Способ намотки силовой оболочки баллона высокого давления из полимерных композиционных материалов и баллон высокого давления из полимерных композиционных материалов
Владельцы патента RU 2327924:
Открытое акционерное общество Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения (RU)
Закрытое акционерное общество Научно-производственное предприятие "СПЕЦМАШ" (RU)
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к производству композитных баллонов высокого давления, используемых в основном для хранения и транспортировки сжатых и сжиженных газов. При реализации способа намотки силовой оболочки баллона высокого давления из полимерных композиционных материалов на герметизирующий лейнер, состоящий из цилиндрической части и сферообразных днищ с полюсными фланцами, лентой из волокнистых нитей наматывают спиральные слои, касаясь лентами витков, расположенных на днищах, шеек полюсных фланцев. Нити ленты в зоне касания изгибают по дуге, деформируют ленту до жгута кругообразного сечения и массивом изогнутых по дуге нитей формируют обжимное кольцо шейки полюсного фланца. Максимальную длину нитей для формирования кольца определяют по формуле:
где l - максимальная длина нитей для формирования кольца, Н - ширина ленты, мм; r - радиус шейки полюсного фланца, мм; с=1,02-1,25 - опытный коэффициент, учитывающий изменение длины нити от «жгутования» ленты, зависит от натяжения ленты, вязкости связующего, отклонения от оптимального расположения нитей в кольце. Использование изобретения позволит повысить надежность работы. 2 н.п. ф-лы, 9 ил.
Изобретения относятся к области машиностроения, в частности к производству композитных баллонов высокого давления, используемых в основном для хранения и транспортировки сжатых и сжиженных газов.
Наиболее перспективными являются многослойные, в основном двухслойные, баллоны высокого давления, содержащие внутренний герметизирующий слой (лейнер) и наружный - силовой, выполненный намоткой ленты, формируемой из нитей или жгутов высокомодульного высокопрочного материала, пропитанных полимерным связующим с последующей термообработкой по определенному режиму. При достаточной кольцевой и осевой жесткости лейнера намотка производится на лейнер, как на оправку, без подкрепления его в осевом и кольцевом направлениях. Силовая оболочка, в этом случае, выполнена в виде «Кокона», имеющего на днищах полюсные отверстия. Полюсные отверстия закрыты фланцами, зачастую выполненными заодно с лейнером. Один из фланцев является заглушкой, а в другом выполнена эксплуатационная горловина. Зоны полюсных отверстий с фланцами в этом случае являются концентраторами при нагружении баллонов предельными давлениями.
Известен сосуд высокого давления из полимерных композиционных материалов по а.с. СССР № 763646 от 13.03.78 г., МПК3 F17C 1/00, содержащий герметизирующий лейнер и силовую оболочку.
Известен сосуд высокого давления из полимерных композиционных материалов по заявке ЕПВ № 0167334 от 08.01.86 г., МПК7 F65C 13/12. Известный сосуд выполнен двухслойным и содержит внутреннюю герметичную оболочку, на которую намотаны силовые полимерные слои.
Известен баллон высокого давления из полимерных композиционных материалов по патенту РФ № 2269044 С1 от 20.05.2004 г., МПК7 F16J 12/00, содержащий лейнер, фланцы и силовую оболочку с усилениями в зонах фланцев.
Известен сосуд высокого давления из полимерных композиционных материалов по заявке ЕПВ №0147042, МПК7 F17C 1/16, содержащий лейнер и силовую оболочку.
Известен сосуд высокого давления из полимерных композиционных материалов по патенту ФРГ №1625937 от 14.08.69 г., МПК7 F65J 11/06. Известный сосуд содержит внутреннюю герметичную оболочку и силовую обшивку.
Известна емкость из полимерных композиционных материалов по патенту РФ № 2246062 С2 от 13.08.2004 г., МПК7 F16J 12/00. Известная емкость содержит лейнер с полюсными фланцами и силовую оболочку переменной толщины, максимальной - в зоне шеек полюсных фланцев.
Известен сосуд высокого давления из полимерных композиционных материалов по заявке ФРГ № OS 3103646 от 12.08.82 г., МПК7 F17C 1/13, содержащий внутренний герметизирующий слой и силовую оболочку.
Известен способ выполнения сосуда высокого давления из полимерного композиционного материала по а.с. №1132094 от 27.04.82 г., МПК7 F16J 12/00, при котором на внутренний герметизирующий слой и полюсные фланцы путем спиральной намотки жгутом из однонаправленного волокнистого материала наносят силовую оболочку. При этом силовую оболочку наносят непрерывным жгутом на цилиндрический и донные участки сферообразой формы с охватом петлями этого же жгута шейки фланца. Петлеобразная намотка «фланцевых участков» силовой оболочки приводит к резкому увеличению толщины последней в этой зоне и появлению участка с отрицательной кривизной ее наружной поверхности. Это значительно снижает несущую способность конструкции из-за возникновения дополнительных изгибных напряжений. Лабораторными исследованиями полностью подтвержден данный недостаток конструкции известного баллона.
Также известен способ намотки силовой оболочки баллона высокого давления из полимерных композиционных материалов и баллон высокого давления из полимерных композиционных материалов по патенту Англии №1150131 от 30.04.69 г., НКИ B8G; В5А, МКП B65h 81/02.
При реализации известного способа на герметизирующий лейнер, состоящий из цилиндрической части и сферообразных днищ с полюсными фланцами, лентой из волокнистых нитей наматывают спиральные слои, касаясь лентами витков, расположенных на днищах, шеек полюсных фланцев.
Известный баллон высокого давления из полимерных композиционных материалов содержит лейнер и силовую оболочку с полюсными отверстиями, изготовленную методом намотки ленты из волокнистых нитей.
Недостатком известного способа является низкое качество конструкции из-за низкой прочности узла заделки полюсного фланца и неравномерности натяжения нитей при намотке лентой в этой зоне. При испытаниях баллонов предельным давлением разрушение силовой оболочки происходит по донной части, с очагом в зоне шейки полюсного фланца.
Недостатком известной конструкции является низкая надежность ее работы из-за низкой прочности силовой оболочки в зоне полюсного отверстия и неравномерности нагружения нитей лент в этой зоне. При испытаниях баллонов предельным давлением разрушение силовой оболочки происходит по донной части, с очагом в зоне от полюсного отверстия.
Известный способ и известная конструкция, как наиболее близкие по технической сущности и достигаемому результату, выбраны в качестве прототипа.
Технической задачей, на решение которой направлены заявляемые изобретения, является разработка и создание баллонов высокого давления высокого качества с повышенной надежностью работы.
Технический результат для способа, который может быть достигнут при решении поставленной задачи, заключается в повышении качества изготовления баллонов за счет усовершенствования схемы намотки силовой оболочки в донной ее части, в зоне ее примыкания к шейке полюсного фланца.
Технический результат для устройства, который может быть достигнут при решении поставленной задачи, заключается в повышении надежности его работы за счет усовершенствования схемы армирования силовой оболочки в зоне ее полюсного отверстия.
Поставленная задача с достижением технического результата для способа решается тем, что на герметизирующий лейнер, состоящий из цилиндрической части и сферообразных днищ с полюсными фланцами, лентой из волокнистых нитей наматывают спиральные слои, касаясь лентами витков, расположенных на днищах, шеек полюсных фланцев, при этом, в соответствии с изобретением, нити ленты в зоне касания изгибают по дуге, деформируют ленту до жгута кругообразного сечения, и массивом изогнутых по дуге нитей формируют обжимное кольцо шейки полюсного фланца, при этом максимальную длину нитей для формирования кольца определяют по формуле:
где
l - максимальная длина нитей для формирования кольца,
Н - ширина ленты, мм;
r - радиус шейки полюсного фланца, мм;
с=1,02-1,25 - опытный коэффициент, учитывающий изменение длины нити от «жгутования» ленты, зависит от натяжения ленты, вязкости связующего, отклонения от оптимального расположения нитей в кольце.
Отличительными признаками для способа являются следующие признаки:
- нити ленты в зоне касания изгибают по дуге - признак существенный, предусматривает наличие новых операций, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение качества изготовления баллонов за счет усовершенствования схемы намотки силовой оболочки в донной ее части, в зоне примыкания ее к шейке полюсного фланца, направленной на повышение прочности силовой оболочки в этой зоне;
- деформируют ленту до жгута кругообразного сечения - признак существенный, предусматривает наличие новых операций, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение качества изготовления баллонов за счет усовершенствования схемы намотки силовой оболочки в донной ее части, в зоне примыкания ее к шейке полюсного фланца, направленного на повышение прочности силовой оболочки в этой зоне за счет снижения неравномерности натяжения нитей при намотке ленты;
- массивом изогнутых по дуге нитей формируют обжимное кольцо шейки полюсного фланца, при этом максимальную длину нитей для формирования кольца определяют по формуле:
где
l - максимальная длина нитей для формирования кольца, мм;
Н - ширина ленты, мм;
r - радиус шейки полюсного фланца, мм;
с=1,02-1,25 - опытный коэффициент, учитывающий изменение длины нити от «жгутования» ленты, зависит от натяжения ленты, вязкости связующего, отклонения от оптимального расположения нитей в кольце - признак существенный, предусматривает наличие новых операции и новое их выполнение, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение качества изготовления баллонов за счет усовершенствования схемы намотки силовой оболочки в донной ее части, в зоне примыкания ее к шейке полюсного фланца, направленного на повышение прочности силовой оболочки в этой зоне; для доказательства существенности признака, описанного математической зависимостью, рассмотрим фиг.6:
из треугольника АДО имеем:
длину дуги lо на участке угла α окружности 2πr определяем по формуле:
или l0=0,01745 rα;
подставляя выражение для α из (1), получим:
длина дуги lо определена без учета толщины ленты s, с учетом же толщины ленты, изогнутые по дугам нити расположатся эквидистантно дуге АВС в пределах толщины жгута и их длина будет определена по приведенной формуле:
Поставленная задача с достижением технического результата для устройства решается тем, что баллон содержит лейнер и силовую оболочку с полюсными отверстиями, изготовленную методом намотки ленты из волокнистых нитей, при этом, в соответствии с изобретением, каждое полюсное отверстие образовано внутренней кромкой кольца, выполненного заодно с силовой оболочкой из массива изогнутых по дуге нитей жгутов кругообразного сечения, причем максимальная длина этих нитей определена по формуле:
где
l - максимальная длина нитей кольца, мм;
Н - ширина ленты, мм;
r - радиус полюсного отверстия, мм;
с=1,02-1,25 - опытный коэффициент, учитывающий изменение длины нити от «жгутования» ленты, зависит от натяжения ленты, вязкости связующего, отклонения от оптимального расположения нитей в кольце.
Отличительными признаками для устройства являются следующие признаки:
- каждое полюсное отверстие образовано внутренней кромкой кольца, выполненного заодно с силовой оболочкой - признак существенный, предусматривает наличие нового элемента (кольца), новую взаимосвязь (заодно с силовой оболочкой) и новое расположение (внутренней кромкой по полюсному отверстию), направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение надежности работы за счет усовершенствования схемы армирования силовой оболочки в зоне ее полюсного отверстия и повышения тем самым прочности материала в зоне концентратора;
- кольцо выполнено из массива изогнутых по дуге нитей жгутов кругообразного сечения - признак существенный, предусматривает наличие новых элементов (массива нитей), новую форму (изогнутых по дуге) и новое расположение (расположенных в жгутах кругообразного сечения), направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение надежности работы за счет усовершенствования схемы армирования силовой оболочки в зоне ее полюсного отверстия;
- максимальная длина нитей определена по формуле:
где
l - максимальная длина нитей кольца, мм;
Н - ширина ленты, мм;
r - радиус полюсного отверстия, мм;
с=1,02-1,25 - опытный коэффициент, учитывающий изменение длины нити от «жгутования» ленты, зависит от натяжения ленты, вязкости связующего, отклонения от оптимального расположения нитей в кольце - признак существенный, предусматривает новое соотношение размеров, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение надежности работы за счет усовершенствования схемы армирования силовой оболочки в зоне ее полюсного отверстия; доказательство существенности признака, описанного математической зависимостью, приведено в доказательстве существенности признаков способа.
Указанные отличительные признаки являются существенными, поскольку каждый в отдельности и все совместно направлены на решение поставленной задачи с достижением технических результатов. Использование единой совокупности существенных отличительных признаков в известных решениях не обнаружено, что характеризует соответствие технического решения критерию «новизна».
Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными обеспечивает решение поставленной задачи с достижением технических результатов и характеризует предложенные технические решения существенными отличиями по сравнению с известным уровнем техники и аналогами. Данные технические решения являются результатом научно-исследовательской и экспериментальной работы по повышению надежности работы баллонов высокого давления из полимерных композитов без использования известных проектировочных решений, рекомендаций, материалов и обладают неочевидностью, что свидетельствует об их соответствии критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретений поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид способа намотки силовой оболочки, на фиг.2 - вид на зону касания лентой шейки полюсного фланца, на фиг.3 - сечение ленты, расположенной на донной части лейнера, на фиг.4 - сечение частично сдеформированной ленты у шейки полюсного фланца, на фиг.5 - сечение сдеформированной в жгут ленты, на фиг.6 - схема расположения теоретической, не имеющей толщины ленты в зоне касания с шейкой полюсного фланца, на фиг.7 - общий вид баллона, на фиг.8 - продольное сечение края полюсного отверстия, на фиг.9 - поперечное сечение края полюсного отверстия.
В способе намотки силовой оболочки 1 баллона 2 высокого давления из полимерных композиционных материалов на герметизирующий лейнер 3, состоящий из цилиндрической части 4 и сферообразных днищ 5 с полюсными фланцами 6, лентой 7 из волокнистых нитей 8 наматывают спиральные слои 9, касаясь лентами витков, расположенных на днищах 5, шеек 10 полюсных фланцев 6. Нити 8 ленты 7 в зоне касания 11 изгибают по дуге 12, деформируют ленту 7 до жгута кругообразного сечения 13 и массивом 14 изогнутых по дуге 12 нитей 8 формируют обжимное кольцо 15 шейки 10 полюсного фланца 6, при этом максимальную длину нитей 8 для формирования кольца 15 определяют по формуле:
где
l - максимальная длина нитей 8 для формирования кольца 15,
Н - ширина ленты 7, мм;
r - радиус шейки 10 полюсного фланца 6, мм;
с=1,02-1,25 - опытный коэффициент, учитывающий изменение длины нити от «жгутования» ленты 7, зависит от натяжения ленты Q, вязкости связующего, отклонения от оптимального расположения нитей 8 в кольце 15.
Баллон 2 высокого давления из полимерных композиционных материалов содержит лейнер 3 и силовую оболочку 1 с полюсными отверстиями 16, изготовленную методом намотки ленты 7 из волокнистых нитей 8. Каждое полюсное отверстие 16 образовано внутренней кромкой 17 кольца 15, выполненного заодно с силовой оболочкой 1 из массива 14 изогнутых по дуге 12 нитей 8 жгутов кругообразного сечения 13, причем максимальная длина этих нитей определена по формуле:
где
l - максимальная длина нитей 8 для формирования кольца 15,
Н - ширина ленты 7, мм;
r - радиус шейки 10 полюсного фланца 6, мм;
с=1,02-1,25 - опытный коэффициент, учитывающий изменение длины нити от «жгутования» ленты 7, зависит от натяжения ленты Q, вязкости связующего, отклонения от оптимального расположения нитей 8 в кольце 15.
Вариант исполнения способа заключается в том, что на лейнер 3 наматывают ленту 7 силовой оболочки 1, формируют обжимное кольцо 15 шейки 10 полюсного фланца 6 из массива 14 изогнутых в дугу 12 нитей 8, причем дуги 12 нитей 8 разной длины, не более l, располагают в массиве 14 с нахлестами для их дополнительного скрепления. Такая схема армирования обеспечивается тем, что намотку производят на специальном станке с програмным управлением, и при намотке зоны заделки полюсного фланца 6 параметры программы задают таким образом, чтобы лента 7 сблизилась с шейкой 10 полюсного фланца 6 до ее касания последней нитью 19 в точке 20. Фактически происходит ее примыкание по дуге 21. Также фактически нити 8 длиной l и менее располагаются в кольце 15 с отклонениями, учтенными коэффициентом с, от оптимальности, заданной программой.
Вариант исполнения баллона 2 заключается в том, что силовая оболочка 1 образует кольцо 15, содержащее нити 8 дуг 12, длиной l и менее, расположенные с нахлестом 18. Исследованиями установлено, что при расположении нитей 8 дуг 12 с максимальной длиной менее l снижается прочность кольца 15 в окружном направлении, а более l - возрастает толщина силовой оболочки 1 в зоне кольца 15, и на наружной поверхности силовой оболочки 1 образуется участок 22 с отрицательной кривизной, что значительно снижает прочность баллона.
Работает баллон 2 следующим образом. При его нагружении предельным давлением в зоне полюсного отверстия возникают максимальные напряжения, и благодаря оптимальным нахлестам 18 расположенных в окружном направлении нитей 8 дуг 12 кольца 15 эти напряжения не достигают допустимых.
Таким образом, использование изобретений позволит создать баллон высокого давления из полимерных композитов с повышенной надежностью его работы, что и подтверждает использование по назначению. Осуществимость изобретений подтверждена положительными результатами испытаний образцов и фрагментов конструкций, разработка и изготовление которых полностью основаны на представленном описании. В связи с этим новое техническое решение соответствует и критерию «промышленная применимость», т.е. уровню изобретения.
1. Способ намотки силовой оболочки баллона высокого давления из полимерных композиционных материалов, при котором на герметизирующий лейнер, состоящий из цилиндрической части и сферообразных днищ с полюсными фланцами, лентой из волокнистых нитей наматывают спиральные слои, касаясь лентами витков, расположенных на днищах, шеек полюсных фланцев, отличающийся тем, что нити ленты в зоне касания изгибают по дуге, деформируют ленту до жгута кругообразного сечения, и массивом изогнутых по дуге нитей формируют обжимное кольцо шейки полюсного фланца, при этом максимальную длину нитей для формирования кольца определяют по формуле
где l - максимальная длина нитей для формирования кольца,
Н - ширина ленты, мм;
r - радиус шейки полюсного фланца, мм;
с=1,02-1,25 - опытный коэффициент, учитывающий изменение длины нити от «жгутования» ленты, зависит от натяжения ленты, вязкости связующего, отклонения от оптимального расположения нитей в кольце.
2. Баллон высокого давления из полимерных композиционных материалов, выполненный способом по п.1, содержащий лейнер и силовую оболочку с полюсными отверстиями, изготовленную методом намотки ленты из волокнистых нитей, отличающийся тем, что каждое полюсное отверстие образовано внутренней кромкой кольца, выполненного заодно с силовой оболочкой из массива изогнутых по дуге нитей жгутов кругообразного сечения, причем максимальная длина этих нитей определена по формуле
где l - максимальная длина нитей кольца, мм;
Н - ширина ленты, мм;
r - радиус полюсного отверстия, мм;
с=1,02-1,25 - опытный коэффициент, учитывающий изменение длины нити от «жгутования» ленты, зависит от натяжения ленты, вязкости связующего, отклонения от оптимального расположения нитей в кольце.
