Секционная оболочка для внутреннего давления из слоистого композиционного материала
SECTIONAL SHELL FOR INTERNAL PRESSURE FROM LAYERED COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в конструкциях газовых и гидравлических фильтров или 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.
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).
Недостатком данной конструкции является сложность конструкции и высокая стоимость за счет использования металлического лейнера.
Известна армированная оболочка для внутреннего давления из слоистого композиционного материала, в виде соединенных между собой двух секций с цилиндрическим участком и выпуклым днищем каждая, состоящих из набора пропитанных связующим спиральных и кольцевых слоев однонаправленных жгутов и кольцевых утолщений у цилиндрических торцов с расположенными в них соединительными штифтами и шпильками и центрирующего выступа с соответствующим ему пазом на внутренней поверхности (RU 2514980 C1, 7 F17C 1/06, 10.05.2014).
Недостатком данной конструкции является недостаточная прочность и надежность узла соединения секций, которая определяется следующим.
Рассматриваемые конструкции выполняются из слоистого композиционного материала (КМ), который обладает максимальными прочностными характеристиками вдоль расположения армирующего материала (слоев) и минимальными поперек слоев, причем прочность поперек слоев в несколько раз ниже, чем вдоль.
При действии на оболочку осевых растягивающих сил, вызванных действием внутреннего давления, на поверхности контакта КМ со штифтом возникает контактное давление, которое приводит к смятию КМ в осевом направлении и распиранию в поперечном направлении. Распирание поперек слоев (по толщине оболочки) приводит к расслоению и раздиру слоев и в конечном итоге разрушению оболочки в зоне узла соединения.
Армированная оболочка для высокого внутреннего давления из слоистого композиционного материала по патенту RU 2514980 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 повышение прочности и надежности оболочки для высокого внутреннего давления, выполненной в виде соединенных между собой двух секций, с повышенными эксплуатационными характеристиками.
Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в повышении эксплуатационной эффективности конструкции за счет повышения прочности и надежности узла соединения, повышении технологичности конструкции за счет использования кольца с центрирующими поясками, что упрощает процесс сборки, расширение области применимости за счет возможности увеличения функциональных качеств промежуточного металлического кольца в зависимости от конкретных условий.
Техническая задача решается, а технический результат достигается тем, что секционная оболочка из слоистых композиционных материалов в виде соединенных между собой двух секций с цилиндрическим участком и выпуклым днищем каждая, состоящих из набора спиральных и кольцевых слоев, на основе пропитанных связующим однонаправленных жгутов, и кольцевых утолщений у цилиндрических торцев с расположенными в них соединительными штифтами и шпильками, согласно изобретению выполнена с расположенным между стыкуемыми торцами секций металлическим кольцом, снабженным по наружному и внутреннему диаметрам центрирующими, симметричными относительно своего срединного, перпендикулярного оси оболочки, сечения, поясками, внутренние из которых выполнены на своей внешней поверхности с локальными кольцевыми канавками для расположения герметизирующих элементов - резиновых жгутов, наружные выполнены с коническими, обращенными к секции и сужающимися к кольцу поверхностями, на внешней поверхности утолщений секций выполнены ответные конические поверхности, а по окружности в кольце выполнены отверстия, соосные расположенным в них соединительным шпилькам, причем в частных случаях выполнения изобретения кольцо выполнено в осевом сечении в виде коробчатого профиля, состоящего из двух боковых стенок и цилиндрической обечайки, расположенной по внутреннему диаметру кольца, шпильки выполнены в виде двух укороченных частей, каждая из которых стягивает одну секцию с прилегающей к ней стенкой коробчатого профиля, кольцо содержит распределенные по окружности и ориентированные по оси корпуса перемычки, выполненные за одно целое с боковыми стенками и цилиндрической обечайкой, между которыми, в окружном направлении, располагаются шпильки, на цилиндрической обечайке кольца выполнены отверстия или патрубки для подсоединения функциональных устройств, например газоходов или датчиков.
Отличительными от прототипа признаками заявленной секционной оболочки являются следующие:
а) признаки, обеспечивающие получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны:
- между стыкуемыми торцами секций расположено металлическое кольцо;
- снабженное по наружному и внутреннему диаметрам центрирующими поясками;
- симметричными относительно своего срединного, перпендикулярного оси оболочки, сечения;
- внутренние из которых выполнены на своей внешней поверхности с локальными кольцевыми канавками для расположения герметизирующих элементов - резиновых жгутов;
- наружные выполнены с коническими, обращенными к секции и сужающимися к кольцу поверхностями;
- на внешней поверхности утолщений секций выполнены ответные конические поверхности;
- по окружности в кольце выполнены отверстия, соосные расположенным в них соединительным шпилькам;
б) признаки, характеризующие изобретение в частных случаях:
- кольцо выполнено в осевом сечении в виде коробчатого профиля, состоящего из двух боковых стенок и цилиндрической обечайки, расположенной по внутреннему диаметру кольца;
- шпильки выполнены в виде двух укороченных частей, каждая из которых стягивает одну секцию с прилегающей к ней стенкой коробчатого профиля;
- кольцо содержит распределенные по окружности и ориентированные по оси корпуса перемычки, выполненные за одно целое с боковыми стенками и цилиндрической обечайкой, между которыми, в окружном направлении, располагаются шпильки;
- на цилиндрической обечайке кольца выполнены отверстия или патрубки для подсоединения функциональных устройств, например газоходов или датчиков.
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».
Секционная оболочка, в отличие от оболочки по прототипу, более прочна и надежна, так как слоистое утолщение КМ в зоне действия распирающих сил зажато двумя поясками, что препятствует возникновению расслоения и разрушению КМ. Применение конических поверхностей на поясках, при сборке секций, приводит к сжатию утолщения и слоев между собой, что практически исключает возможность возникновения расслоения и повышает надежность конструкции. Использование двух центрирующих поясков упрощает процесс сборки секций, особенно больших диаметров, когда невозможна местная корректировка положения секций относительно друг друга. Также в этом случае сводится к минимуму радиальное смещение стыкуемых торцев секций относительно друг друга, что повышает прочность и надежность шпилечных соединений за счет исключения перекосов и изгибов шпилек.
Использование кольца с сечением коробчатого профиля позволяет расширить область применимости секционных оболочек, за счет повышения функциональных качеств кольца.
Шпильки могут проходить кольцо насквозь с закреплением на штифтах или стягивать каждую секцию с кольцом отдельно. В последнем варианте шпильки (гайки) можно расположить более плотно в окружном направлении, что позволяет повысить несущую способность узла соединения.
Поперечные перемычки повышают прочность коробчатого профиля при действии растягивающих нагрузок от шпилек и могут располагаться через одну, две или более шпилек в зависимости от конкретных условий.
Конструкция оболочки с использованием предложенного технического решения промышленно осуществима с использованием известных средств и методов и обеспечивает реализацию указанного назначения.
Изобретение поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего его примера реализации и прилагаемыми чертежами.
На фиг. 1 представлена заявленная секционная оболочка, на фиг. 2 - узел соединения секций с кольцом между ними, на фиг. 3 - узел соединения секций с кольцом коробчатого сечения, на фиг. 4 - вид расположения перемычек в кольце коробчатого профиля, на фиг. 5 - вид коробчатого профиля с расположенным патрубком.
Секционная 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 состоят из набора спиральных 11 и кольцевых 12 слоев, на основе пропитанных связующим однонаправленных жгутов, и кольцевых утолщений 13, 14 у цилиндрических торцев с расположенными в них соединительными штифтами 15, 16 и шпильками 17. Между стыкуемыми торцами секций расположено металлическое кольцо 18, снабженное по наружному и внутреннему диаметрам центрирующими, симметричными относительно своего срединного, перпендикулярного оси оболочки сечения, поясками 19, 20, внутренние из которых выполнены на своей внешней поверхности с локальными кольцевыми канавками 21 для расположения герметизирующих элементов - резиновых жгутов, наружные выполнены с коническими, обращенными к секции и сужающимися к кольцу поверхностями 22, на внешней поверхности утолщений секций выполнены ответные конические поверхности, а по окружности в кольце выполнены отверстия 23, соосные расположенным в них соединительным шпилькам 17.
В частном случае исполнения кольцо 18 выполнено в осевом сечении в виде коробчатого профиля, состоящего из двух боковых стенок 24, 25 и цилиндрической обечайки 26, расположенной по внутреннему диаметру кольца; шпильки 17 выполнены в виде двух укороченных частей, каждая из которых стягивает одну секцию 1 с прилегающей к ней стенкой 24 и секцию 2 со стенкой 25 коробчатого профиля; кольцо содержит распределенные по окружности и ориентированные по оси корпуса перемычки 27, выполненные за одно целое с боковыми 24, 25 стенками и цилиндрической обечайкой 26, между которыми, в окружном направлении, располагаются шпильки 17; на цилиндрической обечайке 26 кольца выполнены отверстия или патрубки 28 для подсоединения функциональных устройств, например газоходов или датчиков.
Экспериментальная проверка в заводских условиях подтвердила высокую прочность и надежность предложенной конструкции.