АРМИРОВАННАЯ ОБОЛОЧКА ДЛЯ ВЫСОКОГО ВНУТРЕННЕГО ДАВЛЕНИЯ ИЗ СЛОИСТОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2003 года по МПК F17C1/06 F17C1/16 

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

Одними из наиболее нагруженных частей армированных оболочек являются зоны полюсных отверстий, где в основном происходит разрушение оболочки из-за превышения действующих напряжений, допустимых для армирующего материала. В то же время к армированным оболочкам из композиционных материалов предъявляются повышенные требования по прочности, надежности и весовому совершенству при использовании их в качестве несущих конструкций баллонов и емкостей при действии высоких внутренних давлений.

Известна армированная оболочка для высокого внутреннего давления из слоистого композиционного материала, содержащая силовой каркас с цилиндрическим участком, торцевыми днищами и фланцами в их полюсных отверстиях, контактирующими с их внутренними поверхностями, образованный комбинацией групп слоев спиральных и кольцевых лент, ориентированных в спиральных и окружном направлениях с соответственно расположенными в них однонаправленными высокомодульными нитями с образованием кольцевого выступа у полюсного отверстия, скрепленными полимерным связующим, облицованный внутренним защитным покрытием (патент USA 3083864, кл. 220/83, 1963 г.), (3047191, 220/83, 1962).

В данной армированной оболочке полюсное отверстие сформировано расположенными здесь спиральными лентами, в которых при нагружении внутренним давлением из-за больших кольцевых деформаций у полюсного отверстия растягивающие напряжения превышают предельные раньше, чем во всей оболочке.

Известна армированная оболочка для высокого внутреннего давления из слоистого композиционного материала, в которой в зоне полюсных отверстий между слоями расположены кольцевые элементы с внутренним диаметром, равным полюсному отверстию, и скрепленные со слоями оболочки болтовым соединением (USA 4053081, кл. 220/3, 1977 г.).

В данной оболочке кольцевые элементы перекрывают поверхность слоев с выходом к полюсному отверстию, что приводит к передаче меридиональных усилий через слой связующего, прочность которого гораздо ниже армирующего материала, и через болтовое соединение, что является само по себе достаточно сильным концентратором напряжений и не всегда приемлемо из конструкторских соображений.

Известна армированная оболочка по патентам Fr 2219899, МПК² В 65 h 81/00, 1974 г., 2251756, МПК² F 16 J 11/00, 1974 г, в которых днище снабжено кольцевым элементом, расположенным у полюсного отверстия и скрепленным с днищем болтовым соединением.

Данным оболочкам присущи недостатки, отмеченные выше (патент USA 4053081, кл. 220/3, 1977 г.), еще в большей мере, ввиду расположения кольцевого элемента снаружи оболочки.

Известна армированная оболочка для высокого внутреннего давления из слоистого композиционного материала, содержащая силовой каркас с цилиндрическим участком, торцевыми днищами и фланцами в их полюсных отверстиях, контактирующими с их внутренними поверхностями, прижимными, зафиксированными на фланце, наружными кольцевыми элементами, 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 (патент ЕР 0398827 Al, F 17 C 1/16, 1990 г.).

В данной армированной оболочке прижимные, зафиксированные на фланце, наружные кольцевые элементы выполнены гладкими, что не обеспечивает в достаточной мере закрепления оболочки у полюсного отверстия и не исключает наличия больших кольцевых деформаций оболочки у отверстия, которые приводят к возникновению пиковых напряжений в этой зоне при действии внутреннего давления и преждевременному разрушению оболочки.

Причинами появления больших напряжений у полюсного отверстия по сравнению со всей поверхностью днища и оболочки в целом является общее деформирование, "раздутие" оболочки при действии внутреннего давления, которое увеличивается на кромках отверстий.

Наиболее близким аналогом технического решения является армированная оболочка по патенту ЕР 0398827 Al, F 17 C 1/16, 1990 г., 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 повышения несущей способности, весового совершенства и эксплуатационной надежности армированной оболочки при действии внутреннего давления.

Основная задача решена и технический результат достигнут за счет максимального ограничения перемещений оболочки в радиальном направлении у полюсного отверстия и, соответственно, снижения кольцевых деформаций оболочки у полюсного отверстия.

Для этого в армированной оболочке для высокого внутреннего давления из слоистого композиционного материала, содержащей силовой каркас с цилиндрическим участком, торцевыми выпуклыми днищами и фланцами в их полюсных отверстиях, зафиксированными на фланце, наружными кольцевыми элементами, образованный комбинацией групп слоев спиральных и кольцевых лент, ориентированных в спиральных и окружном направлениях с соответственно расположенными в них однонаправленными высокомодульными нитями с образованием кольцевого выступа у полюсного отверстия, скрепленными полимерным связующим, облицованный внутренним защитным покрытием, наружные кольцевые элементы снабжены выполненными за одно целое с ними кольцевыми выступами, заходящими за кольцевые выступы днищ силового каркаса с плотным охватом его наружных слоев.

Во втором варианте между по меньшей мере одним днищем и наружным кольцевым элементом, зафиксированным на фланце, размещен дополнительный кольцевой элемент, выполненный из композиционного материала с расположением высокомодульных нитей в кольцевом направлении и установленный на внешней поверхности кольцевого выступа днища с плотным охватом его наружного слоя.

Наружный кольцевой элемент может быть выполнен из композиционного материала.

В третьем варианте между по меньшей мере одним днищем и наружным кольцевым элементом, зафиксированным на фланце, размещен дополнительный кольцевой элемент, выполненный из высокопрочной стали или титана и установленный на внешней поверхности кольцевого выступа днища с плотным охватом его наружных слоев.

Наружный кольцевой элемент может быть выполнен из композиционного материала.

Отличительными особенностями армированной оболочки для высокого внутреннего давления из слоистого композиционного материала являются следующие признаки.

Вариант 1
- наружные кольцевые элементы снабжены, выполненными за одно целое с ними кольцевыми выступами;
- заходящими за кольцевые выступы днищ силового каркаса;
- с плотным охватом его наружных слоев.

Вариант 2
- между по меньшей мере одним днищем и наружным кольцевым элементом, зафиксированным на фланце, размещен дополнительный кольцевой элемент;
- на внешней поверхности кольцевого выступа;
- с плотным охватом его наружного слоя;
- выполненный из композиционного материала с расположением высокомодульных нитей в кольцевом направлении;
- наружный кольцевой элемент выполнен из композиционного материала.

Вариант 3
- между по меньшей мере одним днищем и наружным кольцевым элементом, зафиксированным на фланце, размещен дополнительный кольцевой элемент;
- на внешней поверхности кольцевого выступа;
- с плотным охватом его наружного слоя;
- выполненный из высокопрочной стали или титана;
- наружный кольцевой элемент выполнен из композиционного материала.

Общими отличительными особенностями вариантов армированной оболочки является выполнение кольцевого выступа или дополнительного кольцевого элемента с плотным охватом наружных слоев кольцевого выступа днища и расположением их на внешней поверхности кольцевого выступа. Указанные отличительные признаки являются существенными, поскольку каждый из них в отдельности и совместно направлен на решение поставленной задачи и достижение нового технического результата тремя вариантами выполнения армированной оболочки. В первом варианте кольцевой выступ наружного кольцевого элемента заходит за кольцевой выступ днища, во втором и третьем вариантах дополнительный кольцевой элемент размещен на внешней поверхности кольцевого выступа днища. Причем во всех трех вариантах кольцевой выступ и дополнительный кольцевой элемент выполнены с плотным охватом наружных слоев кольцевого выступа днища. Во втором варианте дополнительный кольцевой элемент может быть выполнен из композиционного материала с расположением высокомодульных нитей по окружности. В третьем варианте дополнительный кольцевой элемент может быть выполнен из высокопрочной стали или титана. Кроме того, во втором и третьем вариантах наружный кольцевой элемент может быть выполнен из композиционного материала. Эти существенные признаки позволяют снизить кольцевые деформации оболочки в зоне полюсного отверстия, повысить весовое совершенство армированной оболочки и ее эксплуатационную надежность.

Отличительные существенные признаки являются новыми, так как их использование в известном уровне техники, аналогах и прототипе не обнаружены, что позволяет характеризовать армированную оболочку для высокого внутреннего давления соответствием критерию "новизна".

Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными существенными признаками позволяет решить поставленную задачу и достичь новый технический результат в весовом совершенстве конструкций 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 внутреннего давления из слоистого композиционного материала; на фиг.2 показан участок днища с фланцем и внешним кольцевым элементом с кольцевым выступом; на фиг.3 показан участок днища с фланцем, внешним и дополнительным кольцевыми элементами.

Более подробное описание сущности изобретения состоит в следующем.

Армированная оболочка для высокого внутреннего давления из слоистого композиционного материала (фиг.1) содержит силовой каркас 1 с цилиндрическим участком 2, торцевыми выпуклыми днищами 3, 4 и фланцами 5, 6 в их полюсных отверстиях 7, 8, прижимными, зафиксированными на фланце, наружными кольцевыми элементами 9, 10, образованный комбинацией групп 11, 12 и 13 слоев 14, 15, 16 спиральных и кольцевых лент 17, 18, ориентированных в спиральных и окружном направлениях с соответственно расположенными в них однонаправленными высокомодульными нитями 19, 20, с образованием кольцевого выступа 21 у полюсного отверстия, скрепленными полимерным связующим, облицованный внутренним защитным покрытием 22.

Наружный кольцевой элемент 10 (фиг.2 - первый вариант) снабжен выполненным за одно целое с ним кольцевым выступом 23, заходящим за кольцевой выступ 21 днища силового каркаса с плотным охватом его наружных слоев 24.

Между днищем 4 и наружным кольцевым элементом 10 (фиг.3 - второй вариант) размещен дополнительный кольцевой элемент 25, установленный на внешней поверхности кольцевого выступа 21 днища с плотным охватом его наружных слоев.

Армированная оболочка для высокого внутреннего давления из слоистого композиционного материала (фиг. 1 - фиг.3) может быть изготовлена способом намотки на извлекаемую оправку (не показано) с последующим отверждением полимерного связующего.

Функционирование армированной оболочки для высокого внутреннего давления из слоистого композиционного материала на основе однонаправленных армирующих материалов и полимерного 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 снижения уровней деформаций и напряжений в композиционном материале у полюсного отверстия. Испытания армированных оболочек, изготовленных с использованием нового технического решения, показали положительные результаты. Реализация предложенного технического решения позволяет повысить весовое совершенство 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 критерию "промышленная применимость", то есть уровню изобретения.

Следует отметить, что могут быть различные комбинации выполнения армированной оболочки для высокого внутреннего 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 внутреннего давления, оно может быть использовано для реализации обнаруженных и других свойств, описанных в материалах заявки, для получения емкостей, работающих под избыточным давлением.

Силовой каркас армированной оболочки для высокого внутреннего давления состоит из цилиндрического участка и торцевых выпуклых днищ и фланцев в их полюсных отверстиях. Каркас образован комбинацией групп слоев спиральных и кольцевых лент с расположенными в них однонаправленными высокомодульными нитями, скрепленными полимерным связующим, и облицован внутренним защитным покрытием. Прижимные наружные кольцевые элементы зафиксированы на фланцах и снабжены кольцевыми выступами. Кольцевые выступы заходят за кольцевые выступы днищ силового каркаса с плотным охватом его наружных слоев. В другом варианте устройства между по меньшей мере одним днищем и наружным кольцевым элементом размещен дополнительный кольцевой элемент, установленный на внешней поверхности кольцевого выступа днища. Дополнительный кольцевой элемент выполнен из композиционного материала с расположением высокомодульных нитей в кольцевом направлении, из высокопрочной стали или из титана. Использование изобретения позволит повысить несущую способность, весовое совершенство и эксплуатационную надежность армированной оболочки. 3 с. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Армированная оболочка для высокого внутреннего давления из слоистого композиционного материала, содержащая силовой каркас с цилиндрическим участком, торцевыми выпуклыми днищами, фланцами в полюсных отверстиях днищ, прижимными, зафиксированными на фланце, наружными кольцевыми элементами, образованный комбинацией групп слоев спиральных и кольцевых лент, ориентированных в спиральных и окружном направлениях с соответственно расположенными в них однонаправленными высокомодульными нитями с образованием кольцевого выступа у полюсного отверстия, скрепленными полимерным связующим, облицованный внутренним защитным покрытием, отличающаяся тем, что наружные кольцевые элементы снабжены выполненными за одно целое с ними кольцевыми выступами, заходящими за кольцевые выступы днищ силового каркаса с плотным охватом его наружных слоев. 2. Армированная оболочка для высокого внутреннего давления из слоистого композиционного материала, содержащая силовой каркас с цилиндрическим участком, торцевыми выпуклыми днищами, фланцами в полюсных отверстиях днищ, прижимными, зафиксированными на фланце, наружными кольцевыми элементами, образованный комбинацией групп слоев спиральных и кольцевых лент, ориентированных в спиральных и окружном направлениях с соответственно расположенными в них однонаправленными высокомодульными нитями с образованием кольцевого выступа у полюсного отверстия, скрепленными полимерным связующим, облицованный внутренним защитным покрытием, отличающаяся тем, что между по меньшей мере одним днищем и наружным кольцевым элементом, зафиксированным на фланце, размещен дополнительный кольцевой элемент, выполненный из композиционного материала с расположением высокомодульных нитей в кольцевом направлении и установленный на внешней поверхности кольцевого выступа днища с плотным охватом его наружного слоя. 3. Армированная оболочка по п. 2, отличающаяся тем, что наружный кольцевой элемент выполнен из композиционного материала. 4. Армированная оболочка для высокого внутреннего давления из слоистого композиционного материала, содержащая силовой каркас с цилиндрическим участком, торцевыми выпуклыми днищами, фланцами в полюсных отверстиях днищ, прижимными, зафиксированными на фланце, наружными кольцевыми элементами, образованный комбинацией групп слоев спиральных и кольцевых лент, ориентированных в спиральных и окружном направлениях с соответственно расположенными в них однонаправленными высокомодульными нитями с образованием кольцевого выступа у полюсного отверстия, скрепленными полимерным связующим, облицованный внутренним защитным покрытием, отличающаяся тем, что между по меньшей мере одним днищем и наружным кольцевым элементом, зафиксированным на фланце, размещен дополнительный кольцевой элемент, выполненный из высокопрочной стали или титана и установленный на внешней поверхности кольцевого выступа днища с плотным охватом его наружных слоев. 5. Армированная оболочка по п. 4, отличающаяся тем, что наружный кольцевой элемент выполнен из композиционного материала.