Баллон давления Российский патент 2025 года по МПК F17C1/06 

Изобретение относится к области газовой аппаратуры, а именно к композитным баллонам высокого давления, используемым, в частности, в системах газообеспечения, автомобильной промышленности, изделиях криогенной и противопожарной техники, системах для очистки воды и других пр.

Среди требований, предъявляемых к газовым баллонам высокого давления, приоритетными являются: снижение удельной материалоемкости баллона, определяемой отношением массы баллона к его объему, и обеспечение высокого ресурса безопасной эксплуатации. Практическая привлекательность баллонов или емкостей с оболочкой из композиционного материала заключается в том, что они обладают достаточно малым весом и способны обеспечивать заданную надежность эксплуатации при нагружении высокими циклическими давлениями.

Способом изготовления таких конструкций, как правило, является метод намотки, который достаточно подробно рассмотрен в ряде патентной и технической литературы.

Выпускаемые в настоящее время композитные баллоны давления содержат, как правило внутреннюю герметичную оболочку - лейнер и внешнюю силовую композитную оболочку, образованную из жгутов (нитей) из высокомодульного волокна (например, стекловолокна, углеволокна, органического волокна), пропитанного связующим материалом.

Известны многочисленные примеры создания емкостей давления из композиционного материала с использованием металлического лейнера из различных сплавов (см. например патенты: US 5494188, US 5538680, US 5653358, US 5862938, US 5938209, US 5979692, US 6190598, US 6202674, US 6202674, US 6230922, US 2003111473, US 6810567). Известны многочисленные примеры создания композитных баллонов давления с использованием тонкостенных металлических лейнеров из различных сплавов (см. например US 3066822, US 3446385, US 5292027, US 5822838, US 5918759, WO 03/029718, RU 2255829, JP 2005133847, WO 2005022026, RU 2149126, RU 2094695, RU 2077682, RU 2001115743, RU 2000123739, RU 2140602, RU 2187746, RU 93049863, RU 2065544, RU 2001115191, RU 2003115384, RU 2002101904, GB 1161846, EP 0497687, US 5287988), реализация которых позволяет частично решить задачу обеспечения снижение удельной материалоемкости.

Однако, в отличие от известных металлических конструкций, в подавляющем большинстве случаев аварийного выхода из строя композитных баллонов являются механические повреждения композитной оболочки, появляющиеся при проведении монтажных, такелажных и другого рода работ в момент изготовления, испытаний и эксплуатации. Особенно это касается конструкций большой вместимости, находящихся под высоким давлением.

Известные решения металлических конструкций баллонов для обеспечения данной задачи содержат специального рода кронштейны и узлы, приваренные к оболочке баллона или сосуда давления.

Подобного рода решения для композитных баллонов практически отсутствуют.

Известны решения (см. WO 2017080723, DE 102015222392, US 2018259125, CN 108351073), связанные с монтажом композитных баллонов в других приложениях. Также известны решения (см. AU 2014247072, WO 2014/161899), в которых рассмотрена задача подвески внутреннего контейнера (баллона) на внешнем теплоизолированном контейнере с помощью фиксирующих неподвижных элементов, которые связаны, с одной стороны, с внешним контейнером, а с другой стороны, с внутренним контейнером при этом неподвижные опорные элементы крепления зацепляют внутренний контейнер.

Общим недостатком подобного рода решений является то, что они не направлены на решение рассматриваемой задачи и не обеспечивают безопасного проведения указанных выше работ (такелажные, монтажные и т.д.).

Аналогом предлагаемого конструктивного решения исполнения баллона являются решение: по патенту US 2021140589, которое используется для монтажа композитного баллона с цилиндрическим отсеком. Монтажная конструкция баллона высокого давления в данном решении включает в себя множество полос, изготовленных из композитного материала, отвержденного вокруг внешней поверхности баллона, которые формируют неотъемлемую часть баллона и служат для соединения со смежным отсеком. Полосы могут быть разнесены друг от друга с образованием перекрещивающейся спиральной решетки с противоположными концами полос, проходящих за соответствующий конец баллона высокого давления с образованием юбки. Юбка обеспечивает точки крепления, при этом юбка не соприкасается с внешней поверхностью композитного баллона. Однако данное решение также не направлено на обеспечение выполнения рассматриваемой задачи и не обеспечивает безопасного проведения указанных выше работ.

Ближайшим аналогом предлагаемого конструктивного решения исполнения баллона является решение по патенту RU 2482380, в котором баллон содержит внешнюю силовую оболочку из композиционного материала, образованную комбинацией слоев-оболочек из групп лент, ориентированных по поверхности лейнера в геодезических направлениях с разными углами и линейными плотностями соответственно расположенных в них нитей армирующего материала, при этом профиль меридиана, образующего поверхность днищ лейнера, имеет форму кривой, плотно охватывающей образующие меридианы вложенных друг в друга частей слоев - оболочек, первая из которых от горловины до второй является поверхностью геодезического изотенсоида, а последующие по сечениям своих полюсных отверстий совпадают с условной гладкой поверхностью заданной формы и удовлетворяют условию

Данное решение также не направлено на обеспечение выполнения рассматриваемой задачи.

В основу настоящего изобретения положена задача создать метало композитный баллон давления, конструкция которого позволяет исключить его повреждаемость в течении всего срока эксплуатации при сохранении высокой удельной материалоемкости баллона. Техническим результатом изобретения является:

- создание специальных такелажных узлов в конструкции композитного баллона, позволяющих производить любые манипуляции с ним с использованием известных подъемных и транспортных устройств или систем;

- обеспечение однородности структуры материала силовой оболочки при введении специальных такелажных узлов;

- исключение возможности повреждения силовой оболочки баллона при проведении такелажных и монтажных манипуляций.

Технический результат достигается тем, что композитный баллон давления содержит тонкостенный герметизирующий лейнер и внешнюю силовую оболочку, образованную комбинацией слоев высокомодульных нитей армирующего материала, разными углами и мощностями разнородных семейств армирования, удовлетворяющих условию:

где к - число разнородных семейств армирующих нитей, образующих днища, Ti - усилия разрыва армирующих нитей i-м семействе, ni -мощность армирования (число нитей) в i-м семействе, ϕi - углы армирования нитей i-го семейства в рассматриваемом сечении, R - радиус цилиндрической части, р - давление разрушения баллона; причем каждое из семейств армирующих нитей по внешней поверхности противоположных днищ силовой оболочки образует кольцевые бандажи с равными диаметрами Di, при этом в структуре стенки силовой оболочки по поверхности между базовым слоем i и последующим охватывающим слоем i+1 установлен силовой каркас образованный из мягких лент из материала, отличного от материала силовой оболочки, проходящих от одного кольцевого бандажа с диаметром Di базового слоя i силовой оболочки ко второму кольцевому бандажу с диаметром Di данного базового слоя i, причем ленты, выходя наружу от кольцевого бандажа базового слоя петляют обратно к поверхности базового слоя i и образуют петли для стропа.

Мягкие ленты силового каркаса расположены по любым траекториям на поверхности i-го базового слоя силовой композитной оболочки.

Мягкие ленты силового каркаса сформированы в виде сетчатого покрытия, представляющего собой открытую сетчатую оболочку.

Мягкая лента образует U-образную форму стройной петли, и оба конца ее скреплены в структуре стенки по поверхности с базовым слоем i и перевязаны намоткой нитей кольцевого армирования силовой композитной оболочки.

По местам крепления концов мягких лент размещены усиливающие накладки, сшитые нитями с мягкими лентами и лентами силового каркаса.

Сформированные лентами подъемные петли для стропа по крайней мере на одном из днищ силовой оболочки содержат металлический крепежный элемент.

На участке петли образующегося стропа лента обернута износостойким слоем в положении, соответствующем отверстию для ушка.

Лента, образующая подъемные петли, может быть выполнена тканной из синтетических нитей, веревок, строп, пропитанных и покрытых полимерным составом, или тросов подходящей прочности.

Мягкие ленты выполнены с заделанными концами из гибкого материала, собранного в жгут в виде замкнутой спирали с витками разного размера, а каждый виток спирали имеет грушевидную форму, причем первый конец нити соединен с нитью в месте образования замкнутой однониточной спирали, а второй конец нити закреплен к телу жгута.

Мягкая лента с заделанными концами представляет собой тканую лямку типа используемой для автомобильных ремней безопасности.

Поставленная задача и технический результат достигается за счет того, на части поверхности силовой оболочки баллона в структуре ее стенки, между группой слоев высокомодульных и высокопрочных слоев нитей ее армирующих материалов установлен силовой каркас, образованный из мягких стропных лент из текстильного материала, отличного от материала силовой оболочки.

Для функционирования конструкции важно, чтобы расположенный между слоями каркас содержал лямчатые ленты также из текстильного материала, проходящие от одного торца баллона ко второму.

Важно также для функционирования конструкции и то, чтобы каркас содержал кольцевые силовые бандажи одинакового диаметра по торцам баллона и при этом, лямчатые ленты силового каркаса, выходя наружу поверхности силовой оболочки от кольцевого бандажа одного торца петляли обратно в стенку оболочки и вместе с бандажом образовали петли U-образной формы и оба конца их были закреплены в структуре стенки силовой композитной оболочки.

Функционирование заявленной конструкции эффективно, когда мягкие лямчатые ленты сформированы в виде сетчатого покрытия, представляющего собой открытую сетчатую оболочку и расположены по любым траекториям на в структуре слоев силовой композитной оболочки баллона.

Краткое описание чертежей изобретения

Изобретение поясняется далее подробно описанием примера выполнения со ссылкой на чертежи, где:

на фиг. 1-3 показан общий вид композитного баллона давления с такелажными узлами;

на фиг. 4 показана схематическая модель стенки силовой оболочки баллона с специальными такелажными узлами;

на фиг. 5-7 показаны схемы поэлементного формирования каркаса и такелажных узлов;

на фиг. 8 показан один из вариантов усиления такелажных узлов специальной.

Варианты осуществления изобретения

Основные принципы функционирования конструкции, выполненной в соответствии с заявленным изобретением, описаны со ссылкой на Фиг. 1-8.

Конструкция баллона включает лейнер, например, из нержавеющей стали, силовую оболочку из композиционного материала и подставку для установки баллона, выполненную например из полимерных материалов.

При этом силовая оболочка состоит из n слоев из высокомодульных армирующих нитей, пропитанных полимерным связующим, каждый из которых 4 (i+1-й слой) охватывает предыдущий 3 (i-й слой) и формирует по поверхности днищ силовой оболочки систему кольцевых бандажей Dn. По поверхности контакта 4 (i+1-го) и 3 (i-го) слоев расположен силовой каркас 1 из мягких стропных лент с стройными лентами 2 из текстильного материала. Стропные ленты 2 из текстильного материала выходят наружу от поверхности оболочки, а по сечениям выхода Di зажимаются кольцевыми бандажами и вместе с ними формируют такелажные узлы. При этом силовой каркас может иметь различные варианты исполнения. Кроме того i+1-й слой 4 охватывает по сечению выхода Di на противоположном от стропных лент 2 днище подставку 5, формируя таким образом цельную конструкцию баллона.

Конструкция баллона функционирует следующим образом. Установленный в процессе изготовления силовой оболочки по поверхности контакта между слоями 4 (i+1-й ) и 3 (i-й ) силовой каркас 1 из мягких стропных лент с стропными лентами 2 из текстильного материала пропитывается полимерным связующим за счет пропитки основного материала силовой оболочки и при последующей полимеризации сшивается с армирующим материалом образую прочную систему. Стропные ленты 2, выходя за поверхность оболочку, остаются мягкими. А их концы защемлены как в силовой оболочке, так и дополнительно зажаты кольцевыми бандажами, что обеспечивает их прочное закрепление в оболочке баллона. Усиление такелажных узлов возможно специальной накладкой 6.

Таким образом, выполняя конструкцию баллона по предлагаемой схеме, практически полностью исключается возможность повреждения при такелажных и монтажных работах, в процессе эксплуатации баллона практически не вносится никаких дополнительных технологических приемов в технологию его реализации.

Изготовление и испытание баллонов давления по предложенной конструкции подтвердили их высокую надежность и эффективность.

Хотя указанный выше вариант выполнения данного решения был изложен с целью иллюстрации настоящего изобретения, специалистам ясно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла настоящего изобретения.

Изобретение относится к области газовой аппаратуры, а именно к композитным баллонам высокого давления, используемым, в частности, в системах газообеспечения, автомобильной промышленности, изделиях криогенной и противопожарной техники, системах для очистки воды и других приложениях. Композитный баллон давления содержит тонкостенный герметизирующий лейнер и внешнюю силовую оболочку, образованную комбинацией слоев высокомодульных нитей армирующего материала, с разными углами и мощностями разнородных семейств армирования. Каждое из семейств армирующих нитей по внешней поверхности противоположных днищ силовой оболочки образует кольцевые бандажи с равными диаметрами Di. В структуре стенки силовой оболочки по поверхности между базовым слоем i и последующим охватывающим слоем i+1 установлен силовой каркас, образованный из мягких лент из материала, отличного от материала силовой оболочки, проходящих от одного кольцевого бандажа с диаметром Di базового слоя i, причем ленты, выходя наружу от кольцевого бандажа базового слоя, петляют обратно к поверхности базового слоя i и образуют петли для стропа. Техническим результатом изобретения является обеспечение однородности структуры материала силовой оболочки и исключение возможности повреждения силовой оболочки баллона. 9 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Композитный баллон давления, характеризующийся тем, что содержит тонкостенный герметизирующий лейнер и внешнюю силовую оболочку, образованную комбинацией слоев высокомодульных нитей армирующего материала, с разными углами и мощностями разнородных семейств армирования, удовлетворяющих условию:

где к - число разнородных семейств армирующих нитей, образующих днища, Ti - усилия разрыва армирующих нитей i-м семействе, ni - мощность армирования, то есть число нитей в i-м семействе, ϕi - углы армирования нитей i-го семейства в рассматриваемом сечении, R - радиус цилиндрической части, р - давление разрушения баллона;

причем каждое из семейств армирующих нитей по внешней поверхности противоположных днищ силовой оболочки образует кольцевые бандажи с равными диаметрами Di, при этом

в структуре стенки силовой оболочки по поверхности между базовым слоем i и последующим охватывающим слоем i+1 установлен силовой каркас, образованный из мягких лент из материала, отличного от материала силовой оболочки, проходящих от одного кольцевого бандажа с диаметром Di базового слоя i силовой оболочки ко второму кольцевому бандажу с диаметром Di данного базового слоя i, причем ленты, выходя наружу от кольцевого бандажа базового слоя, петляют обратно к поверхности базового слоя i и образуют петли для стропа.

2. Баллон по п. 1, характеризующийся тем, что мягкие ленты силового каркаса расположены по любым траекториям на поверхности i-гo базового слоя силовой композитной оболочки.

3. Баллон по п. 1, характеризующийся тем, что мягкие ленты силового каркаса сформированы в виде сетчатого покрытия, представляющего собой открытую сетчатую оболочку.

4. Баллон по п. 1, характеризующийся тем, что мягкая лента образует U-образную форму стропной петли и оба конца ее скреплены в структуре стенки по поверхности с базовым слоем i и перевязаны намоткой нитей кольцевого армирования силовой композитной оболочки.

5. Баллон по пп. 1-4, характеризующийся тем, что по местам крепления концов мягких лент размещены усиливающие накладки, сшитые нитями с мягкими лентами и лентами силового каркаса.

6. Баллон по пп. 1-5, характеризующийся тем, что сформированные лентами подъемные петли для стропа по крайней мере на одном из днищ силовой оболочки содержат металлический крепежный элемент.

7. Баллон по пп. 1-5, характеризующийся тем, что на участке петли образующегося стропа лента обернута износостойким слоем в положении, соответствующем отверстию для ушка.

8. Баллон давления по пп. 1-7, характеризующийся тем, что лента, образующая подъемные петли, может быть выполнена тканной из синтетических нитей, веревок, строп, пропитанных и покрытых полимерным составом, или тросов подходящей прочности.

9. Баллон по п. 1, характеризующийся тем, что мягкие ленты выполнены с заделанными концами из гибкого материала, собранного в жгут в виде замкнутой спирали с витками разного размера, а каждый виток спирали имеет грушевидную форму, причем первый конец нити соединен с нитью в месте образования замкнутой однониточной спирали, а второй конец нити закреплен к телу жгута.

10. Баллон по п. 9, характеризующийся тем, что мягкая лента с заделанными концами представляет собой тканую лямку типа используемой для автомобильных ремней безопасности.