CN217082151U - 一种耐高压轻质大容积铝合金内衬复合材料气瓶 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种耐高压轻质大容积铝合金内衬复合材料气瓶，包括铝合金内胆、尾座和复合层；所述复合层由集中螺旋缠绕层和集中环向缠绕层构成；所述集中环向缠绕层设置在柱形筒身段上，沿径向方向由15‑20层环向缠绕的纤维层Ⅰ构成，从内向外每层纤维层Ⅰ沿轴向依次逐渐回缩使集中环向缠绕层两端形成弧端部形状；所述集中螺旋缠绕层由15‑20层沿轴向方向在瓶嘴和尾座之间螺旋缠绕的纤维层Ⅱ构成；所述集中螺旋缠绕层将所述集中环向缠绕层包裹在内。本实用新型复合层的缠绕方式采用环向集中缠绕及螺旋向集中缠绕相结合的方式，减少了纤维的用量，提高了气瓶的重量利用效率和单位质量储气密度，从而降低成本。

Description

一种耐高压轻质大容积铝合金内衬复合材料气瓶

技术领域

本实用新型涉及一种用于航空航天领域的容积大、承压能力强、重量轻、疲劳性能好的铝合金内衬复合材料气瓶。

背景技术

随着世界航空航天、武器装备和其它尖端科技的快速发展，复合材料气瓶作为重要的盛装航空航天运载器燃料的贮存装置，其容积、重量、承载能力及疲劳性能成为复合材料气瓶设计过程中的重要指标。复合材料气瓶是指在气瓶内胆外铺覆复合材料，现有复合材料气瓶的复合层缠绕方式是，如图1所示，采用高角度螺旋缠绕层(8)和分散环向缠绕层(9)的缠绕方式，也就是先缠绕一层分散环向缠绕层(9)然后在其上螺旋缠绕一层高角度螺旋缠绕层(8)，交替缠绕，存在的问题是，螺旋缠绕层(8)是高角度缠绕，因此在分散环向缠绕层(9)和高角度螺旋缠绕层(8)交界处，出现纤维架空，影响气瓶整体强度；另一方面，通过注胶方式将纤维架空处填满，不仅浪费原料，增加气瓶重量而且同样强度不高；第三，为了达到公称工作压力就要将缠绕层数增加，一般可达50层左右，浪费原料，而且增加气瓶重量。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种容积大、承压能力强、重量轻、疲劳性能好的复合材料气瓶。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种耐高压轻质大容积铝合金内衬复合材料气瓶，包括铝合金内胆、尾座和复合层；所述铝合金内胆由瓶嘴、椭球形肩部封头、柱形筒身和椭球形尾部封头制成一体结构，椭球形肩部封头和椭球形尾部封头与柱形筒身圆滑过渡；尾座与椭球形尾部封头固定；所述复合层铺覆于铝合金内胆外表面；所述复合层由集中螺旋缠绕层和集中环向缠绕层构成；所述集中环向缠绕层设置在柱形筒身段上，沿径向方向由15-20层环向缠绕的纤维层Ⅰ构成，从内向外每层纤维层Ⅰ沿轴向依次逐渐回缩使集中环向缠绕层两端形成弧端部形状；所述集中螺旋缠绕层由15-20层沿轴向方向在瓶嘴和尾座之间螺旋缠绕的纤维层Ⅱ构成；所述集中螺旋缠绕层将所述集中环向缠绕层包裹在内。

优选的，上述的一种耐高压轻质大容积铝合金内衬复合材料气瓶，集中环向缠绕层两端形成的弧端部形状同椭球形肩部封头和椭球形尾部封头与柱形筒身圆滑过渡段的形状相衔接。

优选的，上述的一种耐高压轻质大容积铝合金内衬复合材料气瓶，椭球形尾部封头的底部设有销，尾座上设有销孔，尾座端面为圆曲面与椭球形尾部封头底部圆曲面相贴合；销插入销孔中将尾座和椭球形尾部封头固定在一起，集中螺旋缠绕层将尾座和椭球形尾部封头连接的根部包裹在内。

优选的，上述的一种耐高压轻质大容积铝合金内衬复合材料气瓶，所述纤维层Ⅱ和纤维层Ⅰ是碳纤维层。

优选的，上述的一种耐高压轻质大容积铝合金内衬复合材料气瓶，所述碳纤维层是由浸渍有环氧树脂层的碳纤维缠绕形成。

优选的，上述的一种耐高压轻质大容积铝合金内衬复合材料气瓶，所述碳纤维是T-1000级别碳纤维。

优选的，上述的一种耐高压轻质大容积铝合金内衬复合材料气瓶，所述耐高压轻质大容积铝合金内衬复合材料气瓶，容积为120～140L，公称工作压力为32～37MPa，气瓶重量为32～37Kg。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型的复合材料气瓶，内胆采用的是无缝薄壁铝合金内胆，铝合金具有重量轻、耐腐蚀性能好及疲劳性能好等优点，同时内胆结构为无缝结构，具有良好的密封性能，提高了气瓶的安全性及可靠性。

2、本实用新型的复合材料气瓶，尾座采用的是铝合金材料，铝合金具有重量轻、加工难度低等优点，相比于不锈钢材质，铝合金尾座的重量可降低65％左右。同时，在生产加工过程中铝合金材料更易成型，提高了加工效率。

3、本实用新型的复合材料气瓶，复合层所用的纤维为T-1000级别碳纤维，该纤维具有高模量、高强度及高性能等优势，相比于目前普遍使用的T-700级别碳纤维，强度提高约20％，模量提高约20％。在同等强度条件下，复合材料气瓶T-1000级别碳纤维用量明显少于T-700级别碳纤维，不仅达到了减重的效果，同时大大降低了成本，节约了材料的使用。

4、本实用新型的复合材料气瓶，复合层所用的树脂体系为环氧树脂体系，作为纤维缠绕的粘接载体，环氧树脂体系具有较强的内聚力，分子结构紧密。由于环氧树脂体系中含有活性极大的环氧基、羟基等极性基团，环氧树脂具有优良的附着力。同时，环氧树脂体系还具有固化收缩率小、工艺性能好、稳定性好等优点，可作为复合材料成型的粘接材料。

5、本实用新型的复合材料气瓶，复合层的加工工艺采用的是环向缠绕与螺旋向缠绕相结合的方式缠绕于铝合金内胆外表面，通过对缠绕线形、缠绕角度、缠绕纱宽及缠绕张力等设计，将浸渍树脂的T-1000级别碳纤维铺覆于铝合金内胆表面，环向缠绕承载环向应力，螺旋向缠绕承载轴向应力。

6、本实用新型的复合材料气瓶，复合层的缠绕方式采用环向集中缠绕及螺旋向集中缠绕相结合的方式，相较于现有技术中高角度螺旋缠绕和分散环向缠绕的缠绕方式，避免了采用高角度螺旋缠绕时纤维出现架空，影响气瓶整体强度的缺陷。

7、本实用新型的复合材料气瓶，复合层的缠绕方式采用环向集中缠绕及螺旋向集中缠绕相结合，减少了纤维的用量，提高了气瓶的重量利用效率和单位质量储气密度，从而降低成本。

8、本实用新型的复合材料气瓶，容积可达130L，公称工作压力可达35MPa，复合材料气瓶重量为35Kg。相比于采用T-700级别碳纤维缠绕的复合材料气瓶减重约20％。有效的提高了复合材料气瓶的运载能力。

附图说明

图1为原有气瓶复合层缠绕方式示意图。

图2为本实用新型复合材料气瓶整体结构示意图。

图3为本实用新型复合材料气瓶的螺旋向与环向缠绕相结合示意图。

图4为本实用新型复合材料气瓶集中螺旋缠绕层与集中环向缠绕层相结合示意图。

图5为集中螺旋缠绕层与集中环向缠绕层放大示意图。

图6为本实用新型碳纤维结构示意图。

其中，1-铝合金内胆；2-尾座；3-复合层；4-集中螺旋缠绕层；5-集中环向缠绕层；6-环氧树脂层；7-碳纤维；8-高角度螺旋缠绕层；9-分散环向缠绕层。

具体实施方式

实施例

如图2-图6所示，一种耐高压轻质大容积铝合金内衬复合材料气瓶，由铝合金内胆(1)、尾座(2)和复合层(3)组成。

本实施例中，铝合金内胆(1)为无缝压力容器，内胆结构为球柱形结构。所述铝合金内胆(1)由瓶嘴(1-1)、椭球形肩部封头(1-2)、柱形筒身(1-3)和椭球形尾部封头(1-4)制成一体结构。椭球形肩部封头(1-2)和椭球形尾部封头(1-4)与柱形筒身(1-3)段圆滑过渡。铝合金内胆(1)可采用下料、退火、拉深、旋压、收口、热处理、机加工等常规工序制成。

尾座(2)与椭球形尾部封头(1-4)固定。作为优选，在本实施例中，在铝合金内胆(1)椭球形尾部封头(1-4)的底部设有突出的销(1-5)，尾座(2)上设有销孔(2-1)，尾座(2)整体为圆柱形，其与铝合金内胆(1)接触端的端面为圆曲面与椭球形尾部封头(1-4)底部圆曲面相贴合。通过销(1-5)插入销孔(2-1)中将尾座(2)和椭球形尾部封头(1-4)固定在一起。尾座(2)采用铝合金材质，通过车削加工而成，尾座(2)与铝合金内胆(1)底型配车成型。加工后的尾座(2)贴附于铝合金内胆(1)底部与铝合金内胆(1)共同缠绕。

所述复合层(3)采用将纤维先环向集中缠绕再螺旋向集中缠绕相结合的方式铺覆于铝合金内胆(1)外表面上。形成了所述复合层(3)由集中螺旋缠绕层(4)和集中环向缠绕层(5)构成。

所述集中环向缠绕层(5)设置在柱形筒身(1-3)段上，沿径向方向由15-20层环向缠绕的纤维层Ⅰ(5-1)构成。作为优选，在本实施例中所述集中环向缠绕层(5)沿径向方向由18层环向缠绕的纤维层Ⅰ(5-1)构成。所述集中环向缠绕层(5)从内向外每层纤维层Ⅰ(5-1)沿轴向依次逐渐回缩使集中环向缠绕层(5)两端形成弧端部形状，也就是从最内层的第1层纤维层Ⅰ向最外层的第18层纤维层Ⅰ，每层缠绕的纤维层的轴向长度依次缩短，从而使得集中环向缠绕层(5)两端形成弧端部形状。最终形成了集中环向缠绕层(5)两端形成的弧端部形状同椭球形肩部封头(1-2)和椭球形尾部封头(1-4)与柱形筒身(1-3)圆滑过渡段的形状相衔接，形成了圆滑过渡段的弧形延长。

所述集中螺旋缠绕层(4)由15-20层沿轴向方向在瓶嘴(1-1)和尾座(2)之间螺旋向缠绕的纤维层Ⅱ(4-1)构成。作为优选，在本实施例中所述集中螺旋缠绕层(4)由18层沿轴向方向在瓶嘴(1-1)和尾座(2)之间螺旋向缠绕的纤维层Ⅱ(4-1)构成。

所述集中螺旋缠绕层(4)将所述集中环向缠绕层(5)包裹在内。同时集中螺旋缠绕层(4)将尾座(2)和椭球形尾部封头(1-4)连接的根部也包裹在内。

作为优选，所述纤维层Ⅱ(4-1)和纤维层Ⅰ(5-1)是碳纤维层。作为优选，在本实施例中，所述碳纤维层是由浸渍有环氧树脂层(6)的碳纤维(7)缠绕形成。作为更优选，所述碳纤维(7)是T-1000级别碳纤维。本实施例中，树脂体系为环氧树脂体系，碳纤维(7)是T-1000级别碳纤维，T-1000级别碳纤维作为主要承载体，环氧树脂体系具有良好的力学性能及固化度，起纤维粘接的作用，并在纤维之间起到分层和传递载荷的作用。

复合层(3)的缠绕方式采用集中螺旋缠绕层和集中环向缠绕层相结合的方式进行缠绕。复合层(3)在缠绕加工前，根据复合材料气瓶的承载压力设计缠绕层数为螺旋缠绕层18层，环向缠绕层18层，缠绕角度分别为10°、15°、20°、25°、35°和40°，缠绕纱宽为7mm。形成缠绕程序后用于复合层的缠绕工序。按缠绕程序缠绕完成后，将采用铝合金内胆(1)外层铺覆复合材料缠绕层的复合材料气瓶放置于加热炉中按固化程序进行加热固化，最终形成具有体积大、承压能力强、重量轻、疲劳性能好的的复合材料气瓶。

本实用新型缠绕方式相较于原有的高角度螺旋缠绕和分散环向缠绕的缠绕方式，用集中螺旋向缠绕和集中环向缠绕代替，减少了缠绕的总圈数。采用集中环向缠绕层沿轴向逐渐回缩的方式使两端形成弧顶部的形状，强化了边缘区域，提高了过渡区域强度。而且集中环向缠绕层在高应力的内层，可以确保强度。采用本实施例的复合层，复合材料气瓶容积可达130L，公称工作压力可达35MPa，气瓶重量仅为35Kg。

Claims (7)

1.一种耐高压轻质大容积铝合金内衬复合材料气瓶，包括铝合金内胆(1)、尾座(2)和复合层(3)；所述铝合金内胆(1)由瓶嘴(1-1)、椭球形肩部封头(1-2)、柱形筒身(1-3)和椭球形尾部封头(1-4)制成一体结构，椭球形肩部封头(1-2)和椭球形尾部封头(1-4)与柱形筒身(1-3)圆滑过渡；尾座(2)与椭球形尾部封头(1-4)固定；所述复合层(3)铺覆于铝合金内胆(1)外表面；其特征在于：所述复合层(3)由集中螺旋缠绕层(4)和集中环向缠绕层(5)构成；所述集中环向缠绕层(5)设置在柱形筒身(1-3)段上，沿径向方向由15-20层环向缠绕的纤维层Ⅰ(5-1)构成，从内向外每层纤维层Ⅰ(5-1)沿轴向依次逐渐回缩使集中环向缠绕层(5)两端形成弧端部形状；所述集中螺旋缠绕层(4)由15-20层沿轴向方向在瓶嘴(1-1)和尾座(2)之间螺旋缠绕的纤维层Ⅱ(4-1)构成；所述集中螺旋缠绕层(4)将所述集中环向缠绕层(5)包裹在内。

2.根据权利要求1所述的一种耐高压轻质大容积铝合金内衬复合材料气瓶，其特征在于，集中环向缠绕层(5)两端形成的弧端部形状同椭球形肩部封头(1-2)和椭球形尾部封头(1-4)与柱形筒身(1-3)圆滑过渡段的形状相衔接。

3.根据权利要求1所述的一种耐高压轻质大容积铝合金内衬复合材料气瓶，其特征在于，椭球形尾部封头(1-4)的底部设有销(1-5)，尾座(2)上设有销孔(2-1)，尾座(2)端面为圆曲面与椭球形尾部封头(1-4)底部圆曲面相贴合；销(1-5)插入销孔(2-1)中将尾座(2)和椭球形尾部封头(1-4)固定在一起，集中螺旋缠绕层(4)将尾座(2)和椭球形尾部封头(1-4)连接的根部包裹在内。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种耐高压轻质大容积铝合金内衬复合材料气瓶，其特征在于，所述纤维层Ⅱ(4-1)和纤维层Ⅰ(5-1)是碳纤维层。

5.根据权利要求4所述的一种耐高压轻质大容积铝合金内衬复合材料气瓶，其特征在于，所述碳纤维层是由浸渍有环氧树脂层(6)的碳纤维(7)缠绕形成。

6.根据权利要求5所述的一种耐高压轻质大容积铝合金内衬复合材料气瓶，其特征在于，所述碳纤维(7)是T-1000级别碳纤维。

7.根据权利要求6所述的一种耐高压轻质大容积铝合金内衬复合材料气瓶，其特征在于，所述耐高压轻质大容积铝合金内衬复合材料气瓶，容积为120～140L，公称工作压力为32～37MPa，气瓶重量为32～37Kg。

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