МНОГОПОЛОСТНОЙ БАЛЛОН ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
MULTIPLE CAVITY HIGH PRESSURE BALLOON

Изобретение относится к устройствам для хранения газов - конструкции многополостного баллона высокого давления, и может быть использовано для хранения и транспортировки газов, преимущественно малой плотности, например водорода, в энергетике.
Одной из проблем хранения и транспортировки легких газов является создание сосудов (баллонов, емкостей, резервуаров), вмещающих большое количество газа. Вследствие этого приемлемые для транспортировки габариты сосуда вынуждают конструкторов проектировать его на возможность выдерживать достаточно высокие давления (100-500 атм).
Широко распространены однополостные сосуды - газовые баллоны высокого давления, выполненные из металла в виде цилиндрической или сферической оболочек, или их сочетания [1, 2, 3, 4]. Основной недостаток таких конструкций - толстостенность и, как следствие, неэффективное использование прочностных свойств материала. Это выражается в недогруженности на 15-20% внешних слоев сосудов в сравнении с внутренними слоями, соприкасающимися с газом. Для давлений более 200 атм толщина стенки металлической оболочки при возрастании габаритов сосуда может становиться значительной и превышать 100 мм. Листовой прокат с толщинами от 100 мм до 160 мм, который может быть получен существующим отечественным оборудованием, характеризуется заметным ухудшением прочностных характеристик материала. На основании экспериментальных данных установлено, в частности, уменьшение предела текучести и предела прочности, увеличение разброса физико-механических свойств в объеме материала, возрастание количества дефектов структуры, микротрещин, зон повышенных остаточных напряжений и т.п., что снижает надежность и безопасность конструкции при эксплуатации. От перечисленных недостатков свободны тонкостенные конструкции баллонов, выполненных в виде многослойных или многополостных оболочек.
Конструкции многослойных баллонов по способу применения более прочного материала можно условно разделить на две группы: в одной группе внутренний слой баллона изготавливается из относительно дорогих материалов с высокими прочностными показателями, а внешний - из достаточно дешевых и хорошо освоенных в производстве низкопрочных материалов [1]; в другой группе, напротив - более дорогие и высокопрочные материалы (преимущественно стекло- и углепластики) используют для изготовления внешнего слоя и менее прочные (металлические лейнеры) для внутреннего [5, 6]. Существенный изъян многослойных баллонов обнаруживается в ненадежных и сравнительно низких показателях усталостной прочности, значительно снижающих эксплуатационные показатели при циклических нагрузках на режимах заправки/опорожнения и вибрациях при эксплуатации в составе транспортного средства. Отмеченное негативное свойство неизбежно связано с использованием в конструкции разномодульных по жесткости и ортотропных по основным прочностным показателям (пластики) материалов. Различные деформационные свойства слоев стенки сосуда вблизи границ между разными материалами провоцируют в сосуде образование трещин с дальнейшим их развитием при любом виде циклического нагружения.
кз
г
Некоторые типичные конструкции многополостных сосудов высокого давления используют давно применяемый в технике принцип разгрузки оболочки от высокого внутреннего давления приложением внешнего противодавления [7-10, 11]. Например, автоклав для производства пористой газонаполненной резины включает центральную оболочку с инертным газом для адсорбции газа резиновой массой при высоком давлении и три коаксиальные оболочки, установленные с забором и образующие полости, заполненные жидкостью под давлением, которое внутри каждой последующей оболочки меньше давления внутри предыдущей [7]. Жидкость в трех полостях - балласт и увеличивает массу заправленного баллона М, т.е. возможная степень заполнения инертным газом массой М, отнесенная к массе заправленной конструкции, уменьшается. Отмеченный недостаток, присущ и многополостному баллону со связующим наполнителем [11].
min
min
min
max
max
г
Продуктивно распорядиться возможностями газовместимости конструкции многополостного баллона позволяет закачка вместо балластных сред и связующих наполнителей дополнительной массы газа [9-11]. Так, например, предлагается хранить газ, сжатый в полостях, под минимальным давлением в периферийной полости Р и, далее 2·Р, 4·Р, … под максимальным Р в центральной полости [10]. Однако «номинальное» давление в [10] и «расчетное» давление в [9] не определяются. Отсюда вытекает неопределенность в количестве оболочек и толщинах их стенок. Поэтому простое воспроизведение предложенных технических решений при произвольном выборе величин «номинального давления» или «расчетного давления» и количества оболочек невозможно. Если принять уровень максимального давления Р в многополостном сосуде равным давлению в однополостном, то нетрудно показать, что при одинаковых габаритах увеличение числа полостей приводит к уменьшению массы газа М независимо от формы оболочек, размеров полостей и величин перепадов давлений между полостями [10]. Иными словами, повышение газовместимости, или уменьшение объема резервуара для хранения заданного количества газа, по сравнению с объемом хранилища традиционного типа в этом случае невозможно.
г
к
Более совершенной в техническом отношении представляется конструкция, принимаемая за прототип и предложенная в [12]. Эта конструкция ликвидирует большую часть общих недостатков многополостных баллонов: неопределенность выбора количества оболочек (полостей); неоптимальность распределения давлений по полостям; трудности в практической реализации рецептов технических решений в соответствии с формулами изобретений; низкая и различная по оболочкам эффективность использования прочностных свойств материала; недостаточно высокие показатели безопасности и надежности при эксплуатации. Среди проанализированных конструкций сосудов для хранения легких газов, в том числе прототипа, отсутствует емкость, выполненная из одного материала, со свойством минимального значения отношения массы закаченного газа М к массе конструкции М, т.е. мономатериальная конструкция баллона, в которую закачивается максимальное количество газа, приходящегося на единицу веса заправленного баллона, не за счет применения материалов с большими показателями удельной прочности, или специфического сочетания применяемых материалов в изделии, а исключительно за счет свойства конструктивного исполнения.
Обязательная составная часть многополостных сосудов - заправочное устройство, выполняющее функции заправки/опорожнения полостей баллона - и некоторые новые технические решения относятся к заправочному устройству [7-9].
Основные недостатки конструкции многополостного баллона, принятой за прототип, следующие:
к
г
- не обладает минимальным свойством отношения М/М - массы конструкции к массе закаченного газа;
к
г
- не позволяет уменьшать габариты сосуда в сравнении с традиционным однополостным и гибко изменять их для хранения заданной массы газа без понижения отношения М/М;
- не обладает повышенным сопротивлением циклическим нагрузкам;
- не предлагаются рекомендации по исполнению торцовых днищ баллона.
к
г
к
г
Целью настоящего изобретения является обеспечение минимального значения отношения массы сосуда к массе газа М/М, обеспечения малых габаритов и возможности их широкого варьирования с сохранением численного значения M/M, обеспечение повышенных показателей сопротивления циклическим нагрузкам.
Поставленная цель достигается предлагаемой конструкцией многополостного баллона, состоящего из корпуса, заключенных в него замкнутых оболочек, которые установлены с зазором относительно друг друга, и распределительного заправочного устройства для заправки/опорожнения баллона газом. Корпус состоит из цилиндрической части и двух полусферических днищ одинаковой толщины h. Внутри корпуса размещено i=0, 1, 2, …, n сферических замкнутых оболочек толщиной h/2, образующих полости. Две полусферы такой же толщины утоплены в корпус и образуют вместе с соответствующими полусферическими днищами крайние сферические полости. Одна из полостей соединена с заправочным устройством, а все сферические полости связаны между собой трубчатыми каналами длиной соизмеримой с толщиной внутренних сферических оболочек и образуют первую совокупность сообщающихся полостей. Центры сфер, включая крайние, расположены на оси корпуса. Полости, образованные внутренней поверхностью цилиндрической части корпуса и внешними поверхностями сферических оболочек, соединены друг с другом и с заправочным устройством. Этим способом создается вторая совокупность сообщающихся полостей. Таким образом, обе совокупности изолированы друг от друга, что позволяет заполнять/опорожнять их автономно. Корпус и замкнутые сферические оболочки многополостного баллона высокого давления могут быть изготовлены из одинакового материала.
к
г
Совокупность отличительных признаков предлагаемого сосуда позволяет ликвидировать указанные выше недостатки известных многополостных баллонов прототипа [12] и создать баллон обеспечивающий, как и прототип, высокую эффективность использования прочностных свойств материала по толщине оболочек, а помимо этого, обеспечить минимальное значение отношения массы конструкции баллона к массе закаченного газа, возможность широкого варьирования габаритными соотношениями (компоновочные свойства) для размещения одной и той же массы газа без повышения значения М/М, повышенные свойства сопротивления циклическим нагрузкам и выполнить днища в виде простой сферической оболочки.
Варианты конструктивного исполнения предлагаемого многополостного сосуда высокого давления для хранения легких газов и его свойства проиллюстрированы графическими материалами, позволяющими составить более полное представление об устройстве даны (фиг.1 - 5).
На фиг.1 представлена схема возможного конструктивного исполнения заявляемого многополостного сосуда.
На фиг.2 представлена конструкция заявляемого многополостного сосуда без внутренних сфер (i=0).
На фиг.3 представлена конструкция однополостного сосуда традиционного исполнения.
З
П
На фиг.4 представлен график зависимости отношения массы заявляемой конструкции к массе прототипа М/М для размещения одного и того же количества газа от числа внутренних сфер n.
З
П
На фиг.5 изображена зависимость отношения радиусов оболочек корпуса заявляемой конструкции сосуда к радиусу прототипа R/R от числа внутренних сфер п.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется схемами конструкций, представленными на фиг.1-3. На фиг.1 представлена наиболее общая схема конструктивного исполнения заявляемого многополостного сосуда. Здесь: R - срединные радиусы всех оболочек; i=1, …, n - число внутренних сфер; h и h/2 - толщины оболочек сосуда. Конструкции состоит из корпуса в виде цилиндрической части (1) и двух полусферических днищ (2) толщиной h. Внутри корпуса размещены п сфер (3) толщиной h/2. Две полусферы (4) равной толщины h/2 вместе с днищами образуют дополнительно сферы. Все сферические полости соединенные трубками (4) и располагаются центрами на оси сосуда, представляя единую полость, которая через одну из крайних сфер соединена с заправочным устройством (6). Остальные полости объединены через заправочный трубопровод в другую единую полость. В заправленном состоянии давления в сферических полостях 2·Р; в остальных Р.
Устройство работает следующим образом. При заполнении газом (заправке) пустого баллона с помощью заправочного устройства (6) происходит заполнение всех полостей до давления Р. Далее полости, ограниченные цилиндрическими оболочками (вторая совокупность) (1), перекрываются и продолжается дозаправка сферических полостей (первая совокупность) до давления 2·Р. Баллон готов к эксплуатации на опорожнение. При опорожнении расход газа осуществляется сначала из сферических оболочек до момента, когда давление снизится до Р. Далее открываются перекрытые полости (вторая совокупность) и все полости работают до полного опорожнения. Предложенный очевидный и простейший алгоритм работы баллона дает возможность исключить контроль перепада давлений на стенки оболочек и снимает вопрос о потере устойчивости сферических оболочек. Отмеченные особенности также являются преимуществом предлагаемой конструкции.
д
Определим массу газа, приходящуюся на единицу массы баллона для традиционно выполненной конструкции и для заявляемой, в предположении безмоментного напряженного состояния при нагружении (соотношение h/R=Р/σ≤0,05).
При исполнении баллона без внутренних сфер (фиг.2), т.е. отсутствия полостей с номерами i=1, …, n, объем газа, закачанный в баллон традиционной конструкции (схема на фиг.3), составит
,
г
а радиус оболочек баллона R, необходимый для закачки массы газа М подсчитывается как
,
г
п
п
где ρ(p) - удельная масса газа при давлении в полости, равном р.
т
п
т
мт
г
Толщина цилиндрической части баллона h при условии достижения максимальных напряжений в оболочке предела текучести материала σ составит h=p·R/σ, а для сферической - в два раза меньше. Объем металла оболочек для баллона традиционного исполнения V с учетом выражения радиуса R через массу М определяется как
Отношение массы материала к массе закаченного газа для традиционно выполненной конструкции вычисляется по формуле
м
где ρ - удельная масса материала конструкции.
кч
При выводе аналогичных формул для частного случая заявляемой конструкции баллона - без внутренних сфер, учтено, что в диапазоне давлений, которое способно создать стандартное компрессорное оборудование, значения удельных масс большинства легких газов практически линейно зависят от давлений. Давление в сферах, содержащих полусферические днища, в два раза выше, чем в остальных полостях. Пользуясь схемой, изображенной на фиг.3, можно получить выражение для подсчета отношения массы материала к массе закаченного газа в частном варианте (без внутренних сфер) заявляемой конструкции М
Поделив равенство (2) на (1), получим
Таким образом, для заполнения заданной массы газа в сравниваемые баллоны требуемая масса в частном случае исполнения заявляемой конструкции, меньше массы традиционной в ≈ 1,08 раза, что составляет 8%. Иными словами, при равенстве весов в заявляемую конструкцию можно закачать газа на 8% больше.
ко
г
ко
Для схемы общего случая заявляемой конструкции (фиг.1) аналогичные выкладки, учитывающие, что давление внутри всех сфер в два раза выше, чем в остальных полостях, приводят к соотношению М/М (М - масса для общего случая исполнения конструкции), выраженному формулой
В зависимости от n соотношение массы материала заявляемой конструкции и массы материала конструкции традиционного типа составит
т.е. как нетрудно показать, остается меньшим единицы при любом числе внутренних сфер n. Иными словами, при любом числе внутренних сфер для размещения заданного количества газа заявляемая конструкция сосуда всегда легче традиционной.
В отношении к доказанному выше качеству многополостных баллонов, включая прототип, в сравнении с традиционной конструкцией оценку дают приведенные в табл.1 данные, полученные в [12]. Показано также, что при одинаковой массе газа традиционно выполненный баллон и прототип будут иметь практически одинаковую массу корпуса несмотря на увеличение габаритов многополостного баллона для компенсации уменьшения массы газа. Отмеченные факты использованы далее для сравнительной количественной оценки некоторых преимуществ, порождаемых отличительными признаками заявляемой конструкции. Ввиду многообразия возможных вариантов исполнения прототипной конструкции удобно опереться на традиционную конструкцию баллона и в дальнейшем применить относительное суждение к многополостному прототипу.
Таблица 1
Параметр
конструкция [10]
конструкция [12]
допустимое напряжение, МПа
250
250
средний радиус наружной оболочки, мм
500
500
порядковый номер полости от центра, i
1
2
3
4
1
2
3
4
давление в i-й полости, МПа
20
10
5
2,5
20
15
10
5
М<sub>г.отн</sub>, %
30,2
48,5
г.отн
В представленной таблице величина М % выражает в процентах отношение газовместимости многополостного сосуда и однополостного одинаковых внешних радиусов и максимальных давлений. Поскольку заявляемая конструкция превосходит указанный показатель традиционной конструкции (однополостная), а традиционная согласно табл.1 превосходит прототип, то заявляемая конструкция превосходит в этом отношении многополостные емкости и прототип, в частности.
З,П
З,П
На фиг.4 представлена зависимость отношения массы заявляемой конструкции к массе прототипа от числа внутренних сфер при условии равенства массы закаченного газа в обоих баллонах, вычисленная по формулам (1)-(4). Габаритные продольные размеры баллонов при этом равны L=2·R·n (индексы относятся к заявляемой конструкции и конструкции - прототипу конструкции соответственно). Иными словами, сравниваются конструкции подобных геометрических внешних форм, содержащих одинаковое количество газа. При любом количестве внутренних сфер это отношение меньше единицы и, следовательно, заявляемая конструкция обладает минимальным значением отношения массы конструкции к массе газа.
к
г
На фиг.5 показано изменение отношения радиусов сфер заявляемой конструкции к радиусу конструкции прототипа. Это отношение является коэффициентом подобия и остается при любом числе внутренних сфер меньшим единицы. Таким образом, заявляемая конструкция при хранении заданного количества газа занимает меньший объем пространства по сравнению с прототипом. При необходимости размещения предлагаемой конструкции сосуда в заданном объеме можно варьировать длиной корпуса, его радиусом и количеством внутренних сфер с тем, чтобы вместить максимальное количество газа в отведенное место при сохранении минимального отношения М/М, что также является преимуществом заявляемого сосуда.
Сопротивление циклическим нагрузкам также должно оказаться повышенным вследствие предполагаемой технологии изготовления конструкции из одного материала, возможности избежать множества сварных швов, простой геометрии стыков оболочек, позволяющих легко ликвидировать скачки напряжений в зонах краевого эффекта введением галтелей.
Баллоны, которые можно разработать по рекомендациям изобретения [12], должны состоять из безмоментных оболочек, а это предполагает, что проектные прочностные расчеты будут проведены по соотношениям соответствующей теории. Принятое допущение о безмоментности вместе с обеспечением эффективного использования прочностных свойств материала по толщине обуславливают отношение толщины оболочек к радиусу срединной поверхности значением h/R ~0,05. Обращаясь к предложенной схеме конструкции прототипа [12], следует указать на отсутствие рекомендаций по исполнению торцовых днищ баллона. Может оказаться, что скачки напряжений от краевого эффекта в районе стыковки цилиндрической оболочки с замыкающей торцовой, выполненной в виде пластины, сферического, или эллипсоидального колпачка настолько интенсивны, что попытки парировать их существенно обесценят преимущества конструкции. К тому же на торцах баллона может сосредоточиться много сварочных швов, что ухудшит физико-механические свойства материала, снизив тем самым несущую способность и сопротивляемость циклическим нагрузкам, что также снижает достоинства конструкции.
к
г
Компоновочные свойства конструкции баллона, заключающиеся прежде всего в величине объема, играют важную роль при рассмотрении вопросов транспортировки или функционирования баллона в составе какого-либо устройства. Однако не менее важным компонентом является форма сосуда, его габариты. Поэтому, например, сферические емкости для хранения газов, имеющие неоспоримые преимущества по весу и прочности в сравнении с емкостями других геометрических форм, уступают в удобстве расположения их в составе устройства. Конструкция многополостного баллона, принятого за прототип, имеет более гибкие компоновочные свойства, заключающиеся в возможности изменения габаритов в двух обобщенных координатах - радиус наружной оболочки и длина конструкции. Но при этом проектируя конструкцию в соответствии с [12], можно существенно понизить значение показателя М/М.
Таким образом, использование заявляемого многополостного баллона позволит изготовлять емкости для хранения и транспортировки легких газов при высоких (более 300 атм) давлениях с обеспечением:
- максимального отношения массы газа к массе конструкции;
- минимального объема конструкции для закачки одного и того же количества газа с повышенными компоновочными свойствами;
- повышенного сопротивления циклическим нагрузкам, включая вибрационные;
- повышенной эффективности использования прочностных свойств материала.
Источники информации
1. Николе Р.В. Конструирование и технология изготовления сосудов давления. Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1975.
2. Патент RU 2145398. 10.02.2000.
3. Патент RU 2230976, 20.06.2004.
4. Патент RU 2121095, 27.10.1998.
5. Патент RU 2094695, 27.10.1997.
6. Патент RU 2175088, 20.10.2001.
7. US Patent 2,131,753, 04.10.1938.
8. Патент RU 2067256 С1, 27.09.1996.
9. Патент RU 2178113, 10.01.2002.
10. Патент RU 2035004, 10.05.1995.
11. Патент RU 2080502, 27.05.1997.
12. Патент RU 2291343,10.01.2007.