Металлокомпозитный баллон высокого давления с горловинами большого диаметра
HIGH-PRESSURE METAL-COMPOSITE CYLINDER WITH LARGE-DIAMETER NECKS

Настоящее изобретение относится к области газовой аппаратуры и может быть применено к сосудам высокого давления, используемым, в частности, в переносных изделиях криогенной и противопожарной техники, системах газообеспечения, автомобильной технике, пневматических системах и других устройствах.
Среди требований, предъявляемых к газовым баллонам, приоритетными являются снижение удельной материалоемкости баллона, определяемой отношением массы баллона к его объему, и обеспечение высокого ресурса по числу циклов нагружения при безопасной эксплуатации баллона.
Практическая привлекательность баллонов с корпусом из композиционного материала заключается в том, что они обладают достаточно малым весом, легко транспортируются и способны выдерживать значительное давление (300-450 бар) при многократной цикличности нагружения.
Такие баллоны (сосуды), как правило, подвержены многократным циклическим нагрузкам высокого давления. В баллонах подобного типа, чтобы избежать утечек текучей среды или нарушения герметичности, особое значение придается материалу и конструкции герметизирующей оболочки - лейнера, которая в зависимости от вида и характера текучей среды, заполняющей сосуд, выполняется из термопласта, алюминия или стали. В настоящее время наибольшее распространение получили баллоны с использованием металлических лейнеров, что определяется рядом преимуществ металлов перед пластиками.
Выпускаемые в настоящее время металлопластиковые баллоны высокого давления содержат внутреннюю металлическую герметичную оболочку - лейнер и внешнюю силовую пластиковую оболочку, образованную намоткой на поверхность лейнера жгута из высокомодульного волокна (например, стекловолокна, углеволокна, органического волокна), пропитанного связующим.
Известны многочисленные примеры создания баллонов 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 также многочисленные примеры создания композитных баллонов давления с использованием тонкостенных металлических лейнеров из различных сплавов (см. например патенты US 3066822, US 3446385, US 5292027, US 5,822,838, 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).
Способом изготовления таких конструкций, как правило, является метод намотки, который достаточно подробно рассмотрен в ряде патентной и технической литературы (Буланов И.М., Воробей В.В. Технология аэрокосмических конструкций из композиционных материалов, М, Изд-во МГТУ им Н.Э. Баумана, 1998; Композиционные материалы, Справочник, Под ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского - М, Машиностроение, 1990; Композиционные материалы, Т 1-7, (пер. с англ.) Под ред, Л Браутмана, Р Крока, М. Машиностроение, 1978.; Справочник по композиционным материалам (пер. с англ.) / Под ред. Дж. Любина. М.. Машиностроение, 1988; Балакирев B.C. и др. Автоматизированные производства изделий из композиционных материалов. - М.: Химия, 1990; Образцов И.О., Васильев В.В., Бунаков В.А. Оптимальное армирование оболочек вращениия из композиционного материала. Москва, Машиностроение, 1977; Васильев В.В., Мороз Н.Г. Композитные баллоны давления., Москва, Машиностроение, 2015).
Эффективность применения композиционных сосудов давления определяется степенью совершенства технологии армирования - процесса непрерывной намотки. Этот метод предусматривает определение рациональной структуры материала, т.е. числа и порядка чередования слоев, углов ориентации и вида армирующих материалов в них, их относительного содержания в композиции и других параметров. При этом, под слоями следует понимать слои с соответствующим расположением армирующих волокон (кольцевое или спиральное направление укладки) композиционного материала при намотке. Под толщиной кольцевых или спиральных слоев следует понимать суммарное множество армирующих волокон с соответствующим расположением, отнесенное к единице длины сечения оболочки. При этом очередность расположения слоев с кольцевым и спиральным расположением армирующих волокон по толщине стенки оболочки может быть различной.
Однако существующие конструкции баллонов и представленных выше патентах рекомендуемые решения не всегда выполнимы при изготовлении баллонов, в которых отношение диаметра горловинного отверстия к диаметру баллона выше 0.7. Особенность таких конструкций является то, что при росте соотношении диаметра горловинного отверстия к диаметру баллона выше 0.7 форма поверхности днища начинает вырождаться в цилиндрическую и при этом практически исчезают геометрические размеры контактирующей поверхности соединительного фланца горловины необходимые для его конструктивного оформления, представляемого в известных решениях исполнения композитных баллонов.
В данном случае возникают большие трудности как в конструктивном исполнении так в технологической реализации композитной оболочки, которые значительно усложняют и удорожают конструкцию.
Известен баллон высокого давления с горловинами большого диаметра, содержащий внутреннюю цилиндрическую тонкостенную металлическую трубку, вставленные в нее металлические соединительные фланцы (втулки) и силовую оболочку из высокопрочных композиционных материалов (RU 2338955 С1, 20.11.2008, прототип). Недостатком известного баллона является не высокая эффективность работы на любой уровень циклического нагружения высоким давлением.
Задача изобретения заключается в том, чтобы создать такую конструкцию баллона с соотношением диаметров горловинных отверстий к диаметру баллона выше 0.7, которая бы обеспечивала высокоэффективную работоспособность на любой уровень циклического нагружения высоким давлением при минимальном весе и стоимости ее изготовления.
Техническим результатом изобретения является простота его технологической реализации и потребительской привлекательности, т.к. у потребителя появляется возможность не опасаться разрушения баллона высокого давления при достижении предельных нагрузок, благодаря безосколочной форме его разрушения при этих нагрузках. Это расширяет возможности использования сосуда по изобретению особенно в бытовых условиях и на транспортных средствах, где используются сжатые газы.
Технический результат достигнут за счет того, что металлокомпозитный баллон высокого давления с горловинами большого диаметра содержит внутреннюю цилиндрическую тонкостенную металлическую трубку, вставленные в нее металлические соединительные фланцы (втулки) и силовую оболочку из высокопрочных композиционных материалов, поверхность соединительных фланцев (втулок) с одной стороны выполнена в форме части нодоида (ундулоида) вращения с максимальным диаметром равным внутреннему диаметру трубки и с обеспечением соотношения меньшего диаметра к диаметру трубки 0.71 - 0.83 и имеет концевой участок в форме многогранной призмы (некругового цилиндра) отделенный от поверхности нодоида (ундулоида) кольцевой проточкой, а концы трубки методом пластического деформирования обжаты по поверхностям фланцев в форме нодоидов ундулоидов и зафиксированы в кольцевых проточках резьбовых фланцев (втулок), при этом силовая оболочка из композиционных материалов состоит из слоев высокопрочных и высокомодульных нитей спирального армирования с углами армирования 45-56° с обеспечением соотношения между мембранными жесткостями металлической тонкостенной трубки и силовой композитной оболочки в кольцевом направлении в интервале 0.56 - 0.58 и плотно охватывает концевые участков соединительных фланцев некруговой формы с образованием прочного соединения с ними. (последними).
В образующемся пространстве между поверхностями соединительных фланцев в форме нодоидов и поверхностями деформированных концов трубки с плотным контактом помещен преобразователь давления, в виде набора раскрепленных между собой прослоек переменной толщины из разноплотного упругого несжимаемого материала, например резины.
Суммарный объем упругого несжимаемого материала преобразователя давления превышает на 10-15% приращение объема днища силовой оболочки при ее деформировании.
Между контактными поверхностями соединительных фланцев (втулок) и поверхностями деформированных концов трубки установлены герметизирующие прослойки или уплотняющие упругие кольца.
Герметизирующие уплотняющие кольца установлены в кольцевых проточках соединительных фланцев (втулок).
Герметизирующие уплотняющие кольца между контактирующими поверхностями втулок и концами тонкостенной трубки установлены в сечении переходов цилиндрической поверхности трубки в поверхность нодоидов (ундулоидов).
Технический результат достигается только в пределах указанных диапазонов и альтернативы.
Изобретение поясняется далее подробно описанием примеров выполнения со ссылкой на чертежи.
На фиг. 1 показан общий вид сосуда высокого давления.
На фиг. 2 - схема установки фланца с помощью преобразователя давления.
На фиг. 3 и фиг. 4 - варианты установки уплотнительного кольца.
На фиг. 5 показаны типовые формы профилей днищ известных композитных оболочек.
На фиг. 6 показаны типовые формы образующих профилей нодоидных и удулоидных оболочек вращения.
Как показано на фиг. 1, в одном из примеров выполнения сосуд высокого давления содержит прочную силовую оболочку 2, например, из композиционного материала в виде многослойного каркаса состоящего из слоев однонаправленных армирующих нитей стекловолокна или углеволокна спирального армирования с пропиткой полимерным связующим. Силовая оболочка 2 в процессе ее изготовления охватывает тонкостенную металлическую трубку 1, в которой предварительно установлены и пластическим деформированием ее концов зафиксированы соединительные фланцы 3. Поверхности, соединительных фланцев и деформированных концов трубки имеют форму нодоидов. В процессе реализации сборки трубки и соединительных фланцев между ними устанавливается преобразователь давления 4 переменной толщины, состоящий из набора отделенных друг от друга прослоек вязкоупругого материала. В качестве материала преобразователя давления 4 предлагается использовать упругие несжимаемые материалы типа резины с различными плотностями для каждой прослойки. Толщина стенки преобразователя давления 4 изменяется линейно вдоль образующей поверхности соединительного фланца и имеет максимальное значение в сечении кольцевой проточки последнего. Общий объем материала образующего преобразователь давления 4 превышает на 10-15% приращение объема днища силовой оболочки 2 при ее нагружении испытательным давлением.
В качестве вариантов исполнения конструкции вместо преобразователя давления может быть использована установка упругих уплотняющих колец 5, которые размещены в разных сечениях по контактирующим поверхностям соединительных фланцев и деформированных концов тонкостенной трубки.
Сущность работы данного устройства баллона поясним на следующем примере.
Как правило, создание конструкции баллона требует решения задачи оптимального проектирования комбинированной конструкции, т.е. выбора оптимального соотношения толщины композита, выбора соответствующей схемы армирования композита и выбора соответствующей формы профиля днищ.
В виду того, что основной нагрузкой при работе баллона является внутреннее давление среды, при выборе формы профиля днища оболочки 2 следует потребовать равнонапряженности армирующих нитей композита по всему объему оболочки. Такое условие эквивалентно выполнению требования постоянства деформаций конструкции баллона в осевом и кольцевом направлениях во всех точках рассматриваемой оболочки, т.е.
где
α
β
ν
ε=ε=ε,
α
ε - меридиональная деформация рассматриваемой точки днища
β
ε - тангенциальная деформация рассматриваемой точки днища
ν
ε - деформация вдоль армирующих волокон композита.
В частном случае исполнения конструкции баллона с укладкой армирующих нитей композита по геодезическим траекториям и использованием указанного выше критерия, форма профиля днища для него может быть определена из решения дифференциального уравнения следующего вида
получаемого при рассмотрении геометрических, статических и физических условий поведения металлокомпозитной оболочки.
Здесь приняты следующие обозначения:
r, у - текущие координаты профиля, определяющего форму оболочки;
у', у'' - первый и второй дифференциал (производная) координаты у;
R - радиус цилиндрической части оболочки(максимальный радиус);
0
r - радиус полюсного отверстия в композитной оболочке.
- параметр учитывающий отношение прочностных характеристик используемого металла и материала армирующих волокон.
Где:
m
σ - предел текучести используемого материала лейнера;
m
δ - толщина используемого материала лейнера;
ν
σ - предел прочности используемого композита;
R
δ - толщина используемого композиционного материала на цилиндре.
Типичные формы профилей днищ, получаемые при решении данного уравнения, приведены на фиг. 5.
Анализ полученных форм профилей днищ показывает, что для широкого класса используемых материалов композита глубина профиля составляет 0.6 - 0.75 радиуса цилиндрической части оболочки. Однако с увеличением диаметра (r0/Rc) горловины баллона глубина профиля резко возрастает, и оболочка днища практически вырождается в цилиндрическую форму при соотношении r0/Rc больше 0.8. При этом практически исчезают геометрические размеры контактирующей поверхности соединительного фланца горловины необходимые для его конструктивного оформления, представляемого в известных решениях исполнения композитных баллонов.
Очевидно, что в данном случае необходимо использовать другую форму профиля поверхности днища баллона отличную от ранее известных, обеспечивающую его работоспособность при воздействии контактной нагрузки возникающей между соединительным фланцем и силовой оболочкой. При этом необходимо учитывать особенности контактного взаимодействия поверхности соединительного фланца и поверхности оболочки. В первом приближении, реакцию данного взаимодействия возможно представить в виде линейно изменяющегося давления вдоль образующей профиля днища. Для реализации такого характера изменения контактного давления целесообразно в конструкции между контактирующими поверхностями установить преобразователь давления 4 с линейно изменяющейся вдоль образующей профиля днища толщиной и выполненный из упругого несжимаемого материала, например резины. Для обеспечения принятого характера изменения контактного давления необходимо обеспечить линейно изменяющуюся вдоль образующей поверхности соединительного фланца толщину стенки преобразователя давления 4 с максимальным значением в сечении кольцевой проточки последнего. При этом общий объем материала образующего преобразователь давления 4 должен превышать на 10-15% приращение объема днища силовой 2 оболочки при ее нагружении испытательным давлением. Приведенные значения толщины материала преобразователя 4 получаются из условия перемещения соединительного фланца как жесткого тела без взаимного проникания при переменной деформации профиля днища и обеспечении его равновесия при выполнении условий нагружении постоянным давлением действующим со стороны внутренней полости баллона и линейно изменяющимся воль образующей днища давлением, действующим со стороны контакта.
В данном случае в качестве формы профиля днища целесообразно использовать профили специальных поверхностей.
К таким поверхностям относятся поверхности, которые в механике называются нодоидными или ундулоидными. Образующие нодоидных и ундулоидных оболочек представлены на фиг. 5 и описываются в параметрической форме следующим образом:
1
где  - модуль эллиптического интеграла,  - дополнительный модуль, F, Е - эллиптические интегралы 1-го и 2-го рода,  - текущая координата, λ - параметр, характеризующий кривую образующей, r - радиус цилиндрической части оболочки.
1
1
1
1
При 0<λ<r/2 оболочка носит название ундулоидной, при r/2<λ<r оболочка носит название нодоидной, при λ=r/2 оболочка становится сферической. Необходимо отметить, что образующая нодоида (ундулоида) описывается фокусом эллипса (гиперболы), если катить его по прямой линии.
Такие оболочки обладают максимальным объемом, имеют минимальную площадь поверхности, а угол наклона касательной к образующей в них стремится к нулю по мере приближения к месту стыка с цилиндрической или какой-либо другой оболочкой.
Нодоидные, ундулоидные оболочки при нагружении их внутренним давлением обладают свойством равнопрочности и имеют преимущество по прочности в сравнении эллиптическими и сферическими оболочками, уровень возникающих напряжений в них при данном виде нагружения значительно ниже. Одним из характерных свойств рассматриваемой оболочки, как легко заметить, является и то, что по мере приближения к месту стыка с цилиндром, имеется достаточно плавное сопряжение оболочки с ним и напряжения изгиба в стыке практически отсутствуют, то есть полностью исключается влияние краевых эффектов.
Исходя из вышеприведенного в предлагаемом решении исполнение поверхности соединительных фланцев (втулок) с одной стороны в форме части нодоида (ундулоида) вращения с максимальным диаметром равным внутреннему диаметру трубки и с обеспечением соотношения меньшего диаметра к диаметру трубки 0.71 - 0.83 обусловлено также степенью обжатия концов трубки при проведении операции пластического деформирования с ограничением максимальных деформаций материала трубки до 28% для исключения потери устойчивости ее формы.
Как правило, баллон кроме нагрузки внутренним давлением подвергается нагрузкой типа крутящего момента, возникающего при монтаже штуцеров или вентилей, а также при выполнении операции намотки силовой оболочки. Для обеспечения работоспособности конструкции при воздействии данной нагрузки на соединительных фланцах 3 предусмотрены концевые участки в форме многогранной призмы (некругового цилиндра) отделенный от поверхности нодоида (ундулоида) кольцевой проточкой, обеспечивающие прочное сцепление с композитной оболочкой по принципу шлицевого соединения.
В силу того, что относительные радиусы горловин баллона больше 0.7 для реализации метода намотки при изготовлении силовой оболочки с укладкой армирующих волокон по геодезическим траекториям получаемые углы армирования должны находиться в интервале 45-56 градусов. Данное исполнение схемы армирования позволяет существенно упростить процесс изготовления силовой оболочки в силу отсутствия армирования в окружном направлении.
Для обеспечения работоспособности баллона при многоцикловом нагружении внутренним давлением и исходя из ограничений накладываемых на предельные деформации материала трубки (как правило, 0.37-0.4%) и критериальной оценки в форме Менсона-Коффина отношение между мембранными жесткостями металлической тонкостенной трубки и силовой композитной оболочки в кольцевом направлении в интервале должно составлять 0.56 - 0.58. Данное отношение позволяет определить выбор армирущего материала композитной оболочки при известном материале трубки и установить конкретные значения толщин как трубки, так композитного материала. И тем самым проводить рациональное проектирование конструкции баллона.
Работа устройства по изобретению была приведена при описании вариантов выполнения его конструкции и не требует в данном случае дальнейшего специального пояснения.
С созданием предложенного устройства появилась реальная возможность использовать баллоны (сосуды) высокого давления из композиционного материала и тонкостенной металлической внутренней оболочкой. Изготовление и испытание сосудов высокого давления с предложенным решением подтвердили их высокую надежность и эффективность.
Изобретение не ограничивается вышеописанными формами выполнения, которые даны только для иллюстрации изобретения, и может иметь изменения в рамках формулы изобретения.