ГАЗОВЫЙ БАЛЛОН ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
HIGH PRESSURE GAS CYLINDER

Газовый баллон высокого давления
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к производству композиционных баллонов высокого давления, используемых для хранения, транспортирования и выдачи потребителям сжатых газов.
Известно устройство для герметизации патрубка в горловине сосуда высокого давления (патент RU 2177583).
Сосуд содержит герметичную оболочку из полимерного материала с патрубком, размещенную внутри силового корпуса из композиционного материала, фланец, опорная часть которого охвачена силовым корпусом, втулку, установленную в осевом отверстии патрубка с образованием кольцевой полости между патрубком и втулкой, в которой установлен уплотнитель с металлическим кольцом, фиксирующим уплотнитель, стопорное кольцо для втулки и фиксирующую кольцо кольцевую подмотку из композиционного материала.
Недостатками данного устройства являются:
- невозможность замены уплотнения в случае выхода его из строя по каким-либо причинам, вследствие этого низкая эксплуатационная долговечность сосуда высокого давления с этим устройством;
- сложность технологии и в связи с этим низкая производительность при изготовлении сосуда;
- отсутствие жесткой фиксации патрубка оболочки из полимерного материала в осевом и радиальном направлениях, что негативно отражается на эксплуатационной долговечности сосуда и технологии его изготовления.
Известны композиционные баллоны WO 2013000954 (А1), WO 2013000956 (A1), WO 2013000959 (А1), содержащие внешнюю силовую оболочку из композиционного материала и внутреннюю герметизирующую оболочку из газонепроницаемого полимерного материала.
Отверстие в патрубке имеет коническую поверхность для установки и крепления фланца с осевым резьбовым отверстием, облицованного полимерным материалом, с конической поверхностью для установки на коническую поверхность оболочки. Фланец к оболочке крепится с помощью клея.
После сборки внутренней оболочки производится намотка композиционного материала силовой оболочки. Затем устанавливают штуцер.
Уплотнение штуцера с фланцем осуществляется с помощью резинового кольца или двух колец. Резиновое кольцо (кольца) размещены в канавке (канавках) штуцера и контактируют с облицованными полимерным материалом цилиндрическими поверхностями фланца.
Недостатком этих баллонов является сложность конструкции и технологии изготовления, а также ненадежность из-за наличия клеевого соединения и вследствие этого низкая эксплуатационная долговечность.
Известен напорный резервуар (патент РФ 2528773), включающий пластмассовую внутреннюю оболочку с втянутой внутрь горловиной, вставку из полимерного материала с патрубком соединенную герметично с горловиной оболочки с помощью клея или сварки, головной элемент из металла с резьбовым отверстием для соединительной арматуры с кольцевым уплотнением в патрубке вставки и силовую намотку из композиционного материала.
Недостатками данного резервуара являются:
- сложность технологии изготовления из-за наличия сложных конических поверхностей на деталях, которые должны быть при изготовлении точно подогнаны друг к другу;
- невысокая надежность из-за наличия клеевого или сварного соединения пластмассовых деталей;
- высокие требования к качеству уплотняемой поверхности в патрубке.
Известна втулка для баллонов высокого давления и способ ее изготовления и крепления к днищу баллона (патент РФ 2507437). Баллон с таким днищем содержит внутреннюю оболочку из полимерного материала с патрубком, металлическую втулку с осевым резьбовым отверстием для установки соединительной арматуры и наружной резьбовой поверхностью для установки металлического фланца, корпус из композиционного материала, образующий силовую оболочку у баллона и жестко зафиксированный фланец на днище, полость, образованную наружной поверхностью втулки и внутренней поверхностью фланца для размещения патрубка. Представлены различные варианты уплотнений втулки и патрубка.
Недостатками баллона с такими днищами являются:
- необходимость точного и качественного изготовления уплотняемых поверхностей на патрубке, что усложняет технологию изготовлении оболочки из полимерного материала;
- невозможность замены уплотнений в некоторых представленных днищах, что снижает эксплуатационную долговечность баллонов;
- в одном из вариантов днища баллона на концевой части патрубка наличие резьбовых поверхностей и ответных резьбовых поверхностей на втулке и фланце, что усложняет технологию изготовления оболочки из полимерного материала, фланца и втулки.
Известен баллон фирмы Lincoln Composite (патент №5.429.845), содержащий оболочку из полимерного материала с заформованным в днище металлическим фланцем с фигурными канавками на внешней и внутренней поверхностях опорной части с осевым резьбовым отверстием для соединительной арматуры и уплотняемой поверхностью, силовой корпус из композиционного материала жестко фиксирующий фланец от проворота относительно оболочки.
Недостатками этого баллона являются:
- сложность технологии изготовления фланца (канавки сложной конфигурации на внешней и внутренней поверхностях опорной части, точная геометрия и качественная поверхность уплотняемой поверхности);
- не исключена возможность потери герметичности из-за возможных неплотностей, возникающих при тепловом воздействии на материал фланца и оболочки из полимерного материала (разные коэффициенты теплового расширения), что снижает эксплуатационную долговечность баллона;
- отсутствие жесткой фиксации фланца относительно оболочки в окружном направлении, что может усложнить технологию намотки на оболочку композиционного материала, и, следовательно, технологию изготовления баллона.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является баллон, патент РФ №2150634.
В предпочтительной форме реализации изобретения баллон включает корпус из композиционного материала, который облицован внутри герметичной пластиковой оболочкой, содержащей в одном из днищ патрубок из того же материала, из которого изготовлена сама оболочка. Патрубок размещен в полости фланца. Внутренняя цилиндрическая поверхность патрубка является уплотняемой поверхностью, Фланец снабжен опорной поверхностью и замотан композиционным материалом. Во фланце выполнено отверстие для установки штуцера с наружным диаметром, равным диаметру внутренней поверхности уплотнения с торцевой поверхностью, взаимодействующей с торцевой поверхностью уплотнения. Штуцер снабжен резьбовым отверстием для установки присоединяемых деталей (адаптер, вентиль баллонный и др.), наружной цилиндрической поверхностью, диаметр которой равен диаметру внутренней цилиндрической поверхности патрубка, наружной цилиндрической поверхностью, контактирующей с внутренней цилиндрической поверхностью уплотнения (уплотняемая поверхность) и наружной резьбовой поверхностью, выступающей за пределы торца фланца баллона, на который установлена накидная гайка, упирающаяся в торец фланца.
Таким образом, в представленной конструкции горловины баллона уплотнение находится в замкнутом пространстве между уплотняемыми поверхностями патрубка и штуцера и торцевыми поверхностями штуцера и фланца.
При навинчивании гайки на резьбовую наружную поверхность штуцера происходит сжатие уплотнения между торцевыми поверхностями штуцера и фланца за счет перемещения штуцера. В результате достигается необходимое усилие поджатия уплотнения к уплотняемым поверхностям штуцера и патрубка, которое, таким образом, является регулируемым. По сути дела, предлагаемый баллон снабжен устройством для регулирования степени герметизации патрубка за счет изменения усилия поджатия уплотнения к уплотняемым поверхностям.
При заполнении баллона средой за счет перемещения штуцера происходит дополнительное сжатие уплотнения. При удалении среды уплотнение восстанавливает свои размеры. Работа уплотнения в таком режиме отрицательно сказывается на его долговечности, в итоге на долговечности баллона. Это является существенным недостатком прототипа.
Недостатками прототипа также являются:
- низкая эксплуатационная долговечность баллона из-за невозможности замены уплотнения при выходе его из строя по каким-либо причинам и, как следствие, преждевременный выход из строя баллона;
- отсутствие жесткой фиксации патрубка относительно фланца в осевом направлении, при этом не исключена возможность смещения патрубка относительно фланца в осевом направлении при изменении давления и температуры в баллоне, что может привести к снижению эксплуатационной долговечности баллона;
- отсутствие жесткой фиксации патрубка относительно фланца в радиальном направлении; в этом случае при наличии искаженной формы у патрубка, что не исключено при изготовлении, может усложниться установка штуцера с уплотнением в отверстие патрубка и в итоге усложнится технология изготовления баллона;
- отсутствие жесткой фиксации фланца относительно пластиковой оболочки включая и патрубок в окружном направлении; в этом случае не исключена возможность провертывания фланца относительно оболочки включая и патрубок за счет усилия натяжения жгутов композиционного материала при намотке, что может привести к ухудшению качества намотки, и, следовательно, корпуса из композиционного материала, и в конечном итоге к снижению эксплуатационной долговечности баллона;
- отсутствие жесткой фиксации фланца относительно корпуса из композиционного материала, что может привести при установке во фланец штуцера к неконтролируему силовому воздействию через фланец на оболочку и нанесению последней повреждений; это отрицательно может сказаться на эксплуатационной долговечности баллона;
- конструкция баллона достаточно сложная из-за необходимости использования дополнительных деталей (гайка, тарельчатые пружины и др.), что приводит к усложнению технологии изготовления баллона.
Задачей изобретения является повышение эксплуатационной долговечности и упрощение технологии изготовления баллона.
Поставленная задача решена и технический результат достигнут за счет того, что устройство для герметизации патрубка снабжено гайкой, выполненной с цилиндрической поверхностью диаметром, равным внутреннему диаметру уплотнения, и с наружной резьбой, соответствующей резьбе штуцера, и снабженной фигурным отверстием для ввертывания гайки в штуцер и фланцем диаметром, равным диаметру отверстия патрубка, при этом уплотнение размещено между торцом штуцера и фланцем гайки, а штуцер с торца снабжен расточкой диаметром, равным диаметру цилиндрической поверхности гайки.
Такая конструкция баллона позволяет легко проводить замену уплотнения в случае выхода его из строя по каким-либо причинам, и, следовательно, баллон будет обладать более высокой эксплуатационной долговечностью.
Кроме того, в предлагаемой конструкции обеспечивается возможность регулирования степени поджатия уплотнения к внутренней поверхности патрубка при вращении гайки и достижения необходимой герметичности баллона в процессе его эксплуатации. При этом даже при недостаточно качественном изготовлении внутренней поверхности патрубка возможно достижение высокой степени герметизации патрубка.
Поставленная задача также решена за счет того, что отверстие в гайке может быть выполнено шестигранным, квадратным, овальным или цилиндрическим двухступенчатым, при этом одна ступень соосна резьбе гайки, а другая эксцентрична относительно первой. Это позволяет производителю баллонов выбирать наиболее простую технологию изготовления отверстия под ключ для гайки.
Поставленная задача также решена за счет того, что наружная поверхность патрубка выполнена фигурной и конгруэнтна внутренней полости фланца.
На внутренней поверхности фланца выполнены два поднутрения: одно из них жестко фиксирует патрубок от перемещений относительно фланца в осевом направлении, другое - в радиальном. Последнее упрощает процесс установки в патрубок штуцера с уплотнением и гайкой и в конечном итоге упрощает технологию изготовления баллона.
Жесткая фиксация патрубка относительно фланца в осевом направлении в баллоне с одинаковыми днищами позволяет сохранить постоянные размеры пластиковой оболочки в осевом направлении, что важно для достижения высокой эксплуатационной долговечности баллона.
Поставленная задача также решена за счет того, что уплотнение выполнено в виде кольца круглого, квадратного или прямоугольного сечения и из материала менее жесткого, чем материал патрубка. При сжатии таких уплотнений гайкой обеспечивается надежная герметизация патрубка, что приводит к повышению эксплуатационной долговечности баллона.
Поставленная задача также решена за счет того, что уплотнение выполнено в виде двух колец из упругого материала с металлическим кольцом между ними с наружным диаметром равным внутреннему диаметру патрубка и внутренним диаметром равным диаметру цилиндрической поверхности гайки. Двойное уплотнение повышает надежность герметизации патрубка, и, следовательно, эксплуатационную долговечность баллона.
Поставленная задача также решена за счет того, что оба днища у баллона конструктивно выполнены одинаково. В этом случае пластиковая оболочка в корпусе из композиционного материала жестко зафиксирована с двух сторон и не может изменять свои размеры в осевом направлении при изменении давления и температуры. Это повышает эксплуатационную долговечность баллона.
Поставленная задача также решена за счет того, что наружный диаметр опорной части фланца составляет 0,35-0,45 от наружного диаметра пластиковой оболочки. При таких соотношениях наружного диаметра опорной части фланца и наружного диаметра пластиковой оболочки достигаются оптимальные условия для работы фланца в составе баллона, что обеспечивает повышенную эксплуатационную долговечность баллона.
Поставленная задача также решена за счет того, что опорная часть фланца, заформованная в днище пластиковой оболочки, снабжена как минимум двумя отверстиями, а его наружная поверхность, контактирующая с корпусом из композиционного материала, снабжена многогранной поверхностью.
В результате обеспечивается жесткая фиксация относительно фланца пластиковой оболочки, а также корпуса из композиционного материала.
Это приводит к повышению качества корпуса за счет качественной намотки композиционного материала (отсутствует возможный проворот фланца относительно пластиковой оболочки), а также к сведению до минимума повреждений, наносимых на пластиковую оболочку при установке штуцера. В итоге достигается повышение эксплуатационной долговечности баллона.
Конструкция баллона поясняется графическими материалами, представленными на Фиг. 1, 2, 3, 4, 5.
На Фиг. 1 Представлен общий вид баллона с двумя одинаковыми днищами, включающий корпус 1 из композиционного материала, облицованный внутри пластиковой оболочкой 2.
На Фиг. 2 показан фрагмент продольного разреза баллона в районе днища. Представлены внутренняя герметизирующая пластиковая оболочка 2, фланец 3, корпус 1 из композиционного материала, штуцер 4, уплотнение 5, патрубок 6 и гайка 7.
На опорной части фланца 3, заформованной в пластиковой оболочке 2, выполнены как минимум два отверстия 8, жестко фиксирующие фланец 3 от проворота в пластиковой оболочке 2 при намотке композиционного материала.
Во фланце 3 выполнена фигурная полость с двумя поднутрениями 9 и 10, в которой размещен патрубок 6 пластиковой оболочки 2. Поднутрения обеспечивают фиксацию патрубка 6 относительно фланца 3 в радиальном и осевом направлениях. Поднутрение 10 при одинаковом изготовлении днищ баллона обеспечивает также жесткую фиксацию всей пластиковой оболочки 2 относительно корпуса 1 из композиционного материала в осевом направлении.
Фланец 3 снабжен резьбовым отверстием 11 для установки штуцера 4.
Штуцер 4 установлен в резьбовом отверстии 11 фланца 3 и снабжен цилиндрической поверхностью 14 диаметром, равным диаметру цилиндрического отверстия 12 во фланце 3, а также внутренней поверхности 14 патрубка 6. Штуцер 4 снабжен резьбовым отверстием для установки гайки 7, а также запорной арматуры баллона.
В районе торца штуцера 4, контактирующего с уплотнением 5, выполнена цилиндрическая расточка 15 диаметром равным диаметру внутренней поверхности уплотнения 5.
Гайка 7 ввернута в резьбовое отверстие штуцера 4 и снабжена фланцем 16 диаметром, равным диаметру внутренней поверхности 14 патрубка 6, а также цилиндрической поверхностью 17 диаметром, равным диаметрам внутренней поверхности уплотнения 5 и цилиндрической расточки 15 штуцера 4.
Гайка 7 также снабжена осевым отверстием 18, которое может иметь различную конфигурацию под ключ для ввертывания ее в штуцер 4 и поджатия уплотнения 5 к уплотняемой поверхности патрубка 6 с необходимым усилием, обеспечивающим необходимую герметичность баллона.
На Фиг. 3 представлен разрез Б-Б на Фиг. 2, на котором поверхность 13 выполнена многогранной. Это обеспечивает дополнительно жесткую фиксацию фланца 3 относительно корпуса 1 из композиционного материала.
На Фиг. 4 представлен один из вариантов изготовления отверстия в гайке 7 под ключ, выполнение которого просто в осуществлении. Соосная гайке 7 часть отверстия 19 может быть выполнена расточкой при изготовлении на токарном станке, а эксцентрично расположенная часть 20 - на сверлильном станке.
На Фиг. 5 представлен вариант днища, у которого уплотнение 5 выполнено в виде двух колец из упругого материала с металлическим кольцом 21 между ними с наружным диаметром, равным диаметру внутренней поверхности патрубка 6, и внутренним диаметром, равным диаметру цилиндрической поверхности гайки 16.
Установку в днище баллона штуцера 4 с гайкой 7 и уплотнением 5 осуществляют в следующей последовательности:
- на гайку 7 устанавливают уплотнение 5;
- гайку 7 с уплотнением 5 вворачивают в резьбовое отверстие штуцера 4 с прилеганием без усилия уплотнения 5 к торцу штуцера 4 и фланцу 16 гайки 7;
- штуцер 4 ввертывают в резьбовое отверстие фланца 3 до упора в торец фланца;
- в фигурное отверстие гайки 7 устанавливают соответствующий ключ и поворотом его производят сжатие уплотнения 5. При этом уплотнение 5 упруго деформируется в замкнутом объеме и плотно прилегает к уплотняемым поверхностям. Изменяя величину сжатия уплотнения 5, можно достичь необходимой степени герметизации патрубка 6.
В случае замены уплотнения 5 вращением гайки 7 ключом снимают поджатие уплотнения 5, вывертывают штуцер 4 из фланца 3, вывертывают гайку 7 из штуцера 4, снимают уплотнение 5 с гайки 7, ставят новое уплотнение 5 и далее выполняют действия, описанные выше.
В случае двойного уплотнения отличие при сборке будет заключаться в том, что между уплотнениями 5 размещают металлическое кольцо 21.
Работа баллона заключается в периодической заправке газом и последующей выдаче его потребителю.