Оболочка из композиционных материалов для высокого внутреннего давления



Оболочка из композиционных материалов для высокого внутреннего давления
Оболочка из композиционных материалов для высокого внутреннего давления

 


Владельцы патента RU 2526999:

Открытое акционерное общество Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения (RU)

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к замкнутым оболочкам высокого давления. В оболочке из композиционных материалов для высокого внутреннего давления, содержащей цилиндрическую часть 1 и выпуклые днища, образованной комбинацией слоев кольцевых 4, на цилиндрической части, и соответственно перекрещивающихся спиральных лент 5, ориентированных в окружном и спиральном направлениях, из непрерывных однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, с фланцами, установленными по полюсным отверстиям днищ. На днище, в зоне сопряжения с цилиндрической частью, расположены распределенные между спиральными слоями дополнительные кольцевые слои 11 переменной ширины, уменьшающейся от внутреннего к внешнему, образующие внешнюю единую ступенчато-коническую поверхность. Их общая кольцевая погонная жесткость Едhд не превышает соответствующей жесткости кольцевых слоев цилиндрической части Ецhц, где Ед, Ец и hд, hц - приведенные модули упругости материалов кольцевых слоев и их суммарные толщины на днище и цилиндрической части соответственно, а осевая протяженность не превышает 0,07r, где r - радиус цилиндрической части оболочки. Изобретение направлено на создание оболочки с повышенными эксплуатационными и экономическими характеристиками. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к замкнутым оболочкам высокого давления, и может быть использовано в конструкциях систем жизнеобеспечения, в авиационной, ракетной и космической технике, в химической и газовой промышленности и т.д.

Замкнутые оболочки (баллоны), работающие при действии внутреннего давления, все чаще изготавливают из композиционных материалов, преимущественно намоткой однонаправленной ленты. При этом спиральные ленты охватывают цилиндрическую часть и днища, а кольцевые располагаются только на цилиндрической части, восполняя необходимую кольцевую прочность.

Известна оболочка для внутреннего давления из композиционных материалов, образованная намоткой спиральных и кольцевых слоев из однонаправленной нити. [Образцов И.Ф., Васильев В.В., Бунаков В.А. Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционных материалов. - М.: Машиностроение, 1977. - 143 с.]

Известна оболочка для внутреннего давления из композиционных материалов, образованная намоткой спиральных и кольцевых слоев из однонаправленной нити. [Фахрутдинов И.Х., Котельников А.В. Конструкция и проектирование ракетных двигателей твердого топлива: Учебник для машиностроительных вузов. - М.: Машиностроение, 1987. - 328 с.: ил.]

Известна оболочка (корпус для высокого давления) из композиционных материалов, состоящая из цилиндрической части и выпуклых днищ, образованная комбинацией слоев соответственно перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент, ориентированных в спиральном и окружном направлениях, в которой днища выполнены укладкой спиральной армирующей ленты по линиям постоянного отклонения от геодезических (RU 2319061 C1 МНК F17C 1/06 14.08.2006).

Недостатком всех приведенных конструкций является наличие зоны ступенчатого изменения кольцевой жесткости на границе перехода от цилиндрической части к днищу, что приводит к изгибу и моментному деформированию и, соответственно, к всплеску напряжений и перемещениям днищ, отличным от теоретических. Этот эффект, незначительный для тонкостенных оболочек, становится все более ощутимым при увеличении толщины оболочки, что связано, в основном, с увеличением действующего внутреннего давления.

Оболочка из композиционных материалов по патенту RU №2319061 от 14.08.2006 г. 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 создание конструкции оболочки из композиционных материалов с повышенными эксплуатационными и экономическими характеристиками.

Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в получении оболочки с практически постоянными напряжениями по образующей дна, включая зону сопряжения с цилиндром.

Техническая задача решается, а технический результат достигается тем, что в оболочке из композиционных материалов для высокого внутреннего давления, содержащей цилиндрическую часть и выпуклые днища, образованной комбинацией слоев кольцевых, на цилиндрической части, и соответственно перекрещивающихся спиральных лент, ориентированных в окружном и спиральном направлениях, из непрерывных однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, с фланцами, установленными по полюсным отверстиям днищ, облицованной изнутри защитным покрытием, согласно изобретению на днище, в зоне сопряжения с цилиндрической частью, расположены распределенные между спиральными слоями дополнительные кольцевые слои переменной ширины, уменьшающейся от внутреннего к внешнему, образующие внешнюю единую ступенчато-коническую поверхность, при этом их общая кольцевая погонная жесткость Eдhд не превышает соответствующей жесткости кольцевых слоев цилиндрической части Eцhц, где Ед, Ец и hд, hц - приведенные модули упругости материалов кольцевых слоев и их суммарные толщины на днище и цилиндрической части соответственно, а осевая протяженность не превышает 0,07r, где r - радиус цилиндрической части оболочки, причем в частных случаях выполнения изобретения дополнительные кольцевые слои на днище выполнены на основе материалов спиральных слоев, дополнительные кольцевые слои на днище являются продолжением кольцевых слоев цилиндрической части.

Отличительными от прототипа признаками заявленной оболочки являются следующие:

а) признаки, обеспечивающие получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны:

- на днище, в зоне сопряжения с цилиндрической частью, расположены распределенные между спиральными слоями дополнительные кольцевые слои переменной ширины, уменьшающейся от внутреннего к внешнему;

- образующие внешнюю единую ступенчато-коническую поверхность;

- при этом их общая кольцевая погонная жесткость Eдhд не превышает соответствующей жесткости кольцевых слоев цилиндрической части Eцhц, где Eд, Eц и hд, hц - приведенные модули упругости материалов кольцевых слоев и их суммарные толщины на днище и цилиндрической части соответственно;

- а осевая протяженность не превышает 0,07r, где r - радиус цилиндрической части оболочки.

б) признаки, характеризующие изобретение в частных случаях:

- дополнительные кольцевые слои на днище выполнены на основе материалов спиральных слоев;

- дополнительные кольцевые слои на днище являются продолжением кольцевых слоев цилиндрической части.

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».

Оболочка, в отличие от оболочки по прототипу, за счет дополнительных кольцевых слоев имеет плавное изменение жесткости и соответственно плавное изменение напряжений, плавное изменение толщины по ширине дает возможность воспроизведения необходимой зависимости изменения жесткости, а следовательно, и распределения напряжений, общая погонная жесткость дополнительных слоев не превышает соответствующие жесткости кольцевых слоев цилиндрической части, что исключает возможность возникновения ступенчатого увеличения жесткости с соответствующими обратными эффектами, осевая протяженность дополнительных кольцевых слоев не превышает 0,07r, что определяет «переходную» зону между цилиндрической частью и днищем.

Использование в дополнительных слоях материала с упругими характеристиками, отличающимися от упругих характеристик материала основных слоев, при сохранении ступенчато-конической поверхности, сказывается на изгибной меридиональной жесткости и, соответственно, получаемых изгибных напряжениях.

Изменяя толщину, ширину, используемый материал дополнительных кольцевых слов (выбираемый по параметру «жесткость/цена»), можно получать различные распределения напряжений и характер деформирования дна и, соответственно, получать наиболее эффективную конструкцию в энергетическом, эксплуатационном и экономическом плане.

Изобретение поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего его, примера реализации и прилагаемыми чертежами.

На фиг.1 представлена заявленная оболочка, на фиг.2 - расположение дополнительных кольцевых слоев на днище.

Оболочка из композиционных материалов для высокого внутреннего давления, состоящая из цилиндрической части 1 и выпуклых днищ 2 и 3, образованная комбинацией слоев кольцевых 4, на цилиндрической части, и соответственно перекрещивающихся спиральных 5, ориентированных в окружном и спиральном направлениях, из непрерывных однонаправленных нитей 6 и 7, скрепленных полимерным связующим, с фланцами 8 и 9, установленными по полюсным отверстиям днищ, облицованная изнутри защитным покрытием 10. На днище, в зоне сопряжения с цилиндрической частью, расположены распределенные между спиральными слоями дополнительные кольцевые слои 11, предельная зона расположения которых ограничена осевой длиной 0,07r - сечение 12. В частном случае исполнения дополнительные кольцевые слои могут быть выполнены как продолжение кольцевых слоев на цилиндрической части.

Экспериментальная проверка подтвердила высокую прочность и надежность предложенной конструкции.

1. Оболочка из композиционных материалов для высокого внутреннего давления, содержащая цилиндрическую часть и выпуклые днища, образованная комбинацией слоев кольцевых, на цилиндрической части, и соответственно перекрещивающихся спиральных лент, ориентированных в окружном и спиральном направлениях, из непрерывных однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, с фланцами, установленными по полюсным отверстиям днищ, облицованная изнутри защитным покрытием, отличающаяся тем, что на днище, в зоне сопряжения с цилиндрической частью, расположены распределенные между спиральными слоями дополнительные кольцевые слои переменной ширины, уменьшающейся от внутреннего к внешнему, образующие внешнюю единую ступенчато-коническую поверхность, при этом их общая кольцевая погонная жесткость Eдhд не превышает соответствующей жесткости кольцевых слоев цилиндрической части Ецhц, где Eд, Eц и hд, hц - приведенные модули упругости материалов кольцевых слоев и их суммарные толщины на днище и цилиндрической части соответственно, а осевая протяженность не превышает 0,07r, где r - радиус цилиндрической части оболочки.

2. Оболочка по п.1, отличающаяся тем, что дополнительные кольцевые слои на днище выполнены на основе материалов спиральных слоев.

3. Оболочка по п.1, отличающаяся тем, что дополнительные кольцевые слои на днище являются продолжением кольцевых слоев цилиндрической части.



 

Похожие патенты:

Оболочка может быть использована в конструкциях аккумуляторов и всех подобных емкостей. Оболочка выполнена в виде двух секций 1 и 2 с цилиндрическими участками 3 и 4 и торцевыми выпуклыми днищами 5 и 6 с образованием на цилиндрической части каждой кольцевого торца 13, 14, у которых с наружной поверхности цилиндрической части расположены уступами со стороны днищ дополнительные слои из пропитанного связующим тканого материала 15, 16, 17, 18 с образованием конических поверхностей 19, 20, все тканые слои разделены по меньшей мере на две группы 15, 16 и 17, 18, каждая из которых охвачена, как минимум, одним слоем материала силового каркаса 23, 24 и 25, 26, на торце у внутренней поверхности одной секции выполнен выступ 27 с центрирующей поверхностью 29, а на второй - ответное выступу углубление 28 с поверхностью 30, эквидистантной центрирующей поверхности выступа, торцевые поверхности выступа и углубления 31, 32 разнесены между собой с образованием кольцевого паза 33, в котором расположен герметизирующий элемент.

Баллон предназначен для использования в установках гидроабразивной резки. Баллон состоит из лейнера (1) и внешней силовой композиционной оболочки (2).

Изобретение относится к области газовой аппаратуры и может быть использовано в процессе изготовления и эксплуатации металлопластиковых баллонов. .

Изобретение относится к области газовой аппаратуры, а именно к металлокомпозитным баллонам высокого давления, используемым, в частности, в портативных кислородных дыхательных аппаратах альпинистов, спасателей, в переносных изделиях криогенной и противопожарной техники, системах газообеспечения и других отраслях.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении корпусов, контейнеров, емкостей, баллонов давления (далее емкости) из композиционного материала (КМ).

Изобретение относится к области газовой аппаратуры, а именно к металлокомпозитным баллонам высокого давления, используемым, в частности, в портативных кислородных дыхательных аппаратах альпинистов, спасателей, в переносных изделиях криогенной и противопожарной техники, системах газообеспечения и других отраслях.

Изобретение относится к области газовой аппаратуры, а именно к металлокомпозитным баллонам высокого давления, используемым, в частности, в портативных кислородных дыхательных аппаратах альпинистов, спасателей, в переносных изделиях криогенной и противопожарной техники, системах газообеспечения, автомобильной промышленности и других отраслях.

Изобретение относится к конструкциям комбинированных баллонов высокого давления и может быть использовано при изготовлении облегченных баллонов, применяемых на транспорте и для перевозки газов. Баллон содержит металлический лейнер, включающий обечайку, в которой созданы напряжения сжатия, охваченную наружной оболочкой в виде спиральных витков армирующего стального материала прочностью не менее прочности обечайки и сферические или эллиптические днища. Витки наружной оболочки выполнены с натяжением путем создания в баллоне давления, обеспечивающего напряжения в окружном направлении лейнера, по меньшей мере, равные величине предела текучести металла лейнера и одинаковые продольные напряжения в каждом витке оболочки. Обечайка лейнера и наружная оболочка могут быть выполнены с покрытием из адгезионного и антикоррозионного материалов, а армирующий материал для наружной оболочки имеет разный профиль поперечного сечения. Изобретение позволяет снизить массу баллона, обеспечить безосколочное разрушение и повысить срок службы баллонов. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Баллон предназначен для помещения или хранения газов в сжатом, сжиженном или твердом состоянии. Баллон содержит металлический лейнер, имеющий нижнее и верхнее днища, внешнюю упрочняющую армирующую оболочку из ленточного композиционного материала, пропитанного связующим. Лейнер выполнен в виде эллипсоида, образованного соединением двух днищ между собой, при этом стенки лейнера выполнены одинаковой толщины. Внешняя упрочняющая армирующая оболочка выполнена по всей наружной поверхности лейнера с элементами крепления конструкции металлопластикового баллона, которые выполнены одной и той же лентой в процессе намотки армирующей оболочки лейнера, при этом ленты, образуя петли, равномерно размещенные снаружи по периметру соединения днищ, скрепляются попарно при помощи пластин в одной точке с равномерным натяжением при креплении баллона. При этом все пластины находятся на равноудаленном от баллона расстоянии и выполнены с отверстием для возможности крепления конструкции баллона резьбовым соединением. Техническим результатом является уменьшение массы устройства. 3 ил.

Изобретение относится к комбинированным баллонам высокого давления из композитных материалов и может быть использовано при изготовлении облегченных баллонов, применяемых на транспорте и для перевозки газов. Баллон содержит лейнер из композитного материала, включающий днища и обечайку. Обечайка выполнена с антикоррозионным покрытием и охвачена наружной оболочкой в виде спиральных витков стальной ленты, намотанных с натяжением и перекрытием каждого витка и с использованием связующего. Лейнер выполнен толщиной, выдерживающей в продольном направлении по меньшей мере расчетное рабочее давление баллона, а наружная оболочка выполнена из стальной ленты и обеспечивает в окружном направлении лейнера усилия, по меньшей мере равные половине расчетного рабочего давления баллона. Технический результат - обеспечение высокой прочности и надежности баллона при циклических нагрузках. 1 ил.

Изобретение относится к корпусам для высокого давления из композиционных материалов, используемых, в частности, в двигательных установках, а также может быть использовано во всех конструкциях машиностроительных и химических отраслей с корпусами для газовых и жидких сред. Корпус для высокого давления из композиционных материалов содержит силовую оболочку 1 с цилиндрической частью 2 и выпуклыми днищами 3 и 4, образованную комбинацией слоев 5 и 6 соответственно перекрещивающихся спиральных 7 и кольцевых 8 лент, ориентированных в спиральном и окружном направлениях, из непрерывных однонаправленных жгутов (нитей), скрепленных полимерным связующим, с фланцами 9 и 10, установленными по полюсным отверстиям днищ 3 и 4, облицованную изнутри защитным покрытием 11, в которой по поверхности защитного покрытия расположен разреженный слой 12. Изобретение позволяет повысить надежность конструкции за счет обеспечения стабильности получаемых толщин защитного покрытия. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к баллонам из композиционного материала, получаемым методом непрерывной намотки армирующей нити, и может быть использовано при создании твердотопливных двигателей ракет, в химическом машиностроении, а также в других отраслях промышленности. В баллоне из композиционного материала днища с центральными полюсными отверстиями соединены оболочкой вращения, выполненной из перекрестных прямых нитей, которые образуют поверхность однополостного гиперболоида вращения, поверх ее намотаны кольцевые слои. Оболочка вращения может содержать армированные сферические участки сопряжения днищ и однополостного гиперболоида вращения, идентичные экваториальным участкам днищ. Расширяются технологические возможности. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к баллонам из композиционного материала, получаемых методом непрерывной намотки армирующей нити (ленты, жгута), и может быть использовано при создании корпусов твердотопливных двигателей ракет, в химическом машиностроении, а также в других отраслях промышленности. В баллоне из композиционного материала днище с центральным полюсным отверстием имеет вытянутую форму, состоящую из последовательно соединенных, сопряженных между собой, чередующихся сферических и однополостных гиперболических оболочек вращения, размеры которых уменьшаются от экватора днища к полюсному отверстию. Повышается прочность. 3 ил.
Наверх