DE2516395C2 - Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.
Da der Betriehsdruck des Behälters im allgemeinen die Sireckgrenze rles Metallgefäßes überschreitet, ist es von Vorteil, wenn eine vorgespannte Beziehung zwischen der Umhüllung und dem Cc(aQ herbeigeführt werden kann, wodurch sowohl die Umhüllung als auch das Gefäß elastisch in einem Beanspruchungsbereich betreibbar sind, der den Gefäßbe astungsbereich für Betriebsdrucke überschreitet Eine derartige BeIastungsbeziehung dient auch zur Erhöhung der Ausbeulkräfte des Gefäßes.
Aus der DE-AS 12 16 628 sind zylindrische Druckgefäße bekannt, auf die Wickiungen aufgebracht und mit einem Harz beschichtet sind, in denen an den gewölbten Endteilen des Gefäßes eine konstante Zugspannung herrscht. Aus der DE-PS 7 \6 SS2 ist es bekannt, daß sich in Umfangsrichtung orientierte Wicklungen bei umhüllten Druckgefäßen auch bis über die Verbindungsbereiche zwischen dem zylindrischen Abschnitt und den haubenformigen Endteüen erstrecken.
Aufgabe der Erfindung ist ein einfaches und wirkungsvolles Verfahren zur Herbeiführung des erwähnten Spannungszustandes in den Wicklungen.
Diese Aufgabe wird durch das im Kennzeichen des Patentanspruchs angegebene Verfahren gelöst.
Die Erzielung des vorgespannten Zustandes der
— r
im uiigviutltt.il
könnte an sich auch durch gleichmäßiges Vorspannen der Fäden während des Aufwickelvorganges erfolgen, jedoch ist diese gleichmäßige Vorspannung der Fäden während des Aufwickeins wesentlich komplizierter zu erreichen und zu überwachen/, als dies; durch die ein^alige^ kurzzeitige Rec^
Druckgefäßes über seine Proportionalitätsgrenze hinaus möglich ist. Das beanspruchte Verfahren stellt somit eine beträchtliche und überdies überraschend einfache Verbesserung des Verfahrens zur Herstellung umwikkelter Druckbehälter dar.
Im folgenden wird ein Erzeugnis des Verfahrens gemäß der Erfindung an Hand der Zeichnungen näher beschrieben- Es zeigt
F i g. 1 eine Seitenansicht eines vollständig umwickelten Druckbehälters, bei der ein Teil der zweiten polar orientierten Wicklung weggeschnitten ist und
Fig. 2 eine Teilschnittansicht eines vollständig umwickelten Druckbehälters.
Wie sich den F t g. 1 und 2 entnehmen läßt, enthält das Gefäß 10 einen zylindrischen Teil 12 und je ein halbkugelförmiges oder haübenförmiges Endteil 14 an jedem Ende des zylinderförmigen Teils. Mindestens ein haubenförmiges Endteil 14 enthält einen Fluideinlaß. Der Fluideinlaß 17 ist an einem Ende des Behälters dargestellt, und das andere Ende ist entsprechend geformt, vgl. die Stelle 21, enthält aber keinen weiteren Fluideinlaß. Eine Verschlußeinrichtung 19 dichtet den Fluideinlaß ab. Weiter sind Teile des Umwickelmaterials zur besseren Illustration der Wickelanordnung weggeschnitten.
Die Wicke'anordnung enthält eine polar orientierte Fadenwicklung 20, die die gesamte Oberfläche des Gefäßes umschließt und in Kontakt mit der Gefäßoberfläche ist. Die polar orientierte Wicklung 20 wird von einer in Umfangsrichtung gewickelten Fadenwicklung 22 überlagert, die einen Bereich 24 umfaßt, der die Verbindungsstelle zwischen dem zylinderförmigen Teil des Gefäßes und den haubenformigen Erdteilen des Gefäßes (der mit 25 bezeichnete Bereich des Gefäßes) überdeckt und sich über einen Teil des haubenformigen Endes 14 erstreckt.
Die zweite polar orientierte Fadenwicklung 26 bedeckt die erste in Umfangsrichtung (zylindrisch) gewickelte Wicklung 22 und wird in ähnlicher Weise wie
J5 die erste polare Wicklung aufgebracht. Diese zweite polar orieniierte Fadenwicklung 26 häit die in Umfangsrichtung gewickelte Wicklung 22 und schüt/t diese Wicklung vor einem Verrutschen gegenüber dem Gefäß. In Fig. 2 ist der äußere Bereich des Wicklungsmaterials in der Nähe des Halses fies Behälters durch gebrochene Linien dargestellt und mit ,;cri Bezugszeichen 29 versehen. Diese Darstellung erfolgt nur zur Erlangung einer größeren Übersichtlichkeit, in Wirklichkeit besitzt die polare Wicklung 26 eine der polaren Wicklung 20 ähnliche Gestalt am Hals des Gefäßes. Der letzte Schritt beim Wickelverfahren wird durch die Aufbringung der obersten, in Umfangsrichtung gewikkelten Wicklung auf dem Druckbehälter ausgeführt. Wie insbesondere in F i g. 2 dargestellt, erstreckt sich die Umfangswicklung 28 nicht über die Verbindungsstellen zwischen dem zylinderförmtgen Teil und den beiden haubtnförmigen Endteilen des Gefäßes.
Das Aluminiumgefäß ist beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung der Serie 6000, insbesondere eines 6070-To-AlUmJnIUmS. hergestellt. Das Gefäß besitzt insbesondere eine etwa uniforme Wanddicke, vor allem an uc[i Steuert, an ueitcii uci zyimuci im iingc Tel! in die haubenformigen Endteile übergeht, vgl. F i g. 2.
Als Fadenmaterial wird beispielsweise eine Glasfaser verwendet. Außerdem enthält die Umwicklung ein Kunstharz, das mit dem genannten Fiberglas verträglich
Das Gefäßmaterial· muß mechanisch mit dem
aufgewickelten Material verträglich sein, d. h., daß die auf das Gefäß während der Druckbeaufschlagung ausgeübte Beanspruchung und die entsprechende auf die Glasfaserwicklung ausgeübte Beanspruchung beim Entlüften des Gefäßes, d. h. bei der Druckverringerung,
reversibel sein müssen, d. h„ da die Wicklung während der Druckbeaufschlagungs- und Entlüftungszyklen elastisch beansprucht ist. sollte das Gefäß während dieser Zyklen ebenso eine elastische Beanspruchung erfahren. Insbesondere muß die Beanspruchung bei jedem dieser Zyklen reversibel sein und ohne Beschädigung oder Verformung des Gefäßes vonstaüen gehen. Betrachtungen zur mechanischen Kompatibilität beim Bau zylindrischer Gefäße sind in »Journal of Spacecraft and Rockets«, Juli 1967, S. 872 beschrieben. Das Kräfte- "> gleichgewicht zwischen dem unter Druck vorbelasteten Gefäß und dessen durch Spannung vorbelasteter Umwicklung wird vor Betrieb des Geff-'ies erreicht. Durch ein genaues Abstimmen der Malerialbel. ungen kann das Gefäß in einem stark vergrößerte··! bela- ·> stungsbereich elastisch arbeiten, und die VV^y·1^ kann bei wirkungsvollen Belastungsp^gelu einer,. tzt werden. Der Vorbelastungszustand wire" " 'durch erreicht, daß ein friscSi gefertigtes Gefqß <_ini.m »Maßänderungs«-DruckzykIus unterwor, ~< wird, indem das Gefäß über die Proportionaigrenze belastet wird und sich dadurch um mehr als 2% reckt. Nach der Entlüftung ist der gewünschte Belastungszustand erreicht, d? sich das Metall elastisch nicht mehr ganz auf die ursprüngliche Dimension zurückzieht und deshalb durch die elastische Umwicklung einer Kompression unterworfen wird.
Die Entwurfscharakteristiken eines vollständig umwickelten Fiberglas-Druckbehälters werden unter Zuhilfenahme eines Rechners bestimmt. Ein geeignetes ^o Rechnerprogramm für diesen Zweck besitzt den Titel »Computer Program for the Analysis of Filament Reinforced Metal-Shell Pressure Vessel« und ist in »NASA Scientific and Technical Aerospace Reports«, vom 8. März 1968. Bd. 6. Nr. 3,S.419 veröffentlicht.
Die erforderlichen Eingabeparameter für das Rechnerprogramm umfassen die Geometrie des Druckbehälters, die Materialeigenschaften des Gefäßes, die Materialeigenschaften der Fäden, die Fäden- und Iongitudinalen Metallbeanspruchungen (stresses) bei Vorhandensein der Wicklung, und die Entwurfgrenzbedingungen. Für eine beispielsweise Ausführungsform bestehen die variablen Programmeingabeparameter für das Gefäß aus folgenden Größen:
ter Druck und »Maßänderungsdruck«. Andere ausgewählte Paramei.T werden durch die Anforderungen bestimmt, die an die Ausführung gestellt werden (z. B. Gefäßlänge und Durchmesser, die das Volumen ausmachen), oder sie sind als Ergebnis der Malerialaus- '" wahl festgelegt (Dichte. Modu' und Poisson-Verhältnis). Das Ergebnis des Rechners enthält dann z. B. folgende Daten Gestalt der Endbereiche, axiale und stirnseitige Dicke der Umwicklung. Belastung-werte (beim Abmessungsäiiderungsdruck, beim Druck Null.
,„:_ d„._.„u, ,1-....L
.„,ι u„. ,.;„„„.
Gefäßes und andere Betriebsdrucke verwenden.
Bei dem Entwurf und der Herstellung des Druckbehälter wird d:e Herstellung eines Gefäßes dadurch begonnen, daß durch Kaltspritzen ein rohrförmiger Rohling mit einer festen Basis hergestellt wird. Dieser Rohling wird dann in einer Lösung behandelt und vor der Verformung gehalten. Anschließend wird aas geschlossene Ende des Rohlings geformt, der Rohling wird zwei Formschritten zur Formung des Halses unterworfen, der erste Formvorgang erfolgt in einer heißen Form, und der zweite Formvorgang erfolgt in einer kalten Maßform. Auf diese Weise wird bei der Formung des Halses eine minimale Verbeulung bewirkt. Die abschließenden Schritte bei der Formung des Gefäßes bestehen in einer Wärmebehandlung und einer maschinellen Verformung. Wie aus F i g. 2 hervorgeht, ist die Dicke des Gefäßes an der Verbindungsstelle zwischen dem zylinderförmigen Teil und den Endteilen im wesentlichen uniform. Der Gefäßstutzen wird mit einem Gewinde versehen, das das Gewinde des Schließkörpers aufnimmt; außerdem lassen sich Dichtungsringe und andere Dichtungen verwenden, die die Einlaßöffnung bei eingedrehtem Schließkörpcr abdichten. Nach der Formung des Gefäßes werden die Fadenwicklungen aufgebracht. Eine zur Aufbringung dieser Wicklungen geeignete Vorrichtung ist in der Lage, sowoiii die polar orientierte als auch die in Umfangsrichtung orientierte Wicklung aufzubringen. Während der vorgesehenen Schrittfolge wird die erste polare Umwicklung dadurch ausgeführt, daß 98 Kreise mit einem 4-Lunte-Versorgungssystem aus 20 Enden pro Lunte um das Gefäß gewickelt werden. Anschließend werden 7 Lagen aus zylinderförmigem Material (in Umfangsrichtung) (14 Schritte mit einem 4-Lunte-Versorgungssystem. das aus 20 Enden pro Lunte besteht) aufgebracht; dabei wird das Material so gewickelt, daß es die Verbindungsstelle zwischen dem zylinderförmigen Teil und den haubenförmigen Endteilen des Gefäßes überdeckt.
Anschließend wird das verbleibende, polar orientierte Materal (147 Kreise oder Ringe mit einem 4-Lunie-Versorgungssystem. auch 4-Vorspinn-Versorgungssv stern genannt, das 20 Enden pro Lunte oder Vorgarn enthält) in einer der ersten polaren liriihülluiij entsprechenden Weise aufgebracht und en:ia!:ei d;c Wirkung, daß dadurch die in Umfangsrichtung gew-kkelte Umhüllung vor einer Bewegung relativ zum Gefäß geschützt wird. Schließlich werden zwei Schichten aus in Umfangsrichtung gewickeltem Material (4 Schrille mit einem 4-Lunte-Versorgungssystem, das 20 Enden pro Lunte oder Vorgespinste enthält) auf den minieren Bereich des Zylinders aufgebracht. Das vollständig umwickelte Gefäß ist in Fig. 1 dargestellt. Das Fadenmaterial wird natürlich mit Kunstharz überzogen.
während es um den Behälter gewickelt wird. Diese P,- ..i,|,.i,...„„ ...,~Λ .1..,I,,,„κ .j..„.u„„f.iu_. A„a j:~ csj
geforderten minimalen Zerreißdruck), zusammen mit dem projektierten Gewicht und Volumen des Gefäßes. Für ein Gefäß, daß nach den oben ungegebenen Spezifikationen entworfen werden sollte, d. h. für einen Betriebsdruck von JJ-I bar (entspricht einem Ladedruck von 277 bar), einen Prüfdruck von 466 bar und einen minimalen Zerreißdrück von 62-2bar, erwies sich, daß hierfür ein Aluminiumgefäß mit einer Wanddicke von 33782 mm und einem Maßandcrungsdruck von 524 bar geeignet war und den vorgesehenen Beanspruchungen innerhalb eines annehmbaren Bereiches standhielt. Selbstverständlich lassen sich andere Dicken des durch einen mit Kunstharz gefüllten Vorratsbehälter geführt werden, bevor sie gewickelt werden. Dem Wickelschritt folgt anschließend ein Wärmebehandlungsschritt npch. der oei dem oben spezifizierten Gefäß die Temperatur von 176,7-C nicht überschreiten sofltc. Nachdem: das Gefäß umwickelt und warmebeharidclt wurde, wird der Maßänderungs-Druckbelastupgssehritt durchgeführt. Dieser Schrift wird bei dem gemäß den oben angegebenen \\ ertcn spezifizierten Gefäß dadurch bewerkstelligt, d?ß der Druck im GcfSiß allmählich auf 552 bar gesteigert wird, wobei die Druckänderungsraie 34,4 bar pro Minute nicht übe,-
schreiten darf. Anschließend wird der Druck im Gefäß wieder allmählich auf den Umgebungsdruck reduziert.
In demjenigen Zeitintervall, in dem der Druck die Streckgrenze des Metallbehälter» überschreitet, verformt sich der Behälter plastisch nach außen und hesitzt das Bestreben, diese erweiterte Form, auf die das Gefäß plastisch verformt wurde, im weiteren beizubehalten. Allerdings wird dabei die elastische Grenze der Fadenumwicklung während des Maßänderungs-Druckbelastüngsschriltes und derplastischen Verformung des Behälters nicht überschritten. Aufgrund der plastischen Verformung des Behälters befindet sich die Fadenumwicklung auch dann unter Spannung, wenn der Behälter elastisch entlastet wurde. Daher übt die Fadenumwicklung allgemein eine nach innen gerichtete Kraft auf die äußere Oberfläche des Behälters aus, wenn der Behälter den elastisch unbelasteten Zustand erreicht. Diese nach innen gerichtete Kräfte der Umwicklung bewirken eine Kompression und eine elastische Deformation des Behälters. Die Größe dieser Kräfte reicht jedoch nicht aus, den Behälter plastisch zu deformieren und zusammenzupressen. Nach dem Maßänderungs-Druckbeiastungszyklus ist daher die Fadenumwicklung spannungsbclastei. und das Gefäß steht unter einer Kompressionsbelastung.
Um eine plastische Deformation nach außen und ein Bersten des Behälters nach dem Maßändcrungs-Druckbelasiungszyklus zu bewirken, ist es notwendig, den Druck innerhalb des Behälters auf einen so großen Wert anwachsen zu lassen, daß die Kompressionskräfte im Behälter überstiegen werden und daß zur nach außen gerichteten Deformation des Behälters eine Kraft ausgeübt wird, die die starke Fadenumwicklung zum Reißen bringt Bei einer Belastung mit normalen Betriebsdrücken können die Druckkräfte die Komprcssionskräfte in dem Behälter zwar übersteigen. Die Druckkräfte sind jedoch während des Nofmalbclriobes nicht so groß, daß sie den Behälter plastisch gegen die
Wirkung der Fiidenuiiiwickliing deformieren.
Es sei darauf hingewiesen, daß die einem vorstehend beschriebenen Maßänderungs-Druekbelastungsschriit unterworfenen Behälter auch eine Mqarrißbildung aufweisen; der Einfluß dieser I laarrißbilduhg bleibt
ι« jedoch auf die Eigenschaften des Behälters minimal,
t Obwohl tn der in den Zeichnungen dargestellten, speziellen Ausführungsform das fadenförmige Umwickiunssmaterial aus Glas besteht, lassen sich auch andere fadenförmige Materialien oder Kombinationen von
Ii Materialien einschließlich Graphit, Bor oder Kcvlar verwenden.
Nach dem beschriebenen Verfahren herstellbar sind auch Druckbehälter, die für Atmungssystcmc mit komprimierter Luft verwendet werden, wie sie z. b. von Feuerwehrleuten oder Ticftauchcrn benutzt werden, außerdem Vorratsbehälter für flüssige Gase. Chemikalien, Brennstoffe und Gase.
Typische Werte für einen derartigen Druckbehälter lauten z. B.:
.(
1. MaximalesGewicht von etwa 4.1 kg.
2- Maximaler Betriebsdruck von 311 bar (Belastungsdruck von 277 bar).
3, Minimaies Inhaltsvolumcn von 4588.4 cm'.
4. Prüfdruck von 469 bar.
5. Minimaler Berstdruck von 622 bar.
6. Preiswerte Herstellung, die eine kommerzielle Produktion rechtfertigt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters aus einem im wesentlichen zylindrischen eigentlichen Behälter aus Aluminium mit im wesentlichen halbkugeligen Endabschnitten sowie abwechselnd polar und in Umfangsrichtung orientierten Wicklungsanordnungen und einer Harzbeschichtung der Wicklungen, wobei sich sämtliche Wicklungen in einein vorbelasteten Zustand befinden, in dem Druckkräfte auf die äußere Oberfläche des eigentlichen Drackbehälters ausgeübt werden und sich die in Umfangsrichlung orientierten Wicklungsanordnungen über die Verbindungsbereiche zwischen dem zyl-ndrischen Abschnitt und den halbkugeligen Abschnitten des eigentlichen Aluminiumbehälters erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß man nach Umhüllen des eigentlichen Druckgefäßes durch die Wicklungen das Druckgefäß über seine Elastizitätsgrenze hinaus mit Druck beaufschlagt und es anschließend durch Verminderung des Druckes entlasi ;t, wodurch das Gefäß zufolge der elastischen Schrumpfung der Wicklungen elastisch zusammengedrückt wird.
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