RU167124U1 - Тонкостенный бесшовный лейнер для композитных баков - Google Patents

Abstract

1. Тонкостенный бесшовный лейнер для композитных баков, содержащий цилиндрическую обечайку, два днища, расположенные на одной оси и сопряженные так, что цилиндрическая обечайка расположена между двумя днищами лейнера, два фланца, каждый из которых сопряжен с одним из днищ лейнера, при этом на центральной оси каждого фланца имеется отверстие, отличающийся тем, что лейнер выполнен в виде монолитной и равнопрочной конструкции из титанового сплава методом металлургии гранул.2. Тонкостенный бесшовный лейнер для композитных баков по п.1, отличающийся тем, что днища выполнены в форме сжатого эллипсоида вращения.3. Тонкостенный бесшовный лейнер для композитных баков по п.1, отличающийся тем, что диаметр цилиндрической обечайки и днищ по линии сопряжения выполнены одинаковыми.

Description

Полезная модель относится к области авиации, ракетостроения и космонавтики в которых используются агрегаты, содержащие газообразные и жидкие среды под высоким давлением, в частности к лейнерам, которые используются в баллонах высокого давления.

Из уровня техники известен (патент US 6810567, кл. В23В 25/06, 13.06.2002 г. /1/) баллон высокого давления с использованием металлического лейнера. Недостатком указанного аналога /1/ является то, что при действии высоких давлений, происходит деформация композитной оболочки в заданном направлении, сжатие и перераспределение материала упругой прослойки и материала находящегося в гофрах. В силу того, что гофрированная поверхность лейнера не является изометричной цилиндрической поверхности композитной оболочки или поверхности концентричной ей, гофры тонкостенного лейнера деформируются произвольно и в них возникают пластические деформации, которые при многократном циклическом нагружении приводят к разрушению лейнера. Иными словами низкая надежность при большой цикличности нагрузки его высоким давлением, приводит к преждевременному разрушению лейнера, особенно в зонах сварных соединений.

Также, из уровня техники известен лейнер из алюминиевого сплава, который содержит днище, среднюю цилиндрическую часть и днище с горловиной, причем днище выполнено равнопрочным и герметически глухим, его толщина составляет не менее двух толщин цилиндрической части, а наружная поверхность днища имеет эллипсоидную форму. (RU 2429930 C1, B21D 51/24, 27.09.2011 г. /2/).

Недостатком указанного лейнера /2/ является существенное увеличение веса конструкции а, также, низкая прочность лейнера при многократных циклических нагрузках. Кроме того, существенным недостатком устройств /1/ и /2/ является то, что металлические лейнеры изготавливают, сваривая между собой цилиндрическую обечайку со штамповыми днищами, а в местах сварки являются «слабыми» т.е. обладают относительно низкой прочностью и могут разгерметизироваться в условиях циклических нагрузок.

Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является создание легкого, прочного лейнера исключающего в нем наличие сварных соединений.

Технический результат заключается в повышение надежности, уменьшение массовых характеристик, увеличению прочности и срока эксплуатации.

На достижение указанного технического результата оказывают влияние следующие существенные признаки.

Тонкостенный бесшовный лейнер для композитных баков, содержащий цилиндрическую обечайку, два днища, расположенные на одной оси и сопряжены так, что цилиндрическая обечайка расположена между двумя днищами лейнера, два фланца каждый из которых сопряжен с одним из днищ лейнера, при этом на центральной оси каждого фланца имеется отверстие, отличающийся тем, что лейнер выполнен из титанового сплава методом металлургии гранул, а фланцы, днища и цилиндрическая обечайка сопряжены в единую, монолитную и равнопрочную конструкцию без сварных швов и соединений.

В развитии полезной модели днища могут быть выполнены в форме сжатого эллипсойда вращения.

Также в развитии полезной модели диаметр цилиндрической обечайки и днищ по линии сопряжения одинаков.

Новым является то, что в лейнере для изделий ракетной и космической техники все элементы силовой оболочки корпуса, а именно: цилиндрическая обечайка, фланец и днище - выполнены как единое целое без сварных швов, при этом оба днище выполнены по форме сжатого эллипсойда вращения, на центральной оси каждого их которых размещен фланец, а диаметр цилиндрической обечайки и днищ по линии их соприкосновения одинаков, их толщина равномерна и одинакова по всей площади, причем одним торцом цилиндрическая часть сопряжена без швов с сжатым эллипсойдом вращения одного днища, а другим торцом цилиндрическая обечайка сопряжена без швов с сжатым эллипсойдом вращения второго днища, при этом лейнер состоящий из всех вышеуказанных элементов, выполнен единым бесшовным образованием из гранул высокопрочного титанового сплава методом металлургии гранул.

За счет выполнения лейнера из высокопрочного титанового сплава методом металлургии гранул появляется возможность существенно уменьшить толщину корпуса, также это обеспечивает возможность уменьшения массы выводимой на орбиту техники. Повышение прочности лейнера осуществляется за счет выполнения толщины корпуса одинаковым по всему заполняемому объему, равномерным, что в совокупности с изготовлением его из прочного материала, а также особенностей формы выполнения, предусматривающей исключение острых углов, позволяет создать для ракетной и космической техники лейнер со сниженными массовыми характеристиками. Лейнер при этом сможет обеспечить газонепронецпемость и герметичность, при многократном нагружении как на земле, так и в условиях невесомости. Высокую надежность эксплуатации обеспечивают за счет исключения сварных швов, то есть выполнения без швов сопряжения торцов цилиндрической обечайки с днищами, выполненными в форме сжатого эллипсойда вращения и фланцем. Это исключает проблему несовместимости силовой оболочки и лейнера при изготовлении баллонов высокого давления, а кроме этого создается эффект отсутствия критических мест возможного уменьшения прочности и мест возможного излома, которые могут привести к смещению центра масс лейнера с продольной оси космического аппарата в условиях невесомости и в условиях перехода, что ведет к возможному изменению траектории движения самого аппарата. Кроме того, за счет выполнения толщины корпуса одинаковым по все площади лейнера увеличиваются показатели рабочего давления в условиях невесомости и в условиях перехода к перегрузкам. Дополнительно можно отметить, что изготовление лейнера из высокопрочного материала усиливает технический результат уменьшения расход материала почта в 4 раза, уменьшая толщину корпуса, увеличивает показатели рабочего давления в условиях невесомости и в условиях перехода к перегрузкам, повышается надежность, а также уменьшаются массовые характеристики. Указанное конструктивное выполнение месторасположения штуцеров для подвода газообразных или жидких сред, обеспечивает требования выполнения задач с учетом исключения возможных ситуаций, которые могут приводить к смещению центра масс корпуса лейнера с продольной оси космического аппарата, что, в свою очередь, может в условиях невесомости и в условиях перехода к невесомости привести к изменению траектории движения самого аппарата.

Сущность полезной модели поясняется графическим материалом. На фиг. 1 представлен тонкостенный бесшовный лейнер для композитных баков из титанового сплава методом металлургии гранул, представляющий собой единую монолитную конструкцию, которая включает в себя два днища 2, выполненные в форме сжатого эллипсойда вращения, цилиндрическую обечайку 1 и два фланца 3, расположенные на центральной продольной оси. В каждом фланце 3 на центральной оси выполнено отверстие 4. Цилиндрическая обечайка 1 выполнена трубчатой и представляет собой цилиндрическую вставку между обеими днищами 2. Одним торцом цилиндрическая обечайка 1 сопряжена без швов с одним днищем 2, другим торцом с другим днищем 2. Каждый фланец 3 расположен на центральной продольной оси лейнера на днищах 2. Толщины всех частей равномерны и одинаковы. Одно днище 2 сопрягается с цилиндрической обечайкой 1 по линии, образуя линию сопряжения. Цилиндрическая обечайка 1 сопрягается с вторым днищем 2, также образуя линию сопряжения. Упомянутые линии сопряжения носят условный характер, поскольку части расположены на одной центральной продольной оси. При этом диаметр цилиндрической обечайки 1 и расположенный по линиям сопряжения и диаметр днищ 2 может быть одинаков. Следует отметить, что толщина цилиндрической части 1 и днища 2 равномерна и одинаков. В том числе и по упомянутым линиям сопряжения. Днища 2 по линиям сопряжения с цилиндрической обечайкой 1 образуют гладкую емкость, в которой отсутствуют критические места возможного уменьшения прочности и места возможного излома и деформации. Все части корпуса лейнера выполнены из высокопрочного титанового сплава методом металлургии гранул, т.е. каждое днище 2 с фланцем 3 и цилиндрическая обечайка 2 выполнены как единое целое из высокопрочного гранулированного титанового сплава.

В примере исполнения силовую оболочку корпуса бесшовного лейнера изготавливают из гранул высокопрочного титанового сплава ВТ6. Толщина стенки лейнера должна выполняться равной по всему периметру и при изготовлении может быть равна от 1,2 мм +0,1 или - 0,1 мм, в зависимости от объема лейнера, например для лейнера объемом 36 л. толщина станки составляет 1,2 мм. Для высокой чистоты внутренней поверхности, то есть без неровностей и шероховатостей, которые обычно имеет место при соединении частей лейнера посредством сварки, корпус лейнера изготавливают методом гранульной металлургии (например, см. Г.Г. Демченков, В.Т. Мусиенко, «Металлургия гранул титановых сплавов: перспективы и пути развития» в журнале «Технология легких сплавов», за 2001 г., №5-6, с. 132-137.) с использованием горячего изостатического прессования (например, см. сборник статей ВИЛС «Металлургия гранул», раздел «Металлургия гранул титановых сплавов», 1984, с. 159-200). При этом гранулы фракционного состава размером 40…250 мкм высокопрочного титанового сплава получают методом центробежного распыления вращающегося слитка-электрода, при котором частицы сплава распыляются за счет ионно-плазменного распыления (патент РФ №1332866, кл. С23С 14/36, 1985 г.). Затем полученные гранулы засыпают в металлическую капсулу требуемой формы, производят дегазацию, герметизацию и обрабатывают по технологии горячего изостатического прессования с последующей термообработкой (см. патент РФ №2261288, кл. С23С 14/34, 2005 г.). Этот метод позволяет изготовить детали сложной конфигурации с минимальной механической обработкой.

Работа лейнера в баллоне высокого давления осуществляется следующим образом.

Лейнер в составе баллона высокого давления наполняется текучей средой (жидкостью или газом) до требуемого уровня давления. Далее с текучей средой в лейнере осуществляется хранение, транспортировка, опорожнение с последующим новым наполнением, с возможностью повторного расходования текучей среды, т.е. в повторении действий и операций с многократным циклическим нагружением лейнера.

Таким образом, предложенный лейнер позволяет повысить прочность баллона высокого давления за счет выполнения оболочки с одинаковой толщиной стенок по всему периметру, то есть по всему объему баллона, заполняемому газообразной или жидкой средой, а также за счет изготовления его из прочного материала. При этом форма лейнера выполнена таким образом, что исключаются острые углы в емкости. Также за счет выполнения поверхности гладкой, одинаковой толщины отсутствуют критические места возможного уменьшения прочности и места возможного излома при деформации, которые могут приводить к смещению центра масс корпуса лейнера. Кроме того, за счет выполнения корпуса из описанного выше высокопрочного одинакового по своей структуре гранулированного материала и выполнения одинаковой толщины стенок оболочки по всему заполняемому объему увеличиваются показатели рабочего давления, а также усиливается технический результат уменьшения толщины корпуса, повышается надежность и уменьшаются массовые характеристики.

Claims (3)

1. Тонкостенный бесшовный лейнер для композитных баков, содержащий цилиндрическую обечайку, два днища, расположенные на одной оси и сопряженные так, что цилиндрическая обечайка расположена между двумя днищами лейнера, два фланца, каждый из которых сопряжен с одним из днищ лейнера, при этом на центральной оси каждого фланца имеется отверстие, отличающийся тем, что лейнер выполнен в виде монолитной и равнопрочной конструкции из титанового сплава методом металлургии гранул.

2. Тонкостенный бесшовный лейнер для композитных баков по п.1, отличающийся тем, что днища выполнены в форме сжатого эллипсоида вращения.

3. Тонкостенный бесшовный лейнер для композитных баков по п.1, отличающийся тем, что диаметр цилиндрической обечайки и днищ по линии сопряжения выполнены одинаковыми.

Images