сосуд высокого давления и способ его изготовления

Формула изобретения

1. Сосуд высокого давления, включающий силовую оболочку из композиционного материала, герметизирующую оболочку и коаксиальные металлические штуцера с фланцами, заделанными в герметизирующую оболочку, и навинченные на штуцера гайки, отличающийся тем, что герметизирующая оболочка выполнена из двух композиционных полусферических формованных оболочек, соединенных между собой в "замок", место стыка которых закреплено поясом из композиционного материала.

2. Сосуд высокого давления по п.1, отличающийся тем, что силовая и герметизирующая оболочки выполнены из материала с близким модулем упругости, при этом толщина силовой оболочки в области штуцера и стыка полуоболочек больше, чем в других зонах оболочки.

3. Способ изготовления сосуда высокого давления, включающий намотку композиционного слоя на предварительно изготовленную герметизирующую оболочку и его полимеризацию, отличающийся тем, что герметизирующую оболочку выполняют из двух полуоболочек с отверстиями для штуцеров, каждую из которых формуют из композиционного материала с использованием пуансона и матрицы, на клею устанавливают штуцера, соединяют полуоболочки посредством клея в замок, место стыка закрепляют поясом из композиционного материала, затем осуществляют намотку внешней силовой оболочки и дополнительно закрепляют ее на штуцере посредством гайки.

4. Способ изготовления сосуда высокого давления по п.3, отличающийся тем, что толщину герметизирующей оболочки выбирают размером, обеспечивающим жесткость и устойчивость при намотке нитей композиционного материала наружной силовой оболочки.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Изобретение относится к машиностроению, к созданию сосудов большого объема, работающих под высоким давлением (от 200 кгс/см ² и выше), и способ их изготовления и может быть использовано во всех отраслях техники, где применяются такие сосуды, в частности в автотранспорте на газовом топливе, например метане.

Уровень техники

Типичный пробег автомобилей, оснащенных газовой аппаратурой высокого давления, между заправками обычно не превосходит 30-50% от пробега обычных, бензиновых. Это приводит к необходимости чаще заправлять автомобиль, т.е. иметь большое количество газозаправочных станций высокого давления, и накладывает серьезные требования на массогабаритные характеристики газобаллонной аппаратуры как заправляемого автомобиля, так и газозаправщика.

В то же время распространенность метана, его относительная дешевизна и экологическая безопасность выделяемых при горении продуктов делает его применение в качестве топлива чрезвычайно перспективным в ближайшем будущем, учитывая быстрое истощение мировых запасов жидких углеводородов и относительно легкосжимаемого газа - пропана.

Несмотря на кажущуюся простоту и широкую известность используемых сосудов высокого давления, обилие конструкций, применяемых материалов и технологий изготовления, а также их широкое использование в различных областях техники, создание сосудов высокого давления большого объема (сотни и тысячи литров), имеющих хорошие эксплуатационные характеристики при невысоком уровне цены и пригодные для заполнения метаном, является сложной задачей.

Известен комбинированный баллон и способ его изготовления [1]. Этот баллон для хранения и подачи жидких и газообразных сред высокого давления представляет собой оболочку из внутреннего металлического слоя и наружного композиционного слоя. Оболочка содержит обечайки из тонколистового металла, бобышку и горловину, соединенные между собой посредством электросварки. С целью уменьшения массы баллона толщина металлического слоя _мет и толщина композиционного слоя _ком выбрана в соотношении _мет=(0,1-0,2) _ком.

Баллон изготавливают следующим образом. Во внутреннюю полость металлической оболочки, для обеспечения устойчивости от внешнего давления при последующей намотке композиционного слоя, через горловину вводят сыпучий материал до полного заполнения и уплотнения (например, вибрацией). В полости горловины устанавливают пробку, которая одновременно является задней цапфой. В бобышку устанавливают переднюю цапфу. Металлическую оболочку посредством передней и задней цапф устанавливают на намоточный станок и производят намотку на наружную поверхность металлического слоя композиционного слоя. Баллон помещают в термокамеру для полимеризации композиционного материала, после чего баллон извлекают из термокамеры.

Однако подобные конструкции сосудов с внутренней металлической оболочкой не позволяют добиться достаточно высокой нагрузочной способности баллона, имеют большой вес, низкую надежность при испытании на циклические нагрузки. Уменьшать толщину металлической оболочки можно только до определенного предела, потому что она, являясь технологической оправкой, должна обладать достаточной жесткостью, чтобы обеспечить необходимое натяжение стеклонитей при намотке композиционной оболочки. С увеличением габаритов и емкости баллонов требования к жесткости и устойчивости металлической оболочки еще более ужесточаются.

Недостатком данного комбинированного баллона и способа его изготовления является то, что из-за существенных различий в модуле упругости металлической оболочки и упрочняющей композиционной оболочки невозможно создать оптимальную конструкцию баллона, где обе оболочки работают в полной мере. Для достижения высокой прочности сосуда под давлением композиционную оболочку выполняют с предварительным напряжением. В итоге при сбросе давления внутренняя металлическая оболочка оказывается перегруженной, получая остаточные деформации, и вследствие этого имеет низкую прочность на циклические нагрузки.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является сосуд давления из композиционных материалов [2]. Сосуд высокого давления содержит силовую оболочку из композиционного материала, герметизирующую оболочку из эластичного полимера и коаксиальные металлические штуцера с фланцами, заделанными в герметизирующую оболочку, а также накладные шайбы и навинченные на штуцера гайки, защемляющие силовую и герметизирующую оболочки между фланцем штуцера и накладной шайбой. При этом между герметизирующей и силовой оболочками установлены дополнительные шайбы с плоскими участками на внутреннем диаметре и заостренными штырями на поверхности, соприкасающейся с силовой оболочкой. Причем выступание штырей над поверхностью дополнительной шайбы на 1~2 мм меньше расчетной толщины силовой оболочки из композиционного материала, а у штуцеров в зоне контакта с дополнительными шайбами выполнены ответные плоские лыски.

Сосуд высокого давления изготавливают следующим образом. Перед намоткой силовой оболочки на штуцер надевают дополнительную шайбу, соприкасающуюся гладкой поверхностью с эластичной герметизирующей оболочкой, а плоскими поверхностями на внутреннем диаметре шайбы - с ответными аналогичными лысками на штуцере. Запрессованные в дополнительную шайбу заостренные штыри выступают над поверхностью шайбы, соприкасающейся с силовой оболочкой на величину 1-2 мм. При намотке высокопрочные, покрытые полимерным связующим нити укладывают слоями между штырями до тех пор, пока не будет достигнута расчетная толщина, а так как высота штырей меньше этой величины, они оказываются полностью замотанными, и после отвердения полимерного связующего плотно заделанными в композитной силовой оболочке. После окончания намотки силовой оболочки, перед проведением в электропечи процесса полимеризации на штуцер устанавливают накладную шайбу и навинчивают резьбовую гайку, которые обеспечивают необходимое плотное прижатие герметизирующей и силовой оболочек к фланцу штуцера. Заостренные штыри, оказавшиеся плотно заделанными в материал композитной оболочки, исключают возможность проворота шайбы при самых больших значениях крутящего момента, а плоские поверхности на внутреннем диаметре шайбы и ответные лыски на штуцере предохраняют последний от проворота при тех же самых действующих на него скручивающих усилиях.

Недостатками прототипа является отсутствие возможности создания сосуда высокого давления большого размера с простой и технологичной в исполнении конструкцией, которая обеспечит его максимальную прочность даже при циклическом нагружении и минимальную чувствительность к термодеформациям.

Сущность изобретения

Технической задачей изобретения является создание сосуда высокого давления большого размера с простой и технологичной в исполнении конструкцией, которая обеспечит его максимальную прочность даже при циклическом нагружении и минимальную чувствительность к термодеформациям.

Техническим результатом изобретения является повышение допустимой нагрузочной характеристики сосуда при одновременном сохранении простоты и технологичности его изготовления, а также уменьшение веса и стоимости.

Технический результат в заявляемом устройстве достигается тем, что в сосуде высокого давления, включающем силовую оболочку из композиционного материала, герметизирующую оболочку и коаксиальные металлические штуцера с фланцами, заделанными в герметизирующую оболочку, и навинченные на штуцера гайки, новым является то, что герметизирующая оболочка выполнена из двух композиционных полусферических формованных оболочек, соединенных между собой в “замок”, место стыка которых закреплено поясом из композиционного материала.

В устройстве по п.2 новым является то, что силовая и герметизирующая оболочки выполнены из материала с близким модулем упругости, при этом толщина силовой оболочки в области штуцера и стыка полуоболочек больше, чем в других зонах оболочки.

Технический результат в заявляемом способе достигается тем, что в способе изготовления сосуда высокого давления, включающем намотку композиционного слоя на предварительно изготовленную герметизирующую оболочку с отверстиями для штуцеров и его полимеризацию, новым является то, что герметизирующую оболочку выполняют из двух полуоболочек, каждую из которых формуют из композиционного материала с использованием пуансона и матрицы, на клею устанавливают штуцера, соединяют полуоболочки посредством клея в “замок”, место стыка закрепляют поясом из композиционного материала, затем осуществляют намотку внешней силовой оболочки и дополнительно закрепляют ее на штуцере посредством гайки.

Во втором пункте способа изготовления сосуда высокого давления толщину герметизирующей оболочки выбирают размером, обеспечивающим жесткость и устойчивость при намотке нитей композиционного материала наружной силовой оболочки. Указанные отличия позволяют создать сосуд высокого давления с высокой допустимой нагрузочной характеристикой сосуда, при одновременном сохранении простоты и технологичности его изготовления, уменьшении веса и стоимости.

Покажем, каким образом достигается указанный выше технический результат по пунктам 1-2 заявляемого сосуда высокого давления.

Выполнение герметизирующей оболочки из двух композиционных полусферических формованных оболочек с отверстиями для штуцеров, соединенных между собой в “замок”, место стыка которых закреплено поясом из композиционного материала, позволяет получить прочную и жесткую внутреннюю оправку. Благодаря тому, что стеклопластик обладает более высокой удельной прочностью (отношением _в/), в сравнении со сталью и самыми прочными алюминиевыми или титановыми сплавами, появляется реальная возможность уменьшить вес сосуда и его стоимость.

Выполнение силовой и герметизирующей оболочки из материала с близким модулем упругости, с толщиной силовой оболочки в области штуцера и стыка полуоболочек большей, чем в других зонах оболочки, позволяет создать равнопрочный при циклических нагружениях композитный сосуд высокого давления.

Покажем, каким образом достигается указанный выше технический результат по пунктам 3-4 заявляемого способа изготовления сосуда высокого давления.

Выполнение герметизмрующей оболочки из двух полуоболочек, каждую из которых формуют из композиционного материала с использованием пуансона и матрицы, устанавливают на клею штуцера, соединяют полуоболочки посредством клея в замок, место стыка закрепляют поясом из композиционного материала, позволяет создать конструкцию герметизирующей оболочки простую по технологическому исполнению и прочную, малого веса и стоимости. Выполнение намотки внешней силовой оболочки и дополнительное закрепление ее на штуцере посредством гайки повышает допустимую нагрузочную характеристику сосуда.

Выбор толщины герметизирующей оболочки определяется следующим. Герметизирующая оболочка должна воспринимать давление, которое реализуется при намотке силового слоя армирующих нитей на устройстве для орбитальной намотки. Кроме этого, она должна воспринимать консольное нагружение, возникающее при натяжении укладываемых на оправку армирующих нитей.

Благодаря такому выбору появляется реальная возможность изготовления высокопрочного композитного сосуда.

Заявляемый сосуд высокого давления представлен на чертеже в сечении: поз.1 - оболочка герметизирующая, поз.2 - штуцер, поз.3 - гайка, поз.4 - пояс усиливающий, поз.5 - оболочка силовая, поз.6 - гайка.

Сосуд высокого давления включает герметизирующую оболочку 1, изготовленную из двух формованных полусфер, в отверстиях которых коаксиально установлены штуцера 2 и закреплены с помощью клея и гаек 3. Место стыка полусфер укреплено поясом 4 из композиционного материала, поверх которого на герметизирующую оболочку наматывается силовая оболочка 5 и закрепляется на штуцерах с помощью гаек 6.

Изобретение осуществляется следующим образом. Для получения герметизирующей стеклопластиковой оболочки 1 формуют с использованием пуансона и матрицы посредством выклейки из стеклоткани, пропитанной компаундом, отдельно две тонкостенные полуоболочки, имеющие отверстия для размещения штуцеров 2. На полуоболочки на клею устанавливают штуцера 2, закрепляют их гайками 3. Полуоболочки 1 соединяют друг с другом, склеивая их в “замок”. Клеевой шов имеет низкий предел прочности на сдвиг, поэтому место стыка формованных полуоболочек дополнительно скрепляют усиливающим поясом 4 из композиционного материала, расположенным поверх клеевого замкового соединения. Затем осуществляют намотку армирующих нитей силовой оболочки 5. Намотка армирующих нитей на оправку сферической формы характеризуется полной автоматизацией цикла намотки и высокой производительностью процесса обеспечивает равномерное распределение зон укладки по поверхности сферической формы. После окончания намотки силовую оболочку 5 дополнительно закрепляют на штуцере 2 посредством гайки 6.

На предприятии проведено расчетно-теоретическое обоснование работоспособности заявляемого изобретения, осуществлена конструкторская проработка устройства в целом и составных узлов, ведутся работы по отработке макетного образца.

При конструировании сосуда высокого давления учитывались следующие моменты. С точки зрения прочности герметизирующая оболочка должна воспринимать давление, которое реализуется при намотке силового слоя армирующих нитей на устройстве для орбитальной намотки. Кроме этого она должна воспринимать консольное нагружение, возникающее при натяжении укладываемых на оправку армирующих нитей. Исходя из этих нагрузок, выбирают толщину внутренней герметизирующей оболочки и усиливающего клеевой шов пояса.

При конструировании штуцера - горловины камеры - учитывают условия обеспечения ее прочности при моментном нагружении, возникающем при завинчивании (отвинчивании) арматуры в процессе эксплуатации камеры. Для обеспечения этого условия на силовую оболочку на клею устанавливают дополнительную металлическую гайку, обеспечивающую надежное присоединение штуцера к силовой оболочке.

Толщину слоя армирующих нитей силовой оболочки и распределение числа витков по зонам намотки определяют из условий обеспечения необходимых запасов прочности, требований по циклической прочности и др., зафиксированных в техническом задании, в российских и международных стандартах, с учетом дополнительного упрочнения оболочки в зоне склейки.

Расчеты показали, что подобная конструкция сосуда позволяет эффективно использовать прочностные свойства материала обеих оболочек и усиливающего пояса, т.к. все эти элементы изготовлены из однородных материалов, имеющих одинаковый модуль упругости. Расчетом и оптимизацией геометрических размеров всех элементов можно обеспечить их одинаковое силовое нагружение и соответственно одинаковые деформации. Кроме того, качество склейки и прочностные характеристики клеевых швов однородных материалов существенно выше из-за высокой адгезии и одинаковых деформаций при нагружении.

Все эти меры в совокупности позволяют существенно улучшить качественные характеристики сосуда, сохраняя при этом простоту и технологичность конструкции.

Благодаря своим преимуществам предлагаемый композиционный сосуд высокого давления найдет применение для хранения и транспортировки трудносжимаемых газов, будет использоваться, например, в качестве емкости для передвижных газозаправщиков высокого давления.

Источники информации

1. Патент RU №2058507 кл. F 17 С 1/00, опубл. 1996).

2. Патент RU №2051308. F 17 С 1/16, опубл 27.12.1995 г.)