КОМПОЗИЦИОННЫЙ БАЛЛОН ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
HIGH-PRESSURE ALL-COMPOSITE CYLINDER

Изобретение относится к баллонам для хранения и транспортировки газов и жидкостей под давлением и может найти применение в авиационной, космической, автомобильной промышленности и других отраслях.
Известен тонкостенный металлический баллон высокого давления, имеющий цилиндрическую часть с приваренными к ней эллиптическими днищами и горловину. На лейнер намотана под разными углами многослойная оболочка из углеродной нити или ленты, пропитанная полимерным связующим материалом (п. Фр. №2650367, F17C 1/06).
Баллон такого типа имеет сложную технологию изготовления и повышенную массу за счет заполнения полимерным связующим полостей между пересекающимися нитями. Кроме того, тонкий лейнер баллона имеет, в основном, функцию герметизирующей оболочки, и при объемах баллона более 50 литров деформации от внутреннего циклического давления приводят к отслоению лейнера от силовой оболочки и последующей независимой деформации лейнера до касания им силовой оболочки, что существенно снижает ресурс работоспособности баллона к циклическим нагрузкам.
Наиболее близким аналогом предлагаемого решения является баллон для хранения сжатого газа, содержащий внешнюю силовую оболочку из композиционного материала, выполненную намоткой жгутов органопластика, пропитанного связующим составом, на тонкостенный металлический лейнер, имеющий два полусферических днища, приваренных к цилиндрической оболочке. Намотка волокон композиционного материала может быть выполнена на любом предназначенном для этого оборудовании и по любой схеме, в частности по спиральной (геодезической) схеме - первый слой и кольцевой - второй слой (п. РФ №2140602, МПК F17C 1/06).
К недостаткам известного устройства можно отнести невысокую надежность при циклических нагрузках, возникающих за счет колебаний внутреннего давления.
Задача изобретения состоит в повышении ресурса работоспособности баллона к циклическим нагрузкам от внутреннего давления, которая решается путем оптимизации связи между параметрами силовой оболочки и параметрами внутреннего металлического лейнера, а точнее путем оптимизации толщин материала силовой оболочки при известной толщине лейнера.
Композиционный баллон высокого давления содержит внутренний герметизирующий металлический лейнер, состоящий из цилиндрической части (обечайки) и приваренных к ней двух полусферических или эллиптических днищ с использованием подкладных колец в зоне сварного шва.
На лейнер намотана внешняя силовая оболочка из композиционного материала, выполненная методом непрерывной намотки жгутов (тканых лент) композиционного материала, пропитанных связующим составом, в виде двух слоев - спирального и кольцевого.
Согласно изобретению толщина спирального слоя силовой оболочки должна составлять
а кольцевого слоя
сп
к
где δ, δ - толщина спирального и кольцевого слоев силовой оболочки;
л
δ - толщина стенки лейнера;
л
Е - модуль упругости материала лейнера;
о
E - модуль упругости композиционного материала вдоль нити;
max
Р - максимальное рабочее давление;
об
R - средний радиус силовой оболочки на цилиндрической части лейнера;
т.л
σ - предел текучести материала лейнера.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показан продольный разрез баллона.
Баллон высокого давления содержит металлический лейнер 1, состоящий из цилиндрической обечайки 2 и приваренных к ней с использованием подкладных колец 3 двух полусферических или эллиптических днищ 4. На лейнер намотана внешняя силовая оболочка из композиционного материала. Первый слой 5 представляет собой спиральную геодезическую намотку жгутов композиционного материала, пропитанных связующим составом, по всей поверхности лейнера 1. Поверх слоя 5 выполняют второй слой 6 путем кольцевой намотки в зоне цилиндрической обечайки 2.
Как правило, при разработке баллонов, исходя из требований к материалу лейнера по условиям контакта с хранимой средой и используемой разработчиком технологии изготовления тонкостенных металлических оболочек, параметры лейнера, его конструкция являются исходными для проектирования и изготовления баллона в целом. При этом важно выбрать параметры оболочки (слои 5 и 6) такими, чтобы обеспечить выполнение требований к баллону по рабочим параметрам и обеспечить максимальный ресурс работоспособности. В большинстве задач ставится условие получения минимальной массы баллона, в связи с чем оптимизации подвергаются не только геометрические параметры силовой оболочки, но и используемый для намотки материал.
т.л
max
При многоцикловых нагрузках баллона внутренним давлением необходимо обеспечить выполнение требования - непревышение напряжения в материале лейнера 1 предела текучести (σ) при максимальном рабочем давлении (Р), т.е. допустимое максимальное давление в лейнере без силовой оболочки составит
- в осевом направлении
где 0,9 - коэффициент снижения прочности в зоне сварных швов лейнера;
л
δ - толщина стенок лейнера;
л
R - радиус цилиндрической обечайки 2 лейнера;
- в радиальном направлении
Поскольку при нормальной работе баллона деформации лейнера 1 и оболочки из слоев 5 и 6 под воздействием давления одинаковы, то можно записать
об
где δ - напряжение в материале оболочки при заданном давлении;
л
об
Е и Е - модули упругости материалов лейнера и оболочки соответственно.
Кроме того, баллон можно рассматривать как двухслойную оболочку, и, следовательно, внутреннее давление будет равно сумме давления, которое держит лейнер, и давления, которое держит оболочка, т.е.
Как показал опыт работы с оболочками указанного класса, при рассмотрении прочностных характеристик баллона в осевом направлении влиянием кольцевого слоя 6 практически можно пренебречь, поскольку он работает при нагрузке поперек намотки или их вклад настолько мал, что может быть использован как нерегламентированный запас прочности, то же самое можно принять для спирального слоя 5 при оценке радиальной прочности баллона, т.е. им можно пренебречь.
Следовательно, для осевых усилий можно записать
для радиальных усилий
Принимая баллон как тонкостенную оболочку с необходимой точностью можно в дальнейшем принять
Тогда для осевых нагрузок уравнение (6) с учетом (3) и (7) можно записать в виде
для радиальных усилий используя (4) и (8)
сп
где δ - толщина спирального слоя намотки;
к
δ - толщина кольцевого слоя намотки.
Записав соотношение (5) в виде
подставив в соотношения (10) и (11) получим:
- для спирального слоя
- для кольцевого слоя
Имеющийся у заявителя экспериментальный опыт отработки баллонов показывает, что степень реализации механических свойств исходного материала оболочки, нитей или жгутов композиционного материала составляют для спирального слоя ~0,6…0,7, а для кольцевого слоя ~0,8…0,85, то есть
сп
о
Е=0,6·Е
к
о
Е=0,8·Е
о
где E - модуль упругости композиционного материала вдоль нити.
Следовательно, связь между параметрами оболочки, лейнера и максимальным давлением может быть записана в следующем виде
Изготовленные согласно изобретению баллоны способны выдержать практически неограниченное количество циклов нагрузки внутренним давлением без отслоения лейнера от силовой оболочки при высокой прочности и малой массе конструкции.