DE1650179A1

DE1650179A1 - Mit Faeden gewickelter Behaelter

Info

Publication number: DE1650179A1
Application number: DE19671650179
Authority: DE
Inventors: Pflederer Fred Raymond
Original assignee: AO Smith Inland Inc
Current assignee: AO Smith Inland Inc
Priority date: 1966-07-28
Filing date: 1967-07-25
Publication date: 1970-09-10
Also published as: GB1193279A; US3368708A; BE702017A

Description

. WlEGAKD ÖJP1..JNG. VV. tiJEMANN 1660179

DR. Ä. KÖHLER DIPL-fNC. C BERNHARDT MÖNCHEN HAMIUiO TELEFON, t*5Ji4 20» HAMBURG 50, _den 04 J₁₁I₁ TElEOtAMME: KAlPATENT KONIGSTIASSE >l UUiX

W, 22907/67 12/P

A. 0. Smith Corporation Milwaukee, Wisconsin, V.St»Α.

Mit Fäden gewickelter Behälter. ^

Die Erfindung bezieht sich auf einen fadengewickelten Behälter und insbesondere auf einen fadengewickelten Behälter mit einem derartigen Zustand der Wand hinsichtlich Beanspruchung, daß er höheren inneren Drücken ohne Undichtigkeit widerstehen kann.

fadengewickelte Behälter werden allgemein dadurch hergestellt,, daß ein Strang faserförmigen Materials, der mit einem warmhärtenden Harz imprägniert ist, in Übereinanderliegenden schraubenlinienföfmigen Lagen auf einen zylindri- | sehen Dorn gewickelt wird. Der zylindrische Wandabschnitt eines Behälters ist allgemein für ein Verhältnis von Mantelbzw. Hingbeanspruchung zu Axialbeanspruchung von 2:1 gestaltet und in den meisten Fällen werden durch das zum Erreichen dieses Beanspruchungsverhältnisses verwendete Wickelmuster zwei Drittel der Fäden in der Ümfangsrichtung und eiri Drittel der Fäden in der axialen Richtung angeordnet. In anderen

009837/0464

BAD ORIGINAL

Fällen wird das faserartige Material in einem Schraubenwinkel von 55 -1/4° in abwechselnden Rechts- und Linksschrauben mit Bezug auf eine sich durch den Behälter erstreckende Querebene gewickelt. Bei beiden Wickelmustern wird die Faserverstärkung unter dem Beanspruchungsverhältnis von 2:1, für welches sie gestaltet sind, lediglich auf Zug beansprucht.

A Wenn ein fadengewickelter Behälter Innendruck ausgesetzt wird, tritt eine Zugbeanspruchung an der Zwischenfläche zwischen dem Harz und dem faserartigen Verstärkungsmaterial auf. Wenn die Bindung zwischen dem Harz und den Fasern reißt, ergibt sich eine Undichtigkeit durch die Behälterwand hindurch.

Bs 1st gefunden worden, daß die Zugbeanspruchung der Bindung fen der Fläche zwischen dem Harz Und der Verstlrkung eine Funktion der elastischen Eigenschaften des Harze· und der Verstärkung, des Prozentsatzes der Verstärkung, in der

™ Wand, der Orientierung der Verstärkung, der Größe der mittleren Ringbeanspruchung und des der Wandung erteilten Beaftspruchungsverhältnlsses 1st« Durch die Erfindung wird die auf den zylindrischen Wandabschnitt ausgeübte axiale Belastung verringert, wodurch der biaxiale Beanspruchungszustanö in der Wand von dem gewöhnlichen Wert von 2:1 auf einen höheren Wert in dem Bereich von 5:1 bis 8s1 geändert wird, so daß eine viel höhere Ringbeanspruchung erforderlich ist, um einen Bruch oder-«in Reißen der Verbindung an der Fläche zwischen

009837/0 464

dem Harz und der Verstärkung zu .erzeugen. Optimale Leistung wird erhalten, wenn die Wand des fadengewickelten Behälters in Schraubenwinkeln im Bereich von 24 bis 19 .1/2° gewickelt sind, um die Spannungsverhältnisbedingung von 5:1 bis 8:1 zu erhalten. Ein so gewickelter Behälter ist in der. Lage, viel höheren Innendrücken ohne Undichtigkeit zu widerstehen, so daß eine kleinere Wanddicke zugelassen ist, woraus sich verringerte Kosten ergeben, die zu einem wirtschaftlichen Vorteil der Erfindung führen. .. .

Die Erfindung ist auf einen fadengewickelten Behälter gerichtet mit einem Wandbeanspruchungszustand, durch den die Bindungs-Zugbeanspruchung unter gegebenen Belastungsbedinjui- gen verringert 1st, so daß ein Versagen wegen Undichtigkeit auf ein Minimum zurückgeführt 1st. Insbesondere ist die zylindrische Wand dee Behälters aus Übereinanderliegenden La gen schraubenlinienförmig gewickelter Pasern gebildet, die alt einem warahfcrtenden Harz verbunden sind. Die Fasern sind ■it kleinem Schraubenwinkel gewickelt, um ein Verhältnis von Ring- zu Axialbeanspruchung in der Nähe von 5:1 bis 8:1 zu erhalten. Um diese Bedingung in der Wand zu erfüllen, wird ein Teil der axialen Belastung durch ein oder mehrere Längsverbindungsstangen aufgenommen, die an einem fest angeordneten Kopf, des Behälters, befestigt sind und deren gegenüberliegende Enden an einem schwimmenden Teil befestigt sind, der in einer öffnung des gegenüberliegenden Kopfes angeordnet ist. Der schwimmende bzw. schwebende Teil ist ein mittlerer

0Q9837/(H§4 ,.. .. ,,

■" ^f '-'■* BAD ORIGINAL

kreisförmiger Absehnitt des gegenüberliegenden Kopfes und er ist mit dem verbleibenden ringförmigen Teil des Kopfes durch eine biegsame Dichtung verbunden, die Relativbewegung zwischen dem kreisförmigen schwimmenden Teil, der mit den Befestigungsstangen verbunden ist, und dem ringförmigen Teil des Kopfes zuläßt, der mit dem zylindrischen Wandabschnitt verbunden ist. Wenn der Behälter Innendruck ausgesetzt wird, dehnt sich die zylindrische Wand zufolge der Ringbeanspruchung radial aus, und durch die radiale Ausdehnung besteht das Bestreben, die axiale Länge des Behälters, zu verkürzen. Der gegen den ringförmigen Absehnitt des Kopfes ausgeübte' Druck wirkt als Axialbeanspruchung in der zylindrischen Wand, und mit den oben genannten Bedingungen gemäß der Erfindung führt diese Axialbeanspruchung zu einem nur teilweisen Aufheben der axialen Verkürzung des Behälters zufolge der Ringbeanspruchung, mit dem Ergebnis, daß der ringförmige Kopfabschnitt und der gegenüberliegende Kopf sich gegeneinander bewegen. Der gegen den kreisförmigen schwimmenden Kopfabsehnitt wirkende Druck erzeugt eine Zugbeanspruchung in den Verbindungsstangen, mit dem Ergebnis, daß der schwimmende Teil und der gegenüberliegende Köpf sich voneinander wegbewegen, so daß eine Relativbewegung zwischen dem schwimmenden Teil und dem ringförmigen Teil dieses Kopfes auftritt.

Durch Verwendung der Längsverbindungsstangen, die zwischen dem fest angeordneten Kopf und dem schwimmenden Teil angeschlossen sind, hat die Wand des Behälters ein hohes

009837/0464

Verhältnis von Ring- zu Axialbeanspruchung und die Fadenwicklung kann für diesen Behälter mit einer gegebenen Wanddicke ausgelegt bzw. gestaltet werden,, durch welche die Beanspruchung an der Bindung zwischen Glas und Harz zum Widerstehen gegen -eine Undichtigkeit unter hohem Innendruck auf einem Minimum gehalten ist. Somit kann die Wanddicke verringert werden, während eine hohe Belastung durch Innendruck erhalten wird. Durch Verringern der Wanddicke des fadengewickelten Behälters werden die Kosten der Herstellung des "~

Behälters entsprechend verringert.

Weitere Zwecke und Vorteile der Erfindung gehen aus der

nachstehenden. Beschreibung hervor, in welcher die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert ist.

Fig. 1 ist eine Längsansicht eines fadengewickelten

Behälters gemäß der Erfindung. Fig. 2 ist eine Querschnittsansieht nach Linie 2-2 der Figur 1.

Fig. 5 ist eine in vergrößertem Maßstab gehaltene (J

Längsschnittansicht der Verbindung der schwimmenden Scheibe mit dem Kopf des Behälters. In der Zeichnung ist ein fadengewickelter Behälter dargestellt mit einer allgemein zylindrischen Wandung bzw. einem Mantel,1, dessen eines Ende durch einen Kopf 2 und dessen gegenüberliegendes Ende teilweise von einem Kopf ;5 verschlossen ist. Die zylindrische Wand 1 ist aus schraubenlinienförmig gewickeltem faserartigen Material gebildet, das

. 009837/046 4 BAD ORIGINAL

mit warmhärtendem Harz imprägniert ist, welches dazu dient, die Fasern als eine einheitliche Ausführung aneinanderzubinden. Die zylindrische Wand 1 ist gewöhnlich durch schraubenlinienförmiges Wickeln eines Stranges aus faserartigem Material, das mit "einem warmhärtenden Harz imprägniert ist, um einen zylindrischen Dorn in einer Anzahl übereinanderliegender Lagen hergestellt. Der Faserstrang ist allgemein aus im wesentlichen kontinuierlichen in einer Richtung gerichteten Fasern oder Fäden gebildet, jedoch kann in einigen Fällen der Strang aus Webstoff, Geflecht od.dergl. zusammengesetzt sein. Die besondere Art des Fasermaterials, das als Verstärkung für den Behälter verwendet wird, ist nicht kritisch und es kann die Form von Mineralfasern wie Glasfasern oder Asbestfasern, synthetischen Fasern wie Polyamidfasern (Nylon), Reyon bzw. Kunstseide, Polyesterfasern (Dacron) oder Polyacrylnitrilfasern (Orion), Pflanzenfasern wie Bäumwolle, tierischen Fasern wie Wolle, Metallfasern wie Stahldraht od. dergl. vorhanden sein.

Das als Binder für das faserartige Verstarkungsniaterial verwendete Harz bei der Herstellung des Behälters kann irgendein übliches warmhärtendes Harz sein, das bei der Herstellung fadengewiekelter Behälter verwendet wird. Das Harz kann Epoxyharz, Polyesterharz, Harnstoffformaldeh^harz u.dergl. sein. Es ist gefunden worden,daß Epoxyharze, die in Übereinstimmung mit dem Verfahren gemäß der USA-Patentschrift 2 8oi 227 hergestellt sind, als Bindematerial besonders zufrieden-

OQ9837/0464

stellend sind.

Die gebogenen Köpfe 2 und 3 sind von der zylindrischen Wand 1 getrennt gebildet und bilden die Enden des Dorns, an dem die Wand 1 gewickelt ist. Der beim Wickeln der Wand 1 verwendete Paserstrang wird über die Kanten der Köpfe 2 und 5 gewickelt und das als Binder in der fadengewickelten Wand 1 verwendete warmhärtende Harz haftet an den Köpfen 2, J, an und dient dazu, diese an Ort und Stelle festzulegen.

Die Köpfe 2 und j5 können durch Fadenwlekeln, Druckformen bzw. Preßformen, Vakuum- Beutelformen od.dergl. gebildet sein. In den meisten Fällen ist das bei der Herstellung der Köpfe 2, ^ verwendete Harz das gleiche wie das Harz in der Wand 1. Da jedoch die Erfindung auf Vergrößerung der Materialleistungsfähigkeit in dem zylindrischen Wandabschnitt gerichtet ist, kann irgend eir&bliehes Kopf material verwendet werden* solange wenigstens ein Kopf eine schwimmende Scheibe mit einer Dichtung aufweist, die Relativbewegung zwischen der schwimmenden Scheibe und dem Kopf zuläßt, wie "es nachstehend vollständig beschrieben wird.

Die Wand eines zylindrischen Behälters wird allgemein in einem Verhältnis der Ringbeanspruchung zur Axialbeanspruchung von 2:1 beansprucht, weil die zylindrische Wand die volle Axialbelastung trägt, die von dem Innendruck erzeugt ist. Jedoch kann gemäß der Erfindung das Beanspruchungsverhältnis in der Wand 1 dadurch geändert werden, daß eine Reihe von Verbindungsstangen 4 verwendet wird, die mit dem Kopf

009837/0A6A BADORiGINAL

2 und einem schwimmenden scheibenförmigen Teil 5 verbunden sind, der in einer mittleren öffnung in dem Kopf 3 angeordnet ist. Ein Ende jeder Verbindungsstange 4- ist mit einem massiven Flansch 6 versehen, der mit einem Bolzen 7 mit dem Kopf 2 des Behälters verbunden ist. Das gegenüberliegende Ende jeder Verbindungsstange 4 ist rund um einen Zapfen 8 befestigt, der sich von dem schwimmenden Teil 5 in der öffnung des Kopfes 3 des Behälters nach außen erstreckt. Die Verbindungsstangen 4 können aus fadengewickeltem Material oder preßgeformten Material gebildet sein oder sie können in einigen Fällen aus Metall, beispielsweise Stahl oder Aluminium bestehen.

Der Kopf 3 und die Scheibe 5 müssen mit einer Dichtung 9 verbunden sein, die Innendruck aufnimmt und dennoch biegsam ist, um Relativbewegung zwischen dem Kopf 2 und der Scheibe 5 zuzulassen. Ein Verfahren, dies zu erreichen, besteht darin, einen biegsamen Metallring oder Kunststoffring 9 zwischen diesen Teilen 3 und 5 festzuklemmen. Um die Dichtung 9 mit der Scheibe 5 und dem Kopf 5 zu verbinden, ist die Außenkante der ringförmigen Dichtung 9 mit dem Kopf 3 mittels eines Ringes 10 und Bolzen 11 verbunden, während ihre Innenkante in einer in der Scheibe 5 gebildeten Ausr nehmung angeordnet und in der Ausnehmung durch einen Ring 12 gehalten ist, der mit der Scheibe 5 durch eine Reihe von Bolzen 1J> fest verbunden ist.

Die mit der Scheibe 5 verbundenen Verbindungsstangen 4 werden durch axialen Zug beansprucht, und zwar zufolge des

00983.7/0*64

Innendrucks, der auf die Scheibe 5 eine Axialkraft ausübt. Der axiale Zug, der von den Verbindungsstangen 4 aufgenommen wird, verringert die von der zylindrischen Wand 1 aufzunehmende Axialbeanspruchung, wodurch der Wand ein größeres Verhältnis von Ring- zu Äxialbeanspruchung gegeben wird. Der Durchmesser der schwimmenden Scheibe 5 beträgt zwischen 70 und 87 fo des Durchmessers der zylindrischen Wand 1, der ein Ring- zu Axialbeanspruchungsverhältnis zwischen 5:1 und 8:1 in der zylindrischen Wand 1 erzeugt. Dieses große Bean- Λ spruchungsverhältnis in der Wand 1 ermöglicht es, mit fadengewickeltem Material viel größeren Ringbeanspruchungen ohne Brechen der Harz- Glasbindung zu widerstehen. Optimale Leistung ergibt sich, wenn die Fäden in der Wand 1 in rechtsgängigen und linksgängigen Schraubenlinien in Winkeln von 24 bis 19 1/2° mit Bezug auf die Querebene gewickelt sind, und diese Winkel vertragen sich mit Mantel- zu Axialbean-Spruchungsverhältnissen in der zylindrischen Wand 1 von 5:1 bis 8:1.

Es ist gefunden worden, daß das vergrößerte Verhältnis ^ zwischen Ringbeanspruchung zu Axialbeanspruchung die Bindung zwischen den Pasern und dem Harz beträchtlich weniger beansprucht, wodurch die Möglichkeit eines Bruchs"oder eines Risses entlang der Zwischenfläche mit sich daraus ergebenäer Undichtigkeit verringert ist. Einem beträchtlichen Teil der von dem Innendruck aufgebauten Axialkräfte wird durch die schwimmende Scheibe 5 widerstanden, die mittels

009837/0464 _ßAD ORIGINAL

der Verbindungsstangen 4 mit dem Kopf 2 verbunden ist. Wenn der Behälter Innendruck ausgesetzt wird, hat der in radialer Richtung wirkende Druck das Bestreben, die zylindrische Wand 1 auszudehnen, und der Kopf 3 hat das Bestreben, sich in Richtung gegen den Kopf 2 zu bewegen. Die durch den Innendruck aufgebaute Axialkraft wirkt gegen den Kopf 2 und gegen den Kopf 3 sowie gegen die bewegliche Scheibe 5-Die Axialkräfte haben das Bestreben, die Verbindungsstangen

4 zu längen, die ihrerseits das Bestreben haben, die Scheibe

5 in Richtung weg von dem Kopf 2 zu bewegen. Demgemäß haben die Scheibe 5 und der Kopf 3 das Bestreben, sich in entgegengesetzten Richtungen zu bewegen, wenn der Behälter Innendruck ausgesetzt wird, und die biegsame Dichtung 9 ermöglicht eine Relativbewegung der Elemente 3* 5 zueinander.

Zwischen der Fläche der Seheibe 5 und der ringförmigen Fläche des Kopfes 3 besteht ein= Verhältnis, das von dem gewünschten Ring- zu Axialbeanspruehungsverhältnis abhängt. Wenn beispielsweise ein Wickelsehraubenwinkel von 22 verwendet wird, was einem Ring- zu Axialbeanspruchungsverhältnis von etwa 6:1 entspricht, sollte die Fläche der Scheibe 5 etwa zwei Drittel der Gesamtfläche des Kopfes 3 betragen, wohingegen die Fläche des Ringkörpers ein Drittel der Gesamtfläche betragen würde. Während die Fläche der Scheibe 5 i°it Bezug auf die Gesamtfläche des Endes des Behälters allgemein zunehmen sollte, wenn das Ring- zu Axialbeanspruchungsverhältnis vergröfßert wird, können sich die genauen Größen in

009837/0464 ^_n

BAD OR/Gjm_Al

Abhängigkeit von der Länge des Behälters ändern. Be,i einem Behälter kurzer axialer Länge ist eine Endwirkung vorhanden, und zwar zufolge der becherartigen Biegung an der Stelle, wo der Kopf sich mit der zylindrischen Wand verbindet, wodurch eine Zunahme des Mantelumfanges zufolge von Ringbeanspruchung verhindert ist. Die Biegung dient als Plansch zur Vergrößerung der Starrheit, so daß die Wirkung der Ringbeanspruchung in einem Behälter kurzer Länge nicht so stark in Erscheinung tritt, wie bei einem Behälter größerer axialer Länge. Demgemäß kann das Verhältnis zwischen der Ring- und Axialbeanspruehung und das Verhältnis der Fläche der Scheibe 5 zu der Gesamtquerschnittsfläche der zylindrischen Wand sich in Abhängigkeit von der Länge des zylindrischen Wandabschnitts 1 ändern. Für die meisten Anwendungen sollte Jedoch die Fläche der Seheibe 5 wenigstens 50 % der Querschnittsfläche des zylindrischen Wandabschnitts 1 betragen.

In der vorstehenden Beschreibung ist eine Reihe von

Verbindungsstangen k dargestellt, die in dem Behälter ange- j| ordnet sind, es ist jedoch vorgesehen, daß eine einzelne Verbindungsstange verwendet werden kann, wenn sie sich axial zu dem Behälter erstreckt. In ähnlicher Weise können die Verbindungsstangen 4 anstelle in dem Behälter auf der Aussenseite des Behälters angeordnet sein, solange sie konzentrisch zu dem Behälter angeordnet ist, so daß kein Biegen auftritt.

Weiterhin ist vorgesehen, daß ein schwimmender Teil bzw. eine schwimmende Scheibe 5 an jedem Ende des Behälters

009837/0464

anstelle der einzelnen schwimmenden Scheibe an einem Ende verwendet werden kann, wie es in der Zeichnung dargestellt ist. Durch die Verwendung von zwei schwimmenden Scheiben werden in den meisten Fällen die Herstellungskosten erhöht, so daß es vorgezogen wird, lediglich eine einzelne schwimmende Scheibe 5 zu verwenden»

Der fadengewickelte Behälter gemäß der Erfindung ist mit einem Wandbeanspruehungszustand gestaltet, daß er höheren W Innendrücken ohne Undichtigkeit widerstehen kann. Die Verwendung eines großen Ring- su Axialbeanspruchungsverhältnisses verringert ein Versagen wegen Undichtigkeit und ermöglicht daher die Verwendung eines dünneren Wandabschnitts für eine gegebene Bindungsfestigkeit. Ein Teil der axialen Komponente des Innendrucks wird von der schwimmenden Scheibe 5 und den Verbindungsstangen 4 aufgenommen, die mit dem festen Kopf 2 verbunden sind. Demgemäß trägt die zylindrische Wand 1 eine verringerte Axialbelastung, während ihr gewöhnlicher Ringbeanspruchungszustand aufrechterhalten ist.

Der fadengewickelte Behälter gemäß der Erfindung ist insbesondere für Hochdruckbehälter oder Mitteldruckzylinder großen Durchmessers angepaßt bzw. geeignet.

0 0 9 8 3 7 /04 6 U BAD original

Claims

Pat ent ansprüche.

1. Mit Fäden gewickelter Behälter mit einem zylindrischen Wandteil, der aus schraubenlinienförmig gewickelten Fasersträngen, die mit einem warmhärtenden Harz gebunden sind, gewickelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß. der zylindrische Wandabschnitt (1) ein Ring- zu Axlalbeanspruchungsverhältnis im Bereich von 5*1 bis 8:1 hat, ein Kopf (2) an einem Ende ■ des zylindrischen Wandabschnitts befestigt ist, ein ringförmi- g ger Kopfabschnitt (3), mit dem gegenüberliegenden Ende des zylindrischen Wandabschnitts verbunden ist und eine Öffnung aufweist, in der ein Teil (5) angeordnet ist, eine biegsame Dichtungseinrichtung (9) zum Abdichten des Raumes zwischen dem Teil (5) dem Kopfabschnitt (j5) vorgesehen ist, um Relativbewegung zwischen dem Teil und dem Kopfabschnitt zuzulassen, und eine starre Verbindungseinrichtung (4)" zwischen dem Kopf (2) und dem Teil (5) fest angeordnet ist, wobei die Radialkomponente des Behälterinnendrucks das Bestreben hat, den zy-

■ - ι

lindrischen Wandabschnitt radial auszudehnen und den Kopf (2) ' und den Kopfabschnitt (j>) gegeneinander zu bewegen, und ein Teil der axialen Komponente des Innendrucks das Bestreben hat, den Teil (5) in einer Richtung von dem Kopf (2) wegzubewegen, um dadurch dem Axialdruck zu widerstehen.

2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserstrang in einem Schraubenwinkel im Bereich von 19*5 bis 24° mit Bezug auf eine sich durch die zylindrische

009837/0464

Wand (1) erstreckende Querebene gewickelt ist.

5· Behälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die starre Verbindungseinrichtung wenigstens einen stangenartigen Teil (4) aufweist, der zu der zylindrischen Wand (1) axial angeordnet ist.

4. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis j5, dadurch gekennzeichnet, daß die starre Verbindungseinriehtung eine Reihe von stangenartigen Teilen aufweist, die mit Bezug auf die.Achse der zylindrischen Wand (1) konzentrisch angeordnet sind.

5. Behälter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet ₃ daß die stangenartigen Teile innerhalb der zylindrischen. Wand angeordnet sind. ·

6. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch. gekennzeichnet, daß die Fläche des Teiles (5) wenigstens 50 % der Querschnittsfläche des zylindrischen Wandabschnittes (1) beträgt.

7. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Durehmesser des Teiles (5) 70 bis 87 % des Durchmessers der zylindrischen Wand (1) beträgt.

8. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil (5) zu der zylindrischen Wand (1) konzentrisch angeordnet ist und die Dichtungseinrichtung (9) ringförmige Gestalt aufweist. .

009837/046A