АРМИРОВАННАЯ ОБОЛОЧКА ДЛЯ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ИЗ СЛОИСТОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2002 года по МПК F17C1/16 

Изобретение относится к оболочкам из композиционных материалов, в частности к армированным оболочкам для высокого давления, используемым в качестве несущих корпусных деталей, находящихся в условиях кратковременного воздействия избыточного внутреннего давления.

К армированным оболочкам из композиционных материалов предъявляются повышенные требования по прочности, надежности и эффективности использования в условиях воздействия избыточного давления газового потока в составе двигателя, без разрушения составляющих их элементов и деталей.

Известна армированная оболочка для высокого давления из слоистого композиционного материала, содержащая силовой каркас с цилиндрическим участком, торцевыми днищами и фланцами в их полюсных отверстиях, образованный комбинацией групп слоями спиральных и кольцевых лет, ориентированными в спиральных и окружных направлениях с соответственно расположенными в них однонаправленными высокомодульными нитями, скрепленными полимерным связующим, облицованный внутренним защитным покрытием (патент EПB 0191655 В1, В 29 С 53/66, F 17 C/16, 1989).

В данной армированной оболочке для снижения концентрации напряжений в зонах полюсных отверстий днищ спиральные ленты сформированы группами ступенчато за счет изменения угла наклона спиральных лент.

Однако такой конструкции недоступна плотная укладка спиральных лент вокруг соответствующего полюсного отверстия, образующиеся полости у нахлестов лент даже с учетом выдавленного в них при опрессовке избытка связующего остаются неоднородными, структура материала обладает некоторой пористостью и рыхлостью, что снижает качество изделий, их прочность и надежность.

Аналогичные недостатки присущи армированной оболочке по патенту США 3083864, кл. 220-3, 1963г.

Попытки снизить концентрацию напряжений в зонах полюсных отверстий (патент США 4053081, кл. 220-3, 1977г.) введением сформированных сетчатых армированных элементов приведет к изменению заданного профиля днищ и нарушению ориентации последующих слоев из спиральных лент, усложняет формообразование каркаса, увеличивает массу, трудоемкость и расход материалов.

Наиболее близким аналогом технического решения является армированная оболочка по патенту ЕПВ 0191655 В1, выбранная в качестве прототипа.

Основной задачей является создание армированной оболочки из слоистого композиционного материала повышенного качества, в которой были бы устранены вышеуказанные недостатки, оболочка обладала бы повышенной прочностью.

Техническим результатом от использования изобретения является достижение весового совершенства и повышение эксплуатационной надежности.

Основная задача решена и технический результат достигнут за счет изменения конструкции каркаса армированной оболочки введением сужений в спиральных лентах по направлению к полюсным отверстиям в первом варианте или выполнения каркаса из сочетания со спиральными лентами с увеличивающейся шириной в другом параллельном варианте, а также выполнения его из арамидных нитей.

Для этого в армированной оболочке для высокого давления из слоистого композиционного материала, содержащей силовой каркас с цилиндрическим участком, торцевыми днищами и фланцами в их полюсных отверстиях, образованных комбинацией групп слоев спиральных и кольцевых лент, ориентированных в спиральных и окружном направлениях с соответственно расположенными в них однонаправленными высокомодульными нитями, скрепленными полимерным связующим, облицованной внутренним защитным покрытием, ее силовой каркас по центральным зонам днищ образован с сочетанием по меньшей мере двух групп слоев спиральных лент, суженных в направлении к полюсным отверстиям с увеличением их ширины в 1,1-2,1 раза в последующих слоях каждой из групп с постоянным радиусом полюсного отверстия у основания фланцев, и выполнен из высокомодульных нитей линейной плотностью 29-100 текс. На основе арамидных волокон и эпоксидосодержащего связующего силовой каркас оболочки может быть сформирован из групп слоев с неравным количеством нитей в слоях спиральных лент.

В другом варианте силовой каркас армированной оболочки может быть образован с сочетанием по меньшей мере двух групп слоев спиральных лент с увеличением их ширины в 1,1-2,1 раза в последующих слоях каждой из групп с постоянным радиусом полюсного отверстия у основания фланцев и выполнен из высокомодульных нитей линейной плотностью 29-100 текс на основе арамидных волокон и эпоксисодержащего связующею. При этом силовой каркас может быть сформирован из групп слоев с равным количеством нитей в слоях спиральных лент.

Отличительными особенностями армированной оболочки для высокого давления из слоистого композиционного материала являются следующие признаки:
- образование силового каркаса по центральным зонам днищ с сочетанием по меньшей мере двух групп слоев спиральных лент, суженных в направлении к полюсным отверстиям;
- постоянный радиус полюсного отверстия групп слоев у основания фланцев;
- увеличение ширины спиральных лент в последующих слоях каждой из групп в 1,1-2,1 раза;
- формирование силового каркаса из групп слоев с неравным количеством нитей в слоях спиральных лент.

Или:
- образование силового каркаса с сочетанием по меньшей мере двух групп слоев спиральных лент с увеличением их ширины в 1,1-2,1 раза в последующих слоях каждой из групп;
- постоянный радиус полюсного отверстия групп слоев у основания фланцев;
- формирование силового каркаса из групп слоев с разным количеством нитей в слоях спиральных лент.

Общими отличительными особенностями вариантов армированной оболочки является выполнение ее каркаса из высокомодульных нитей линейной плотностью 29-100 текс на основе арамидных волокон и эпоксисодержащего связующего. Указанные отличительные признаки являются существенными, поскольку каждый из них в отдельности и совместно направлен на решение поставленной задачи и достижение нового технического результата двумя вариантами выполнения силового каркаса оболочки. В первом варианте спиральные ленты в центральных зонах днищ сужены в направлении к полюсным отверстиям с увеличением их ширины в последующих слоях, в другом варианте спиральные ленты выполнены переменной шириной, увеличивающейся в слоях групп. Причем в обоих вариантах группы слоев с увеличивающейся шириной спиральных лент сформированы с постоянным радиусом полюсного отверстия у основания фланцев и выполнены из высокомодульных нитей линейной плотностью 29-100 текс и эпоксисодержащего связующего. В первом варианте силовой каркас может быть сформирован с сочетанием групп слоев с неравным количеством нитей в слоях спиральных лент, в другом варианте - с равным их количеством. Эти существенные признаки позволяют повысить плотность материала в зонах полюсных фланцев, уменьшить деформативность днищ, обеспечить весовое совершенство оболочек и повысить их эксплуатационную надежность.

Отличительные существенные признаки являются новыми, так как их использование в известном уровне техники, аналогах и прототипе не обнаружено, что позволяет характеризовать армированную оболочку для высокого давления в вариантах выполнения ее силового каркаса соответствием критерию "новизна".

Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными существенными признаками позволяет решить поставленную задачу и достичь нового технического результата в весовом совершенстве изделий с обеспечением их повышенной прочности и надежности, что характеризует предложенное техническое решение существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа. Новое техническое решение является результатом научно-исследовательской работы и творческого вклада без использования стандартизованных проектов или рекомендаций в данной области техники, является оригинальным, неочевидным для круга специалистов в данной области техники, соответствует в совокупности существенных признаков критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами с кратким их описанием.

На фиг. 1 представлен общий вид армированной оболочки для высокого давления из слоистого композиционного материала, на фиг.2 показано днище армированной оболочки с суженными спиральными лентами (первый вариант), на фиг. 3 показано днище армированной оболочки в меридиональном сечении (первый вариант), на фиг.4 показано днище армированной оболочки из спиральных лент с увеличивающейся их шириной в последующих слоях (второй вариант), на фиг.5 показано днище армированной оболочки в меридиональном сечении (второй вариант).

Более подробное описание сущности изобретения состоит в следующем.

Армированная оболочка для высокого давления из слоистого композиционного материала (фиг.1) содержит силовой каркас 1 с цилиндрическим участком 2, торцевыми днищами 3, 4 и фланцами 5, 6 в их полюсных отверстиях 7, 8, образованный комбинацией групп 9, 10 и 11 слоев 12, 13, 14 спиральных и кольцевых лент 15, 16, ориентированных в спиральных и окружном направлениях с соответственно расположенными в них однонаправленными высокомодульными нитями 17, 18, скрепленными полимерным связующим, облицованный внутренним защитным покрытием 19.

Силовой каркас 1 армированной оболочки по центральным зонам днищ 3, 4 (фиг. 2, фиг.3 - первый вариант) образован с сочетанием по меньшей мере двух групп 9, 10 слоев 12, 13 спиральных лент 15, суженных в направлении к полюсным отверстиям 7, 8 с постоянным радиусом у основания 20 фланцев 5, 6 с увеличением их ширины в 1,1-2,1 раза в последующих слоях 13 каждой из групп 9, 10, и выполнен из высокомодульных нитей 17, 18 линейной плотностью 29-100 текс на основе арамидных волокон и эпоксисодержащего связующего.

Силовой каркас 1 армированной оболочки первого варианта может быть выполнен формированием групп 9, 10 слоев 12, 13 с неравным количеством нитей 17 в слоях 12, 13 спиральных лент 15.

Силовой каркас 1 армированной оболочки (фиг.4, фиг.5 - второй вариант) образован с сочетанием по меньшей мере двух групп 9, 10 слоев 12, 13 спиральных лент 15 с увеличением их ширины в 1,1-2,1 раза в последующих слоях 13 каждой из групп 9, 10 с постоянным радиусом полюсного отверстия 7, 8 у основания 20 фланцев 5, 6 без сужения к полюсным отверстиям и выполнен из высокомодульных нитей 17, 18 линейной плотностью 29-100 текс на основе арамидных волокон и эпоксисодержащего связующего. Силовой каркас 1 армированной оболочки второго варианта может быть выполнен формированием групп 9, 10 слоев 12, 13 с равным количеством нитей 17 в слоях 12, 13 спиральных лент 15.

Армированная оболочка для высокого давления из слоистого композиционного материала (фиг. 1 - фиг.5) может быть изготовлена способом намотки на извлекаемую оправку (не показано) с последующим отверждением полимерного связующего.

Функционирование армированной оболочки для высокого давления из слоистого композиционного материала на основе арамидных волокон и эпоксисодержащего связующего заключается в нахождении его в напряженно-деформированном состоянии в пределах упругих свойств композиционного материала, из которого изготовлен ее силовой каркас 1, с учетом обеспечения высокой надежности и безопасности без разрушения днищ 3, 4 в зонах фланцев 5, 6 за счет повышенной жесткости и прочности армирования предложенных структур и усилений материала. Испытания армированных оболочек, изготовленных с использованием нового технического решения, показали положительные результаты. Реализация предложенного технического решения позволяет достичь весового совершенства изделий с обеспечением повышенной прочности и надежности.

Таким образом, новое техническое решение воспроизводимо в условиях производства, обеспечивает решение поставленной задачи и достижение нового технического результата в предложенной совокупности признаков соответствует и критерию "промышленная применимость", то есть уровню изобретения.

Следует отметить, что могут быть различные комбинации выполнения армированной оболочки для высокого давления из слоистого композиционного материала в отношении формы, размеров и расположения отдельных элементов. Предложенная форма выполнения представляет собой только возможные предпочтительные варианты ее осуществления, могут быть различные комбинации, если все это не выходит за пределы существующих признаков, изложенных в пунктах формулы.

Предложенное техническое решение не ограничивается его использованием в армированных оболочках, как для высокого давления, оно может быть использовано для реализации обнаруженных и других свойств, описанных в материалах заявки, для получения емкостей, работающих под избыточным давлением.

Оболочка предназначена для сосудов высокого давления из слоистого композиционного материала. Оболочка содержит силовой каркас с цилиндрическим участком, торцевыми днищами и фланцами в их полюсных отверстиях, образованный комбинацией групп слоев спиральных и кольцевых лент, ориентированных в спиральных и окружном направлениях с соответственно расположенными в них однонаправленными высокомодульными нитями, скрепленными полимерным связующим, облицованный внутренним защитным покрытием, при этом силовой каркас по центральным зонам днищ образован с сочетанием по меньшей мере двух групп слоев спиральных лент, суженных в направлении к полюсным отверстиям, с постоянным радиусом полюсного отверстия у основания фланцев с увеличением их ширины в 1,1-2,1 раза в последующих слоях каждой из групп, и выполнен из высокомодульных нитей линейной плотностью 29-100 текс на основе арамидных волокон и эпоксисодержащего связующего. Технический результат - повышение надежности и упрощение конструкции. 2 с. и 2 з.п.ф-лы., 5 ил.

1. Армированная оболочка для высокого давления из слоистого композиционного материала, содержащая силовой каркас с цилиндрическим участком, торцевыми днищами и фланцами в их полюсных отверстиях, образованный комбинацией групп слоев спиральных и кольцевых лент, ориентированных в спиральных и окружном направлениях с соответственно расположенными в них однонаправленными высокомодульными нитями, скрепленными полимерным связующим, облицованный внутренним защитным покрытием, отличающаяся тем, что ее силовой каркас по центральным зонам днищ образован с сочетанием по меньшей мере двух групп слоев спиральных лент, суженных в направлении к полюсным отверстиям, с постоянным радиусом полюсного отверстия у основания фланцев с увеличением их ширины в 1,1-2,1 раза в последующих слоях каждой из групп, и выполнен из высокомодульных нитей линейной плотностью 29-100 текс на основе арамидных волокон и эпоксисодержащего связующего. 2. Оболочка по п. 1, отличающаяся тем, что силовой каркас сформирован из групп слоев с неравным количеством нитей в слоях спиральных лент. 3. Армированная оболочка для высокого давления из слоистого композиционного материала, содержащая силовой каркас с цилиндрическим участком, торцевыми днищами и фланцами в их полюсных отверстиях, образованный комбинацией групп спиральных и кольцевых лент, ориентированных в спиральных и окружном направлениях с соответственно расположенными в них однонаправленными высокомодульными нитями, скрепленными полимерным связующим, облицованный внутренним защитным покрытием, отличающаяся тем, что ее силовой каркас образован с сочетанием слоев спиральных лент с увеличением их ширины в 1,1-2,1 раза в последующих слоях каждой из групп с постоянным радиусом полюсного отверстия у основания фланцев и выполнен из высокомодульных нитей линейной плотностью 29-100 текс на основе арамидных волокон и эпоксисодержащего связующего. 4. Оболочка по п. 3, отличающаяся тем, что силовой каркас сформирован из групп слоев с равным количеством нитей в слоях спиральных лент.