СДВИГОУСТОЙЧИВЫЙ ВЫСТУП СОСУДА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ И ЭЛЕМЕНТ ИНТЕРФЕЙСА ОБОЛОЧКИ
SHEAR-RESISTANT LEDGE OF HIGH-PRESSURE VESSEL AND SHELL INTERFACE ELEMENT

Уровень техники
Сосуды высокого давления обычно используются для хранения различных текучих сред под давлением, например, при хранении водорода, кислорода, природного газа, азота, пропана и других видов топлива. Подходящие материалы емкости включают в себя ламинированные слои намоточного оптического стекловолокна или других синтетических нитей, соединенных вместе посредством термоусадки или термопластичных смол. Внутри композитной оболочки часто размещают полимерную или иную неметаллическую эластичную внутреннюю облицовку или камеру для герметизации сосуда и предотвращения контакта внутренних текучих сред с композитным материалом. Композитная конструкция сосудов обеспечивает многочисленные преимущества, например, небольшой вес и устойчивость к коррозии, усталостным нагрузкам и внезапным отказам. Эти свойства вызваны высокой удельной прочностью армирующих волокон или нитей, которые обычно ориентированы в направлении главных сил конструкции сосудов высокого давления.
На фиг.1 и 2 показан удлиненный сосуд 10 высокого давления, такой как сосуд, раскрытый в патенте США № 5476189, который включен сюда путем ссылки. Сосуд 10 имеет главную секцию 12 корпуса с концевыми секциями 14. Металлический выступ 16 (например, алюминиевый) обеспечен на одном или обоих концах сосуда 10 для обеспечения канала, сообщающегося с внутренней частью сосуда 10. Сосуд 10 образован из внутренней полимерной внутренней облицовки 20, покрытой внешней композитной оболочкой 18. В этом случае "композитный" означает армированный волокном материал со смоляной матрицей, например, намоточной или слоистой структуры. Композитная оболочка 18 воспринимает все конструктивные нагрузки, а пластичная облицовка 20 обеспечивает газовый барьер.
Облицовка 20 имеет по существу полусферическую концевую секцию 22 с отверстием 24, выровненным в отверстии 26 во внешней композитной оболочке 18. Выступ 16 расположен в этих выровненных отверстиях и включает в себя участок 28 горловины и выступающий радиально наружу участок 30 фланца. Выступ 16 образует канал 32, через который текучая среда под высоким давлением может сообщаться с внутренней частью сосуда 10 высокого давления.
В некоторых применениях сосуд 10 используется в качестве аккумулятора. Это применение затрагивает многоцикловые режимы работы (герметизация/разгерметизация) сосуда 10. Горловина 28 и фланец 30 алюминиевого выступа 16 являются жесткими. Однако под давлением композитная оболочка 18 испытывает напряжение. Если композитная оболочка 18 находится в прямом контакте с металлическим материалом выступа 16, такое напряжение может привести к отслаиванию композитной оболочки 18 во время цикла аккумулирования за счет изнашивания композитной оболочки 18 выступом 16.
Раскрытие изобретения
В одном объекте, предлагается сосуд высокого давления, содержащий композитную оболочку; выступ, образующий канал в композитной оболочке и содержащий горловину; и элемент интерфейса, расположенный между композитной оболочкой и выступом, причем элемент интерфейса не соединен ни с композитной оболочкой, ни с выступом, тем самым обеспечивая перемещение между элементом интерфейса и композитной оболочкой и обеспечивая перемещение между элементом интерфейса и выступом, причем элемент интерфейса содержит горловину, расположенную смежно с горловиной выступа.
В данном раскрытии изобретения в упрощенной форме вводятся понятия, которые дополнительно описаны ниже в подробном описании. Данное раскрытие изобретения не предназначено для определения ключевых признаков или существенных признаков раскрываемого или заявленного объекта изобретения, и не предназначено для описания каждого раскрытого варианта осуществления или каждого внедрения раскрытого или заявленного объекта изобретения. В частности, признаки, описанные здесь применительно к одному варианту осуществления, могут быть в равной степени применимы и к другим. Кроме того, данное раскрытие изобретения не предназначено для использования при определении объема заявленного изобретения. Многие другие инновационные преимущества, признаки и взаимосвязи станут понятными по мере ознакомления с данным описанием. Приведенные ниже чертежи и описание являются примером, в частности, иллюстративных вариантов осуществления.
Краткое описание чертежей
Раскрытый объект изобретения будет дополнительно пояснен со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых идентичные конструкции или системные элементы обозначены идентичными ссылочными позициями на нескольких видах.
Фиг.1 представляет собой вид сбоку обычного удлиненного сосуда высокого давления.
Фиг.2 представляет собой вид в частичном разрезе одного конца сосуда высокого давления по линии 2-2 на фиг.1.
Фиг.3 представляет собой вид в перспективе первого варианта выполнения сдвигоусточивого выступа и элемента интерфейса оболочки настоящего описания.
Фиг.4 представляет собой вид в частичном разрезе, подобный виду на фиг.2, сосуда высокого давления, содержащего сдвигоустойчивый выступ и элемент интерфейса оболочки по фиг.3.
Фиг.5А представляет собой увеличенный вид в частичном разрезе отмеченной кругом (ссылочная позиция 5) области на фиг.4, показывающий второй вариант выполнения сдвигоустойчивого выступа и элемента интерфейса оболочки согласно настоящему изобретению.
Фиг.5В представляет собой увеличенный вид в частичном разрезе отмеченной кругом (ссылочная позиция 5) области на фиг.4, показывающий третий вариант выполнения сдвигоустойчивого выступа и элемента интерфейса оболочки согласно настоящему изобретению.
Фиг.5С представляет собой увеличенный вид в частичном разрезе отмеченной кругом (ссылочная позиция 5) области на фиг.4, показывающий четвертый вариант выполнения сдвигоустойчивого выступа и элемента интерфейса оболочки согласно настоящему изобретению.
ФИГ.5D представляет собой увеличенный вид в частичном разрезе отмеченной кругом (ссылочная позиция 5) области на фиг.4, показывающий пятый вариант выполнения сдвигоустойчивого выступа и элемента интерфейса оболочки согласно настоящему изобретению.
Хотя на вышеуказанных чертежах представлены один или более вариантов осуществления раскрытого объекта изобретения, также рассматриваются и другие варианты осуществления, как отмечено в описании. В любом случае, данное описание представляет раскрытый объект изобретения путем представления, а не ограничения. Следует понимать, что специалистами в данной области техники могут быть разработаны многие иные модификации и варианты осуществления в пределах объема и сущности настоящего изобретения.
Чертежи могут быть выполнены не в масштабе. Кроме того, там, где используются такие термины, как "вверху", "внизу", "над", "под", "верхний", "нижний", "боковой", "правый", "левый", и т.д., следует понимать, что они применяются только для облегчения понимания описания. Предполагается, что конструкции могут быть ориентированы по-другому.
Подробное описание изобретения
После многих циклов герметизации и разгерметизации, часто возникает отслаивание композитной оболочки 18, особенно в точке 33 (фиг.2), где вершина металлического выступа 16 контактирует с композитной оболочкой 18. Известное решение этой проблемы описано в патенте США № 5,429,845, который включен сюда путем ссылки. В представленном описании примерный вариант осуществления сосуда включает сдвигоустойчивый элемент 34-34D интерфейса, обеспеченный между выступом 16 и композитной оболочкой 18, как показано на фиг.4-5D. Хотя на фиг.5А-5D показана только половина разреза сосуда высокого давления, другая половина представляет собой зеркальное отражение (вокруг оси 35 на фиг.4). Элемент 34-34D интерфейса может также продолжаться до интерфейса между композитной оболочкой 18 и облицовкой 20 рядом с выступом 16. Элемент 34-34D интерфейса выполнен с возможностью создания гибкой, быстроизнашивающейся поверхности между выступом 16 и композитной оболочкой 18. Примерные конфигурации элемента 34-34D интерфейса проиллюстрированы на фиг.3-5D. Элемент 34-34D интерфейса способствует скольжению композитной оболочки 18 по выступу 16 во время герметизации и разгерметизации.
В примерном варианте осуществления элемент 34-34D интерфейса не соединен ни с композитной оболочкой 18, ни с выступом 16, тем самым обеспечивая перемещение между элементом 34-34D интерфейса и композитной оболочкой 18 и обеспечивая перемещение между элементом 34-34D интерфейса и выступом 16. Обеспечивая возникновение такого скольжения необходимо не допускать внутренней сдвиговой деформации материала, используемого для элемента 34-34D интерфейса, или разрыва элемента 34-34D интерфейса.
Если элемент 34-34D интерфейса выполнен из материала, такого как резина, который не сопротивляется сдвиговым усилиям, он может быть изношен (например, истерт) перемещением композитной оболочки 18 относительно выступа 16. Соответственно, в примерном варианте осуществления, элемент 34-34D интерфейса выполнен из материала, который является высокостойким к сдвиговым усилиям, например, полиоксиметилена (главным образом относящегося к РОМ и также известного как полиацеталь или полиформальдегид), технического термопласта, имеющего высокую жесткость, низкое трение и превосходную стабильность размеров. Главным образом он известен под торговым именем DERLINTM DuPont. Такой материал элемента интерфейса обеспечивает высокий износ и низкое трение между элементом 34-34D интерфейса и композитной оболочкой 18, а также между элементом 34-34D интерфейса и выступом 16.
Другие подходящие материалы включают, например, полимер или эластомер, армированный ткаными или рублеными волокнами. Эти материалы могут обеспечивать дополнительную износостойкость элементу 34-34D интерфейса. Наиболее подходящие материалы для элемента 34-34D интерфейса имеют модуль упругости, который больше модуля упругости резины (около 250 фунтов/кв.дюйм (фунтов на квадратный дюйм)) для избежания разрушения элемента 34-34D интерфейса. Более того, наиболее подходящие материалы для элемента 34-34D интерфейса имеют модуль упругости, который меньше модуля упругости металлического материала выступа (модуль упругости алюминия равен около 10 миллионам фунтов/кв. дюйм (миллионов фунтов на квадратный дюйм)); модуль упругости стали составляет около 29 миллионов фунтов/кв. дюйм, чтобы уменьшить сосредоточение нагрузки на вершине 33 выступа 16, которая может разрушить композитную оболочку 18. Из-за более высоких нагрузок или продолжительных циклов, которым может быть подвержен сосуд, материал для элемента 34-34D интерфейса должен быть более прочным, чем обычно используемая резина для избегания размельчения элемента 34-34D интерфейса. Например, DELRINTM имеет модуль упругости около 350 тыс. фунтов/кв.дюйм (тысяч фунтов на квадратный дюйм).
В примерных вариантах осуществления элемент 34-34D интерфейса включает горловину 38, которая содействует податливости конструкции, которая не будет склонна к разрушению из-за контакта с выступом 16 и композитной оболочкой 18, и поэтому защищает композитную оболочку 18 от повреждения. В некоторых вариантах осуществления, например, показанных на фиг.4, 5В, 5С и 5D, конец 39 горловины 38, 38В, 38С, 38D продолжается по всей толщине композитной оболочки 18 рядом с выступом 16 так, что композитная оболочка 18 не приходит в непосредственный контакт с выступом 16. В других вариантах осуществления, например, показанном на фиг.5А, горловина 38А не продолжается по всей толщине композитной оболочки 18 рядом с выступом 16, так, что композитная оболочка 18 непосредственно контактирует с выступом 16. В других вариантах осуществления, например, показанном на фиг.5С, горловина 38С является прямой (т.е., имеющей одинаковую толщину и продолжающейся параллельно горловине 28 выступа 16). В других вариантах осуществления, например, показанном на фиг.5D, горловина 38D сужается до меньшей толщины по мере приближения к концу 39. В других вариантах осуществления, например, показанных на фиг.4, 5А и 5В, горловина 38, 38А, 38В имеет буртик 40, 40А, 40В, смежный концу 39 и продолжающийся радиально наружу. Буртик 40, 40А, 40В обеспечивает механическое блокирование, которое предотвращает аксиальное перемещение композитной оболочки 18 от юбки 36, тем самым поддерживая надежное зацепление элемента 34 интерфейса и композитной оболочки 18 аксиально, несмотря на неблагоприятные условия нагружения, которым подвержен сосуд 10. В некоторых вариантах осуществления, например, показанном на фиг.5В, нижний участок или юбка 36В элемента 34В интерфейса имеет по существу одинаковую толщину и сужается только на крае 42 для уменьшения разрывов напряжения. В других вариантах осуществления, например показанных на фиг.4, 5А, 5С и 5D, юбка 36, 36А, 36С и 36D сужается до меньшей толщины по мере ее продолжения радиально наружу от горловины 38, 38А, 38С, 38D. Такое сужение может привести к лучшему управлению граничными давлениями и управлению распределениями нагрузок.
Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на несколько вариантов осуществления, специалистам в данной области техники следует понимать, что могут быть выполнены различные изменения по форме и содержанию в пределах сущности и объема изобретения. Кроме того, любой признак, раскрытый применительно к одному варианту осуществления, может быть включен в другой вариант осуществления, и наоборот.