CN113028052B - 一种带隔板的相交球壳压力容器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带隔板的相交球壳压力容器，该压力容器由至少2个球形壳体相交组成，相交线所围成的相交面设有一圆形隔板，各个球壳大小、材料可以不同，各个球壳相对位置可以调整。当隔板的厚度采用由本发明公开的公式计算结果时，整个压力容器在均匀内压作用下是一个等应力结构，且其结构效率(相同材料、相同容积、相同内压情况下，压力容器理论容积与其理论结构重量的比值)与理想球壳压力容器相当。基于本发明设计的压力容器与通常使用的圆柱壳压力容器相比，相同强度要求下结构重量可以降低25％左右，且可以更灵活适应压力容器的安装空间。

Description

一种带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、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，其中理想球壳的结构效率最高，理论内压工况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，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、半径要求下，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。

针对球壳和圆柱壳压力容器各自的优缺点，在不低于球形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、运输便易性是压力容器的设计难点。

发明内容

本发明主要解决在非球形空间内实现球壳压力容器的等应力状态，从而获得与球壳压力容器结构效率一样高，同时制造安装方便、空间适应性广的创新型压力容器构型。

本发明的有益效果是：在实现球壳压力容器结构效率的前提下，兼具圆柱壳、异型压力容器安装、连接方便的优点，同时能够适应各种空间布局。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，还可以降低运输成本和车辆磨损。

本发明相关的计算公式推导如下：

如附图1所示，两个半径为r的球相交，球心距为L>0，且L＜2r，则相交线上任一点与球心连线的夹角：

α＝acos(L/2r)

相交后球缺高度：

球缺容积：

相交体总容积：

假设球壳厚度为t，隔板与两个球壳面相交线呈三力平衡状态，为达到等应力状态，相交线围成的圆形隔板的厚度：

隔板的壳体材料体积：

V_隔板＝πr²sin²αT＝2πr²tsin²αcosα

相交壳体材料总体积：

V_壳体＝2V_球缺壳+V_隔板

＝4πrht+2πr²tsin²αcosα

＝2πr²t(sin²αcosα+2cosα+2)

＝2πr²t(2+3cosα-cosα³)

相交结构结构效率(按总容积和壳体材料体积比计算)：

上式可以看出本发明公开的隔板相交球壳压力容器的结构效率与球心距无关。

作为对比，计算半径为r，厚度为t的理想球壳压力容器，其结构效率为：

可见，对于隔板厚度T＝2tcosα的相交球壳压力容器，其结构效率与理想球壳压力容器相当，且在内压作用下也为等应力状态。

特殊的，当α＝60°时，此时L＝r，T＝t，即隔板的厚度等于球壳厚度。

容易证明，对于如附图2所示不同大小的球壳，在相同内压作用下，满足等应力状态要求的隔板厚度为：

当材料不同时，上式中的厚度值取基于隔板材料刚度等效的厚度。

附图说明

图1是等直径球壳相交后剖面图，用于辅助推导隔板厚度计算公式；

图2是不同大小球壳相交后剖面图，用于辅助推导不同大小球壳隔板的厚度计算公式；

图3、图4、图5是本发明较佳实施例的立体结构示意图(图3带隔板的9球壳相交压力容器实施例；图4带隔板的6球壳相交环形压力容器实施例；图5不同规格球壳相交立式压力容器实施例)；

附图中各部件的标记如下：①外球壳；②圆形平面隔板。

具体实施方式

下面结合附图3、图4、图5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1：一种用于公路运输的带隔板相交球壳压力容器，包括：

1)压力容器设计内压4.1MPa，使用材料为钢材Q235，屈服应力235MPa，密度7900kg/m³，要求设计内压下最大应力不高于材料屈服应力，最大直径2.5m，容积不小于53m³；

2)本实施例由9个直径2.5米的球壳相交组成，球壳之间以及球壳与隔板之间采用焊接连接，9个球壳球心间距均为1.25m；

3)按照压力容器强度要求，球壳厚度为10.9mm(本例按理想厚度计算，未考虑工艺性)，球壳应力为235MPa，满足设计要求；

4)按照本发明公开的计算公式，隔板也采用Q235材料时，其厚度也为10.9mm，此时在设计压力下，外球壳、隔板在设计内压作用下为等应力状态，均为235MPa；

5)此相交球壳压力容器理论容积为53.18m³，长度12.5m，理论重量10990kg；

6)如果采用两端直径2.5m的球冠壳，中部圆柱壳的常规压力容器，相同容积下，总长度为11.67m，两端球冠壳厚度10.9mm，柱段厚度21.8mm，压力容器总重量为14100kg，较本发明方案重了28.2％，即3110kg；

7)如果采用单一球壳压力容器，相同容积下，球壳直径为4.66m，球壳厚度为20.35mm，球壳重量为10990kg，重量与本发明方案相同，但直径大了86.4％，不利于加工、安装和运输。

从本实施例可以看出，采用本发明技术，同样容积、压力要求的压力容器重量更轻，不仅节约了材料和制造成本，如果用于公路运输，减重3110kg还可以大幅降低燃油成本和车辆磨损。

实施例2：附图4为基于本发明设计的带隔板环形相交压力容器，适用于环形狭窄高度空间(比如人造卫星、空间站)内设置压力容器；

实施例3：附图5为基于本发明设计的不同规格球壳相交构成的压力容器，其中4个大尺寸球壳相交组成近圆柱壳体形状，10个小直径球壳与底部大直径球壳相交，10个小直径球壳的下底与底部大球壳的下底等高，小直径球壳及其隔板兼做大球壳的支撑腿，便于压力容器整体安装固定于地面。整个压力容器结构紧凑、空间利用率高，且合理设计各个球壳厚度后可以得到与理想球壳压力容器相当的结构效率。

实施例3可用于替代当前广泛使用的大型球壳地面耐压储罐，在相同最大直径下可以将贮罐设计得更高，从而大大提高贮罐容积，或者减少贮罐数量，节省占地面积。

从以上实施案例可以看出，基于本发明设计的带隔板相交球壳压力容器具有与理想球壳压力容器相当的结构效率，同时具有设计灵活、安装运输方便等优点，有利于节省材料和节能降耗。

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；②各个球壳直径、球心相对位置、材料不限；③球壳相交面线所在平面设置一圆形隔板连接；④隔板厚度按照如下的公式计算时，整个压力容器在均匀内压下是等应力结构，且结构效率与理想球壳压力容器相当；

隔板厚度的计算公式为：

其中T为隔板厚度，L为相交的两个球壳圆心距离，r₁、r₂分别为两个球壳的中面半径，t₁、t₂分别为两个球壳的厚度；

上式适用于不同球壳材料相同、内压条件相同的情况；

当各个球壳的材料不同，或者隔板的材料与球壳不同时，上式的球壳厚度按照与隔板材料的拉伸刚度等效折算值计算。

2.根据权利要求1所述的一种带隔板的相交球壳压力容器，其特征在于，球壳的球心距大于0且小于两球壳半径之和；各个球壳的圆心相对位置包括共线、共面、空间规则分布和空间不规则分布。

3.根据权利要求1所述的一种带隔板的相交球壳压力容器，其特征在于，压力容器球壳相交面线所在平面设置一圆形隔板连接，①两个球壳相交时，相交线所围成的圆面设一圆形等厚度平板，并通过相交线与球壳紧固连接；②多个球壳相交时，如果不同的相交面有交叉，则各个隔板自然交叉；③各个球壳之间，球壳与隔板之间的连接方式包括焊接、法兰面螺栓连接、抗剪螺栓连接、粘接；④隔板是整体封闭或根据需要开联通孔，开孔后需要根据等刚度、强度设计原则对开孔进行局部结构补强。

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