FR2545569A1 - Reservoir sous pression en forme de tore et en materiau composite - Google Patents

Reservoir sous pression en forme de tore et en materiau composite Download PDF

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support
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Goetz Mandel
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Airbus Defence and Space GmbH
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Messerschmitt Bolkow Blohm AG
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Abstract

RESERVOIR SOUS PRESSION EN FORME DE TORE ET EN MATERIAU COMPOSITE, COMPRENANT UN RESERVOIR INTERIEUR 4 ETANCHE AUX GAZ ET AUX LIQUIDES ET, APPLIQUES SUR CELUI-CI, DES ENROULEMENTS SUPPORTS 5, 6 PAR EXEMPLE EN FIBRES DE CARBONE REUNIES PAR UN LIANT. LE RESERVOIR SOUS PRESSION EN FORME DE TORE FORME UN ANGLE DANS LA ZONE DU PLUS PETIT DIAMETRE 3. LE RESERVOIR EST ENTOURE D'UN ENROULEMENT SUPPORT EXTERNE 5 DANS LE PLAN MERIDIEN M ET EN PLUS, DANS LA ZONE DE PLUS PETIT DIAMETRE, D'UN AUTRE ENROULEMENT SUPPORT 6PERPENDICULAIRE AU MERIDIEN. ON OBTIENT AINSI DES RAPPORTS D'EFFORTS OPTIMAUX ET UNE REPARTITION TRES FAVORABLE DES CONTRAINTES ENTRE LE RESERVOIR TRES FAVORABLE DES CONTRAINTES ENTRE LE RESERVOIR INTERNE ET L'ENROULEMENT SUPPORT LORSQUE LE RESERVOIR SOUS PRESSION EST SOUMIS A DES SOLLICITATIONS.

Description

Réservoir sous pression en forme de tore et en matériau composite
L'invention se rapporte à un réservoir sous pres-
sion en forme de tore et en matériau composite, comprenant un réservoir intérieur étanche aux gaz et aux liquides et, appliqué sur celui-ci, un enroulement support en fibres, fils
ou fils métalliques pour soulager la paroi du réservoir inté-
rieur, et ayant une courbure du méridien qui assure l'égalité des contraintes tangentielles et méridiennes constantes dans la paroi du réservoir intérieur et en même temps une tension constante des fils dans l'enroulement support, des raccords pour le remplissage et le vidage et/ou pour la fixation et
la manipulation étant prévus sur le réservoir sous pression.
Un réservoir sous pression de ce type est déjà connu par la demande de brevet allemand antérieure P 31 47 867 0-12 Ce réservoir sous pression en forme de tore présente dans la zone de l'équateur un contour extérieur cylindrique qui est renforcé par un enroulement support supplémentaire disposé
normalement par rapport au méridien.
Il s'est toutefois révélé que le contour extérieur cylindrique et l'enroulement support supplémentaire dans la partie de la zone équatoriale ne permettaient pas à eux seuls d'obtenir de l'enroulement et de la rigidité optimals de ces
réservoirs légers en forme de tores.
L'invention a pour objet de mettre au point un réservoir sous pression en forme de tore du type précité, qui puisse offrir le même avantage de poids que dans la demande
de brevet allemand antérieure sus-mentionnée.
Ce résultat est atteint selon l'invention par le fait que le réservoir sous pression en forme de tore présente un plan méridien qui est réalisé en forme d'angle dans la zone de plus petit diamètre, et que dans l'entaille qui en résulte est disposé un enroulement support supplémentaire
normal au méridien.
Avec l'invention on dépasse largement les excel-
lentes caractéristiques des réservoirs connus en forme de
tores à courbure méridienne ovale Les tensions supplémen-
taires qui se produisent autrement dans la zone de plus petit diamètre dans les réservoirs en forme de tores à courbure méridienne parfaitement ovale, sont ici maitrisées par la
courbure méridienne spécifique qui est formée par la confi-
guration angulaire dans la zone du plus petit diamètre et
forme un méridien en soi fermé Selon une autre caractéris-
tique avantageuse de l'invention, l'enroulement support appliqué sur la totalité du réservoir sous pression en forme de tore est exclusivement disposé dans le sens du méridien, tandis que l'enroulement support supplémentaire dans la zone de l'entaille est exclusivement disposé normalement au méridien Cet enroulement supplémentaire est nécessaire pour exploiter à fond les bonnes caractéristiques sous tension obtenues. Grâce à l'invention, on peut de cette façon construire un réservoir sous pression extrêmement léger en utilisant au mieux la longueur de rupture élevée du matériau fibreux avec faible proportion de liant et sans lourdes tubulures au niveau des calottes polaires Par ailleurs, on évite les problèmes qui se posent avec les autres formes de réservoirs en ce qui concerne la concentration des fils au niveau des calottes polaires La composante des charges de l'enroulement support extérieur par rapport à la composante des charges que doit absorber le réservoir intérieur peut être choisie beaucoup plus grande que jusqu'ici avec une construction selon l'invention, et ce, indépendamment des
restrictions usuelles précitées-.
Un réservoir sous pression de ce type pourrait
certes être aussi fabriqué par une simple technique d'enrou-
lement, mais après enlèvement du mandrin, aucun réservoir
intérieur, par exemple sous la forme d'une vessie en caout-
chouc, ne pourrait être introduit.
Dans un réservoir constitué par un réservoir inte-
rieur et un enroulement support, le réservoir intérieur,
portant et parfaitement adapté aux dilatations devant inter-
venir, remplit en pareil cas les fonctions de mandrin d'en-
roulement et assure l'étanchéité Sur le réservoir intérieur agit par exemple une composante de charge d'environ 20 % de la composante de charge totale, tandis que les 80 %
restants sont absorbés par l'enroulement support externe.
Les raccords pour le remplissage et le vidage et/ou pour la fixation et la manipulation du réservoir sous pression, de la même façon que les raccords correspondants des réservoirs sous pression cylindriques connus (voir par
exemple le brevet américain 3 293 860), peuvent être entiè-
rement intégrés dans la structure de l'enroulement sans que le réservoir sous pression perde de sa rigidité Ainsi, ces raccords peuvent par exemple être placés sur un ou plusieurs anneaux de raidissement renforcés qui entre deux méridiens
voisins remplacent l'enroulement dans le sens du méridien.
Il est également possible de placer ces raccords sur des oeillets ou des oreilles de renforcement, de préférence dans la partie de faible densité de fils dans la zone du diamètre maximal, l'enroulement méridien au niveau des épaulements faisant saillie vers l'extérieur, de ces renforcements, étant alors dévié et formant un enroulement en croix qui
remplace l'enroulement le long du méridien dans cette zone.
Dans le cas des oreilles de renforcement, une autre possibi-
lité consiste à faire passer l'enroulement méridien autour de celles-ci. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la
description de modes de réalisation pris comme exemples,
mais non limitatifs, et illustrés par le dessin annexé, sur lequel:
la figure 1 est une vue en perspective d'un ré-
servoir sous pression en forme de tore selon l'invention; la figure 2 est une coupe du réservoir sous pression de la figure 1 dans le plan méridien; la figure 3 est une vue en perspective d'un second exemple de réalisation pour un réservoir sous pression en forme de tore selon l'invention; la figure 4 est une vue partielle en perspective et en coupe dans le plan méridien d'un réservoir sous pres- sion illustrant la position des raccords pour le remplissage/
vidage et pour la manipulation.
Un réservoir sous pression 1 en forme de tore a dans sa zone latérale et dans la zone équatoriale la forme d'un tore fermé 2 à peu près oval, tandis que dans la zone
de plus petit diamètre 3 il a une forme sensiblement angulaire.
A l'endroit du plus petit diamètre 3, il se produit ainsi
une brusque courbure, telle qu'elle ressort de la coupe trans-
versale de la figure 2.
Le réservoir sous pression 1 comporte un réservoir intérieur 4 léger et également en forme de tore Sur ce réservoir intérieur sont appliqués des enroulements supports et 6, par exemple en fibres de carbone maintenus réunis
par un liant à base de résine L'enroulement support 5 appli-
qué extérieurement sur le réservoir intérieur 4 est disposé
uniquement dans le sens méridien M Dans le réservoir inté-
rieur 4 et avant le soudage de ce dernier, on applique à l'endroit angulaire de plus petit diamètre 3 l'enroulement support 6 qui est ainsi réalisé en forme d'entaille 3 a et dont les spires sont disposées perpendiculairement au méridien
comme cela est schématisé sur la figure 1.
Le matériau du réservoir intérieur et celui de l'enroulement support sont déposés l'un sur l'autre de façon que tous deux présentent une même dilatation absolue sous l'effet des contraintes intervenant Le réservoir intérieur est de construction très légère et ne doit présenter que la rigidité requise pour qu'il puisse servir de boyau pour les
enroulements supports 5 et 6.
La forme choisie pour le réservoir 1 est optimale pour le réservoir intérieur 4 diversement sollicité ainsi que pour les enroulements supports externes 5 et 6 également soumis à des sollicitations diverses Dans la zone 2 du tore, on utilise pour l'enroulement les avantages des réservoirs fermés en forme de tores; en particulier, il ne se produit aucune concentration excessive d'enroulements avec grande proportion de liant Une telle construction est très facile à fabriquer et a une dilitation parfaitement régulière dans
chaque direction et en chaque point Les contraintes tangen-
tielles et méridiennes dans la paroi du réservoir intérieur sous charge sont ici constantes, et la tension des fils dans les enroulements supports est en même temps constante Les longueurs de rupture élevées des matériaux fibreux, par exemple des fibres de carbone, peuvent être utilisées de
façon optimale avec une telle forme de réservoir.
Le réservoir sous pression représenté sur la fi-
gure 1 comporte encore plusieurs raccords 7, par exemple pour la fixation ainsi que pour le remplissage ou le vidage du réservoir sous pression 1 Ces raccords sont placés sur des
anneaux de raidissement renforcés 8, qui entourent le réser-
voir intérieur 4 et dont un est représenté sur la figure 1.
En règle générale, un réservoir comporte un ou deux anneaux de raidissement 8 Ces anneaux de raidissement 8, renforcés par rapport à l'enroulement support 5, remplacent ce dernier entre les deux méridiens jouxtant l'anneau de raidissement et sont généralement eux-mêmes réalisés sous forme de corps
bobinés dans le cadre de l'enroulement support 5 Une fabri-
cation en matériau en mat ou analogue est ici également possible Les raccords 7 sont aménagés de façon appropriée
dans les anneaux de raidissement 8.
La figure 3 représente un réservoir sous pression 1 ' en forme de tore qui, à l'exception des zones recevant
les raccords 7 ', est réalisé de la même façon que le réser-
voir sous pression 1 de la figure 1 Le récipient sous pres-
sion 1 ' en forme de tore présente ici aussi un réservoir inté-
rieur 4, qui est entouré d'un enroulement support 5 ' dans le sens du méridien M et à l'intérieur, dans sa zone 3 ', d'un
enroulement support 6 ' disposé perpendiculairement au méri-
dien Les raccords 7 ' sont placés dans la zone de faible
densité de fibres, c'est-à-dire dans la zone de l'enroule-
ment support 5 ' o ils sont respectivement engagés dans un oeillet de renforcement 9 Entre les deux raccords 7 ' représentés ici, au niveau des épaulements faisant saillie
vers l'extérieur, de ces oeillets de renforcement, cet enrou-
lement support 5 ', autrement disposé dans le plan méridien M, est dévié et forme un enroulement 10 en forme de croix qui remplace l'enroulement 51 le long du méridien dans la zone 11 recevant les oeillets de renforcement 9 et les
raccords 7 '.
La figure 4 représente une partie d'un autre réservoir sous pression 1 " en forme de tore, qui comporte un réservoir intérieur 4 l" Le réservoir intérieur 4 " est entouré d'un enroulement support 5 " dans le sens méridien Pour la mise en place des raccords, tels que les ouvertures de remplissage 12 simplement schématisées ici, on aménage sur le réservoir intérieur 4 " des oreilles de renforcement 13 qui se trouvent respectivement entre deux méridiens voisins
et sont entourés par les fils de l'enroulement support méri-
dien 5 " Ces oreilles de renforcement 13 peuvent, par exemple, être des éléments en métal léger, en aluminium ou autre,
dotés de perçages appropriés.

Claims (8)

REVENDICATIONS
1 Réservoir sous pression en forme de tore et en matériau composite, comprenant un réservoir intérieur étanche
aux gaz et aux liquides et, appliqué sur celui-ci, un enrou-
lement support en fibres, fils ou fils métalliques pour
soulager la paroi du réservoir intérieur, et ayant une cour-
bure du méridien qui assure l'égalité des contraintes tan-
gentielles et méridiennes constantes dans la paroi du réser-
voir intérieur et en même temps, une tension constante des
fils dans l'enroulement support, des raccords pour le remplis-
sage et le vidage et/ou pour la fixation et la manipulation étant prévus sur le réservoir sous pression, caractérisé par le fait que le réservoir sous pression ( 1) en forme de tore présente un plan méridien (M) qui est réalisé en forme d'angle dans la zone du plus petit diamètre ( 3) et que dans l'entaille ( 3 a) qui en résulte est disposé un enroulement
support supplémentaire ( 6) normal au méridien (M).
2 Réservoir sous pression selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'enroulement support ( 5) appliqué sur la totalité du réservoir sous pression ( 1) en
forme de tore est-exclusivement disposé dans le sens du mèri-
dien (M) et que l'enroulement support supplémentaire ( 6) dans
la zone de l'entaille ( 3 a) est exclusivement disposé normale-
ment au méridien.
3 Réservoir sous pression selon les revendications
1 et 2 avec raccords pour le remplissage et le vidage et/ou pour la fixation et la manipulation, caractérisé par le fait que les raccords ( 7) sont placés sur un ou plusieurs anneaux de raidissement renforcés ( 8) du réservoir sous pression ( 1), lesquels anneaux, entre à chaque fois deux méridiens voisins,
remplacent l'enroulement support ( 5) dans le sens méridien (M).
4 Réservoir sous pression selon les revendica-
tions 1 et 2 avec raccords pour le remplissage et le vidage et/ou pour la fixation et la manipulation, caractérisé par le fait que pour recevoir les raccords ( 7 ') deux ou plusieurs oeillets de renforcement ( 9) sont respectivement placés dans une zone méridienne ( 11) du réservoir, et que l'enroulement support ( 5 ') disposé dans le sens du méridien (M) est dévié au niveau des épaulements, faisant saillie vers l'extérieur, de ces oeillets de renforcement et forme un enroulement en croix qui remplace l'enroulement ( 5 ') le long du méridien
dans cette zone ( 11).
Réservoir sous pression selon les revendications
1 et 2 avec raccords pour le remplissage et le visage et/ou pour la fixation et la manipulation, caractérisé par le fait que les raccords ( 12) du réservoir ( 1 ") sont installés sur
une ou plusieurs oreilles de renforcement ( 13), qui se trou-
vent respectivement entre deux méridiens voisins et sont entou-
rées par l'enroulement support ( 5 ").
6 Réservoir sous pression selon les revendications
4 et 5, caractérisé par le fait que les oeillets de renfor-
cement ( 9) ou les oreilles de renforcement ( 13) sont placés dans la partie de faible densité de fils dans la zone du
diamètre maximal.
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