DE102014116951A1

DE102014116951A1 - Druckbehälter und Verfahren zum Fertigen eines Druckbehälters

Info

Publication number: DE102014116951A1
Application number: DE102014116951.4A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Thelen; Mark Tillmanns; Guido Enninghorst; Frank Cichy; Ole Hinneburg; Arne Böckenhauer
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Marine Systems GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Marine Systems GmbH
Priority date: 2014-11-19
Filing date: 2014-11-19
Publication date: 2016-05-19
Also published as: KR20170066654A; EP3221633B1; EP3221633A1; WO2016078823A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung schlägt einen Druckbehälter für eine Innen- oder Außendruckbeanspruchung, insbesondere für ein U-Boot, vor mit einer Wandung, die einen Inliner und ein Fasern aufweisendes Faserlagenpaket umfasst, wobei der Inliner zumindest teilweise vom Faserlagenpaket ummantelt ist, wobei das Faserlagenpaket eine erste Schicht und eine zweite Schicht aufweist, wobei in einem Teilbereich in der ersten Schicht Fasern entlang einer ersten Faserrichtung um den Inliner verlaufen und in der zweiten Schicht Fasern entlang einer zweiten Faserrichtung verlaufen, wobei der Inliner zur Stabilisierung des Druckbehälters einen Bereich erhöhter Materialstärke aufweist.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckbehälter und ein Verfahren zum Fertigen eines Druckbehälters.
Druckbehälter sind beispielsweise in Form von Druckflaschen, in denen Druckluft gespeichert ist, hinlänglich bekannt. In maritimer Umgebung, beispielsweise im Umfeld eines U-Boots oder einer anderen meerestechnischen Konstruktion, müssen diese Druckbehälter zumeist nicht nur einem Druck von innen, der von einem in der Druckflasche komprimierten Fluid ausgeht, standhalten, sondern auch einem Druck von außen, der beispielsweise bei einem Tauchgang des U-Boots auf den Druckbehälter einwirkt.
Typischerweise werden für U-Boote Druckflaschen verwendet, die aus Stahl gefertigt sind, um den genannten Belastungen gerecht zu werden. Allerdings weisen diese Druckflaschen in der Regel ein derart hohes Eigengewicht auf, dass sich mit ihnen keine gezielte Balancierung eines Bootskörpers, beispielsweise des U-Boots, ohne zusätzliche Ausgleichsmassen erzielen lässt.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung Druckbehälter zur Verfügung zu stellen, die gegenüber den massiv aus Stahl gefertigten Druckbehältern leichter sind und trotzdem so stabil sind, dass sie sich auch bei einem Außendruck, der beispielsweise bei einem U-Boot im Tauchgang auf den Druckbehälter einwirkt, verwenden lassen.
Die vorliegende Aufgabe wird gelöst durch einen Druckbehälter für eine Innen- oder Außendruckbeanspruchung, insbesondere für ein U-Boot, mit einer Wandung, die einen Inliner und ein Fasern aufweisendes Faserlagenpaket umfasst, wobei der Inliner zumindest teilweise vom Faserlagenpaket ummantelt ist, wobei das Faserlagenpaket eine erste Schicht und eine zweite Schicht aufweist, wobei in einem Teilbereich in der ersten Schicht Fasern entlang einer ersten Faserrichtung um den Inliner verlaufen und in der zweiten Schicht Fasern entlang einer zweiten Faserrichtung verlaufen, wobei der Inliner zur Stabilisierung des Druckbehälters einen Bereich erhöhter Materialstärke aufweist.
Gegenüber dem Stand der Technik wird durch die Verwendung des Faserlagenpakets in vorteilhafter Weise für eine Armierung gesorgt und durch die vorzugsweise gezielte Anordnung des Bereichs erhöhter Materialstärke für eine Stabilitätserhöhung bzw. eine Erhöhung der Schockfestigkeit gesorgt. Insbesondere lässt sich durch die Verwendung von Fasern im Faserlagenpaket ein Faser-Kunststoff-Verbund realisieren, der zusammen mit dem Bereich erhöhter Materialstärke dafür sorgt, dass der Druckbehälter auch einem erhöhten Außendruck, der beispielsweise bei einem Tauchgang eines U-Boots auf den Druckbehälter wirkt, standhält. Die zumindest teilweise Verwendung des Faser-Kunststoff-Verbunds statt eines massiven Druckbehälters aus Stahl ermöglicht dabei in vorteilhafter Weise eine Gewichtsreduzierung gegenüber den massiv aus Stahl gefertigten Druckbehältern.
Vorzugsweise handelt es sich um einen formstabilen Druckbehälter, der besonders bevorzugt für die Nutzung im maritimen Umfeld, insbesondere in einem U-Boot, vorgesehen ist. Beispielsweise handelt es sich bei dem Druckbehälter um eine Druckflasche, die in einem U-Boot eingesetzt wird und in der Druckluft bzw. ein Druckfluid gespeichert wird. Dabei ist der Inliner als Hohlkörper ausgestaltet. Insbesondere ist es vorgesehen, dass der Inliner derart geformt ist, dass der Druckbehälter eine Symmetrieachse aufweist und/oder dass der Druckbehälter für eine bessere Raumnutzung hinsichtlich seiner geometrischen Ausgestaltung an seinen Einsatzort angepasst ist. Denkbar ist beispielsweise, dass der Druckbehälter in seinem Querschnitt nierenförmig ausgestaltet ist bzw. dass sein Querschnitt von einer Kreisform oder elliptischen Form abweicht. Dabei ist der Druckbehälter vorzugsweise bauraumangepasst an die Umgebung, in der der Druckbehälter eingesetzt werden soll, ausgestaltet. Insbesondere lässt sich der Druckbehälter dazu nutzen, ein komprimiertes Fluid aufzubewahren, wobei das komprimierte Fluid vorzugsweise in einem Hohlraum eingeschlossen ist, den der Inliner bildet. Vorzugsweise sind Bereiche erhöhter Materialstärke in regelmäßigen Abständen auf dem Inliner angeordnet und/oder sie sind gezielt in bestimmten Bereichen auf dem Inliner angeordnet. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Bereich erhöhter Materialstärke um eine Ausbuchtung bzw. eine Erhebung an der Außenseite des Inliners. Mit einem solchen Bereich erhöhter Materialstärke lässt sich die Wandung des Druckbehälters gezielt an den Stellen verstärken, an denen mit einer erhöhten Spannung, beispielsweise bei einem Tauchgang, zu rechnen ist. Denkbar ist beispielsweise, dass solcher Bereiche erhöhter Materialstärke in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen entlang der Symmetrieachse des Druckbehälters angeordnet sind. Weiterhin ist es vorstellbar, dass ein Bereich erhöhter Materialstärke zwischen dem zylindrischen Bereich und dem Polkappenbereich angeordnet ist. Es kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Abstände der Bereiche erhöhter Materialstärke entlang der Symmetrieachse im mittleren Bereich des Inliners halb so groß sind wie im äußeren Bereich.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das Faserlagenpaket eine dritte Schicht aufweist, wobei in der dritten Schicht Fasern entlang einer dritten Faserrichtung verlaufen, wobei die zweite Faserrichtung und die dritte Faserrichtung voneinander abweichen, wobei sich zweite Schichten und dritte Schichten entlang einer senkrecht zur Oberfläche des Inliners verlaufenden Richtung abwechseln. Dabei bildet der Inliner einen Formkern. Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Faserlagenpaket eine Vielzahl zweiter Schichten und eine Vielzahl dritter Schichten aufweist, wobei die einzelnen zweiten Schichten und dritten Schichten jeweils abwechselnd zueinander angeordnet sind. Vorzugsweise folgen die Fasern der zweiten Schicht einer Umlaufwickelung und die Fasern der dritten Schicht einer Polwickelung. Denkbar ist dabei, dass die Fasern der zweiten Schicht in etwa senkrecht zu den Fasern in der dritten Schicht verlaufen. Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Fasern jeweils gleichmäßig in der ersten bzw. zweiten Schicht verteilt sind. Dadurch lässt sich in Gestalt des Faserlagenpakets ein möglichst stabiler Kunststoff-Verbund zur Armierung des Druckbehälters realisieren, wobei sich eine Schichtdicke der ersten Schicht bis zu einer maximalen Erhöhung des Inliners im Bereich erhöhter Materialstärke erstreckt. Durch die als Kompensationsschicht dienende erste Schicht lässt sich in vorteilhafte Weise ein möglichst glatte und ebene Oberfläche bereitstellen, oberhalb der der Rest des Faserlagensystems angeordnet ist. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Fasern der Kompensationsschicht zumindest schräg, vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht, zu den Fasern der sich an die erste Schicht anschließenden zweiten oder dritten Schicht verlaufen. Vorzugsweise sind die Fasern der ersten Schicht gemäß einer Umlaufwickelung auf eine Außenseite des Inliner aufgewickelt, insbesondere ohne den Bereich erhöhter Materialstärke zu umwickeln.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das Faserlagenpaket von einer Schutzschicht umgeben ist. Beispielsweise handelt es sich bei der Schutzschicht um einen glasfaserverstärkten Kunststoff, der insbesondere gleichmäßig auf das Faserlagenpaket aufgetragen ist. Durch die Schutzschicht lässt sich vorteilhafter Weise dafür sorgen, dass der Druckbehälter nicht korrodiert oder anders beschädigt wird. Dabei ist die Schutzschicht vorzugsweise an das Einsatzumfeld des Druckbehälters, beispielsweise an seine maritime Umgebung, angepasst und verhindert beispielsweise ein Ablagern und/oder ein fouling, das letztendlich für ein Korrodieren ursächlich wäre. Die Schutzschickt kann also in vorteilhafter Weise dafür sorgen, dass einerseits ein Fouling, d. h. ein Bewuchs, minimiert wird und andererseits durch eine Isolation bzw. Materialtrennung eine Korrosion verhindert wird. Darüber hinaus isoliert die Schutzschicht das Faserlagenpaket gegen Meerwasser, wodurch keine elektrischen Ströme fließen können und die elektromagnetische Signatur nicht erhöht wird. Desweiteren kann die Schutzschicht derart ausgestaltet sein, dass sie sich bei Stoss- oder Punktbelastungen verändert, beispielsweise trübe wird oder sich farblich verändert. Durch diese Indikatorfunktion kann eine mögliche Beschädigung des Faserlagenpakets leicht erkannt werden. Denkbar ist zudem, dass der Druckbehälter in einer Tasche mit Reißverschluss gelagert wird. Die Tasche kann beispielsweise aus Neopren oder ähnlichem Material gefertigt sein. Zur Prüfung der Indikatorfunktion kann die Tasche entfernt werden und somit eine Inspektion erleichtert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass der Bereich der erhöhten Materialstärke als Verstärkungsrippe ausgestaltet ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass der Inliner zumindest teilweise zylindrisch geformt ist und/oder einen Polkappenbereich aufweist. Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Faserlagenpaket in einem zylindrisch geformten Bereich angeordnet ist. Durch das gezielte Anordnen des Faserlagenpakets im zylindrischen Bereich lässt sich der Druckbehälter in seiner Stabilität in dem Bereich verstärken, der unter Druck bzw. Kraftbeaufschlagung von außen am stärksten beansprucht wird. Im Polkappenbereich verlaufen die Fasern entlang einer Faserrichtung, die sich zur entsprechenden Faserrichtung im zylindrischen Bereich durch eine Winkeländerung unterscheidet. Insbesondere ist die Winkeländerung derart gewählt, dass der Ablagepfad im Bereich des gekrümmten Polbereichs auf einer Rotationsfläche angeordnet ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Fasern isotensoid im Faserlagenpaket angeordnet sind. Insbesondere ist es vorgesehen, dass der als Formkern wirkende Inliner derart ausgestaltet ist, dass seine Oberfläche das isotensoide Ablegen der Fasern erlaubt. Durch das isotensoide Ablegen der Fasern lässt sich in vorteilhafter Weise vermeiden, dass die abgelegten Fasern beim Nasswickeln abrutschen. Außerdem lässt sich in vorteilhafter Weise dafür sorgen, dass an jedem Ort des Druckbehälters die gleiche Beanspruchung in den Fasern herrscht. Dadurch lässt sich der auf den Druckbehälter wirkende Druck in vorteilhafter Weise gleichmäßig verteilen.
Bei mehrteiligen Inlinern mit Trennlinie senkrecht zur Längsachse kann es vorzugsweise vorgesehen sein, dass der Bereich erhöhter Materialstärke entlang der vorgesehenen Verbindung verläuft, d. h. jeweils an den Enden der zu verbindenden Einzelteile. Dadurch wird in vorteilhafter Weise die spätere materialschlüssige Verbindungen, insbesondere beim Verschweißen, vereinfacht bzw. ermöglicht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die erste Schicht, die zweite Schicht und/oder die dritte Schicht ein thermoplastisches oder duroplastisches Matrixsystem aufweist. Durch das jeweilige Matrixsystem werden die Fasern am Inliner bzw. im Faserlagenpaket fixiert. Bei dem duroplastischen Matrixsystem handelt es sich vorzugsweise um ein Zweikomponenten-Harzsystem, insbesondere bestehend aus einem (Epoxid-)Harz. Die Verwendung eines duroplastischen Matrixsystems hat den Vorteil einer guten Langzeitbeständigkeit. Es ist auch vorstellbar, dass zum Fixieren der jeweiligen Fasern ein thermoplastisches Matrixsystem, bestehend beispielsweise aus Polyethylen, Polypropylen oder Polyetheretherketon verwendet wird. Die Verwendung eines thermoplastischen Matrixsystems hat den Vorteil, dem Druckbehälter eine Schlagzähe zu verleihen und eine energieabsorbierende Wandung zur Verfügung zu stellen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass der Inliner aus einem Metall, einem Aluminium oder einem Thermoplast gefertigt ist. Beispielsweise ist der Inliner aus einem rostfreien Stahl hergestellt, mit dem sich ein vergleichsweise dünner metallischer Inliner realisieren lässt. Thermoplasten lassen sich ohne großen Aufwand formgebend bearbeiten, wodurch in vorteilhafter Weise die Fertigung des Druckbehälters weiter vereinfacht wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass eine Dicke des Inliners weniger als 5 mm, bevorzugt weniger als 2,5 mm und besonders bevorzugt weniger als 1,5 mm beträgt. Insbesondere bei metallischen Inlinern lässt sich dieser wegen seiner geringen Dicke einfach bearbeiten und in die gewünschte Form bringen. Außerdem kann durch die Reduzierung des metallischen Anteils am Druckbehälter das Gewicht in vorteilhafter Weise weiter reduziert werden. Weiterhin ist es vorgesehen, dass das Faserlagenpaket mehr als doppelt, vorzugsweise mehr als vierfach, und besonders bevorzugt mehr als zehnfach, so dick ist wie der Inliner entlang einer senkrecht zur Oberfläche des Inliners verlaufenden Richtung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Wandung des Druckbehälters vorzugsweise eine Schockfestigkeit bis zu 250 G, bevorzugt eine Schockfestigkeit bis zu 350 G und besonders bevorzugt eine Schockfestigkeit bis zu 400 G aufweist.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Druckbehälters, wobei in einem Verfahrensschritt a der Inliner bereitgestellt wird und in einem Verfahrensschritt b das Faserlagenpaket auf den Inliner abgelegt wird.
Vorzugsweise wird im Verfahrensschritt b durch das Ablegen auf einfache Weise ein Faser-Kunststoff-Verbund realisiert. Dabei werden die Fasern derart im Faserlagenpaket angeordnet, dass dadurch ein Kunststoff-Faserverbund entsteht, der die Verwendung von massivem Stahl als einzigen Werkstoff zur Bildung des Druckbehälters überflüssig macht. Vorzugsweise werden die Fasern dabei in der zweiten Schicht entlang einer zweiten Faserrichtung und/oder in einer dritten Schicht entlang einer dritten Faserrichtung abgelegt. Vorzugsweise wird im Verfahrensschritt a ein Inliner mit einem zylinderförmigen Bereich und mindestens einem Polbereich, vorzugsweise zwei gegenüberliegenden Polbereichen, breitgestellt. Weiterhin ist es vorgesehen, dass sich die zweite Faserrichtung im zylinderförmigen Bereich unterscheidet von der zweiten Faserrichtung im Polbereich. Insbesondere gilt Analoges für die dritte Faserrichtung bezüglich des zylinderförmigen Bereichs und des Polbereichs.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die zweite Faserrichtung im Wesentlichen durch eine Umlaufwicklung um einen hohlkörperförmigen Inliner festgelegt wird und die dritte Faserrichtung im Wesentlichen durch eine senkrecht zur Umlaufwicklung erfolgenden Polwickelung. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die zweite Faserrichtung im zylinderförmigen Bereich nicht parallel, bevorzugt im Wesentlichen senkrecht, zur dritten Faserrichtung verläuft.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegende Erfindung ist es vorgesehen, dass in Verfahrensschritt a

– ein metallischer Inliner durch ein Drückwalzverfahren oder
– ein thermoplastischer Inliner durch ein Spritzblasverfahren hergestellt wird. Bei der Herstellung des metallischen Inliners mit dem Drückwalzverfahren wird vorzugsweise eine Ronde in einer Drehmaschine auf eine Mandrel gespannt und anschließend wird die Ronde entsprechend einer Mandrelkontur unter gleichzeitigem Drücken und Vorschubwalzen in die gewünschte Form des metallischen Inliners verformt. Mittels dieses spanlosen Verfahrens lassen sich in vorteilhafter Weise dünnwandige metallische Inliner herstellen, deren Dicke weniger als 2 mm beträgt. Zudem lassen sich auf einfache Weise Bereich erhöhter Materialstärke bzw. Vorsprünge am metallischen Inliner realisieren. Bei der Herstellung des thermoplastischen Inliners wird eine Vorform auf eine Temperatur erhitzt, die oberhalb der Glasübergangstemperatur liegt, wodurch sich Makromoleküle entlang der Vorform ausrichten lassen. Die erwärmte Vorform wird vorzugsweise in eine Blasform, insbesondere in ein Konturwerkzeug, eingeführt und anschließend mit einem Innendruck beaufschlagt. Dadurch passt sich die Vorform an die Kontur der Innenseite des Konturwerkzeugs bzw. der Blasform an. Durch dieses Spritzblasverfahren lässt sich in vorteilhafter Weise ein thermoplastischer Inliner realisieren, der sich nahtlos fertigen lässt und eine hohe Oberflächengüte hat.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass in Verfahrensschritt b die Fasern in einer duroplastischen Matrix getränkt und anschließend aufgewickelt werden. Insbesondere ist es vorgesehen, dass Fasern als trockene Endlosfaser bereitgestellt werden, wobei die Endlosfasern unmittelbar vor dem Aufwickeln von dem flüssigen Duroplast infiltriert werden bzw. in der duroplastischen Matrix getränkt werden. Insbesondere wird als duroplastisches Matrixsystem ein zweikomponentiges Harzsystem, beispielsweise aus einem (Epoxid)-Harz und einem Härter, verwendet. Vorzugsweise ist ein heißhärtendes Matrixsystem vorgesehen, wobei sich das heißhärtende Matrixsystem durch eine erhöhte Glasübergangstemperatur auszeichnet und dabei eine ausreichende Festigkeit der Wickelung auch bei hohen Umgebungstemperaturen garantiert. Durch die Verwendung einer duroplastischen Matrix lässt sich in vorteilhafter Weise die Viskosität einstellen und eine hohe Festigkeit erzielen. Vorzugsweise werden die Fasern zeitlich vor dem Aufwickeln als Roving, insbesondere mit einer Breite von bis zu 8 mm, zusammengefasst und der Roving wird auf den metallischen oder thermoplastischen Inliner aufgewickelt. Insbesondere wird der Roving beim Aufwickeln auf einen rotierenden Inliner aufgewickelt. Es ist dabei vorstellbar, dass mehrere Rovings parallel nebeneinander auf dem Inliner abgelegt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass in Verfahrensschritt b die Fasern in einer thermoplastischen Matrix getränkt und anschließend aufgewickelt werden. Insbesondere ist es vorgesehen, dass Fasern als Tape, insbesondere mit einer Tapebreite von bis zu 50 mm, bereitgestellt werden und mit einer thermoplastischen Matrix vorimprägniert werden. Insbesondere umfasst die thermoplastische Matrix dabei Polyethylen, Polypropylen oder Polyetheretherketon. Vorzugsweise wird das Tape unmittelbar vor dem Aufwickeln auf dem Inliner aufgeschmolzen und härtet anschließend wieder aus. Die Nutzung einer thermoplastischen Matrix hat den Vorteil, dass sie vergleichsweise schnell aushärtet und keiner thermischen Nachbehandlung bedarf.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsform der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Wandung eines Druckbehälters gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die 2 zeigt einen Druckbehälter gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In 1 ist schematisch ein Ausschnitt aus einer Wandung 10 eines Druckbehälters gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei verläuft die hier dargestellte Wandung 10 im Wesentlichen parallel zu einer Symmetrieachse S des Druckbehälters, der beispielsweise zumindest teilweise eine zylindrische Form aufweist. Solche Druckbehälter sind beispielsweise Teil eines U-Boots oder einer anderen meerestechnische Konstruktion. Neben den hohen Anforderungen an die Stabilität des Druckbehälters ist es ebenfalls gewünscht, dass der Druckbehälter ein vergleichsweise geringes Gewicht aufweist. Zur Reduzierung des Druckbehältergewichts ist die Wandung 10 des Druckbehälters vorzugsweise als Hybridstruktur ausgestaltet. Dazu weist die Wandung neben einem, vorzugsweise metallischen oder thermoplastischen, Inliner 1 ein Faserlagenpaket 7 auf, wobei das Faserlagenpaket 7 den Inliner 1 umgibt bzw. ummantelt. Insbesondere liegt das Faserlagenpaket 7 an einer dem Zentrum des Druckbehälters bzw. einem Hohlraum des Druckkörpers abgewandten Seite, d. h. an einer Außenseite des Druckbehälters an. Vorzugsweise dient das Faserlagenpaket 7 der Armierung des Druckbehälters und sorgt dadurch für eine Stabilisierung des im Wesentlichen formbestimmenden Inliners 1. Dabei ist es vorgesehen, dass das Faserlagenpaket 7 mehrschichtig ausgestaltet ist und mindestens eine zweite Schicht 3 und eine dritte Schicht 4 aufweist. Dabei verlaufen in der zweiten Schicht 3 vorzugsweise Fasern entlang einer zweiten Faserrichtung und in der dritten Schicht 4 Fasern entlang einer dritten Faserrichtung. Insbesondere folgen die Fasern der zweiten Schicht einer Polwickelung, während die Fasern der dritten Schicht einer Umlaufwicklung folgen. Bei der Polwickelung verlaufen vorzugsweise die Fasern, insbesondere im zylindrischen Bereich, im Wesentlichen entlang einer axialen, d. h. parallel zur Symmetrieachse S verlaufenden, Richtung. Bei der Umlaufwicklung verlaufen die Fasern, insbesondere im zylindrischen Bereich, im Wesentlichen entlang einer radialen Richtung, wobei die Fasern umlaufend um die Symmetrieachse S aufgewickelt sind. Denkbar ist auch, dass die Fasern helixartig um den Inliner gewickelt sind. Dem Fachmann ist klar, dass eine solche helixartige Anordnung der Fasern dazu führt, dass die zweite Faserrichtung und die dritte Faserrichtung nicht mehr exakt senkrecht zueinander verlaufen. Entsprechend sind die zweite Faserrichtung und die dritte Faserrichtung noch als senkrecht zueinander verlaufend zu verstehen, wenn ein Abweichen von einem idealen senkrechten Verlauf weniger als 10°, vorzugsweise 5°, beträgt. Weiterhin ist es vorgesehen, dass der Inliner 1 einen Bereich erhöhter Materialstärke 1‘ umfasst, die in der vorliegenden Ausführung als Ausbuchtung bzw. als Vorsprung auf dem zylinderförmigen Bereich des Druckbehälters ausgestaltet ist. Durch einen solchen Bereich erhöhter Materialstärke 1‘ lässt sich in vorteilhafter Weise die Stabilisierung des Druckbehälters unterstützen. Insbesondere ist es vorstellbar, dass sich der Bereich erhöhter Materialstärke 1‘ in den Bereichen des Druckbehälters befindet, in denen unter Betriebsbedingungen, beispielsweise bei einem Außendruck von mehr als 60 bar, vergleichsweise hohe Spannungen auftreten. Denkbar ist beispielsweise das der Bereich erhöhter Materialstärke 1‘ am Inliner 1 in einem Übergangsbereich angeordnet ist, in dem der Druckbehälter von seinem zylindrischen Bereich in einen Polkappenbereich des Druckbehälter übergeht. Um dem Rest des Faserlagenpaket 7, insbesondere der zweiten und/oder der dritten Schicht, eine ebene Fläche für das Aufwickeln zur Verfügung zu stellen ist eine erste Schicht 5 vorgesehen, wobei die erste Schicht 5 Fasern umfasst, die beispielsweise entlang einer ersten Faserrichtung umlaufend um den Inliner 1 gewickelt sind. Insbesondere ist bei der Wickelung der Fasern in der ersten Schicht 5 der Bereich erhöhter Materialstärke 1‘ von der Wickelung ausgelassen, wodurch die Bereiche neben dem Bereich erhöhter Materialstärke 1‘ aufgefüllt werden können bis die erste Schicht 5 und der Bereich erhöhter Materialstärke entlang der radialen Richtung auf derselben Höhe abschließen.
Weiterhin ist es vorgesehen, dass das Faserlagenpaket 7 von einer Schutzschicht 6, vorzugsweise vollständig, umgeben bzw. ummantelt ist. In der dargestellten Ausführungsform handelt es sich dabei um eine Schicht aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff. Denkbar ist zudem, dass das Faserlagenpaket 7 zum Schutz vor etwaigen Ablagerungen, d. h. vor fouling, oder zum Transport von einer Schutzschicht 6 oder eine weiteren Schicht in Form einer Tasche umgeben ist.
In 2 ist ein Druckbehälter gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei ist die Darstellung so gewählt, dass auf der rechten Seite der Druckbehälter ohne das Faserlagenpaket 7 illustriert ist und auf der linken Seite mit dem Faserlagenpaket 7. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Bereiche erhöhter Materialstärke 1‘ in regelmäßigen Abständen entlang des Inliners 1 und damit auch entlang des Druckkörpers, insbesondere entlang der Symmetrieachse S, angeordnet sind. Insbesondere erstreckt sich der Bereich erhöhter Materialstärke umlaufend entlang der Außenseite des Inliners.
Bezugszeichenliste

1: Inliner
1‘: Bereich erhöhter Materialstärke
3: zweite Schicht
4: dritte Schicht
5: erste Schicht
6: Schutzschicht
7: Faserlagenpaket
10: Wandung
S: Symmetrieachse

Claims

Druckbehälter für eine Innen- oder Außendruckbeanspruchung, insbesondere für ein U-Boot, mit einer Wandung (10), die einen Inliner (1) und ein Fasern aufweisendes Faserlagenpaket (7) umfasst, wobei der Inliner (1) zumindest teilweise vom Faserlagenpaket (7) ummantelt ist, wobei das Faserlagenpaket (7) eine erste Schicht (5) und eine zweite Schicht (2) aufweist, wobei in einem Teilbereich in der ersten Schicht (5) Fasern entlang einer ersten Faserrichtung um den Inliner (1) verlaufen und in der zweiten Schicht (2) Fasern entlang einer zweiten Faserrichtung verlaufen, wobei der Inliner (1) zur Stabilisierung des Druckbehälters einen Bereich erhöhter Materialstärke (1‘) aufweist.
Druckbehälter gemäß Anspruch 1, wobei das Faserlagenpaket (7) eine dritte Schicht (3) aufweist, wobei Fasern in der dritten Schicht (3) entlang einer dritten Faserrichtung verlaufen, wobei die zweite Faserrichtung von der dritten Faserrichtung abweicht, wobei sich zweite Schichten (2) und dritte Schichten (3) entlang einer senkrecht zur Oberfläche des Inliners (1) verlaufenden Richtung abwechseln.
Druckbehälter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Faserlagenpaket (7) von einer Schutzschicht (6) umgeben ist.
Druckbehälter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bereich der erhöhten Materialstärke (1) als Verstärkungsrippe ausgestaltet ist.
Druckbehälter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fasern isotensoid im Faserlagenpaket (7) angeordnet sind.
Druckbehälter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Schicht (3), die zweite Schicht (4) und/oder die dritte Schicht (5) ein thermoplastisches oder duroplastisches Matrixsystem aufweist.
Druckbehälter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Inliner (1) aus einem Metall, insbesondere einem Edelstahl, oder einem Thermoplast gefertigt ist.
Druckbehälter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Dicke des Inliners (1) weniger als 5 mm, bevorzugt weniger als 2,5 mm und besonders bevorzugt weniger als 1,5 mm beträgt.
Druckbehälter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wandung (10) des Druckbehälters vorzugsweise eine Schockfestigkeit bis zu 250 G, bevorzugt eine Schockfestigkeit bis zu 350 G und besonders bevorzugt eine Schockfestigkeit bis zu 400 G aufweist.
Verfahren zum Fertigen eines Druckbehälters gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem Verfahrensschritt a der Inliner (1) bereitgestellt wird und in einem Verfahrensschritt b zur Bildung des Faserlagenpakets Fasern auf den Inliner (1) aufgewickelt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei in Verfahrensschritt a – ein metallischer Inliner durch ein Drückwalzverfahren oder – ein thermoplastischer Inliner durch ein Spritzblasverfahren hergestellt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei in Verfahrensschritt b die Fasern in einer duroplastischen Matrix getränkt und anschließend aufgewickelt werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei in Verfahrensschritt b die Fasern in einer thermoplastische Matrix getränkt und anschließend aufgewickelt werden.