CN112963534B - 一种带球壳隔板的相交球壳压力容器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带球壳隔板的相交球壳压力容器，该压力容器由至少2个相交球壳组成，在各个相交面设一球壳隔板，隔板既起到加强作用，节省材料，又可以作为存贮不同成分、不同压力状态物质的间隔，当存贮液体时还兼具有防晃功能。本发明公开的压力容器的各个相交球壳大小、材料、压力，以及球壳之间的相对位置均可以任意搭配，可设计性高。基于本发明公开的公式设计隔板的半径和厚度时，整个压力容器在不一致内压作用下仍是一个等应力结构，且具有和标准球壳压力容器相同的结构效率(结构效率指相同材料、容积、内压载荷情况下，压力容器理论容积与其理论结构重量的比值)。

Description

一种带球壳隔板的相交球壳压力容器

技术领域

本发明涉及压力容器领域，特别是对结构重量要求高、内部压力和存贮物不一致、安装空间要求特殊的压力容器。

背景技术

当前压力容器主要有球壳和圆柱壳两种形式，其中标准球壳的结构效率最高，内压作用下球壳处于等应力状态，材料利用率最高，一般用于对材料成本或者结构重量要求比较高的场景，比如大型液化气储罐、航天高压气瓶、贮箱等。球壳压力容器的缺点是制造工艺复杂，对空间要求高，必须容得下完整球体的空间，同时与其他结构或地面的连接也较为困难。圆柱壳压力容器由两端的球壳和中间的圆柱壳组成，有时为了节省空间，将两端的球壳改为高度更短的椭球壳或者三心壳。高压气体运输罐、高压气瓶、化学高压反应炉多为圆柱壳。与理想球壳相比，圆柱壳体压力容器在同等容积下表面积更大，且相同压力、半径下，柱段壳体的厚度要较球壳高一倍，因此相同容积和压力要求下，圆柱壳压力容器的结构重量要明显高于球壳。圆柱壳压力容器的优点是生产工艺简单、方便安装和运输。

与上述两种压力容器结构形式相比，其他异型容器结构效率要更低，仅应用于特殊场景。

在航天贮箱结构中，还有一种共底贮箱结构，用于使用一个贮箱存贮两种或以上的燃料，此时不同燃料存贮区需设置“共底”结构相间隔，该共底结构仅具备隔离功能，不具有承载能力。

如何发挥球壳、圆柱壳压力容器和共底贮箱各自的优点，实现不低于标准球壳压力容器结构效率的前提下，兼具圆柱壳压力容器的设计灵活性和安装、运输便易性，同时兼顾满足隔离不同压力和类型的贮存物质的要求，是压力容器的设计难点。

发明内容

本发明主要解决在任意空间内设计存贮不同压力和类型物质要求的压力容器的设计难题，并实现与球壳压力容器相当的结构效率。

本发明的有益效果是：在实现与球壳压力容器结构效率相当的前提下，兼具圆柱壳、异型压力容器安装、连接方便的优点，能够适应各种空间布局，能够同时存贮不同压力要求的多种物质。应用本发明可以大幅降低压力容器的材料成本、占地成本，对于用于运输的压力容器，还可以因压力容器重量减轻而降低运输成本和车辆磨损。

结合附图1，本发明相关的计算公式推导如下：

r₁、r₂、r₃分别为两个相交球壳以及隔板的中面半径；

t₁、t₂、t₃分别为两个相交球壳以及隔板的厚度；

A、B、C分别为两个相交球壳以及隔板球心到相交面的距离；

F₁、F₂、F₃分别为两个相交球壳以及隔板的内应力在单位相交弧长的合力；

L为两个相交球壳的球心距，且L＝A+B；

P₁、P₂分别为两个球壳内部压力。

根据几何关系，容易推导得出：

按照等应力设计，球壳以及隔板的厚度满足：

根据上式可得出：

由式3还可推导得到：

在球壳相交线处，3个球壳的内力处于静平衡状态，按等应力设计，假设球壳内应力均为σ，则单位相交弧长内的球壳内应力合力分别为：

按照静力平衡条件，三个球壳在单位弧长的合力的径向分量是平衡的，即满足：

将式5、6、7代入式8，可解得：

根据勾股定理，可得：

对于当P₁＝P₂的特殊情况，计算得C和r₃为无穷大，表示此时隔板为平面，如附图2所示。此时式8变化为：

将式7带入上式，并考虑

以及L＝A+B，可得：

进一步，当P₁＝P₂，同时L＝r₁＝r₂时：

t₁＝t₂＝t₃   (13)

附图说明

图1是带球壳隔板的相交球壳压力容器剖面图；

图2是等压力下相交球壳压力容器的剖面图；

图3、图4是本发明较佳实施例的立体结构示意图（图3共底压力容器结构示例，图4高低压一体化压力容器结构示例）；

附图中各部件的标记如下：

①上部高压区球壳

②下部低压区球壳

③上部高压区平面隔板

④球壳隔板

⑤下部低压区平面隔板

⑥高压区壳体

⑦低压区壳体

⑧球壳隔板

⑨平面隔板

具体实施方式

下面结合附图3、图4对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本发明实施例包括：

实施例1：一种共底压力容器结构，如附图3所示，包括：

1)直径3.35米，高6.95米，由4个等直径球面相交组成；

2)分成上下两部分，上部设计内压1.0MPa为高压区，下部设计内压 0.8MPa为低压区；

3)上下两部分由中间的球面共底隔板隔开；

4)另外两个相交面由于是等压相交面，均为平面隔板；

5)球壳共底隔板的半径为5.622米；

6)上部高压区2个球壳厚度为5mm，下部低压区两个球壳厚度为4mm；

7)球壳共底隔板的厚度为3.356mm，上部高压区平面隔板厚度为 3.582mm，下部低压区平面隔板厚度为2.866mm；

8)按照上述设计尺寸，在上下部不同内压作用下，整个压力容器结构内应力均为167.5MPa，为等应力结构；

9)结构材料为铝合金，密度按照2700kg/m^3计算，理论重量为 1093.485kg；

10)上部高压区容积为25.887立方米，如果单独采用标准球形压力容器，材料仍为同种铝合金，许用应力仍为167.5MPa时，设计直径为1.835m，厚度为5.478mm，结构质量为625.935kg；

11)下部低压区容积为24.172立方米，如果单独采用标准球形压力容器，材料仍为同种铝合金，许用应力仍为167.5MPa时，设计直径为1.794m，厚度为4.283mm，结构质量为467.550kg；

12)高低压部分分别采用标准球形压力容器时，合计质量1093.485kg，与本发明实例相等，说明本发明公开的压力容器结构效率与标准球形压力容器相当。

实施例2：一种高低压一体化压力容器，如附图4所示，包括：

1)低压区直径3.35m，高度6.95m，由4个间距1.2m球壳相交构成，设计压力1.0MPa；

2)高压区由直径0.67m，圆心均布在低压球壳顶部的4个小球壳组成，设计压力10.0MPa；

3)低压区球壳厚度5mm，高压区球壳厚度10mm；

4)球壳隔板半径0.3992m，厚度为10.724mm；

5)平面隔板厚度为3.582mm；

6)在设计内压作用下，结构为均匀应力为167.5MPa的等应力状态；

7)本示例方案可应用于液体火箭贮箱结构，实现了高压气瓶与贮箱壳体的一体化设计，且平面隔板可以起到防晃板功能。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种带球壳隔板的相交球壳压力容器，其特征在于，包括：①由至少2个球壳相交组成的密闭壳体形成压力容器外壳结构；②各个球壳相交面之间具有内置球壳隔板；③球壳隔板可以作为存贮不同物质的隔板，或者发挥防晃功能；④单个球壳内部压力相同，但不同的球壳内部压力可以不同；⑤压力容器是等应力结构，其结构效率与标准球壳压力容器相同；

球壳隔板的半径和厚度按照如下的公式计算时整个压力容器在内压作用下为等应力结构；

①半径计算公式为：

其中：r₁、r₂、r₃分别为两个相交球壳以及球壳隔板的中面半径；t₁、t₂、t₃分别为两个相交球壳以及球壳隔板的厚度；A、B、C分别为两个相交球壳以及球壳隔板球心到相交面的距离；L为两个相交球壳的球心距，且L＝A+B；P₁、P₂分别为两个球壳内部压力；

②上式适用于相交球壳材料相同、不同内压的情况；

③当各个球壳内压相同时，此时C和r₃为无穷大，意味着球壳隔板为平面，当相交球壳材料相同时，球壳隔板厚度按照下式计算：

④当P₁＝P₂，同时L＝r₁＝r₂，时：t₁＝t₂＝t₃，此时可以用等厚度的板材加工制造整个压力容器；

⑤当各个球壳和球壳隔板采用不同材料时，各部分厚度按照刚度等效设计，并需满足各材料的强度要求。

2.根据权利要求1所述的一种带球壳隔板的相交球壳压力容器，其特征在于，压力容器的外壳，①由至少2个球壳相交组成，相交球壳数量不限；②球壳的球心距大于0且小于两球壳外半径之和；③各个球壳的半径可以相同，也可以不同；④各个球壳的球心相对位置不限，不一定共线，从而可以灵活、有效利用空间；⑤球壳材料种类不限，可以是金属，也可以是非金属，各个球壳以及球壳隔板可以采用相同或者不同的材料。

3.根据权利要求1所述的一种带球壳隔板的相交球壳压力容器，其特征在于，各个球壳相交面之间具有内置球壳隔板，①两个球壳相交时，相交线所围成的圆环内设置一个球壳隔板；②球壳隔板可以是整体封闭的，也可以根据需要开联通孔，开联通孔后需要根据等刚度、强度设计原则对联通孔进行局部结构补强。

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