АРМИРОВАННАЯ ОБОЛОЧКА ДЛЯ ВНУТРЕННЕГО ДАВЛЕНИЯ ИЗ СЛОИСТОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
REINFORCED SHELL OF LAMINAR COMPOSITE FOR INNER PRESSURE

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в конструкциях газовых и гидравлических фильтров и аккумуляторов и всех подобных емкостей с использованием оболочек из композиционных материалов, а также в изделиях авиационной и ракетной техники, например, в качестве топливных баков и корпусов ракетных двигателей твердого топлива.
Оболочки из композиционных материалов в качестве емкостей различного назначения широко внедряются во все отрасли машиностроения ввиду своей высокой эксплуатационной эффективности. При этом одним из определяющих факторов возможности их широкого использования является обеспечение надежности при сравнительной простоте конструкции с точки зрения эксплуатации. Большую часть емкостей из композиционных материалов составляют цельномотаные замкнутые оболочки, которые эффективны при действии внутреннего давления.
Однако известные цельномотаные оболочки имеют два существенных недостатка.
1. Возможность размещения в них функциональных устройств ограничивается проходными сечениями полюсных горловин.
2. Ограничение по длине, определяемое существующим технологическим оборудованием. Теоретическая возможность изготовления цельномотаных оболочек большой длины приводит на практике к необходимости создания нестандартного оборудования и использовании больших производственных площадей.
Известна оболочка из композиционных материалов в качестве резервуара для хранения жидкостей, в которой днища выполнены методом формования, а цилиндрическая часть методом формования или намотки (RU 2331739 С2, МПК Е03В 11/02, опубл. 27.03.2007). Известная оболочка громоздка, трудоемка, а вся оболочка и соединения днищ не предназначены для хранения жидкостей под давлением.
Известна конструкция топливного бака вертолета, выполненного в виде двух секций путем намотки силовой оболочки из композиционного материала на металлический лейнер (Буланов И.М., Воробей В.В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов: Учеб. для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998. 516 с., ил., рис. 6.38, 6,39, стр. 484, 485). В данной конструкции используется металлический лейнер, что снижает весовую и экономическую эффективность конструкции, а необходимость обеспечения требуемой жесткости металлического лейнера под намотку дополнительно снижает эффективность такой конструкции.
Известен корпус для высокого давления из композиционных материалов, который изготовлен как единое целое цилиндрической оболочки с днищами, путем намотки спиральных и кольцевых слоев (RU 2319061 С1, МПК F17C 1/06 (2006.01), F17C 1/16 (2006.01). Опубликовано 10.03.2008).
Известна армированная оболочка для высокого внутреннего давления из слоистого композиционного материала, представляющая собой выполненную за единое целое цилиндрическую оболочку с днищами, изготовленную методом непрерывной намотки армирующего материала на оправку (RU 2205328 С1, 7 F17C 1/06, бюл. №15, 27.05.2003).
Две последние конструкции имеют общие недостатки по эксплуатационным возможностям: трудный доступ во внутреннюю полость и технологическое ограничение на изготовление оболочек большой длины.
Армированная оболочка для высокого внутреннего давления из слоистого композиционного материала по патенту RU 2205328 является наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому результату и выбрана в качестве ближайшего аналога (прототипа).
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка сравнительно простой и наиболее технологичной в изготовлении конструкции цельномотаной оболочки для высокого внутреннего давления с повышенными эксплуатационными характеристиками.
Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в расширении области применимости цельномотаных оболочек высокого давления за счет исполнения их в виде двух секций; повышении эксплуатационной и экономической эффективности конструкций секций за счет использования в них цельномотаных оболочек с сохранением высоких уровней надежности и эксплуатационных качеств конструкции таких оболочек, за счет оформления стыкуемых торцов секций с обеспечением необходимой прочности, герметичности и технологичности; повышение экономической эффективности за счет упрощения технологического процесса в части возможности использования многоразовой оправки при изготовлении.
<mrow><mi>a</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>÷</mo><mn>1,5</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>∗</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>R</mi><mi>н</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>R</mi><mi>в</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msup><mo>/</mo><mi>t</mi><mi>g</mi><mrow><mo>(</mo><mi>ϕ</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
н
в
Техническая задача решается, а технический результат достигается тем, что армированная оболочка для высокого внутреннего давления из слоистого композиционного материала, содержащая силовой каркас с цилиндрическим участком, торцевыми выпуклыми днищами, плавно сопряженными по наружной поверхности переходами с цилиндрическим участком каркаса, фланцами в полюсных отверстиях днищ, образованный комбинацией групп слоев спиральных и кольцевых лент, ориентированных в спиральных и окружном направлениях с соответственно расположенными в них однонаправленными высокомодульными нитями, облицованный внутренним защитным покрытием, согласно изобретению выполнена в виде двух секций с образованием на цилиндрической части каждой кольцевого торца, перпендикулярного оси оболочки, у которых с наружной поверхности цилиндрической части расположены уступами со стороны днищ дополнительные слои из пропитанного связующим тканого материала, с образованием конической поверхности, осевая длина а которой выбирается из соотношения
, где: R, R - наружный и внутренний радиусы тканых слоев, φ - угол намотки спиральных слоев у конической поверхности, при этом тканый материал состоит из взаимопереплетающихся нитей, расположенных между собой под углом 90° с ориентацией по оси и окружности оболочки, а все тканые слои разделены по меньшей мере на две группы, каждая из которых охвачена, как минимум, одним слоем материала силового каркаса, на торце у внутренней поверхности одной секции выполнен выступ с наружной цилиндрической центрирующей поверхностью, а на второй - ответное выступу углубление с внутренней цилиндрической поверхностью, эквидистантной центрирующей поверхности выступа, торцевые поверхности выступа и углубления разнесены между собой с образованием кольцевого паза, в котором расположен герметизирующий элемент, например кольцевой резиновый жгут, а на и/или в тканых слоях расположены элементы скрепления двух секций между собой, например резьбовые штифты и шпильки, причем в частных случаях выполнения изобретения, тканый материал состоит из стеклянных и органических нитей с расположением первых по оси оболочки, а вторых по окружности, секции выполнены с цилиндрическими частями равной длины.
Отличительными от прототипа признаками заявленной армированной оболочки являются следующие:
а) признаки, обеспечивающие получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны:
- оболочка выполнена в виде двух секций с образованием на цилиндрической части каждой кольцевого торца, перпендикулярного оси оболочки;
- у которых с наружной поверхности цилиндрической части расположены уступами со стороны днищ дополнительные слои из пропитанного связующим тканого материала;
<mrow><mi>a</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>÷</mo><mn>1,5</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>∗</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>R</mi><mi>н</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>R</mi><mi>в</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msup><mo>/</mo><mi>t</mi><mi>g</mi><mrow><mo>(</mo><mi>ϕ</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
н
в
- с образованием конической поверхности, осевая длина а которой выбирается из соотношения
, где: R, R - наружный и внутренний радиусы тканых слоев (р - угол намотки спиральных слоев у конической поверхности;
- тканый материал состоит из взаимопереплетающихся нитей, расположенных между собой под углом 90° с ориентацией по оси и окружности оболочки;
- все тканые слои разделены по меньшей мере на две группы, каждая из которых охвачена, как минимум, одним слоем материала силового каркаса;
- на торце у внутренней поверхности одной секции выполнен выступ с наружной цилиндрической центрирующей поверхностью, а на второй - ответное выступу углубление с внутренней цилиндрической поверхностью, эквидистантной центрирующей поверхности выступа;
- торцевые поверхности выступа и углубления разнесены между собой с образованием кольцевого паза, в котором расположен герметизирующий элемент, например кольцевой резиновый жгут;
- на и/или в тканых слоях расположены элементы скрепления двух секций между собой, например резьбовые штифты и шпильки;
б) признаки, характеризующие изобретение в частных случаях:
- тканый материал состоит из стеклянных и органических нитей с расположением первых по оси оболочки, а вторых по окружности;
- секции выполнены с цилиндрическими частями равной длины.
Указанные отличительные признаки, каждый в отдельности и все вместе, направлены на достижение заявленного результата и являются существенными. В предшествующем уровне техники представленная в формуле изобретения совокупность известных и отличительных признаков не известна, и, следовательно, изобретение соответствует критерию «новизна».
Армированная оболочка в отличие от оболочки по прототипу более универсальна по эксплуатационным характеристикам - при сохранении высоких прочностных характеристик цельномотаной оболочки обеспечивается возможность доступа во внутреннюю полость и возможность создания оболочек большей длины при имеющемся оборудовании и производственных площадях, оболочка технологична - создание секций выполняется на одном оборудовании в процессе изготовления оболочки и не требует дополнительного оборудования для оформления торцов, оболочка более экономична по используемому оборудованию и технологическому циклу, так как при изготовлении сплошных цельномотаных оболочек используются, как правило, песчаные оправки, которые изготавливаются для каждой оболочки заново, а после изготовления оправка размывается и песок извлекается из оболочки, а оболочка в виде двух секций может изготавливаться на многоразовой металлической оправке с практически неограниченным количеством циклов изготовления.
Цельномотаные оболочки в большинстве своем являются тонкостенными даже при высоких внутренних давлениях, так как изготавливаются на основе прочного однонаправленного искусственного волокна, и имеющейся толщины оболочки не хватает для создания эквивалентного по прочности соединения и обеспечения герметизации. Обеспечение необходимой прочности и надежности в заявляемой оболочке достигается использованием дополнительных слоев из тканого материала с расположением взаимопереплетающихся нитей, расположенных между собой под углом 90° с ориентацией по оси и окружности оболочки. При этом для повышения требуемых характеристик слои тканого материала, частями и полностью, охватываются слоями материала оболочки.
<mrow><mi>a</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>÷</mo><mn>1,5</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>∗</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>R</mi><mi>н</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>R</mi><mi>в</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msup><mo>/</mo><mi>t</mi><mi>g</mi><mrow><mo>(</mo><mi>ϕ</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
Расположение тканых слов уступами с образованием конической поверхности обеспечивает плавность изменения напряжений в цилиндрической оболочке в зоне перехода с ткаными слоями и без них, а также возможность плотной примотки слоев материала каркаса. Расчетно-экспериментальная зависимость осевой длины конической поверхности
определяет тот интервал, в котором обеспечивается возможность плотной намотки охватывающих слоев при исключении всплесков напряжений в этой зоне.
Выполнение секций с выступом и углублением, с центрирующими цилиндрическими поверхностями повышает эксплуатационную надежность оболочки при основной работе и снижает трудоемкость сборки секций. Этому же способствует образование у внутренней поверхности оболочки паза за счет разнесения торцевых поверхностей выступа и углубления, в котором расположен герметизирующий жгут, смыкающийся с защитным покрытием на внутренней поверхности оболочки и обеспечивающий надежную герметизацию зоны соединения секций.
Сформированные указанным образом торцевые части секций обеспечивают возможность прочного и надежного расположения соединительных элементов для скрепления секций между собой, например резьбовых штифтов и шпилек.
В частном случае исполнения для расширения прочностных, жесткостных и эксплуатационных характеристик в торцевой зоне секций тканый материал выполнен на основе разных по физико-механическим характеристикам материалов - стеклянных и органических нитей, причем стеклянные расположены по оси оболочки, а органические по окружности.
Изготовление секций с цилиндрическими частями равной длины позволяет получать оболочки с взаимозаменяемыми секциями, что повышает эксплуатационные качества, например, при необходимости ремонта.
Изобретение поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего его примера реализации и прилагаемыми чертежами.
На фиг. 1 представлена заявленная армированная оболочка, на фиг. 2 - оформление торцов секций.
<mrow><mi>a</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>÷</mo><mn>1,5</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>∗</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>R</mi><mi>н</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>R</mi><mi>в</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msup><mo>/</mo><mi>t</mi><mi>g</mi><mrow><mo>(</mo><mi>ϕ</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
Армированная оболочка содержит две секции 1 и 2, каждая из которых состоит из цилиндрической части 3 и 4, выпуклых днищ 5 и 6, фланцев в полюсных отверстиях днищ 7 и 8, внутреннего защитного покрытия 9 и 10. Секции образованы комбинацией групп слоев спиральных 11 и кольцевых лент 12, ориентированных в спиральном и окружном направлениях с соответственно расположенными в них однонаправленными высокомодульными нитями. На цилиндрических частях секций имеются кольцевые, перпендикулярные оси оболочки, торцы 13 и 14, у которых на цилиндрических частях секций 3 и 4 расположены слои тканого материала 15, 16 и 17, 18, которые со стороны днищ образуют конические поверхности 19 и 20. Длина конических поверхностей а выбирается из соотношения
. Тканый материал состоит из взаимопереплетающихся нитей, расположенных между собой под углом 90° с ориентацией по оси 21 и окружности 22 оболочки. Все тканые слои в каждой секции разделены на две группы - 15 и 16 на одной и 17 и 18 на другой. Каждая из групп тканых слоев охвачена слоями материала силового каркаса: группа 15 охвачена слоем 23, группа 16 - слоем 24, группа 17 - слоем 25, группа 18 - слоем 26.
На торце у внутренней поверхности одной секции выполнен выступ 27 с наружной цилиндрической центрирующей поверхностью 29, а на второй ответное выступу углубление 28 с внутренней поверхностью 30, эквидистантной центрирующей поверхности выступа, торцевые поверхности выступа 32 и углубления 31 разнесены между собой с образованием кольцевого паза 33, в котором расположен герметизирующий элемент, например кольцевой резиновый жгут, а на и/или в тканых слоях расположены элементы скрепления двух секций между собой, например резьбовые штифты 34, 35 и шпильки 36.
Экспериментальная проверка подтвердила высокую прочность и надежность предложенной конструкции.