КОРПУС ДЛЯ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2003 года по МПК F17C1/06 F17C1/16 

Изобретение относится к оболочкам из композиционного материала, в частности к армированным оболочкам для высокого давления, используемым в качестве несущих корпусных конструкций для обеспечения надежного функционирования, находящихся в условиях напряженно-деформированного состояния от воздействующих нагрузок и предохранения от влияния температурных факторов рабочей и окружающей сред.

К армированным оболочечным корпусам из композиционных материалов предъявляются повышенные требования по прочности, надежности и весовому совершенству при использовании их в качестве несущих конструкций при действии высоких внутренних давлений.

Известен корпус для высокого давления из композиционного материала, содержащий силовую оболочку с цилиндрической частью и выпуклыми днищами, образованную комбинацией слоев соответственно перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент, ориентированных в спиральном и окружном направлениях, из непрерывных однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, с фланцами, установленными но полюсным отверстиям днищ, облицованную изнутри защитным покрытием (патент США 3047191, НКИ 220-83, 1962).

В данном корпусе спиральные ленты сформированы в небольшими углами наклона по отношению к продольной оси. Количество слоев из перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент выбирается из условий равнопрочности стенок оболочки.

Известен корпус в развитие патента США 3047191, в котором спиральные ленты сформированы не вплотную одна к другой, а сдвинуты на определенный шаг, в результате этого элементы перекрещивания имеют форму ромба. Прочность в окружном направлении достигается лентами окружного направления, проходящими через перекрещивающиеся спиральные ленты (патент США 3083864, НКИ 220-83, 1963).

Однако в такой конструкции структура материала обладает некоторой пористостью, что снижает качество изделий, их прочность и надежность.

Известен также корпус с нитяной структурой композиционного материала, предусматривающий обеспечение надежного функционирования с оставляющими его деталями, в частности с фланцами (патент США 3843010, НКИ 220-3, 1973).

Общими недостатками известных корпусов является неполное использование прочностных свойств композиционного материала из комбинации слоев перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент в условиях значительного различия геометрических размеров конструкции изделий, особенно по диаметрам полюсных отверстий и их соотношениям. В этих случаях требуются иные решения.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является патент США 3047191.

Основной задачей изобретения является создание корпусов для высокого давления из композиционного материала, в которых были бы устранены вышеуказанные недостатки, свойства нитяных материалов были бы использованы с максимально возможной реализацией.

Техническим результатом от использования изобретения является получение высокопрочных и высоконадежных корпусов для высокого давления из композиционного материала.

Основная задача решена и технический результат достигнут за счет изменения конструкции корпуса, поиска наиболее эффективных геометрических соотношений и учета общей высоты выпуклых днищ, длины цилиндрического участка корпуса в зависимости соответственно от его диаметра, т.е. на основе новой концепции.

Для этого, в корпусе для высокого давления из композиционного материала, содержащем силовую оболочку с цилиндрической частью и выпуклыми днищами, образованную комбинацией слоев соответственно перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент, ориентированных в спиральном и окружном направлениях, из непрерывных однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, с фланцами, установленными по полюсным отверстиям днищ, облицованную изнутри защитным покрытием, силовая оболочка выполнена с расположением спиральных лент в комбинации слоев цилиндрической части со стороны меньшего полюсного отверстия под углами наклона к ее образующим в пределах 15-28^o при соотношении диаметров малого, большого полюсных отверстий и цилиндрической части в пределах от 0,18:0,4:1 до 0,2:0,5:1 и общей высоте выпуклости днищ и длине цилиндрической части равных соответственно по меньшей мере 0,6 ее диаметра. Силовая оболочка корпуса, в частности, может быть выполнена с расположением спиральных лент в комбинации слоев цилиндрической части со стороны меньшего полюсного отверстия под углами наклона к ее образующим 18^o при соотношении диаметров малого, большого полюсных отверстий и цилиндрической части 0,195: 0,4: 1 при общей высоте выпуклости днищ и длине цилиндрической части, равных соответственно 0,6 ее диаметра. Силовая оболочка может быть выполнена из органических, например арамидных, волокон и эпоксисодержащего связующего при их массовом соотношении от 1:0,53 до 1:0,6.

Отличительными особенностями корпуса для высокого давления из композиционного материала являются следующие признаки:
- расположение спиральных лент в комбинации слоев цилиндрической части оболочки со стороны меньшего полюсного отверстия под углами наклона к ее образующим в пределах 15-28^o,
- соотношение диаметров малого, большого полюсных отверстий и цилиндрической части оболочки в пределах 0,18:0,4:1-0,2:0,5:1 и общей высоты выпуклости днищ и длины цилиндрической части соответственно ее диаметру не меньше 0,6.

В частном случае отличительными особенностями корпуса являются следующие признаки:
- расположение спиральных лент в комбинации слоев цилиндрической части оболочки со стороны меньшего полюсного отверстия под углами наклона к ее образующим, равными 18^o,
- соотношение диаметров малого, большого полюсных отверстий и цилиндрической части оболочки соответственно 0,195:0,4:1 при общей высоте выпуклости днищ и длины цилиндрической части оболочки в соотношении с ее диаметром, равным соответственно 0,6,
- выполнение силовой оболочки из органических, например арамидных, волокон и эпоксисодержащего связующего при их массовом соотношении от 1:0,53 до 1:0,6.

Указанные отличительные признаки являются существенными, так как каждый из них в отдельности и совместно направлен на решение поставленной задачи и достижение нового технического результата. Расположение спиральных лент в указанной зоне оболочки и выбранные геометрические соотношения позволяют создать корпус с наиболее эффективным конструктивным использованием свойств армирующих нитей, при соотношениях и углах наклона спиральных лент, соответственно находящихся за пределами указанных значений такого эффекта не достигается.

Отличительные существенные признаки корпуса являются новыми, 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 и достичь новый технический результат по созданию корпуса для высокого давления из композиционного материала на основе новой концепции его компоновки, что характеризует новое техническое решение существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа. Новое техническое решение является результатом разработки и творческого вклада без использования традиционного применения при проектировании стандартов или каких-либо рекомендаций в данной области техники, является оригинальным, неочевидным для специалистов, в совокупности предложенных существенных признаков соответствует критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами с кратким их описанием:
На фиг. 1 представлен корпус для высокого давления из композиционного материала, на фиг. 2 - принципиальная схема армирования силовой оболочки корпуса.

Более подробное описание сущности изобретения состоит в следующем.

Корпус для высокого давления из композиционного материала содержит силовую оболочку с цилиндрической частью 1 и выпуклыми днищами 2, 3, образованную комбинацией слоев из соответственно перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент 4-6, ориентированных в спиральных и окружном направлениях, из непрерывных однонаправленных нитей 7, скрепленных полимерным связующим, с фланцами 8, 9, установленными по полюсным отверстиям 10, 11 днищ 2, 3, облицованную изнутри защитным покрытием 12. Корпус имеет узлы 13, 14 для состыковки со смежными узлами изделия (условно не показанными). Силовая оболочка выполнена с расположением спиральных лент 4, 5 в комбинации слоев цилиндрической части 1 со стороны меньшего полюсного отверстия 10 под углами наклона к ее образующим в пределах 15-28^o при соотношении диаметров малого, большого полюсных отверстий 10, 11 и цилиндрической части 1 в пределах от 0,18: 0,4: 1 до 0,2:0,5:1 и при общей высоте 15, 16 выпуклости днищ 2, 3 и длине 17 цилиндрической части 1, равными соответственно по меньшей мере 0,6 ее диаметра. В частном варианте силовая оболочка корпуса может быть выполнена с расположением спиральных лент 4, 5 в комбинации слоев цилиндрической части 1 со стороны меньшего полюсного отверстия 10 под углами наклона 18^o к ее образующим при соотношении диаметров малого, большого полюсных отверстий 10, 11 и цилиндрической части 1 равном 0,195:0,4:1 при общей высоте 15, 16 выпуклости днищ 2, 3 и длине 17 цилиндрической части 1, равной соответственно 0,6 ее диаметра.

Функционирование корпуса с силовой оболочкой, выполненной со схемами армирования по предложенному техническому решению, заключается в восприятии усилий с максимальными значениями в направлении лент, сформированных с учетом возможных предельных отклонений их траекторий, благодаря чему достигается максимальная несущая способность корпуса, его повышенная прочность и надежность.

Корпус для высокого давления, изготовленный из органических (арамидных) нитей и эпоксисодержащего связующего при их массовом соотношении 1:0,53-1: 0,6 с углами наклона спиральных лент 4, 5, равными 18^o, с геометрическими соотношениями, соответствующими частному варианту, при испытаниях показал положительные результаты.

Таким образом, новое техническое решение при реализации в корпусах для высокого давления из композиционного материала позволяет достичь новый технический результат, соответствует и критерию "промышленная применимость", т.е. уровню изобретения.

Следует отметить, что могут быть различные варианты выполнения корпуса для высокого давления из композиционного материала в отношении формы, размеров и расположения отдельных элементов, могут быть различные комбинации. Форма выполнения изобретения представляет собой только возможные предпочтительные варианты его осуществления, если все это не выходит за пределы объема технического решения, изложенного в пунктах формулы.

Предложенное техническое решение не ограничивается его использованием как корпуса для высокого давления, оно может быть использовано в других областях техники, емкостях, баллонах давления, в совокупности с другими устройствами и аппаратами для реализации обнаруженных и других свойств, приведенных в данном описании.

Корпус для высокого давления из композиционного материала представляет собой силовую оболочку с цилиндрической частью и днищами, облицованную изнутри защитным покрытием. Оболочка образована комбинацией слоев перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент из непрерывных однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим. Фланцы установлены по полюсным отверстиям днищ. Спиральные ленты расположены в комбинации слоев цилиндрической части со стороны меньшего полюсного отверстия под углами наклона к ее образующим в пределах 15-28^o. Соотношение диаметров малого, большого полюсных отверстий и цилиндрической части лежит в пределах от 0,18:0,4:1 до 0,2:0,5:1. Общая высота выпуклости днищ и длина цилиндрической части равны соответственно по меньшей мере 0,6 диаметра цилиндрической части. Использование изобретения позволит получить высокопрочные и надежные корпуса для высокого давления. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Корпус для высокого давления из композиционного материала, содержащий силовую оболочку с цилиндрической частью и выпуклыми днищами, образованную комбинацией слоев соответственно перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент, ориентированных в спиральном и окружном направлениях, из непрерывных однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, с фланцами, установленными по полюсным отверстиям днищ, облицованную изнутри защитным покрытием, отличающийся тем, что силовая оболочка корпуса выполнена с расположением спиральных лент в комбинации слоев цилиндрической части со стороны меньшего полюсного отверстия под углами наклона к ее образующим в пределах 15-28^o при соотношении диаметров малого, большого полюсных отверстий и цилиндрической части в пределах от 0,18: 0,4: 1 до 0,2: 0,5: 1 и общей высоте выпуклости днищ и длине цилиндрической части равных, соответственно, по меньшей мере 0,6 ее диаметра. 2. Корпус по п. 1, отличающийся тем, что силовая оболочка выполнена с расположением спиральных лент в комбинации слоев цилиндрической части со стороны меньшего полюсного отверстия под углами наклона к ее образующим 18^o при соотношении диаметров малого, большого полюсных отверстий и цилиндрической части 0,195: 0,4: 1 при общей высоте выпуклости днищ и длине цилиндрической части равных соответственно 0,6 ее диаметра. 3. Корпус по п. 1 или 2, отличающийся тем, что силовая оболочка выполнена из органических, например арамидных, волокон и эпоксисодержащего связующего при их массовом соотношении от 1: 0,53 до 1: 0,6.