Металлокомпозитный баллон высокого давления, предназначенный для передвижных автомобильных газовых заправщиков при вертикальной установке с фиксацией за горловину

Полезная модель может быть использована в машиностроении, в частности при изготовлении передвижных автомобильных газовых заправщиков (ПАГЗ) с вертикальной установкой баллонов и креплением их за горловины.
Баллоны в этом случае обычно устанавливают в специальном контейнере.
В контейнере размещены продольные балки. К ним крепят поперечные балки (нижние и верхние).
В поперечных балках выполнены соосные отверстия, в которых размещают горловины баллонов и тем самым их фиксируют в вертикальном положении.
Нижние поперечные балки служат опорой для баллонов.
Вертикальная установка баллонов позволяет создать ПАГЗ с максимально плотным размещением баллонов.
Известны баллоны высокого давления фирмы Xperion (см. аспекты проектирования фирмы Xperion) с горловинами свободными от композита, за которые они фиксируются В ПАГЗ при вертикальной установке. В этом случае используются баллоны КПГ-4 с лейнерами из пластика.
Основным недостатком этих баллонов является их низкая надежность при эксплуатации в составе ПАГЗ. Это связано с тем, что лейнеры из пластика имеют металлические закладные элементы. За горловины этих элементов баллоны фиксируются на поперечных балках в контейнере ПАГЗ.
В процессе эксплуатации ПАГЗ все вертикальные и поперечные нагрузки при движении ПАГЗ воспринимаются этими закладными элементами, что со временем может привести к ослаблению соединения их с пластиком лейнера и потере герметичности баллонов и в результате преждевременному выходу их из строя и, следовательно, ПАГЗ.
Известны баллоны высокого давления КПГ-3 фирмы Luxfer, используемые в ПАГЗ с вертикальной установкой баллонов (см. Dunetek Luxfer Gas Cylinders).
В этом случае для повышения надежности баллонов и, следовательно, ПАГЗ значительно усложнена конструкция баллонов. Лейнеры изготавливают из алюминиевого сплава. На горловинах выполняют не только внутреннюю резьбу, но и наружную. На наружную резьбу наворачивают стальные втулки с фигурными фланцами, которые заматывают композитом при получении силовой оболочки. За части стальных втулок, свободных от композита, баллоны фиксируют на поперечных балках ПАГЗ. Основным недостатком таких баллонов является дороговизна, обусловленная сложностью их конструкции и технологии изготовления.
Поскольку основную стоимость ПАГЗ составляет стоимость баллонов, то это автоматически приводит к удорожанию ПАГЗ.
Общим недостатком баллонов Xperion и Luxfer является то, что их нижняя опорная поверхность после намотки композита имеет сложную криволинейную поверхность, которая получается при спиральной намотке композита на днища баллонов. В результате контакт нижних днищ баллонов с поперечными балками в ПАГЗ будет преимущественно линейным. Поэтому, если учесть вес баллонов с газом, а также вибрационные нагрузки при движении ПАГЗ на контактную поверхность их днищ, можно сделать вывод о недостаточной надежности баллонов, поскольку не исключена возможность смятия композита на днищах баллонов в процессе эксплуатации ПАГЗ и преждевременного выхода их из строя и, следовательно, ПАГЗ.
В качестве ближайшего аналога - прототипа принят баллон высокого давления (полезная модель RU 58657 U1, F17C 1/06, 27.11.2006), содержащий внутренний металлический лейнер, включающий цилиндрическую часть, днища и горловины, внешнюю силовую оболочку из композита, на горловинах дополнительные кольцевые подмотки из композита с плотным прилеганием к силовой оболочке с одной стороны и плоской поверхностью с другой.
И в этом случае при вертикальной установке баллонов в ПАГЗ контакт нижних днищ с поперечными балками будет также преимущественно линейным. Поэтому надежность баллонов при эксплуатации в составе ПАГЗ будет недостаточно высокой и, следовательно, будет недостаточной надежность ПАГЗ.
В этом случае проблему можно решить, устанавливая баллоны на нижнюю поперечную балку через специальные подкладки из неметаллических материалов с одной стороны с поверхностью, охватывающей часть днища баллона, а с другой - с плоской поверхностью для опоры на нижнюю поперечную балку.
Это требует использования дополнительных деталей в ПАГЗ, что удорожает стоимость ПАГЗ.
Задачей предлагаемой полезной модели баллона высокого давления, используемого в ПАГЗ с вертикальной установкой, является повышение надежности баллонов и, следовательно, надежности ПАГЗ при минимальной их стоимости.
Поставленная задача достигается тем, что в баллоне высокого давления для ПАГЗ при вертикальной установке с фиксацией за горловины, содержащем внутренний металлический лейнер с цилиндрической частью, днищами и горловинами, внешнюю силовую оболочку из композита и выполненные на горловинах дополнительные кольцевые подмотки из композита, плотно прилегающие к силовой оболочке с одной стороны и с плоской поверхностью с другой, дополнительные кольцевые подмотки выполнены диаметром D не менее 120-130 мм на части длины горловин, при этом длина свободных от намотки частей горловин от их торцов составляет не более 15 мм.
Баллон снабжен установленными на свободных от намотки частях горловин втулками из упругого материала с фланцами с толщиной не более 5 мм и диаметрами, равными диаметру дополнительных кольцевых подмоток, при этом толщина стенки втулок из упругого материала составляет не более 5 мм.
Незамотанная композитом часть горловин, длиной не более 15 мм от их торцов, позволяет надежно зафиксировать баллон за горловины в отверстиях поперечных балок.
Кольцевая дополнительная подмотка на горловинах из композита диаметром D не менее 120-130 мм позволяет иметь опору баллонов на нижние поперечные балки по плоскости, что за счет уменьшения удельных нагрузок на композит днища повышает надежность баллонов при вертикальной установке их в ПАГЗ и, следовательно, надежность ПАГЗ.
Диаметр дополнительной кольцевой подмотки 120-130 мм на горловинах баллона назначен из условия отсутствия смятия композита на дополнительной кольцевой подмотке в процессе эксплуатации ПАГЗ.
Повысить надежность баллонов и, следовательно, ПАГЗ можно, если на незамотанных частях горловин разместить втулки из упругого материала, например, полиуретана, с фланцами с толщиной стенки не более 5 мм и диаметрами, равными диаметру дополнительных кольцевых подмоток с толщиной стенки втулки не более 5 мм, при этом втулки могут быть установлены с натягом или с зазором, заполненным клеевым составом.
При точном изготовлении диаметров горловин удобно, чтобы втулки при сборке ПАГЗ не соскальзывали с горловин баллонов, устанавливать их на горловины с натягом.
При изготовлении диаметров горловин с большими допусками целесообразно втулки устанавливать с зазором, для предотвращения соскальзывания втулок с горловин зазор заполнить клеевым составом.
Эти втулки устраняют непосредственный контакт металла горловин с металлом поперечин, исключая тем самым электрохимическую коррозию металла горловин, а также смягчают воздействие поперечных нагрузок при движении ПАГЗ на горловины.
Рекомендуемые толщины фланцев и стенок втулок не более 5 мм являются оптимальными.
Фланцы на втулках смягчают воздействие вертикальных нагрузок на дополнительные подмотки. Это повышает надежность баллонов.
Дополнительные кольцевые подмотки, в зависимости от того, какой композит применен для силовой оболочки, могут быть выполнены стеклоровингом, базальтовым ровингом, углеровингом, органоровингом или комбинацией этих материалов.
Конструкция предлагаемого баллона в области горловин представлена на фиг. 1.
На фиг. 1:
1 - лейнер;
2 - силовая намотка композитом;
3 - горловина лейнера;
4 - дополнительная кольцевая подмотка композитом на горловине;
5 - втулка с фланцем из упругого материала;
У баллона днища с обеих сторон выполнены одинаковыми.
Баллоны устанавливают в контейнере ПАГЗ на нижние поперечные балки с опорой на плоские поверхности дополнительных кольцевых подмоток и фиксируют за горловины в отверстиях нижних и верхних поперечных балок.
При этом на верхних поперечных балках ПАГЗ для каждого баллона установлены специальные устройства (условно не показаны), учитывающие колебания размеров по длине баллона, а также их удлинение при заполнении газом.
Работа баллонов в составе ПАГЗ осуществляется в режиме: заполнение газом до рабочего давления (например, 24,5 МПа), выдача газа потребителям до минимально возможного давления, обусловленного особенностями конструкции ПАГЗ.
Предлагаемые баллоны с конструктивным исполнением, представленным на фиг.1, нами используются для оснащения ПАГ3-5000-24,5-3, где:
3
5000 - объем перевозимого в нм сжатого газа, отнесенный к нормальным условиям (0,1 МПа; 20°С);
24,5 - максимальное избыточное (рабочее) давление в системе газового оборудования в МПа;
3 - количество функциональных секций.
Баллоны имеют следующие характеристики: вместимость 210 л, длина 2300 мм, диаметр 405 мм.