Газовый баллон высокого давления

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении баллонов высокого давления для хранения сжатого природного газа и водорода, используемого в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания. В газовом баллоне, выполненном в виде металлической оболочки, армированной снаружи композиционным углепластиковым материалом, металлический корпус снабжен ребрами, выполненными продольно на внутренней поверхности и поперечно на наружной поверхности. Техническим результатом изобретения является уменьшение веса баллона. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения, может быть использовано при изготовлении баллонов высокого давления для хранения сжатого газа и может быть применено на автотранспорте, работающем на сжатом природном газе или водороде.

Известен баллон для сжатого газа высокого давления, выполненный из стали (ГОСТ 949-57. Справочник. Трубы стальные, чугунные и баллоны. Изд. «Металлургия», М., 1966, стр.280). При низкой удельной стоимости литра объема ($1,8/л) удельный вес или отношение массы такой емкости к внутреннему объему составляет 2 кг/л. Так при 50 литрах газа вес такого баллона составляет 100 кг, что не позволяет использовать его в легковых автомобилях.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является металлопластиковый газовый баллон высокого давления, выполненный из металлической оболочки, обмотанной полимерным композиционным материалом (патент RU №2002160, М. Кл. F17С 1/06. Заяв. 03.09.1991, опубл. 30.10.1993, Бюл. №39-40).

Описываемый прототип содержит бесшовную стальную оболочку, упрочненную полимерным композиционным материалом, намотанным на ее цилиндрическую часть. При рабочем объеме такого баллона 56 л его масса составляет 25,5 кг.

Техническим результатом изобретения является уменьшение веса баллона при сохранении рабочего объема и расширение области его применения, в том числе в автомобильном транспорте. Это достигается тем, что в газовом баллоне высокого давления, выполненном в виде металлической емкости, армированной снаружи композиционным стекло- или углепластиковым материалом, металлическая емкость снабжена ребрами, выполненными продольно на внутренней и поперечно на наружных поверхностях, и покрыта монолитным слоем электроплавленых окислов, дополнительно герметизирующих объем. Это позволяет за счет оптимизации геометрических размеров баллонов и материала металлической оболочки довести его удельный вес до 0,3-0,35 кг/л при обеспечении эксплутационных требований к изделию. Наиболее оптимальный материал емкости - легкие сплавы на основе алюминия или титана.

Следующим отличием баллона является то, что он выполнен с приваренной головкой сферической формы или при изготовлении металлической емкости из деформированного металла путем сварки, в сварной шов введены модификаторы, повышающие механические свойства шва до уровня кованого. При этом головка имеет на боковой поверхности пазы, в которые входят продольные ребра корпуса до выхода в канавку для сварки. В процессе сварки неразъемно соединяется головка и торцевая часть сплошного цилиндра корпуса и ребер, а остающиеся зазоры между ними дополнительно заполняются электроплавленными окислами при микроплазменном оксидировании, образуя неразъемное соединение.

Это позволяет повысить надежность изделия, изготовленного из отдельных частей.

Для снижения себестоимости изготовления металлическая оболочка может быть выполнена цельнолитой способом литья выжиманием с кристаллизацией под давлением (ЛВКД), обеспечивающим получение герметичных отливок с повышенными механическими свойствами металла на уровне поковок и проката. Следующее отличие баллона заключается в том, что он отлит в оснастке, выполненной из металла или графита. Это позволяет уменьшить насыщение металла отливки газами и измельчить зерно за счет ускорения процесса кристаллизации.

На фиг.1 представлен общий вид баллона, выполненного со сварной металлической емкостью из проката, на фиг.2 - сечение А-А общего вида, на фиг.3 - сечение Б-Б общего вида.

Газовый баллон состоит из металлической емкости, включающей цилиндрический корпус 1 с дном (при изготовлении из проката) и сферическую крышку 2, соединенные сварным швом 3 неразъемно. На внутренней поверхности корпуса 1 выполнены продольные ребра 4, а на наружной поверхности - поперечные ребра 5. Поверхность корпуса 1, крышки 2 и сварного шва 3 покрыты монолитным слоем 7 электроплавленных окислов. Цилиндрическая емкость 1 заключена неразъемно в композиционный углепластиковый корпус 6.

При изготовлении металлической емкости из сплава АК8 с пределом текучести σ₀₂>380 МПа, объемом на 50 нормальных литров для хранения сжатого газа метана принимаются следующие геометрические размеры:

- внутренний диаметр - 300 мм,

- толщина Стенки цилиндрической емкости -10 мм,

- внутренние продольные ребра сечением 1 см² - 20 шт,

- наружные поперечные ребра выполнены высотой 1...2 мм с шагом 12...15 мм,

- средняя толщина слоя стеклопластика - 6...8 мм,

- общая длина цилиндрической емкости - 700 мм,

- удельный вес баллона не более 0,35 кг/л.

Работа баллона.

При заправке баллона сжатым газом до 200 атм толстостенное дно и крышка, рассчитанные на эти давления, не создают проблем.

Прочность тонкостенного цилиндра корпуса 1 при растягивающейся осевой нагрузке обеспечивается его продольными ребрами 4, а композиционный углепластиковый корпус 6, навитый на цилиндрическую часть, усиливает цилиндрический корпус 1 в радиальном направлении. Кроме того, углепластиковый корпус 6 также усиливает корпус 1 в продольном направлении посредством поперечных ребер 5. Герметичность баллона в зоне сварного шва 3 дополнительно обеспечивается монолитным электроплавленным слоем окислов 7, а в случае выполнения металлической емкости цельнолитой слой электроплавленных окислов 7 может применяться как дополнительное антикоррозийное и упрочняющее покрытие.

Использование изобретения позволяет снизить вес баллона и использовать его в легковом автотранспорте, в том числе заправленном газом метаном взамен дорогостоящего бензина, пропанобутановой смеси и дизельного топлива, что позволяет снизить издержки на эксплуатацию автомобильного транспорта.

1. Газовый баллон высокого давления, выполненный в виде металлической емкости, армированной снаружи полимерным композиционным материалом, отличающийся тем, что металлическая емкость снабжена ребрами, выполненными продольно на внутренней и поперечно на наружной поверхностях.

2. Газовый баллон высокого давления по п.1, отличающийся тем, что металлическая оболочка герметизирована монолитным слоем электроплавленых окислов, образованных в режиме микроплазменного оксидирования.

3. Газовый баллон по п.1, отличающийся тем, что при изготовлении металлической емкости из деформированного металла путем сварки в сварной шов введен модификатор, повышающий механические свойства его на уровне кованого металла.

4. Газовый баллон по п.1, отличающийся тем, что он выполнен цельнолитым способом выжимания с кристаллизацией под давлением (ЛВКД) с повышенными механическими свойствами металла на уровне поковок и проката.