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Druckbehälter Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckbehälter
aus mit wenigstens einer Axial- und gegebenenfalls Radialwicklung aus Fäden, Fasern,
Rovings od. dgl. armiertem Kunststoff mit wenigstens einem ringförmigen Verbindungselement,
und auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Druckbehälters.
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Unter dem Ausdruck Druckbehälter sind dabei nicht nur Behälter im
eigentlichen Sinne zu verstehen, sondern beispielsweise auch Druckrohre. Sie können
verwendet werden beispielsveise für Raketenbrennkammern, Reaktionsgefäße, Treibstofftanks
oder Druckleitungen. Die Armierung aus beispielsweise Glas-, Asbest-, Stahl-, Graphit-,
Bor-, Textil-, Nylon- und/oder Perlonfäden, -fasern,-rovings od. dgl. stellt dabei
sicher, daß der Druckbehälter der jeweiligen inneren Druckbeanspruchung standhält
Die Zahl der im Kunststoff wie beispielsweise Epoxydharz, Polyesterharz oder auch
Polyurethan eingebetteten Armierungswicklungen und ihre Anordnung als Axialwicklung
mit zueinander parallelen oder auch unter einem bestimmten Winkel sich kreuzenden
Armierungssträngen und gegebenenfalls als Radialwicklung hängt von der 3eweiligen
Druckbelastung, Form, Größe usw. des Druckbehälters im einzelnen Fall ab.
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Für die praktische Anwendung müssen diese aus armiertem Kunststoff,
d.h.
aus einem Laminat hergestellten Druckbehälter mit Verbindungselementen, welche beispielsweise
bei der Verwendung als Reaktionsgefäß den Anschluß von Zu- oder Ableitungen ermöglichen
bzw. bei der Verwendung als Druckrohre deren Verbindung untereinander gestatten,
versehen werden. Wird der Druckbehälter als Raketenbrennkammer eingesetzt, so muß
das am einen Ende angeordnete Verbindungselement einerseits das nachträgliche Einsetzen
des vorgeformten Feststoff-Treibsatzes und andererseits das Halten der gesondert
hergestellten Triebwerksdüse ermöglichen. Um eine einwandfreie Druckübertragung
zu erreichen, müssen diese Verbindungselemente. in geeigneter Weise mit der Axialwicklung
des Laminats verbunden werden. Entsprechend dem deutschen Gebrauchsmuster 7.023.422
kann dazu beispielsweise vorgesehen werden, das Verbindungselement auf seiner äußeren
Mantelfläche mit längs des Umfangs gleichmäßig verteilt angeordneten Haltenocken
zu versehen, um welche die Axialwicklung herumgeschlungen und dadurch gehalten wird.
Abgesehen davon, daß es relativ aufwendig ist, an Jedem einzelnen Verbindungselement
diese radialenHaltenocken auszubilden, weist diese Befestigungsmethode aber noch
den weiteren Nachteil auf, daß die Haltenocken in radialer Richtung Raum beanspruchen,
der oftmals insbesondere bei Raketenbrennkammern nicht zur Verfügung steht oder
besser für andere Zwecke, beispielsweise bei gleichem Außendurchmesser, d.h. bei
gleichem Kaliber zur Unterbringung einer größeren Treibsatzmenge, benutzt wird.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile wurde bereits vorgeschlagen, die Haltenocken
an einem besonderen Halteelement auszubildcn,
das vom Verbindungselement
getrennt ist und wiederholt verwendet werden kann, indem die Axialwicklung nach
Fixierung am Verbindungselement vom Halteelement abgetrennt wird, woraufhin das
Halbxiement abnehmbar und nach entsprechender Reinigung erneut verwendbar ist. Jedoch
stellt auch diese Befestigungsmethode nicht vollauf zufrieden, da zur Fixierung
der Axialwicklung eine besondere Haltewicklung vorgesehen ist, welche die Axialwicklung
im Bereich des Verbindungselementes mehrfach ringförmig umschlingt und somit ebenfalls
in radialer Richtung zusätzlichen Raum beansprucht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend erläuterten
Nachteile der bekannten Druckbehälter zu vermeiden, d.h. einen Druckbehälter mit
Verbindungselement so auszubilden, daß die Befestigung des Verbindungselementes
keine unerwünschten radialen Aufdickungen zur Folge hat.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe für einen Druckbehälter mit wenigstens
einer Axial- und ggf. Radialwicklung aus Fäden, Fasern, Rovings od. dgl. armiertem
Kunststoff mit wenigstens einem ringförmigen Verbindungselement dadurch gelöst,
daß das Verbindungselement in axialer Richtung mit einem Ansatz versehen und längs
dessen äußerer Mantelfläche mit der Armierung durch Klebwirkung des die Armierung
enthaltenden Kunststoffes verbunden ist. Damit ist es in vorteilhafter Weise möglich,
einerseits ein gesondertes abtrennbares und damit wiederholt verwendbares Halte
element zu benutzen und andererseits auf zusätzliche
radiale Haltewicklungen
zu verzichten, so daß jegliche Aufdickungen vermeidbar und damit minimale Wanddicken
erreichbar sind. Die axiale Länge des Ansatzes richtet sich dabei nach den Festigkeitsanforderungen
im Einzelfall. Die Form des Ansatzes hängt von der Form des Druckbehälters an der
Verbindungsstelle ab. So ist beispielsweise der Ansatz bei einem Druckrohr mit kreisförmigem
Querschnitt als entsprechender Kreiszylinder ausgebildet, während er für die Verwendung
bei einem Kugelbehälter entsprechend dem Kugelradius gekrümmt ausgebildet ist.
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Grundsätzlich ist es möglich, auf die äußere Mantelfläche zunächst
eine oder mehrere Lagen der Radialwicklung und dann erst die Axialwicklung in einer
oder mehreren Lagen aufzubringen und beispielsweise mit einer weiteren Lage der
Radialwicklung abzudecken, wie auch Radial- und Axialwicklungen mehrfach abwechselnd
aufgebracht werden können. Ebenso ist es auch möglich, mehrere Axialwicklungen mit
sich kreuzenden Fäden, Fasern, Rovings od. dgl. aufzubringen, in welchem Falle im
allgemeinen auf eine zusätzliche Radialwicklung verzichtet werden kann.
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Im Hinblick auf eine möglichst große Festigkeit der Klebverbindung
zwischem dem Ansatz und der Axialarmierung ist in zweckmäßiger Ausgestaltung der
Erfindung Jedoch vorgesehen, auf die äußere Mantelfläche des Ansatzes erst die wenigstens
eine Axialwicklung und danach die wenigstens eine Radialwicklung
aufzubringen,
um so eine innige Anpressung der Axialwicklung an den Ansatz auf einer möglichst
großen Fläche sicherzustellen.
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Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung läßt sich die Festigkeit
der Klebverbindung noch weiter erhöhen durch die Verwendung einer Axialwicklung,
welche aus zueinander p=a1-lelen Fäden, Fasern, Rovings od. dgl. besteht. Im allgemeinen
werden dabei die Fäden, Fasern, Rovings od. dgl. rein axial, d.h. gerade verlaufend
angeordnet. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, statt dessen beispielsweise
eine schraubenlinienförmige Anordnung zu wählen.
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Um unter innerer Druckbelastung eine Ablösung des Laminats von der
Mantelfläche insbesondere im Bereich des freien Endes des Ansatzes möglichst sicher
auszuschließen, ist gemäß einem anderen Vorschlag der Erfindung vorgesehen, daß
der Ansatz eine zum freien Ende hin abnehmende Wanddicke aufweist, indem die äußere
Mantelfläche im Vergleich zur inneren Mantelfläche nach innen geneigt ausgebildet
ist. Der so ausgebildete Ansatz kann der unter innerem Druck erfolgenden geringen
Aufweitung des Laminats weitgehendst folgen und sich somit sicher am Laminat abstützen.
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Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, daß der Übergang vom Ansatz
zu dem im Außendurchmesser etwas größeren Verbindungselement mittels eines Absatzes
erfolgt. Dieser Absatz ist hin-: sichtlich Form und Größe so ausgebildet, daß die
am Absatz endende
Axialwicklung einwandfrei von der als Deckschicht
vorgesehenen äußeren Radialwicklung abgedeckt wird, die freien Enden der Axialwicklung
also nt ht an der Oberfläche des Laminats austreten, wodurch eine Beeinträchtigung
des Laminats infolge von Witterungs- oder anderen Umwelteinflüssen an diesen Stellen
möglich wäre. Zweckmäßigerweise ist der Absatz gerade so tief gemacht, daß das fertige
Laminat ohne weiteren Absatz in das eigentliche Verbindungselement übergeht.
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Zur Herstellung des vorbeschriebenen Druckbehälters ist ein Verfahren
unter Verwendung eines Wickelkernes vorgesehen, das erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet
ist, daß die mit Hilfe eines auf der vom Ansatz abgewandten Seite des Verbindungselementes
angeordneten gesonderten Haltelementes auf den Wickelkern aufgebrachte Axialwicklung
nach Aufbringen wenigstens einer die Axialwicklung an den Ansatz andrückenden Radialwicklung
vom Hal%iement abgetrennt und anschließend daran das Laminat aus Kunststoff und
Armierung fertiggestellt wird.
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Um eine möglichst innige Anpressung der Axialwicklung auch im Bereich
des Absatzes zwischen dem Verbindungselement und dem Ansatz zu erzielen, wird zweckmäßigerweise
die auf den Wickelkern in Richtung auf das Verbindungselement zu fortschreitend
aufgebrachte die Axialwicklung an den Ansatz andrückende Radialwicklung bis nahe
an den'Absatz aufgebracht, dann die Axialwicklung vom Halteelement abgetrennt und
anschließend daran mit dem Aufbringen der Radialwicklung fortgefahren.
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Dem gleichen Zweck, d.h. der Verbesserung der Klebverbindung zwischen
der Axialwicklung und dem Ansatz dient auch die weitere erfindungsgemäße Maßnahme,
gemäß der vor dem Aufbringen der Axialwicklung auf den Wickelkern erst eine an das
freie Ende des Ansatzes ohne Absatz angrenzende Radialwicklung aufgebracht wird,
um den im allgemeinen vorhandenen Unterschied im Durchmesser zwischen dem Wickelkern
und dem freien Ende des Ansatzes auszugleichen.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel gezeigt
und wird anhand dieses nachstehend noch näher erläutert.
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Es zeigen Jeweils im Längsschnitt und im Ausschnitt Fig. 1 das Verbindungselement
mit Wickeldorn und Halteelement und Fig. 2 das fertige Laminat mit Verbindungselement
und eingesetzter Triebwerksdüse.
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Gemäß Fig. 1 ist das kreiszylindrische Verbindungselement 1 mit der
Nut 2 und dem Ansatz 3 auf den Wickeldorn 4 aufgeschoben, der vorher mit der Innenauskleidung
5 für den Druckbehälter, hier ein Druckrohr, überzogen worden ist. Die Innenauskleidung
5 aus z.B. thermoplastischem Kunststoff liegt fest am Laminat des fertigen Druckrohres
an und dient dazu, die geforderte Druckdichtigkeit des Rohres zu gewährleisten.
An das Verbindungselement 1 angrenzend auf den Wickeldorn 4 aufgeschoben ist das
separate
Haltselement 6 mit den längs seines Umfangs gleichmäßig verteilt angeordneten Haltenocken
7. Der Ansatz 3 ist mit einer zum freien Ende 8 hin konisch geneigten äußeren Mantelfläche
9 ausgebildet und schließt sich mittels des Absatzes 10 an das Verbindungselement
1 an.
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Der Wickelvorgang verläuft bei dem hier gezeigten linken Ende des
Druckrohres wie folgt. Zuerst wird auf die freie Oberfläche der Innenauskleidung
5 die in Fig. 2 gezeigte Radialwicklung 11 aufgebracht, welche ohne Absatz in die
äußere Mantelfläche 9 des Ansatzes 3 übergeht. Bei der Radialwicklung kann es sich
ebenso wie bei den anderen Wicklungen beispielsweise um Glasfaser-Rovings handeln,
die mit Epoxydharz getränkt sind. Anschließend an die Radialwicklung 11 wird gemäß
Fig. 2 die Axialwicklung 12 aufgebracht, indem der entsprechende Roving von rechts
kommend um den links angeordneten Haltenocken 7 herumgeschlungen und nach rechts
zurückgeführt, am dortigen * Ende in gleicher Weise gehalten, wieder nach links
geführt wird usw. Anschließend an die Axialwicklung 12 wird von rechts nach links
bis nahe zum Ansatz 10 fortschreitend die äussere Radialwicklung 13 aufgebracht,
dann die Axialwicklung 12 zwischen den Haltenocken 7 und dem Absatz 10 durchgeschnitten
und daraufhin mit dem Aufbringen der Radialwicklung 13 über den Absatz 10 nach links
fortgefahren. Da die Axialwicklung 12 mit ihrem freien Ende nicht mehr unter Spannung
steht, wird sie von der Radialwicklung 13 dabei fest in den vorzugsweise noch am
Grunde ausgerundeten Absatz 10 hineingepreßt.
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*) oder ähnlicher
Nachdem die Radialwicklung 13 vollständig
aufgebracht und das Halteelement 6 - anstelle dessen natürlich auch eine Polkappe
mit einem zentralen axialen Haltezapfen hätte verwendet werden können - vom Wickeldorn
4 abgezogen ist, wird der Kunststoff ausgehärtet. Anschließend daran wird das Laminat
durch spanabhebende Bearbeitung, beispielsweise auf einer Drehmaschine, auf die
vorgegebenen Außenabmessungen gebracht, wobei auch die überschüssigen Wickel reste
im Bereich des Verbindungselementes 1 entfernt werden. Nach Herausziehen des Wickeldornes
4 ist das Druckrohr fertiggestellt.
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In der Fig. 2 ist wieder das linke Ende des fertigen Druckrohres gezeigt,
das hier für eine Raketenbrennkammer verwendet wird.
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Das aus den Wicklungen 11, 12 und 13 und dem nicht näher bezeichneten
Kunststoff gebildete Laminat 14 ist mit der äußeren Mantelfläche 9 des Ansatzes
3 Test verbunden und schließt sich ohne Absatz an die äußere Mantelfläche des Verbindungselementes
1 an. Das Ende 15 der Axialwicklung 12 ist sorgfältig von der äußeren Radialwicklung
13 abgedeckt. In das Verbindungselement 1 eingesetzt ist die Triebwerksdüse 16,
welche mittels des Sprengringes 17 in der Nut 2 verankert ist. Zur Abdichtung ist
der an der Innenauskleidung 5 anliegende Dichtungsring 18 vorgesehen.
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Wird der erfindungsgemäße Druckbehälter als Druck rohr verwendet,
so gestattet das Verbindungselement bei entsprechender Formgebung, die Verbindung
der einzelnen Rohre untereinander in
bekannter Weise einfach und
zweckmäßig als Flansch-, Muffen-, Schraubverbindung od. dgl. auszubilden. Wird die
Innenauskleidung bis zum stirnseitigen Ende des Verbindungselementes oder gegebenenfalls
sogar noch darüber hinaus geführt, so erhält man eine Kunststoffrohrleitung von
höchster Festigkeit und geringstem Gewicht mit einer durchgehenden dem Verwendungszweck
angepaßten Innenauskleidung.
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Entsprechend den vorstehenden Erläuterungen ist es möglich, armierte
Hochdruck-Kunststoffbehälter, -rohre od. dgl. geringster Wanddicke mit insbesondere
metallischen Verbindungselementen herzustellen und beispielsweise für Raketenbrennkammern
oder chemikalienbeständige Hochdruckleitungen geringsten Gewichtes zu verwenden.
Die erfindungsgemäße Klebverbindung zwischen dem Laminat und dem Verbindungselement
erfordert keinen zusätzlichen Herstellungsaufwand, da sie sich während des Wicelvorgangs
sozusagen von selbst ergibt, indem der für das Laminat erforderliche Kunststoff
gleichzeitig als Klebmittel dient. Dem Verwendungszweck des Druckbehälters bzw.
-rohres entsprechend wird man natUrlich zu dem gewählten Armierungsmaterial einen
Kunststoff wählen, der eine gute Klebverbindung zwischen der Axialarmierung und
dem für das Verbindungselement bzw. dessen Ansatz gewählten Werkstoff ergibt, da
die je nach Druckbelastung erforderliche Länge des Ansatzes hiervon abhängt. Eine
günstige Zusammenstellung läßt sich z.B. durch die Verwendung von Glasfaser-Rovings
in Verbindung mit Epoxydharz und einem Verbindungselement bzw. Ansatz aus Stahl
erreichen.