПК F16L9/12 

Изобретение относится к трубам-оболочкам из композиционных материалов, в частности к армированным трубам-оболочкам для высокого давления, предназначенных для обеспечения надежного функционирования в условиях напряженно-деформированного состояния от воздействующих нагрузок и предохранения от влияния окружающей среды и температурных факторов на размещенную в корпусных трубчатых изделиях рабочую среду, баллонах высокого давления.

Известен корпус для высокого давления из композиционных материалов, содержащий цилиндрическую оболочку с установленной на ней на податливых прокладках поясами-шпангоутами с внутренними кольцевыми элементами, концентрично сопряженными с оболочкой конгруэнтными радиально-меридианальными сужениями их поверхностей (патент РФ N 2113648, МПК⁶ F 16 L 9/12, 1997).

Известна армированная труба-оболочка для высокого давления с поясами-шпангоутами, установленными на ней на податливых прокладках (авторское свидетельство СССР N 901695, МПК⁴ F 16 L 9/12, 1982).

Известна также труба, содержащая внутренний слой из жесткого термопластичного материала, наружный слой из стеклопластика и наружные кольца ребра жесткости. Во внутреннем слое под каждым из ребер жесткости предусмотрена установка кольцевых вставок из мягкого термопластичного материала (авторское свидетельство СССР N 1054623, МПК⁴ F 16 L 9/12, 1983).

К недостаткам конструкций известных решений следует отнести наличие концентрации напряжений в зонах перехода от поясов-шпангоутов к оболочке, прерывистость слоев материала оболочки со слоями поясов-шпангоутов в зоне их контакта, особенно между внутренним кольцевым элементом и оболочкой, как показано в корпусе для высокого давления по патенту РФ N 2113648, не исключается образование кольцевых гофр в оболочке при термообработке. Отслаивание поясов-шпангоутов при повышенных избыточных давлениях, начиная с опрессовочных давлений, что снижает качество и надежность изделий.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является корпус для высокого давления из композиционных материалов по патенту РФ N 2113648.

Основной задачей изобретения является создание корпуса для высокого давления из композиционных материалов, у которого диаметральные размеры поясов-шпангоутов не превышали бы значительно наибольший диаметр цилиндрической оболочки, корпус обладал бы наименьшей массой.

Технический результат от использования изобретения заключается в повышении прочности и надежности конструкции при достижении наименьшей массы изделия.

Основная задача решена и технический результат достигнут за счет изменения конструкции корпуса в зоне сопряжения внутреннего кольцевого элемента с оболочкой, характеризуемой радиально-меридианальными сужениями их поверхностей.

Для этого в корпусе для высокого давления из композиционных материалов, содержащем цилиндрическую оболочку с установленными на ней на податливых прокладках поясами-шпангоутами с внутренними кольцевыми элементами, концентрично сопряженными с оболочкой конгруэнтными радиально-меридианальными сужениями их поверхностей, внутренние кольцевые элементы поясов-шпангоутов снабжены концевыми тонкостенными поясками с внутренними коническими поверхностями, а оболочка по местам сопряжения с ними - поясками с наружными коническими поверхностями, с наклоном их образующих от цилиндрической поверхности оболочки под углом к ней, равным 1-3,5^o, и длиной в аксиальном направлении, равной 0,05-0,15 радиуса кривизны оболочки на цилиндрической поверхности, внутренние кольцевые элементы зафиксированы по наружной поверхности с перекрытием концевых поясков и заходом на цилиндрическую поверхность оболочки тканым сетчатым материалом, ориентированным нитями основы в окружном, а нитями утка - в аксиальным направлении, скрепленными между собой и поясами-шпангоутами клеевым составом. Концевые пояски внутренних кольцевых элементов могут быть выполнены с толщиной кромок, равной 0,2-0,8 мм. В концевых поясках могут быть выполнены аксиальные прорези, перекрытые тканым сетчатым материалом. Во внутренних кольцевых элементах могут быть выполнены кольцевые поднутрения. Внутренние кольцевые элементы с концевыми поясками могут быть изготовлены как закладные детали попарным изготовлением на специальной оправке с последующим разделением на две части. Внутренние кольцевые элементы могут быть скреплены с поясами-шпангоутами стержневыми элементами, например заклепками.

Отличительными особенностями корпуса для высокого давления из композиционных материалов являются следующие признаки:
- снабжение внутренних кольцевых элементов поясов-шпангоутов концевыми тонкостенными поясками с внутренними коническими поверхностями,
- снабжение оболочки по местам сопряжения с внутренними кольцевыми элементами поясов-шпангоутов с наружными коническими поверхностями, наклон конических поверхностей образующими от цилиндрической поверхности оболочки под углом к ней, равным 1-3,5^o,
- длина поясков с коническими поверхностями в аксиальном направлении, равная 0,05-0,15 радиуса кривизны оболочки на цилиндрической поверхности,
- скрепление внутренних кольцевых поясков с оболочкой посредством фиксации их по наружным поверхностям с перекрытием концевых поясков и заходом на цилиндрическую поверхность оболочки тканым сетчатым материалом, ориентированным нитями основы в окружном, а нитями утка - в аксиальном направлении,
- скрепление внутренних кольцевых поясков с оболочкой по местам сопряжения с ней фиксирующим тканым сетчатым материалом и поясами-шпангоутами клеевым составом,
- выполнение концевых поясков внутренних кольцевых элементов с толщиной кромок, равной 0,2-0,8 мм,
- выполнение в концевых поясках внутренних кольцевых элементов аксиальных прорезей, перекрытых тканым сетчатым материалом,
- выполнение во внутренних кольцевых элементах кольцевых поднутрений,
- выполнение внутренних кольцевых элементов как закладных деталей, выполненных с возможностью попарного изготовления на специальной оправке, с последующим их разделением на две части,
- дополнительное скрепление внутренних кольцевых элементов с поясами-шпангоутами стержневыми элементами, например заклепками.

Указанные отличительные признаки корпуса для высокого давления из композиционных материалов являются существенными, так как каждый из них в отдельности и совместно направлен на решение поставленной задачи в достижение нового технического результата. В корпусе для высокого давления из композиционных материалов по прототипу внутренний кольцевой элемент сопряжен с оболочкой конгруэнтными радиально-меридианальными сужающимися к оси симметрии поверхностями так, что его концевая часть находится между поясом-шпангоутом и оболочкой. Для корпуса с поверхностями малой кривизны, находящимися под высоким избыточным давлением, такое технической решение обеспечивало высокую прочность и надежность конструкции. Однако в корпусах с поверхностями большой кривизны такого решения оказывается недостаточно. При действии высокого избыточного давления оболочка корпуса деформируется и принимает форму, подобную бочкообразной. В результате этого происходит раскрытия стыка по месту сопряжения внутреннего кольцевого элемента с оболочкой и срыв с нее пояса-шпангоута. Чтобы не происходило такого явления и не было разрушения, предложено снабдить внутренние кольцевые элементы концевыми тонкостенными поясками с внутренними коническим поверхностями, а оболочку сопряжения с ними - поясками с наружными коническими поверхностями и зафиксировать внутренние кольцевые элементы на наружной поверхности с перекрытием концевого пояска и заходом на цилиндрическую поверхность оболочки, скрепить их между собой и с поясами-шпангоутами клеевым составом, что позволяет закрепить концевые пояски кольцевых элементов и сами внутренние кольцевые элементы с высокой прочностью и надежностью. При малых углах наклона образующих конических поверхностей, равных 1-3,5^o, и определенной длине поясков, равной 0,05-0,15 радиуса кривизны оболочки, обеспечивается полная передача нагрузки, приходящаяся на указанную зону сопряжения, от оболочки на пояса-шпангоуты без их существенного разворота в аксиальном направлении и срыва, стыки не раскрываются. Реализация такой новой концепции позволяет производить высококачественные и высоконадежные корпуса для высокого давления из композиционных материалов. Предложенное техническое решение позволяет уменьшить наружный диаметр поясов-шпангоутов и снизить массу корпуса. Выполнение концевых поясков внутренних кольцевых элементов с толщиной кромок 0,2-0,8 мм исключает ступенчатость слоев и исключается образование кольцевых гофр. Выполнение поднутрений во внутренних кольцевых элементах также способствует уменьшению массы корпуса. Внутренние кольцевые элементы могут быть изготовлены заранее попарно на специальной оправке с последующим их разделением на две части, что повышает точность изготовления корпуса, а также скреплены с поясами-шпангоутами стержневыми элементами, что повышает надежность корпуса.

Указанные отличительные существенные признаки являются новыми, так их использование в известном уровне техники, аналогах и прототипе не обнаружено, что позволяет характеризовать предложенное техническое решение соответствием критерию "новизна". Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными существенными признаками позволяет решить поставленную задачу в создании эффективных корпусов для высокого давления из композиционных материалов и достичь новый технический результат, выраженный в повышении их прочности, надежности и снижении массы, что характеризует предложенное техническое решение существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа. Новое техническое решение является результатом аналитических исследований, конструкторской разработки и творческого вклада без использования каких-либо стандартов, инструкций или рекомендаций в данной области техники, является оригинальным, создано с использованием новой концепции получения высокопрочных и эффективных корпусов, неочевидно для специалистов, характеризуется соответствием критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами и кратким их описанием.

На фиг. 1 представлен общий вид корпуса для высокого давления из композиционных материалов, на фиг. 2 - схема относительного расположения пояса-шпангоута с оболочкой без податливой прокладки, на фиг. 3 - внутренний кольцевой элемент пояса-шпангоута с концевым тонкостенным пояском, на фиг. 4 - податливая прокладка постоянной толщины, на фиг. 5 - схема расположения тканой сетчатой армировки поверх внутреннего кольцевого элемента пояса-шпангоута, на фиг. 6 - стыковочный узел корпуса в сборе.

Более подробное описание сущности изобретения состоит в следующем.

Корпус для высокого давления из композиционных материалов (фиг. 1) содержит цилиндрическую оболочку 1 с установленными на ней на податливых прокладках 2, 3 поясами-шпангоутами 4, 5 с внутренними кольцевыми элементами 6, 7, концеитрично сопряженными с оболочкой 1 конгруэнтными радиально-меридианальными сужениями 8, 9 их поверхностей 10, 11. Внутренние кольцевые элементы 6, 7 поясов-шпангоутов 4, 5 снабжены концевыми тонкостенными поясками 12 с внутренними коническими поверхностями 13, а оболочка 1 по местам сопряжения 8, 9 с ними - поясками 14 с наружными коническими поверхностями 15 с наклоном их образующих от цилиндрической поверхности 16 оболочки 1 под углом к ней, равным 1-3,5^o, и длиной в аксиальном направлении, равной 0,05-0,15 радиуса кривизны оболочки 1 на цилиндрической поверхности 16. Внутренние кольцевые элементы зафиксированы по наружной поверхности 17 с перекрытием концевых поясков 12 и заходом на цилиндрическую поверхность 16 оболочки 1 тканым сетчатым материалом 18, ориентировочными нитями основы 19 в окружном, а нитями утка 20 - в аксиальном направлениях, соответственно 21, 22. Концевые пояски 12 внутренних кольцевых элементов 6, 7 могут быть выполнены с толщиной кромок 23, равной 0,2-0,8 мм. В концевых поясках 12 могут быть выполнены аксиальные прорези 24, перекрытые тканым сетчатым материалом 18. Во внутренних кольцевых элементах 6, 7 могут быть выполнены кольцевые поднутрения 25, 26. Внутренние кольцевые элементы 6, 7 с концевыми поясками 12 могут являться закладными деталями, выполненными с возможностью попарного изготовления на специальной оправке, с последующим их разделением на две части (условно не показано), скрепленными с поясами-шпангоутами 4, 5 стержневыми элементами 27, например заклепками. Внутренние кольцевые элементы 6, 7, тканый сетчатый материал 18, оболочка 1 и пояса-шпангоуты 4, 5 дополнительно скреплены клеевым составом.

Функционирование корпуса для высокого давления из композиционных материалов заключается в нахождении его в напряженно деформированном состоянии в пределах упругих свойств композиционных материалов, из которых изготовлен корпус, с учетом обеспечения его высокой надежности и безопасности эксплуатации. Передача и восприятие аксиальных нагрузок осуществляется через пояса-шпангоуты 4, 5, а также оболочку 1. В комбинации при действии избыточного давления нагрузка от оболочки 1 передается как через концевые тонкостенные пояски 12 внутренних кольцевых элементов 6, 7 на пояса-шпангоуты 4, 5, так и непосредственно на пояса-шпангоуты 4, 5 через податливую прокладку 2, 3, раскрытие стыка не происходит. Концевой поясок 12 внутреннего кольцевого элемента 6, 7 заармирован между поясами-шпангоутами 4, 5 и оболочкой 1.

Испытания натурного корпуса для высокого давления из композиционного материала показали положительные результаты, корпус обладает повышенной прочностью, надежностью при минимальной массе.

Таким образом, новое техническое решение позволяет получить корпуса промышленным способом, характеризуется соответствием и критерию "промышленная применимость", т.е. уровню изобретения.

Следует отметить, что могут быть различные варианты выполнения корпуса для высокого давления из композиционных материалов в отношении формы, размеров и расположения отдельных элементов, форма выполнения изобретения представляет собой только возможные варианты его осуществления, могут быть различные комбинации.

Предложенное техническое решение не ограничивается его использованием как корпуса высокого давления, оно может быть использовано в других областях науки и техники, в совокупности с другими устройствами и аппаратами для реализации обнаруженных и других свойств, описанных в материалах заявки.

Изобретение относится к трубам-оболочкам из композиционных материалов, в частности к армированным трубам-оболочкам для высокого давления. В предложенном корпусе для высокого давления из композиционных материалов цилиндрическая оболочка в радиально-меридианальных зонах сужения ее поверхностей сопряжена с поясами-шпангоутами соответственно коническими поверхностями с введением тканого сетчатого материала. Технический результат - повышение надежности. 5 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Корпус для высокого давления из композиционных материалов, содержащий цилиндрическую оболочку с установленными на ней на податливых прокладках поясами-шпангоутами с внутренними кольцевыми элементами, концентрично сопряженными с оболочкой конгруэнтными радиально-меридианальными сужениями их поверхностей, отличающийся тем, что внутренние кольцевые элементы поясов-шпангоутов снабжены концевыми тонкостенными поясками с внутренними коническими поверхностями, а оболочка по местам сопряжения с ними - поясками с наружными коническими поверхностями, с наклоном их образующих от цилиндрической поверхности оболочки под углом к ней, равным 1-3,5^o, и длиной в аксиальном направлении, равной 0,05-0,15 радиуса кривизны оболочки на цилиндрической поверхности, внутренние кольцевые элементы зафиксированы по наружной поверхности перекрытием концевых поясков и заходом на цилиндрическую поверхность оболочки тканым сетчатым материалом, ориентированным нитями основы в окружном, а нитями утка - в аксиальном направлении, скреплены между собой и поясами-шпангоутами клеевым составом. 2. Корпус по п. 1, отличающийся тем, что концевые пояски внутренних кольцевых элементов выполнены с толщиной кромок, равной 0,2-0,8 мм. 3. Корпус по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в концевых поясках выполнены аксиальные прорези, перекрытые тканым сетчатым материалом. 4. Корпус по пп. 1-3, отличающийся тем, что во внутренних кольцевых элементах поясов шпангоутов выполнены кольцевые поднутрения. 5. Корпус по пп.1-4, отличающийся тем, что внутренние кольцевые элементы с концевыми поясками являются закладными деталями, выполненными с возможностью попарного изготовления на специальной оправке и последующего разделения на две части. 6. Корпус по пп.1-5, отличающийся тем, что внутренние кольцевые элементы скреплены с поясами-шпангоутами стержневыми элементами, например заклепками.