CN108473183A - 特别用于海上运输的压缩气瓶的多容纳单元 - Google Patents

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罗伯托·普罗韦拉
克里斯蒂亚诺·巴提斯提
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Petroleum And Natural Gas Co Ltd
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Petroleum And Natural Gas Co Ltd
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Abstract

本发明涉及一种压缩气瓶的多容纳单元，包括：‑支撑框架(10)，其具有支撑基座(11)和限定内部容纳体积(13)的侧容纳结构(12)；以及竖直布置在容积体积中用于容纳压缩气体的气瓶(20)。每个气瓶通过下连接装置(30)连接到支撑基座，该下连接装置允许气瓶相对于支撑基座自由转动，但是防止相对于基座自身的平移。单元(1)包括气瓶的竖直支撑结构(40)，该竖直支撑结构在离基座预定高度H处接合到侧结构。该竖直支撑结构在框架的侧结构的运动中伴随着气瓶，从而支撑由相应下连接装置允许的每个气瓶的旋转，而不向其传递弯曲和/或扭曲力矩，并且同时根据预定的定位平面布局使气瓶保持彼此分离。

Description

特别用于海上运输的压缩气瓶的多容纳单元
技术领域
本申请涉及压缩气瓶(cylinder，柱体，筒体)的多容纳单元。
根据本发明的多容纳单元旨在被安装在运输装置上，并且特别适用于在气瓶中的压缩气体的海上运输。特别地，该多容纳单元可以安装在船舶的货舱内或驳船的甲板上。该单元也可以安装在潜艇上或半潜式或浮动平台上。
背景技术
基于压缩气瓶的多容纳单元来输送压缩气体的各种应用是已知的。这些容纳单元——行话中被熟知为气瓶架——例如被装载或安装在卡车、公路运输用集装箱、船舶的货舱、驳船上或铁路运输的货车上。
通常，这些多容纳单元或架由通过模块化和重复元件实现的结构构成，并且在内部界定其中设置并约束多个压力容器(气瓶)的容纳体积。特别地，这种单元由通过焊接或螺栓连接彼此连接的金属型材制成的网状结构构成。
由于它们制造的方式，即通过焊接或螺栓连接刚性连接，因此这些结构完全吸收了在与其接合的压缩气体气瓶中的加载和卸载循环的疲劳应力，并且继而传递由运输装置——无论是卡车、铁路火车还是海上船只——引发的相同的应力。
特别地，当这些容纳结构被放置在船舶的货舱内时，由船舶自身的船体吸收的波浪运动引起的应力被传递到气瓶的容纳单元(架)，从而导致将这些应力也排放到单个气瓶上。
事实上，为了提供这样的容纳结构(架)足够的稳定性，它们与海上船只刚性地接合，而不会在力的传输链中提供不连续性，并且因此被迫与运输装置本身一体地运动。
如果单个气瓶在六个主要方向(沿着三个参考轴线的直线运动和旋转)中被部分地释放在架中(尽管数值范围有限)，则它将不会受到与架相同的应力，并且因此气瓶在结构上将独立于运输装置的结构。
在通常的舰船和机械技术中，这没有实现，因为迄今为止在气瓶和架之间没有如下可用的机械连接系统：这些系统易于应用和实施，同时能够使得气瓶独立于架的变形(运动和延展)。
事实上，气瓶应该安装在架上，使得两个元件(气瓶和架)之间的连接使第一元件(气瓶)自由移动(即使是有限地)，而第二元件(架)与船体刚性连接并且没有自由度，但其特征仅在于有限的弹性变形能力。
气瓶和架之间没有有效的机械断开系统会严重影响气瓶(压力容器)本身的尺寸。事实上，这个尺寸必须特别基于气瓶的疲劳寿命，不仅量化气体加载和卸载循环，而且量化从架结构传递到气瓶的最大波浪应力。从而获得严重依赖于波浪加载循环(在20年内10^6的量级)而不是气体加载/卸载循环(在20年内10^3的量级)的气瓶的尺寸。
无法防止船舶引起的应力传递到架上并因此传递到气瓶迫使人们在单个气瓶的疲劳寿命中考虑这些应力，并且因此考虑到在船舶上引起的波浪加载循环的次数来定尺寸。这种尺寸设计方法导致气瓶和架的成本显著增加，同时在极限应力的情况下，可能会损坏连接至结构上刚性连接件的架结构(以及船舶本身)。
发明内容
因此，本发明的目的是通过提供一种压缩气瓶的多容纳单元来消除或至少减轻上述现有技术的缺点，所述多容纳单元在海上运输的情况下即使在不利的海况和风况下也能够自由变形而对气瓶变形无明显影响。
本发明的另一目的是提供一种制造简单且经济的压缩气瓶的多容纳单元。
附图说明
根据上述目的，本发明的技术特征可以从所附列出的权利要求中清楚地理解，并且其优点将从参考附图进行的下面的详细描述中变得更加明显，附图示出了一个或者多个纯粹的示例性和非限制性实施例，在附图中：
-图1示出了根据本发明的优选实施例的竖直布置的CNG气瓶的多容纳单元(架)的顶部透视图；
-图2示出了根据图1所示的示出的截面平面S和箭头II的其中单元的截面的正交侧视图；
-图3示出了根据图1所示的所示的箭头III的其中单元的简化俯视图；
-图4、图5和图6各自示出了根据本发明的三个不同实施例的竖直布置的CNG气瓶的三个多容纳单元(架)的简化俯视图；
-图7、图8和图9各自显示了图3、图4和图5中相应的架和气瓶之间的上连接装置的细节图；
-图10示出根据优选实施例的架和气瓶之间的下连接装置的细节图；
-图11a和图11b分别示出了当架经受纯平移的变形时图1中所示的多容纳单元(架)的竖直简化正交视图和正交俯视图；
-图12a和图12b分别示出当架经受纯弯曲变形时图1中所示的多容纳单元(架)的竖直简化正交视图和正交俯视图；以及
-图13a和图13b分别示出当架经受纯扭转变形时图1所示的多容纳单元(架)的竖直简化正交视图和正交俯视图。
具体实施方式
参照附图，附图标记1整体上表示根据本发明的压缩气瓶的多容纳单元(架)，并且20表示安装在容纳单元内部的用于传输压缩气体的单个压力容器(气瓶)。
压力容器可以用于包含任何类型的压缩气体，特别是压缩天然气(CNG)。
这里以及在说明书和权利要求的其余部分中，将参考使用状态下的多容纳单元(架)1。在这个意义上，应该能够理解对较低或较高位置、或水平或竖直方向的参照。
根据本发明的多容纳单元1特别适用于气瓶中的压缩气体的海上运输。海上船只或船舶可以是任何类型的。特别地，该多容纳单元1可以安装在船舶的货舱中或驳船的甲板上。本单元1也可以安装在潜艇上或半潜式或浮动平台上。
优选地，多容纳单元1安装在船舶上或驳船上。
因此，根据本发明的多容纳单元1是旨在作为独立元件安装在运输装置(特别是海上船只)上的结构，以连接到运输装置的结构，运输装置的该结构在海上船只的情况下特别是甲板和货舱。
根据附图中示出的本发明的一般实施例，多容纳单元(架)1包括：
-支撑框架10，其进而包括支撑基座11和多个侧支撑结构12，所述多个侧支撑结构12在结构上连接至支撑基座11并且从支撑基座11竖直地延伸，从而限定内部容纳体积13；以及
-用于容纳压缩气体的多个气瓶20，所述多个气瓶沿着其自身的纵向延伸轴线X竖直地布置在所述容纳体积13内并连接到所述支撑框架10，以便在所述支撑框架中保持稳定的位置。
单元(架)1包含的气瓶数可以根据为单元本身选择的构造而变化。
有利地，多容纳单元(架)1的上述支撑框架10可以包括用于将该支撑框架连接到所要安装至的运输装置的结构上的器件。
根据本发明的第一方面，每个气瓶20通过下连接装置30连接到支撑基座11，下连接装置30包括：
-支撑元件31，与该支撑元件31对应，邻接气瓶20其自身的纵向底端21；以及
-球形接头32，其将支撑元件31约束到支撑基座11，从而允许支撑元件31和支撑在其上的气瓶20相对于支撑基座11自由旋转，但是防止其相对于支撑基座11自身的平移。
由于球形接头32，支撑元件31可以在所有轴线上在支撑基座上方的半空间中旋转。在该旋转运动中，气瓶的纵向延伸轴线X描绘了在球形接头上具有顶点的锥体。考虑到气瓶在架中以及相对于其他气瓶的定位施加的空间和尺寸限制，球形接头32上的旋转受到限制。优选地，旋转使得上述锥体具有不大于0.1°的孔径角。在高24米的气瓶的情况下，在基座上以0.1°的角度旋转在气瓶的纵向延伸轴线X上施加气瓶的顶部处测量在水平分量中与竖直方向的偏差(平移)不超过50mm。
根据本发明的又一方面，多容纳单元1还包括气瓶20的竖直支撑结构40，使得：
-与框架10的侧结构12在离支撑基座11预定高度H处接合；以及
-为每个单个气瓶20限定竖直定位座41。
每个气瓶20都可自由地在相应的竖直定位座41内相对于竖直支撑结构40轴向地(即，沿着其纵向延伸轴线X)平移。
在操作上，竖直支撑结构40在框架的侧结构12的运动中伴随着气瓶20，借助相应的下连接装置30允许的每个气瓶20的旋转而不传递至气瓶弯曲和/或扭曲力矩，并且同时根据预定的定位平面布局使气瓶20保持彼此分离。
因此，本发明提供用于通过由如下两个单独的支撑系统组成的机械连接系统而将每个单个气瓶20连接到支撑框架10：一个单独的支撑系统作用在气瓶的底部(即，上述下连接装置30)，并且一个单独的支撑系统作用在相对于底部位于更高的部分(即，上述竖直支撑结构40)。
竖直支撑结构40可以在气瓶的任何高度上起作用，只要在最大预期轴向滑动的情况下确保与气瓶的连接即可。
由于本发明，在海上运输的情况下，容纳单元1的支撑框架10即使在不利的海况和风况下也能够自由地变形，而不会对气瓶造成显著的影响实际上，由于本发明，气瓶可以相对于支撑框架10自由移动，但是根据预定的定位平面布局将它们基本保持在一起。这通过将气瓶20与支撑框架10分离来实现，以防止(或至少显著地限制)从框架10到气瓶20的静态和动态应力的传递。
由于本发明，因此可以防止随着时间的推移当最柔性元件(支撑框架)随着运输装置的应力而变形时最刚性元件(气瓶，具有压力下的气体)的超载，所述运输装置包含最柔性元件和最刚性元件两者。
当传送装置在其整个操作寿命期间内执行应力循环的数目多至使刚性元件(气瓶)的尺寸足够在经济上不切实际时，该优点变得明显。
容纳单元1的上述支撑框架10是刚度低于其中布置的气瓶20的刚度的结构，并且当其经受由其内部安装的输送装置施加的动态载荷时能够变形。
优选地，支撑框架10是由通过焊接或螺栓连接彼此连接的金属部分制成的格子状结构。
有利地，如特别在图10所示，支撑元件31可以被成形为限定具有与气瓶的底端的形状对应的形状的支撑座。特别地，支撑元件31由托架构成。
优选地，支撑元件31由金属材料制成。
有利地，如图10所示，下连接装置30可以包括介于支撑元件31和气瓶的底端21之间的可弹性变形的材料的垫33。
该垫33适于抑制由支撑框架10传递到气瓶20的任何振动和/或竖直应力。
优选地，形成垫33的可弹性变形的材料提供与气瓶20的一摩擦系数，该摩擦系数在由气瓶自身接收到竖直和/或侧向加速度的情况中足以将气瓶20保持留在支撑元件31上。
根据附图中所示的实施例，气瓶的上述竖直支撑结构40包括：
-多个套环42，每个气瓶20各一个套环，所述多个套环中的每一个限定用于相应的气瓶20的定位座41；以及
-多个间隔元件43，所述多个间隔元件根据预定的定位平面布局将套环彼此连接并且连接到框架10的侧结构12，用于将套环定位在这些间隔元件之间并且相对于侧结构定位。
在操作上，上述间隔元件43将套环42彼此连接并且连接到支撑框架10的侧结构12，从而在弯曲和/或扭曲力矩的传递方面将套环彼此分离、并且与侧结构分离。
特别地，如图7和图8所示，每个间隔元件43可以由双球接头构成。
如图5和图9所示，每个间隔元件43可以由相当于双球接头的弹性接头构成。
弹性接头可以布置在套环与套环之间以及套环与框架之间(如图7所示)最小距离的点处，或者替选地沿套环与套环之间以及套环与框架之间的最大距离的对角线方向上。后一种构造可以有利地用于气瓶20之间的空间极大减小的情况。
有利地，套环和间隔元件可以彼此一体地制成，以形成由可弹性变形的材料制成的单个结构45。
特别地，如图6所示，由可弹性变形的材料制成的该单一结构可由面板45构成，面板45包括多个主通孔46，每个主通孔46限定用于气瓶的竖直定位座。每个主通孔46的边缘部分限定了套环，而面板的布置在上述主通孔46之间的部分47构成了上述间隔元件。
如图6所示，前述面板45可以包括多个辅助通孔48，所述多个辅助通孔48特别地具有照明功能，被设置在面板的布置在前述主开口之间的部分中。间隔元件由面板的布置在主开口46和辅助开口48之间的部分47限定。
有利地，对于每个套环41，上述竖直支撑结构40包括由介于套环41和相应的气瓶20之间的可弹性变形的材料制成的插入结构44。该插入结构44适于允许由于在加载和卸载气瓶的循环中发生的气瓶本身的热膨胀和机械变形而导致的气瓶的位移。通常，这些位移为约20至30mm的量级。
特别地，该插入结构44是在横截面上对于气瓶的整个周边延伸的连续结构，或是由在横截面上沿气瓶的周缘延伸分布的多个元件(例如以滑块的形式)构成的不连续结构。
有利地，形成上述插入结构44的可弹性变形材料提供与气瓶20的足够低的摩擦系数，以不妨碍气瓶相对于套环42的轴向平移。
本发明还涉及一种海上船只，其包括一个或多个根据本发明的压缩气体的多容纳单元1，并且特别地如上所述。优选地，该海上船只是船舶或驳船。
有利地，上述一个或多个压缩气体的多容纳单元(架)1安装在所述海上船只的货舱或甲板上。
如已经说过的那样，本发明通过机械连接系统将每个单个气瓶20连接到支撑框架10上，该机械连接系统由两个分开的支撑系统组成，一个作用在气瓶的底部部分(即，上述下连接装置30)，并且一个作用在相对于底部位于更高的部分(即，上述竖直支撑结构40)。
由于这两个连接系统30和40的组合作用，在支撑框架10可能经受的所有可能的机械变形中，框架10的变形不会将弯曲或扭转力矩传递到气瓶20，而是仅产生围绕位于气瓶自身底部的空间中的旋转点的每个气瓶的刚性旋转运动。但是，这种刚性的空间旋转运动不会导致气瓶本身的任何附加的结构应力。
图11a至图11b、图12a至图12b和图13a至图13b示意性地示出了容纳单元的支撑框架的一些可能的变形状态以及由此由气瓶所呈现的位置。
特别地，图11a至图11b示出了框架的纯平移变形的效果。它导致所有气瓶的刚性旋转，并且特别是每个气瓶的底部在平移平面上的旋转和竖直支撑结构40的旋转平移。
图12a至图12b示出了框架的纯弯曲变形的效果。它引起所有气瓶的刚性旋转，并且特别是每个气瓶的底部在弯曲平面上的纯旋转以及竖直支撑结构40的旋转或旋转平移。
图13a至图13b示出了框架的纯扭转变形的效果。它引起所有气瓶的刚性旋转，并且特别是每个气瓶的底部在扭转平面上的纯旋转以及竖直支撑结构40的扭转平移。
框架10的任何其他类型的变形可以定义为上述三种类型的变形的几何组合。因此，气瓶20将仅经受对应的刚性旋转，作为框架的单个变形的组合。
本发明允许获得部分已经描述的许多优点。
根据本发明的压缩气瓶的多容纳单元1构造成使得在海上运输的情况下、即使在不利的海况和风况下支撑框架也能够自由地变形，而在可以相对于框架自由移动的气瓶的变形方面没有任何显著的影响。
在海上运输的情况下，因此可以仅考虑加载/卸载气体的循环(在20年内10^3的量级)，而不是与由容纳单元1的支撑框架所承受的最大波浪应力有关的波浪加载循环(在20年内10^6量级)来为气瓶进行尺寸设计。
根据本发明的压缩气瓶的多容纳单元制造简单且经济。实际上，气瓶与支撑框架的连接系统在制造和组装时结构上很简单，并且不包括复杂的部件。它们也是机械系统，其以自动方式进行机械干涉而不需要控制和驱动系统。
因此，如此构思的本发明实现了预定目的。
显然，因此在不脱离保护范围的情况下，在其实际的实施例中，甚至可以假设不同于上面所示的形式和构造。
而且，所有的细节都可以用技术上等同的要素来替代，并且所使用的尺寸、形式和材料可以根据需要是任意的。

Claims (20)

1.一种压缩气瓶的多容纳单元，所述多容纳单元旨在安装在运输装置上、特别是用于海上运输的运输装置上，所述多容纳单元包括：
-支撑框架(10)，所述支撑框架进一步包括支撑基座(11)和多个容纳侧结构(12)，这些侧结构在结构上连接到所述支撑基座(11)并且从所述支撑基座竖直延伸，从而限定内部的容纳体积(13)；以及
-用于容纳压缩气体的多个气瓶(20)，这些气瓶在所述容纳体积(13)内沿着其自身的纵向延伸轴线(X)竖直布置并连接到所述支撑框架(10)，以保持在该支撑框架中的稳定位置中，
其特征在于，借助于包括下连接装置(30)将每个气瓶(20)连接到所述支撑基座(11)，所述下连接装置包括：支撑元件(31)，所述气瓶(20)以纵向的底端(21)邻接在所述支撑元件处；以及将所述支撑元件(31)约束至所述支撑基座(11)的球形接头(32)，从而允许所述支撑元件(31)和抵靠在该支撑元件上的所述气瓶(20)相对于所述支撑基座(11)自由旋转，但防止所述支撑元件和所述气瓶相对于所述支撑基座(11)平移，
并且在于，所述多容纳单元包括所述气瓶(20)的竖直支撑结构(40)，所述竖直支撑结构在离所述支撑基座(11)的一预定高度(H)处被约束至所述支撑框架(10)的侧结构(12)，并且所述竖直支撑结构针对每个单独的气瓶(20)限定竖直定位的座(41)，每个气瓶(20)在其相应的座(41)内相对于所述竖直支撑结构(40)自由地轴向平移，随着由相应的下连接装置(30)允许的每个气瓶(20)的旋转，所述竖直支撑结构伴随在所述支撑框架的侧结构(12)中运动的所述气瓶(20)，而没有向这些气瓶传递弯曲力矩和/或扭曲力矩，并且同时根据预定的定位平面布局而保持所述气瓶(20)彼此分开。
2.根据权利要求1所述的单元，其中，所述支撑元件(31)成形为限定支撑座，该支撑座具有的形状与所述气瓶的底端的形状相对应，优选地，所述支撑元件(31)由托架构成。
3.根据权利要求2所述的单元，其中，所述支撑元件(31)由金属制成。
4.根据权利要求1、2或3所述的单元，其中，所述下连接装置(30)包括介于在所述支撑元件(31)和所述气瓶的所述底端(21)之间的由能弹性变形材料制成的垫(33)，所述垫(33)适于抑制由所述支撑框架(10)传递到所述气瓶的可能的振动和/或竖直应力。
5.根据权利要求4所述的单元，其中，形成所述垫(33)的所述能弹性变形材料提供与所述气瓶(20)的一摩擦系数，该摩擦系数在发生由所述气瓶接收竖直加速度和/或侧向加速度的情况下足以将所述气瓶(20)保持留在所述支撑元件(31)上。
6.根据前述权利要求中的一项或多项所述的单元，其中，所述竖直支撑结构(40)包括：
-多个套环(42)，每个气瓶(20)有一个套环，所述多个套环中的每一个限定用于相应气瓶(20)的定位座(41)；以及
-多个间隔元件(43)，根据预定的定位平面布局将所述套环彼此连接并且连接到所述支撑框架(10)的侧结构(12)，从而将所述套环定位在所述侧结构之间并相对于所述侧结构定位。
7.根据权利要求6所述的单元，其中，所述间隔元件(43)将所述套环(42)彼此连接并且连接至所述侧结构(12)，从而在弯曲力矩和/或扭曲力矩的传递方面将所述套环彼此分离并从所述侧结构分离。
8.根据权利要求6或7所述的单元，其中，每个间隔元件(43)由双球接头构成。
9.根据权利要求6或7所述的单元，其中，每个间隔元件(43)由等同于双球接头的弹性接头构成。
10.根据权利要求6或7所述的单元，其中，所述套环和所述间隔元件彼此形成为一体，以形成能弹性变形材料的单个结构(45)。
11.根据权利要求10所述的单元，其中，能弹性变形的材料的所述单个结构由面板(45)构成，所述面板包括多个主通孔(46)，每个主通孔限定用于气瓶的竖直定位座，每个主通孔(46)的边缘部分限定套环，并且所述面板的位于所述主通孔(46)之间的部分(47)构成所述间隔元件。
12.根据权利要求11所述的单元，其中，所述面板包括多个辅助通孔(48)，所述辅助通孔设置在所述面板的位于所述主通孔之间的部分(47)中，所述间隔元件由所述面板的位于所述主通孔(46)和所述辅助通孔(48)之间的部分(47)来限定。
13.根据权利要求6至12中的一项或多项所述的单元，其中，所述竖直支撑结构(40)包括用于每个套环(41)的由能弹性变形的材料制成的插入结构(44)，所述插入结构介于所述套环(41)与相应的气瓶(20)之间，适于允许由于在所述气瓶的加载和卸载循环中发生的所述气瓶的热膨胀和机械变形而引起所述气瓶的移位。
14.根据权利要求13所述的单元，其中，所述插入结构(44)是在横截面上延伸所述气瓶的整个周边的连续结构，或是由在横截面上沿所述气瓶的周边延伸分布的多个元件构成的不连续结构。
15.根据权利要求13或14所述的单元，其中，形成所述插入结构(44)的能弹性变形的材料提供与所述气瓶(20)足够低的摩擦系数，从而不妨碍所述气瓶相对于所述套环(42)的轴向平移。
16.根据前述权利要求中的一项或多项所述的单元，其中，所述支撑框架(10)是刚度低于布置在该支撑框架中的所述气瓶的结构，并且当该支撑框架经受由运输装置施加的动态载荷时能够变形，该支撑框架安装在所述运输装置内部。
17.根据前述权利要求中的一项或多项所述的单元，其中，所述支撑框架(10)是由通过焊接或螺栓连接而彼此连接的金属区段制成的格子状结构。
18.根据前述权利要求中的一项或多项所述的单元，其中，所述支撑框架(10)包括用于连接到所述运输装置的结构的连接装置。
19.一种海上船只，包括一个或多个根据前述权利要求中的一项或多项所述的压缩气瓶的多容纳单元，所述海上船只是船舶或驳船。
20.根据权利要求19所述的海上船只，其中，一个或多个压缩气瓶的多容纳单元被安装在所述海上船只的货舱或甲板上。
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