RU2144644C1

RU2144644C1 - Glass reinforced plastic high-pressure cylinder and process of its manufacture

Info

Publication number: RU2144644C1
Application number: RU98108937A
Authority: RU
Inventors: С.А. Богатырев; В.Б. Гусинский; Р.К. Ковязин; Е.Н. Матвеев; И.И. Плетинь; И.В. Рассохин; С.Г. Рыжаков
Original assignee: Ковязин Рафаиль Касимович; Плетинь Иван Иванович; Рыжаков Станислав Геннадьевич
Priority date: 1998-05-14
Filing date: 1998-05-14
Publication date: 2000-01-20

Abstract

FIELD: gas transportation. SUBSTANCE: glass reinforced plastic high-pressure cylinder includes outer power shell made of composite material and inner gas-tight shell made of gas impenetrable material. It also has two metal flanges similar in design and mounted on opposite poles of cylinder. One of them has hole. Inner gas-tight shell is fabricated from thin-walled lower layer and upper layer of composite material. Lower layer of gas-tight shell is manufactured from layers of aluminum foil covering cylindrical part of cylinder and end caps produced from thin-sheet aluminum lapped over foil which are bottoms of cylinder. In correspondence with process first lower layer of inner shell of glass reinforced plastic is formed by application of layers of foil on shell body over which end caps are lapped and linked with the use of adhesive. Then glass tape saturated with polymer binder is applied to form inner gas-tight shell. After hardening of binder shell is cut perpendicular to longitudinal axis into two equal halves in which bottoms holes are calibrated for installation of flanges. All parts are bonded with adhesive. Later glass tape is wound again to form outer power shell with usage of inner shell as mandrel. EFFECT: increased manufacturability. 5 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к конструкциям стеклопластиковых баллонов многоразового пользования, работающих под давлением и позволяющих упростить технологию изготовления, и к способу изготовления баллонов. The invention relates to the construction of refillable fiberglass cylinders operating under pressure and allowing to simplify the manufacturing technology, and to a method for manufacturing cylinders.

Изобретение может быть использовано в топливных системах самолетов, вертолетов и автотранспортных средств, работающих на газе, в качестве емкости для хранения расходуемого запаса топлива, а также в других системах, использующих сжатые и сжиженные газы в диапазоне температур от - 50^oC до +50^oC.The invention can be used in the fuel systems of airplanes, helicopters and gas-powered vehicles as a container for storing the consumed fuel supply, as well as in other systems using compressed and liquefied gases in the temperature range from -50 ^o C to +50 ^o C.

Из аналогов уровня техники известен "Баллон", содержащий герметичную металлическую обечайку, соединенную со сферическими днищами, охваченную наружной оболочкой, выполненной из композиционного материала (SU авторское свидетельство N 161019, 5 F 17 C 1/00, заявка N 4622576/31-26 от 13.12.88. Заявитель: институт электросварки им. Е.О.Патона. Авторы Л.М.Лобанов, Р.В. Томашевский и др. Опубликован в бюллетене "Изобретения" от 30.11.90). From analogues of the prior art, a “Balloon” is known, containing a sealed metal shell connected to spherical bottoms, covered by an outer shell made of composite material (SU copyright certificate N 161019, 5 F 17 C 1/00, application N 4622576 / 31-26 from 12.13.88 Applicant: E.O. Paton Electric Welding Institute Authors L. M. Lobanov, R. V. Tomashevsky, etc. Published in the "Inventions" bulletin dated 11/30/90).

Недостатком известного аналога является нетехнологичность изготовления баллона и большая масса. A disadvantage of the known analogue is the low manufacturing technology of the container and the large mass.

Из аналогов уровня техники наиболее близким по количеству существенных признаков прототипом изобретения устройства может быть принят "Баллон высокого давления", содержащий внешнюю силовую оболочку из композиционного материала и металлический фланец с отверстием (SU авторское свидетельство N 2037735, 6 F 17 C 1/00, заявка на изобретение N 92014577/26 от 25.12.92, авторы Мороз Н.Г. и другие. Заявитель: индивидуальное частное предприятие фирма "Элина-Т", опубликованное в бюллетене "Изобретения" N 17 1995, стр. 192). Of the analogues of the prior art, the closest in number of essential features of the prototype of the invention of the device can be adopted "High-pressure cylinder" containing an external power shell made of composite material and a metal flange with a hole (SU copyright certificate N 2037735, 6 F 17 C 1/00, application for invention No. 92014577/26 of 12.25.92, authors N. Moroz and others Applicant: individual private enterprise firm "Elina-T", published in the bulletin "Inventions" No. 17 1995, p. 192).

Недостатком баллона высокого давления, принятого за прототип, является нетехнологичность баллона, а также меньший ресурс в связи с неодинаковыми прочностными характеристиками элементов баллона. The disadvantage of the high-pressure cylinder, adopted as a prototype, is the low-tech cylinder, as well as a smaller resource due to the unequal strength characteristics of the elements of the cylinder.

Из аналогов уровня техники известен "Способ изготовления многослойных сосудов высокого давления", включающий навивку полосовой заготовки на центральную обечайку (SU авторское свидетельство N 1366269, B 21 D 51/24, заявка на изобретение N 4096880/31-27 от 23.07.86, авторы Л.Д.Дуганцев и В. Б. Ромашевский. Заявитель: Московский институт химического машиностроения, опубликованное в бюллетене "Изобретения" N 2 15.01.88). From analogues of the prior art, a "Method for the manufacture of multilayer pressure vessels" is known, including winding a strip blank onto a central shell (SU copyright certificate N 1366269, B 21 D 51/24, patent application N 4096880 / 31-27 from 07.23.86, authors L.D. Dugantsev and V. B. Romashevsky Applicant: Moscow Institute of Chemical Engineering, published in the "Inventions" bulletin No. 15.01.18.8).

Недостатком известного изобретения является сложность технологического процесса изготовления многослойных сосудов и меньшие надежность и долговечность конструкции по сравнению с заявляемым изобретением "Способ изготовления баллона". A disadvantage of the known invention is the complexity of the manufacturing process of the manufacture of multilayer vessels and lower reliability and durability of the structure compared to the claimed invention, "Method for manufacturing a balloon".

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков - прототипом заявляемого изобретения может быть принят "Способ производства многослойных баллонов с внутренним коррозионно-стойким слоем, включающим намотку стальной полосы на цилиндрическую обечайку до образования многослойного цилиндра и формирования горловин (SU авторское свидетельство N 812394, B 21 D 51/24, заявка на изобретение N 2769600/25-27, авторы Д.А. Дудко, Э.Г. Соколов и другие. Заявитель: ордена Ленина и ордена Трудового Красного знамени институт электросварки им. Е. О. Патона, опубликованное в бюллетене "Изобретения" N 10 от 15.03.81). Closest to the invention in terms of essential features - the prototype of the claimed invention can be adopted "Method for the production of multilayer cylinders with an inner corrosion-resistant layer, including winding a steel strip on a cylindrical shell until the formation of a multilayer cylinder and the formation of necks (SU copyright certificate N 812394, B 21 D 51/24, application for invention N 2769600 / 25-27, authors DA Dudko, EG Sokolov and others Applicant: Order of Lenin and Order of the Red Banner of Labor Institute of Electric Welding named after E.O. P tone, published in the bulletin "Inventions" N 10 of 03.15.81).

Недостатком известного способа является сложность технологического процесса изготовления баллона, а также меньшие его прочность, надежность и долговечность конструкции, необходимость использования разноплановых сложных техпроцессов. Технический результат изобретения, т.е. повышение технологичности, надежности и долговечности конструкции устройства стеклопластикового баллона высокого давления достигается тем, что в баллоне высокого давления, содержащем внешнюю силовую оболочку из композиционного материала, внутреннюю герметичную оболочку из газонепроницаемого материала, металлический фланец с отверстием, упомянутый баллон снабжен вторым металлическим фланцем, одинаковым по конструкции с первым, но без сквозного отверстия, установленным в днище на другом полюсе баллона, причем внутренняя герметичная оболочка выполнена из тонкостенного нижнего слоя и верхнего слоя из композиционного материала, при этом нижний слой герметичной оболочки выполнен сборным и состоит из одного или более слоев алюминиевой фольги, охватывающей цилиндрическую часть баллона и торцевых чашек из тонкостенного алюминия, образующих днища баллона, прилегающих внахлест на алюминиевую фольгу, причем все слои внутренней герметичной оболочки соединены методу собой и с внешней силовой оболочкой при помощи адгезива. The disadvantage of this method is the complexity of the manufacturing process for the manufacture of the cylinder, as well as its lower strength, reliability and durability of the structure, the need to use diverse complex manufacturing processes. The technical result of the invention, i.e. Improving the manufacturability, reliability and durability of the design of the device of a fiberglass high-pressure cylinder is achieved by the fact that in a high-pressure cylinder containing an external power shell made of composite material, an internal sealed shell made of gas-tight material, a metal flange with a hole, the said cylinder is equipped with a second metal flange, identical in constructions with the first, but without a through hole, installed in the bottom at the other pole of the container, and the inner the shell is made of a thin-walled lower layer and the upper layer of composite material, while the lower layer of the sealed shell is prefabricated and consists of one or more layers of aluminum foil, covering the cylindrical part of the cylinder and the end cups of thin-walled aluminum, forming the bottoms of the cylinder, overlapping with aluminum foil, and all the layers of the inner sealed shell are connected by the method to itself and to the outer power shell using adhesive.

Данный технический результат повышения технологичности изготовления баллона достигается тем, что в конструкции баллона при его изготовлении используется полимерный композиционный материал (стеклопластик), из которого выполнена наружная силовая оболочка и верхний слой герметичной оболочки, и простым средством закрепления их между собой при помощи адгезива. This technical result of increasing the manufacturability of the balloon is achieved by the fact that the design of the balloon uses a polymer composite material (fiberglass), from which the outer sheath and the upper layer of the hermetic shell are made, and a simple means of fixing them together with adhesive.

Вышеупомянутый технический результат повышения надежности и долговечности достигается за счет одинаковых деформационных и прочностных характеристик материалов, из которых изготовлены оболочки, так как слои из композиционного материала (стеклопластика) при нагружении работают синхронно, не создавая перенапряженных зон, как в случае применения разнородных материалов (стеклопластики и стали). The above technical result of increasing reliability and durability is achieved due to the same deformation and strength characteristics of the materials of which the shells are made, since the layers of composite material (fiberglass) work simultaneously when loaded, without creating overstressed zones, as in the case of using dissimilar materials (fiberglass and become).

Кроме того, изготовление баллона из стеклопластика позволяет использовать однотипные технологию и оборудование, то есть намоточный станок для изготовления как внутренней, так и внешней оболочек. In addition, the manufacture of a fiberglass cylinder allows the use of the same technology and equipment, that is, a winding machine for the manufacture of both internal and external shells.

Кроме того, по п. 2 технический результат повышения технологичности баллона, а также повышения прочности и долговечности конструкции достигается тем, что фланцы выполнены сборными, содержащими соединенные клеем внутреннюю и внешнюю части, а также гайку, прижимающую эти части друг к другу, причем выступ внутренней части фланца плавно прилегает к внутренней герметичной оболочке, а ее цилиндрическая поверхность проходит через осевое отверстие цилиндрической формы внешней части фланца, при этом на внешней цилиндрической поверхности внутренней части фланца установлена гайка таким образом, что днище внутренней герметичной оболочки выполнено зажатым между внутренней и внешней частями фланца и соединено с ними при помощи адгезива (клея), а внутренняя поверхность внешней силовой оболочки сопряжена с внешней поверхностью фланца. In addition, according to claim 2, the technical result of increasing the manufacturability of the cylinder, as well as increasing the strength and durability of the structure, is achieved by the fact that the flanges are prefabricated, containing internal and external parts connected by glue, as well as a nut, which presses these parts together, and the protrusion of the internal part of the flange smoothly adheres to the inner sealed shell, and its cylindrical surface passes through the axial hole of the cylindrical shape of the outer part of the flange, while on the outer cylindrical surface The nut is installed on the bottom of the flange in such a way that the bottom of the inner airtight shell is sandwiched between the inner and outer parts of the flange and connected to them using adhesive (glue), and the inner surface of the outer power shell is mated to the outer surface of the flange.

Соединение вышеупомянутых поверхностей при помощи адгезива обеспечивает герметизацию внутренней оболочки, сопряжение с внешней силовой оболочкой и позволяет получить герметичное высокоресурсное соединение по этим поверхностям, повысить надежность и долговечность конструкции заявляемого баллона. The connection of the above-mentioned surfaces with an adhesive ensures the sealing of the inner shell, interfacing with the outer power shell and allows you to get a tight high-resource connection on these surfaces, to increase the reliability and durability of the design of the inventive balloon.

Технический результат изобретения - способа изготовления баллона, повышения его технологичности по сравнению с прототипом - способом изготовления баллона, включающим намотку полосовой заготовки преимущественно на цилиндрическую обечайку до образования многослойного цилиндра и формирования горловин, достигается тем, что вначале формируют тонкостенный слой внутренней герметичной оболочки путем нанесения на центральную часть оправки - обечайки одного или более слоев алюминиевой фольги, на которые внахлест с обеих сторон накладывают торцевые чашки из тонкостенного алюминия, образующие днище баллона и при этом соединяют их между собой при помощи адгезива, затем осуществляют вышеупомянутую операцию намотки стеклоленты, пропитанной полимерным связующим, с образованием клеевого соединения между стеклопластиком и внутренним слоем из тонкостенного алюминия, формируя внутреннюю герметичную оболочку, после отвердения связующего ее разрезают перпендикулярно продольной оси на две равные половины, в днищах которых калибруют цилиндрические отверстия, устанавливают в них металлические фланцы, после чего обе половины внутренней герметичной оболочки склеивают между собой и с металлическими фланцами при помощи адгезива, а затем используя внутреннюю герметичную оболочку как оправку, повторно осуществляют вышеупомянутую намотку на нее стеклоленты, пропитанной полимерным связующим, до образования многослойной внешней оболочки, т.е. формируют силовую оболочку из композиционного материала (стеклопластика). Данный способ технологически прост, обеспечивает повышение прочности и долговечности конструкции баллона за счет того, что на стенках баллона возникают напряжения, оптимально распределенные по слоям, а при последующем нагружении баллона рабочим давлением слои оказываются нагруженными равномерно. The technical result of the invention is a method of manufacturing a balloon, increasing its manufacturability compared to a prototype — a method of manufacturing a balloon, including winding a strip blank predominantly on a cylindrical shell until a multilayer cylinder is formed and the necks are formed, by first forming a thin-walled layer of an internal airtight shell by applying on the central part of the mandrel - the shell of one or more layers of aluminum foil, on which overlap on both sides impose t orts cups made of thin-walled aluminum, forming the bottom of the container and at the same time connect them together using adhesive, then the aforementioned operation of winding the glass tape impregnated with a polymeric binder is carried out with the formation of an adhesive joint between fiberglass and the inner layer of thin-walled aluminum, forming an internal hermetic shell, after hardening the binder it is cut perpendicular to the longitudinal axis into two equal halves, in the bottoms of which the cylindrical holes are calibrated, set in them metal flanges, after which both halves of the inner sealed sheath are glued together and with metal flanges using adhesive, and then using the inner sealed sheath as a mandrel, the aforementioned glass tape impregnated with a polymer binder is re-wound on it until a multilayer outer sheath is formed, i.e. e. form a power shell of composite material (fiberglass). This method is technologically simple, provides increased strength and durability of the cylinder structure due to the fact that stresses are optimally distributed across the layers on the walls of the cylinder, and upon subsequent loading of the cylinder with working pressure, the layers are uniformly loaded.

Конструкция устройства стеклопластикового баллона высокого давления поясняется чертежами. The design of the fiberglass high-pressure cylinder device is illustrated by drawings.

На фиг. 1 схематично представлен общий вид стеклопластикового баллона высокого давления в разрезе. In FIG. 1 schematically shows a General view in section of a fiberglass high-pressure cylinder.

На фиг. 2 представлено сечение слоев герметичной и внешней силовой оболочек (поз. 1 фиг. 1). In FIG. 2 shows a section of the layers of the sealed and external power shells (pos. 1 of Fig. 1).

На фиг. 3 представлены в разрезе фланец и днище баллона. In FIG. 3 shows a sectional view of the flange and the bottom of the cylinder.

Стеклопластиковый баллон высокого давления состоит из внутренней герметичной оболочки из газонепроницаемого материала, включающей нижний тонкостенный слой, который в свою очередь выполнен сборным и состоящим из одного или более слоев алюминиевой фольги 1 (фиг. 1,2,3), охватывающей цилиндрическую часть баллона, и торцевых чашек-днищ 2 (фиг. 1,2,3) из тонкостенного алюминия, прилегающих внахлест на алюминиевую фольгу 1, и верхнего слоя 3 (фиг. 1,2,3) внутренней герметичной оболочки, выполненного из стеклопластика и сформированного путем намотки стеклоленты, пропитанной полимерным связующим, на нижний тонкостенный слой 1,2 (фиг. 1,2,3) внутренней герметичной оболочки, а также внешней силовой оболочки 4 (фиг.1,2,3), выполненной из стеклопластика, и сформированной также путем намотки стеклоленты, пропитанной полимерным связующим, на верхний слой 3 (фиг. 1,2,3) внутренней герметичной оболочки. Все слои внутренней герметичной оболочки соединены между собой при помощи адгезива 5 (фиг. 2,3). С одной стороны баллона на днище выполнено сквозное отверстие 6 (фиг. 1,3), в котором установлен фланец со сквозным отверстием, на противоположном полюсе баллона на днище установлен второй фланец без сквозного отверстия, одинаковый по конструкции с первым фланцем. При этом оба фланца выполнены сборными и состоят из внутренней части 7, включающей выступ, плавно прилегающий к внутренней герметичной оболочке, к облицовке днища 2 баллона, и цилиндрическую поверхность (фиг. 3), проходящую через осевое отверстие цилиндрической формы внешней части фланца 8. На цилиндрической поверхности внутренней части фланца 7 и на осевом отверстии внешней части выполнена резьба, соединяющая элементы фланца 7, 8 между собой гайкой 9 (фиг. 3) таким образом, что днище внутренней герметичной оболочки выполнено зажатым между внутренней и внешней частями фланцев и соединено с ними также при помощи адгезива 5. The fiberglass high-pressure cylinder consists of an internal sealed sheath of a gas-tight material, including a lower thin-walled layer, which in turn is prefabricated and consisting of one or more layers of aluminum foil 1 (Fig. 1,2,3), covering the cylindrical part of the cylinder, and end cups-bottoms 2 (Figs. 1,2,3) made of thin-walled aluminum, overlapping with aluminum foil 1, and the upper layer 3 (Figs. 1,2,3) of an internal sealed shell made of fiberglass and formed by winding tape, impregnated with a polymer binder, on the lower thin-walled layer 1,2 (Fig. 1,2,3) of the inner sealed shell, as well as the outer power shell 4 (Figs. 1,2,3), made of fiberglass, and also formed by winding glass tape, impregnated with a polymer binder, on the upper layer 3 (Fig. 1,2,3) of the inner sealed shell. All layers of the inner sealed shell are interconnected using adhesive 5 (Fig. 2,3). A through hole 6 (Fig. 1.3) is made on one side of the balloon on the bottom, in which a flange with a through hole is mounted; at the opposite pole of the balloon, a second flange without a through hole is installed on the bottom of the balloon, which is identical in design to the first flange. In this case, both flanges are prefabricated and consist of an inner part 7, including a protrusion, smoothly adjacent to the inner sealed shell, to the lining of the bottom of the cylinder 2, and a cylindrical surface (Fig. 3) passing through the axial hole of the cylindrical shape of the outer part of the flange 8. On a thread is made on the cylindrical surface of the inner part of the flange 7 and on the axial hole of the outer part, connecting the elements of the flange 7, 8 with a nut 9 (Fig. 3) so that the bottom of the inner airtight shell is clamped between the inner the front and outer parts of the flanges and is connected to them also using adhesive 5.

Изобретения "Стеклопластиковый баллон высокого давления и способ его изготовления" являются промышленно применимыми. The inventions "Fiberglass high-pressure cylinder and method for its manufacture" are industrially applicable.

Claims

1. Fiberglass high-pressure cylinder, containing an external power shell made of composite material and an internal sealed shell made of gas-tight material, two metal flanges, identical in design and mounted on opposite poles of the cylinder, one of which has a hole, characterized in that the inner sealed shell is made from a thin-walled lower layer and an upper layer of composite material, while the lower layer of the hermetic shell is prefabricated and consists of one sludge and more layers of aluminum foil, covering the cylindrical part of the container and end plates of sheet aluminum, overlapping on the aluminum foil and which are the bottoms of the container, and all layers of the inner sealed sheath are connected to each other and to the outer power sheath using adhesive.

2. The fiberglass high-pressure cylinder according to claim 1, characterized in that each of the aforementioned flanges is prefabricated, comprising an inner part with a protrusion connected by adhesive to the outer part of the flange, the spherical surface of the inner part of the flange being associated with the lining of the bottom of the inner sealed shell, its cylindrical surface passes through the axial hole of the outer part of the flange, while a nut is installed on the outer cylindrical surface of the outer part of the flange, pressing these parts together so that then the bottom of the inner sealed shell is sandwiched between the inner and outer parts of the flange and connected to them by adhesive, and the inner surface of the outer power shell is mated to the outer surface of the flange.

3. The fiberglass container according to claim 1 or 2, characterized in that the outer power shell and the upper layer of the inner sealed shell are made of fiberglass.

4. A method of manufacturing a container, including winding a glass tape impregnated with a polymeric binder, on the shell until a multilayer shell is formed, characterized in that the thin-walled layer of the inner sealed shell is first formed by applying one or more layers of aluminum foil to the central part of the shell-shell, which are overlapped end plates of aluminum sheets are placed on both sides, forming the bottoms of the container, and at the same time they are connected to each other using adhesive, then the operation of winding a preform of glass tape impregnated with a polymer composition is formed into an internal airtight shell and, after curing the binder, is cut perpendicular to the longitudinal axis into two equal halves, in the bottoms of which the cylindrical holes are calibrated, metal flanges are installed in them, after which both halves of the internal airtight shell are glued between themselves and with metal flanges using adhesive, and then, using the internal sealed shell as a mandrel, repeatedly carry out the aforementioned winding glass tape impregnated with a polymer binder on it to form a multilayer external power shell of composite material and necks.