RU2175088C1 - Pressure vessel and method of its manufacture (versions) - Google Patents
Pressure vessel and method of its manufacture (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2175088C1 RU2175088C1 RU2000109690/06A RU2000109690A RU2175088C1 RU 2175088 C1 RU2175088 C1 RU 2175088C1 RU 2000109690/06 A RU2000109690/06 A RU 2000109690/06A RU 2000109690 A RU2000109690 A RU 2000109690A RU 2175088 C1 RU2175088 C1 RU 2175088C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- vessel
- spherical
- neck
- shell
- winding
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к авиационно-космической, автомобильной, бытовой и другой технике, где используются сосуды давления, наполненные сжатым газом или сжиженными компонентами топлива. The invention relates to aerospace, automotive, household and other equipment, where pressure vessels filled with compressed gas or liquefied fuel components are used.
Известны сосуды давления, предназначенные для транспортировки, хранения и использования газообразных и жидких продуктов [1-6]. На современном этапе развития техники они, как правило, состоят из внутренней герметизирующей оболочки (лейнера) из металлических или композиционных материалов и наружной силовой оболочки из армированных пластмасс. Known pressure vessels designed for transportation, storage and use of gaseous and liquid products [1-6]. At the present stage of technological development, they, as a rule, consist of an internal sealing shell (liner) of metal or composite materials and an external power shell of reinforced plastics.
Для применения в ракетно-космической технике техническим решением, принятым за прототип, является сферический сосуд давления, предназначенный, например, для хранения газообразного азота и газообразного кислорода в системе жизнеобеспечения орбитальной станции [6] стр. 488-490, рис.6.41. Сосуд имеет внутренний объем 27 л и эксплуатационное давление 30 МПа (300 кгс/см2). Он состоит из герметизирующей внутренней оболочки (лейнера), изготовленной из жестких полимерных полиэтиленфталатных пленок (лавсан) и полиимидных пленок марки ПМФ-352; двух металлических штуцеров с горловинами для присоединения расходно-заправочной арматуры; двух металлических гаек и шайб для жесткой фиксации штуцеров и наружной силовой углепластиковой оболочки на основе эпоксидного связующего марки ЭДТ-10П и армирующих углеродных волокон марки УКН-5000.For use in rocket and space technology, the technical solution adopted for the prototype is a spherical pressure vessel, designed, for example, to store gaseous nitrogen and gaseous oxygen in the life support system of an orbital station [6] p. 488-490, Fig. 6.41. The vessel has an internal volume of 27 l and an operating pressure of 30 MPa (300 kgf / cm 2 ). It consists of a sealing inner shell (liner) made of rigid polymer polyethylene phthalate films (lavsan) and polyimide films of the PMF-352 brand; two metal fittings with necks for connection of consumable and filling valves; two metal nuts and washers for rigid fixation of the fittings and external carbon fiber-reinforced sheath based on an EDT-10P epoxy binder and UKN-5000 brand reinforcing carbon fibers.
Недостатки конструкции:
1. Мал внутренний объем шарового баллона.Design disadvantages:
1. The internal volume of the ball balloon is small.
2. Велика масса баллона. 2. The mass of the balloon is large.
3. Велико количество деталей, в связи с чем возникают серьезные трудности обеспечения герметизации в местах контакта элементов конструкции из разнородных материалов. 3. A large number of parts, in connection with which there are serious difficulties in ensuring sealing at the contact points of structural elements from dissimilar materials.
4. Не обеспечена достаточная трещиностойкость силовой оболочки, что существенно снижает гарантийный срок эксплуатации сосуда. 4. Not provided sufficient crack resistance of the power shell, which significantly reduces the warranty period of operation of the vessel.
5. Чрезвычайно высокая чувствительность углепластиковой оболочки к внешним воздействиям (соударениям со смежными деталями и инструментом), неизбежным во время проведения монтажных работ, испытаний, транспортировки и т. п. 5. Extremely high sensitivity of the carbon fiber shell to external influences (collisions with related parts and tools) that are inevitable during installation, testing, transportation, etc.
Для применения в авиационной, автомобильной, бытовой и другой технике техническим решением, принятым в качестве аналога, является композиционный сосуд давления [5]. Он имеет цилиндрическую форму с днищами и содержит внутреннюю герметизирующую оболочку из эластичного материала, наружную оболочку из волокнистого композиционного материала со слоями волокон, уложенными по спирали и по окружности. Диапазон углов намотки спиральных слоев колеблется от 15 до 48o, и они отделены от слоев волокон с их укладкой по окружности антиадгезионным слоем. Между наружной и внутренней оболочками на днищах размещены металлические фланцы с закрепленными на них полюсными крышками.For use in aviation, automotive, household and other equipment, the technical solution adopted as an analogue is a composite pressure vessel [5]. It has a cylindrical shape with bottoms and contains an inner sealing shell of elastic material, an outer shell of fibrous composite material with layers of fibers laid in a spiral and in a circle. The range of angles of winding of the spiral layers ranges from 15 to 48 o , and they are separated from the layers of fibers with their laying around the circumference of the release layer. Between the outer and inner shells on the bottoms are metal flanges with pole caps fixed to them.
Недостатки конструкции:
1. Велика масса баллона.Design disadvantages:
1. The mass of the container is large.
2. Мал гарантийный срок службы баллона в связи со старением пластмассовых деталей, приводящим к разгерметизации. 2. The warranty period of the cylinder is small due to aging of plastic parts, leading to depressurization.
3. Не обеспечена коррозионная стойкость фланцев в местах контакта с композиционными оболочками из-за растрескивания связующего под воздействием циклического изменения температур при эксплуатации баллона в стандартных климатических условиях страны. Это также приводит к малому сроку службы изделия. 3. The corrosion resistance of the flanges at the points of contact with the composite shells is not ensured due to cracking of the binder under the influence of cyclic temperature changes during cylinder operation in standard climatic conditions of the country. This also leads to a short product life.
4. Велико количество деталей баллона. 4. The number of cylinder parts is large.
В качестве прототипа для цилиндрического сосуда давления принято техническое решение [6] стр. 485, 486, рис.6.37 - 6.38 для изготовления топливного бака вертолета. As a prototype for a cylindrical pressure vessel, a technical solution was adopted [6] p. 485, 486, Fig. 6.37 - 6.38 for the manufacture of a helicopter fuel tank.
Он состоит из: металлического лейнера, который, в свою очередь, состоит из двух полукорпусов с полюсными отверстиями на днищах и утолщениями в местах их стыковки; силовой композиционной оболочки, намотанной поверх лейнера. Силовая композиционная оболочка состоит из слоев, в которых армирующие волокна уложены в кольцевом направлении и по спирали. It consists of: a metal liner, which, in turn, consists of two half-shells with pole openings on the bottoms and thickenings in the places of their joining; a power composite shell wound over a liner. Power composite shell consists of layers in which the reinforcing fibers are laid in an annular direction and in a spiral.
Недостатки конструкции:
1. Велика масса сосуда давления.Design disadvantages:
1. The mass of the pressure vessel is large.
2. Велико количество деталей. 2. Great amount of detail.
3. Велика цена сосуда. 3. The price of the vessel is great.
Способ изготовления сферического баллона [6] стр. 488-490, рис.6.41 состоит в выполнении следующих операций. A method of manufacturing a spherical balloon [6] p. 488-490, Fig.6.41 consists in the following operations.
Сборка и установка на намоточном станке технологической оправки с металлическими штуцерами. Assembly and installation on a winding machine of a technological mandrel with metal fittings.
Обезжиривание поверхности штуцеров, контактирующих с наматываемым пленочным лейнером. Поверхность штуцеров предварительно пескоструят. Degreasing the surface of the fittings in contact with the wound film liner. The surface of the fittings is pre-sandblasted.
Программная многослойная намотка пленочного материала до получения расчетной толщины лейнера. Software multi-layer winding of film material to obtain the estimated liner thickness.
Нанесение верхнего разделительного слоя фторопластовой пленки и обмотка с увеличенным натяжением термоусаживающейся лентой. Application of the upper separation layer of the fluoroplastic film and the winding with increased tension of the heat-shrinkable tape.
Термическая обработка многослойного лейнера при температуре спекания и охлаждение его вместе с печью. Heat treatment of a multilayer liner at sintering temperature and its cooling together with the furnace.
Извлечение из нагревательной печи, снятие слоев термоусаживающейся ленты и разделительного слоя. Removing from a heating furnace, removing layers of heat-shrinkable tape and separation layer.
Зональная намотка углепластиковой силовой оболочки. Zonal winding of a carbon fiber-reinforced sheath.
Намотка антиадгезионного разделительного слоя и термоусаживающейся ленты. Winding release liner and heat-shrinkable tape.
Установка в термопечь и термообработка по заданному режиму. Installation in a thermal furnace and heat treatment in a given mode.
Извлечение оправки с изделием из термопечи, снятие термоусаживающейся ленты и разделительного слоя. Removing the mandrel with the product from the thermal furnace, removing the heat-shrinkable tape and the separation layer.
Удаление технологической оправки вымыванием водой. Removing the tool holder by flushing with water.
Недостатки способа изготовления:
1. Применение одноразовых оправок, издержки на их изготовление. Затраты времени на изготовление оправок.The disadvantages of the manufacturing method:
1. The use of disposable mandrels, the costs of their manufacture. Time spent on the manufacture of mandrels.
2. Использование эпоксидного связующего ЭДТ-10П, которое обладает недостаточно высокой эластичностью и подвержено растрескиванию в результате действия циклического перепада температур. Это приводит к повышенному влагосодержанию углепластика на этапе хранения, монтажа и предстартовой подготовки и резкому снижению прочности углепластика, что компенсируется увеличенной толщиной силовой оболочки, а следовательно, и увеличенной массой шарового баллона. 2. The use of an epoxy binder EDT-10P, which has insufficient elasticity and is susceptible to cracking as a result of cyclic temperature changes. This leads to increased moisture content of carbon fiber during storage, installation and prelaunch preparation and a sharp decrease in the strength of carbon fiber, which is compensated by the increased thickness of the power shell, and consequently, the increased mass of the ball balloon.
3. Большое число операций изготовления изделий. 3. A large number of manufacturing operations.
Способ изготовления цилиндрического сосуда [6] стр. 485, 486, рис.6.37 - 6.39 состоит в выполнении следующих операций. A method of manufacturing a cylindrical vessel [6] p. 485, 486, Fig. 6.37 - 6.39 consists in performing the following operations.
Изготовление полукорпуса металлического лейнера с приваркой к нему малого фланца и торцевого шпангоута. Production of a half-shell of a metal liner with welding of a small flange and an end frame to it.
Установка полукорпусов с помощью оправки на намоточный станок. Installation of half-shells using a mandrel on a winding machine.
Обезжиривание наружной поверхности лейнера, малых и больших фланцев. Намотка спиральных слоев заданной толщины. Degreasing the outer surface of the liner, small and large flanges. Winding spiral layers of a given thickness.
Намотка окружных слоев на цилиндрическом участке лейнера. Winding circumferential layers on a cylindrical section of the liner.
Намотка окружного слоя на больших фланцах. Winding the circumferential layer on large flanges.
Разрезка спирального слоя по линии соединения полукорпусов металлического лейнера. Cutting a spiral layer along the line of connection of the half-shells of a metal liner.
Разворачивание волокон спирального слоя и их укладка на поверхности больших фланцев поверх кольцевого слоя. Deployment of the fibers of the spiral layer and their laying on the surface of large flanges over the annular layer.
Намотка окружного слоя для фиксации развернутых волокон спирального слоя. Winding the circumferential layer to fix the unwrapped fibers of the spiral layer.
Установка оправки с намотанными изделиями в печь и их термическая обработка. Installing the mandrel with wound products in the furnace and their heat treatment.
Разборка оправки, снятие намотанных полукорпусов. Dismantling the mandrel, removing the wound half-shells.
Сварка полукорпусов по центральным шпангоутам. Welding of half-hulls on central frames.
Недостатки способа изготовления:
1. Большая трудоемкость изготовления лейнера (много деталей и сварка).The disadvantages of the manufacturing method:
1. The great complexity of manufacturing a liner (many parts and welding).
2. Большое число операций изготовления бака. 2. A large number of tank manufacturing operations.
3. Использование сталей или титановых сплавов, что утяжеляет конструкцию. 3. The use of steel or titanium alloys, which makes the design heavier.
4. Использование эпоксидного связующего стандартных марок приводит к постепенному трещинообразованию в композиционном материале, частичному попаданию влаги на металлические детали, что приводит к их коррозии и отслаиванию. 4. The use of standard grade epoxy binder leads to a gradual crack formation in the composite material, partial moisture penetration on metal parts, which leads to their corrosion and peeling.
Предлагаемое изобретение относится к авиационно-космической, автомобильной, бытовой и другой техники, где применяются сосуды давления, наполненные сжатым газом или сжиженными компонентами топлива, и направлено на достижение следующих технических результатов:
- снижение трудоемкости изготовления сосудов давления;
- повышение ресурса работы;
- снижение массы;
- снижение количества деталей корпуса до двух.The present invention relates to aerospace, automotive, household and other equipment, where pressure vessels filled with compressed gas or liquefied fuel components are used, and is aimed at achieving the following technical results:
- reducing the complexity of manufacturing pressure vessels;
- increase the resource of work;
- weight reduction;
- reducing the number of body parts to two.
Обеспечение технических результатов достигается тем, что в сосуде давления, имеющем сферическую форму и состоящем из внутренней герметичной оболочки, штуцеров для размещения расходно-заправочной арматуры или заглушек и внешней силовой оболочки из композиционного материала, согласно изобретению внутренняя герметичная тонкостенная оболочка (лейнер) выполнена цельнометаллической из алюминиевого сплава без использования сварных или иных соединений ее частей и имеет две толстостенные горловины с внутренней резьбой, в которых расположены стальные штуцеры для размещения расходно-заправочной арматуры или заглушек, внешняя оболочка выполнена из органопластика на основе эпоксидного связующего, в состав которого введен полиуретановый пластификатор с весовой долей 5 - 18%, а в качестве силовой арматуры использован жгут из органических волокон марки Армос с многозонной геодезической укладкой по сферической поверхности и углами наклона к оси сосуда от 5,7o до 73,15o.The provision of technical results is achieved by the fact that in a pressure vessel having a spherical shape and consisting of an internal airtight shell, fittings for accommodating refueling valves or plugs and an external power shell made of composite material, according to the invention, the internal sealed thin-walled shell (liner) is made of all-metal aluminum alloy without the use of welded or other joints of its parts and has two thick-walled necks with an internal thread, in which we have steel fittings for accommodating consumable fittings or plugs, the outer shell is made of organoplastic based on an epoxy binder, a polyurethane plasticizer with a weight fraction of 5–18% is introduced, and an armos made of organic fibers of the Armos brand with multi-zone was used as power fittings geodetic laying on a spherical surface and angles of inclination to the axis of the vessel from 5.7 o to 73.15 o .
Кроме того, обеспечение технических результатов достигается тем, что в сосуде давления, имеющем цилиндрическую форму со сферическими днищами и состоящем из внутренней металлической герметичной оболочки, двух полюсных горловин и внешней силовой оболочки из композиционного материала, согласно изобретению внутренняя герметичная оболочка (лейнер) выполнена цельнометаллической из алюминиевого сплава без использования сварных или иных соединений ее частей с образованием двух толстостенных горловин с внутренней резьбой в районе полюсных отверстий, в одной из которых расположен стальной штуцер для размещения расходно-заправочной арматуры, а другая горловина герметично заглушена стальной пробкой, внешняя силовая оболочка выполнена из стеклопластика на основе эпоксидного связующего, в состав которого введен полиуретановый пластификатор с весовой долей 5 - 18%, в качестве силовой арматуры использован жгут из стеклянных волокон с многозонной геодезической укладкой по сферическим поверхностям и углами наклона к оси сосуда от 11o до 30o и укладкой по спирали на цилиндрической поверхности с углами наклона к оси сосуда от 11o до 89o, при этом спиральные слои усилены слоями с окружным расположением волокон.In addition, the provision of technical results is achieved by the fact that in a pressure vessel having a cylindrical shape with spherical bottoms and consisting of an internal metal sealed sheath, two pole necks and an external power sheath made of composite material, according to the invention, the internal sealed sheath (liner) is made of all-metal aluminum alloy without the use of welded or other joints of its parts with the formation of two thick-walled necks with internal thread in the region of the pole holes, in one of which there is a steel fitting for accommodating consumable fittings, and the other neck is hermetically sealed with a steel stopper, the outer power shell is made of fiberglass based on an epoxy binder, a polyurethane plasticizer with a weight fraction of 5 - 18% is introduced into as a power used reinforcement tow of glass fibers with multiband geodesic stacking of spherical surfaces and the angles of inclination to the axis of the vessel of 11 o to 30 o and stacking helically on a cylindrical overhnosti with angles of inclination to the axis of the vessel of 11 o to 89 o, wherein the spiral layers reinforced layers with the circumferential arrangement of the fibers.
Обеспечение технических результатов достигается также и тем, что в способе изготовления сосуда давления сферической формы, заключающемся в изготовлении внутренней герметичной оболочки и присоединения к ней штуцеров с последующей намоткой внешней силовой оболочки из композиционного материала, согласно изобретению заготовку в виде толстостенной цилиндрической трубы из алюминиевого сплава с расчетными геометрическими размерами прогревают с одного конца до заданной температуры и формируют одно из днищ методом раскатки, во время которой заготовку вращают и поддерживают в ней заданную температуру прогрева с точностью ±2oC и одновременно формируют горловину днища, при этом операцию формирования днища с горловиной осуществляют в несколько проходов до достижения заданных толщин участков сферической поверхности и горловины, аналогичные операции повторяют на противоположном конце заготовки до образования второго сферического днища с горловиной, далее производят подрезку торцев обеих горловин и нарезку в них внутренней резьбы, после чего полученную заготовку сферического сосуда подвергают низкому отпуску, затем во внутреннюю полость заготовки сферического сосуда вводят необходимое количество инертного наполнителя и размещают ее на специальной установке, где производят ее раздувку до получения шаровой формы, для чего во внутреннюю полость подают заданное воздушное давление с одновременным сжатием вдоль оси горловины заданным усилием, при этом раздувку производят поэтапно с увеличением диаметра сферы на каждом этапе до 20 - 25 мм и низким отпуском после каждого этапа раздутия, после достижения заданного размера сосуда и толщин его стенок на его поверхности гальваническим способом наносят антикоррозионное покрытие и проводят контроль на соответствие конструкторской документации по геометрическим параметрам, дефектоскопию и другие действия, предусмотренные требованиями заказчика, после чего в горловинах днищ устанавливают стальные штуцеры и заглушки с соответствующими герметизирующими уплотнителями, далее лейнер заполняют парафином, размещают на намоточном станке, устанавливают намоточно-полимеризационную оснастку для поддержания постоянного внутреннего давления в лейнере и производят "мокрую" намотку внешней силовой оболочки жгутом марки Армос до достижения заданного количества слоев с укладкой жгута по геодезическим линиям с заданным углом наклона в каждой зоне намотки.Ensuring technical results is also achieved by the fact that in the method of manufacturing a pressure vessel of a spherical shape, which consists in manufacturing an internal airtight shell and connecting the fittings to it, followed by winding the external power shell from a composite material, according to the invention, a workpiece in the form of a thick-walled cylindrical tube made of aluminum alloy with the calculated geometric dimensions are heated from one end to a predetermined temperature and one of the bottoms is formed by the rolling method, during which the second workpiece is rotated and the predetermined heating temperature is maintained within it with an accuracy of ± 2 ° C and at the same time the neck of the bottom is formed, while the operation of forming the bottom with the neck is carried out in several passes until the specified thicknesses of the sections of the spherical surface and the neck are reached, similar operations are repeated at the opposite end of the workpiece until the formation of a second spherical bottom with a neck, then the ends of both necks are trimmed and internal threads are cut in them, after which the resulting workpiece is spherical of the second vessel is subjected to low tempering, then the necessary amount of inert filler is introduced into the inner cavity of the spherical vessel preform and placed on a special installation where it is inflated to obtain a spherical shape, for which a predetermined air pressure is supplied to the inner cavity with simultaneous compression along the specified axis effort, while blowing is carried out in stages with an increase in the diameter of the sphere at each stage to 20 - 25 mm and low tempering after each stage of the swelling, after reaching the set of the vessel’s size and its wall thicknesses, galvanic coating is applied on its surface with a galvanic method and the design documentation for geometric parameters, flaw detection and other actions specified by the customer’s requirements are checked, after which steel fittings and plugs with appropriate sealing gaskets are installed in the neck of the bottoms, then the liner is filled with paraffin, placed on a winding machine, and winding-polymerization equipment is installed to support pressure of constant internal pressure in the liner and produce a “wet” winding of the external power shell with a harness of the Armos brand until a predetermined number of layers is achieved with laying of the harness along geodetic lines with a given angle of inclination in each winding zone.
Кроме того, обеспечение технических результатов достигается также и тем, что в способе изготовления сосуда давления цилиндрической формы со сферическими днищами, заключающемся в изготовлении внутренней металлической оболочки с двумя полюсными горловинами и последующей намоткой внешней силовой оболочки из композиционного материала, согласно изобретению заготовку в виде толстостенной цилиндрической трубы из алюминиевого сплава с расчетными геометрическими размерами прогревают с одного конца до заданной температуры и формируют одно из днищ методом раскатки, во время которой заготовку вращают и поддерживают в ней заданную температуру прогрева с точностью ±2oC и одновременно формируют горловину днища, при этом операцию формирования днища с горловиной осуществляют в несколько проходов до достижения заданных толщин участков сферической поверхности и горловины, аналогичные операции повторяют на противоположном конце заготовки до образования второго сферического днища с горловиной, далее производят подрезку обеих горловин и нарезку в них резьбы по внутреннему диаметру, после чего полученную заготовку сосуда подвергают низкому отпуску, затем во внутреннюю полость заготовки сосуда вводят необходимое количество инертного наполнителя и размещают ее на специальной установке, где производят ее раздувку до заданных геометрических размеров, для чего во внутреннюю полость заготовки сосуда подают заданное воздушное давление с одновременным сжатием вдоль оси цилиндра заданным усилием, при этом раздувку производят поэтапно с увеличением диаметров цилиндрического и сферического участков на каждом этапе до 20 - 25 мм и низким отпуском после каждого этапа раздутия, после достижения заданного размера сосуда и толщин его стенок на его поверхности гальваническим способом наносят антикоррозионное покрытие и проводят контроль на соответствие конструкторской документации и нормативным документам для данного типа изделий, после чего в горловинах днищ устанавливают стальные штуцеры или заглушки с соответствующими герметизирующими уплотнителями, далее лейнер заполняют парафином, размещают на намоточном станке, устанавливают намоточно-полимеризационную оснастку для поддержания постоянного внутреннего давления в лейнере и производят "мокрую" намотку внешней силовой оболочки стеклянным жгутом до достижения заданного количества спиральных слоев на цилиндрическом участке сосуда с подмоткой их заданным числом слоев с окружным расположением волокон и переходом спиральных слоев цилиндрической оболочки в слои с укладкой жгута по геодезическим линиям с заданным углом наклона в каждой зоне намотки на сферических днищах.In addition, the provision of technical results is also achieved by the fact that in the method of manufacturing a pressure vessel of cylindrical shape with spherical bottoms, which consists in the manufacture of an inner metal shell with two pole necks and subsequent winding of the outer power shell from a composite material, according to the invention, a blank in the form of a thick-walled cylindrical aluminum alloy pipes with calculated geometric dimensions are heated from one end to a predetermined temperature and form one of bottoms by rolling, during which the preform is rotated and is maintained in its predetermined warming temperature to within ± 2 o C and simultaneously forming the neck of the bottom, wherein the step of forming the bottom with the neck is performed in several passes until the predetermined thicknesses of the portions of the spherical surface and the neck, similar operations are repeated at the opposite end of the workpiece until a second spherical bottom with a neck is formed, then both the necks are trimmed and the threads are cut into them according to the inner dia labor, after which the obtained vessel preform is subjected to low tempering, then the necessary amount of inert filler is introduced into the inner cavity of the vessel preform and placed on a special installation where it is inflated to a predetermined geometric size, for which a predetermined air pressure is supplied to the inner cavity of the vessel preform simultaneous compression along the cylinder axis with a predetermined force, while blowing is performed in stages with increasing diameters of the cylindrical and spherical sections at each stage up to 20 - 25 mm and low tempering after each stage of swelling, after reaching a predetermined size of the vessel and the thickness of its walls, a corrosion-resistant coating is galvanically applied to its surface and the design documentation and regulatory documents for this type of product are checked for compliance, and then in the neck of the bottoms install steel fittings or plugs with appropriate sealing gaskets, then the liner is filled with paraffin, placed on a winding machine, the winding polymer is installed equipment to maintain constant internal pressure in the liner and produce a “wet” winding of the external power shell with a glass tow until a predetermined number of spiral layers in the cylindrical section of the vessel is reached with their winding in the specified number of layers with a circumferential arrangement of fibers and the transition of the spiral layers of the cylindrical shell into layered layers harness along geodetic lines with a given angle of inclination in each winding zone on spherical bottoms.
Именно заявленные конструкции сосудов давления и способы их изготовления обеспечивают, согласно вариантам изобретения, решение всех поставленных задач и достижение заданных технических результатов. Это позволяет сделать вывод, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом. It is the claimed design of pressure vessels and methods for their manufacture that provide, according to variants of the invention, the solution of all tasks and the achievement of desired technical results. This allows us to conclude that the claimed invention is interconnected by a single inventive concept.
Сравнение заявляемых изобретений с прототипами позволяет установить их соответствие критерию "новизна". При изучении других известных технических решений в данных областях техники признаки, отличающие заявляемые изобретения от прототипов, не были выявлены и потому они обеспечивают заявляемым техническим решениям соответствие критерию "существенные отличия". Comparison of the claimed inventions with prototypes allows us to establish their compliance with the criterion of "novelty." In the study of other well-known technical solutions in these areas of technology, signs that distinguish the claimed invention from prototypes were not identified and therefore they provide the claimed technical solutions with the criterion of "significant differences".
На фиг. 1 изображен общий вид шарового баллона. In FIG. 1 shows a General view of the ball balloon.
На фиг. 2 изображена схема формообразования днища лейнера. In FIG. 2 shows a diagram of the formation of the bottom of the liner.
На фиг. 3 изображена схема раздутия лейнера. In FIG. 3 shows a diagram of a bloat liner.
На фиг. 1-3 обозначено: 1 - внутренняя герметизирующая тонкостенная оболочка (лейнер); 2 - горловина лейнера; 3 - штуцер; 4 - силовая оболочка из композиционного материала; 5 - заготовка; 6 - зажим обкатного станка; 7 - обкатный ролик; 8 - заготовка лейнера; 9 - инертный наполнитель; 10 - пробка; 11 - плита с полусферической полостью. In FIG. 1-3 indicated: 1 - internal sealing thin-walled shell (liner); 2 - neck of the liner; 3 - fitting; 4 - power shell made of composite material; 5 - blank; 6 - clamp obkatnogo machine; 7 - run-in roller; 8 - blank liner; 9 - inert filler; 10 - cork; 11 - plate with a hemispherical cavity.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретений. В качестве примера рассмотрим конструкцию сферического сосуда давления, изготавливаемого по техническому заданию N 212-160 Центра космических исследований им.Хруничева. Information confirming the possibility of carrying out the inventions. As an example, we consider the design of a spherical pressure vessel manufactured according to the technical specifications N 212-160 of the Khrunichev Space Research Center.
Технические характеристики шарового баллона;
Объем - 36 л,
Диаметр - 516 мм,
Рабочее давление - 35 МПа (350 кгс/см2),
Давление разрушения - 91 МПа (910 кгс/см2),
Температурный диапазон работы: от минус 173oC до +100oC,
Газопроницаемость баллона - 0,
Масса баллона ≤ 14,0 кг.Technical characteristics of a ball cylinder;
Volume - 36 L
Diameter - 516 mm
Working pressure - 35 MPa (350 kgf / cm 2 ),
The fracture pressure is 91 MPa (910 kgf / cm 2 ),
Operating temperature range: from minus 173 o C to +100 o C,
The gas permeability of the cylinder is 0,
Cylinder mass ≤ 14.0 kg.
Анализ известных отечественных и зарубежных технических решений показал бесперспективность выполнения ТЗ на основе традиционных конструкций и технологий их изготовления. В результате проведенных проработок была принята следующая конструкция баллона. An analysis of well-known domestic and foreign technical solutions showed the futility of TK on the basis of traditional designs and manufacturing technologies. As a result of the studies, the following cylinder design was adopted.
Внутренняя сферическая герметизирующая тонкостенная оболочка 1 фиг. 1 выполнена из алюминиевого сплава и имеет две толстостенные горловины 2 на ее полюсах. Она выполнена цельнометаллической без использования сварных, паяных или иных соединений ее частей. В отверстиях горловины нарезана резьба и установлены стальные штуцеры 3, имеющие соответствующую конструкцию и конфигурацию для размещения расходно-заправочной арматуры или заглушек. Поверх алюминиевой оболочки (лейнера) расположена внешняя силовая оболочка из композиционного материала 4. Композиционный материал на основе эпоксидного связующего, в состав которого введен полиуретановый пластификатор с высокой долей 5 - 18%, имеет армирующий наполнитель в виде органических волокон марки Армос. Для более равномерного распределения толщины силовой оболочки по поверхности сосуда (баллона) применена многозонная укладка волокон с диапазоном их углов наклона к оси баллона от 5,7o до 73,15o.The inner spherical sealing thin-walled shell 1 of FIG. 1 is made of aluminum alloy and has two thick-walled necks 2 at its poles. It is made all-metal without the use of welded, soldered or other joints of its parts. A thread is threaded in the holes of the neck and steel fittings 3 are installed, having an appropriate design and configuration to accommodate the filling and filling valves or plugs. On top of the aluminum sheath (liner) is an external power sheath made of composite material 4. The composite material based on an epoxy binder, which contains polyurethane plasticizer with a high proportion of 5-18%, has a reinforcing filler in the form of Armos brand organic fibers. For a more uniform distribution of the thickness of the power shell over the surface of the vessel (balloon), multi-zone laying of fibers with a range of their angles of inclination to the axis of the cylinder from 5.7 o to 73.15 o was applied.
Изготовление шарового баллона производят последовательно с изготовления внутренней герметичной тонкостенной оболочки с последующей намоткой на нее силовой оболочки из композиционного материала. The manufacture of a ball balloon is carried out sequentially from the manufacture of an internal sealed thin-walled shell, followed by winding on it a power shell of composite material.
Для изготовления внутренней герметизирующей оболочки используют заготовку в виде толстостенной трубы из алюминиевого сплава определенной марки с расчетными геометрическими размерами (длина, толщина, диаметр). For the manufacture of an internal sealing shell, a billet is used in the form of a thick-walled pipe made of an aluminum alloy of a certain grade with calculated geometric dimensions (length, thickness, diameter).
Формирование днищ лейнера (внутренней герметизирующей алюминиевой оболочки) производят на специальном обкатном станке с программным управлением. Начальная фаза этой операции схематично показана на фиг. 2. Заготовку 5 фиг. 2 закрепляют в зажимах 6 станка, а выступающую часть прогревают до необходимой температуры и поддерживают ее во все время обкатки с точностью ±2oC. Заготовку приводят во вращение и роликом 7 с заданным усилием N производят программированное деформирование материала трубы по заданному контуру с формированием горловины заданной конфигурации. Постепенный многопроходной процесс обкатки завершается приданием заготовке необходимой конфигурации. По завершению операции формирования одного днища заготовку 5 переустанавливают для формирования второго днища.The formation of the bottoms of the liner (internal sealing aluminum shell) is carried out on a special programmed run-in machine. The initial phase of this operation is shown schematically in FIG. 2. The blank 5 of FIG. 2 are fixed in the clamps 6 of the machine, and the protruding part is heated to the required temperature and maintained throughout the break-in with an accuracy of ± 2 o C. The billet is rotated and, using the specified force N, the
Полученную заготовку лейнера закрепляют на токарном станке, где производят подрезку торцев горловин и нарезку в них внутренней резьбы для последующей установки штуцеров 3 фиг. 1. The obtained liner blank is fixed on a lathe, where the ends of the necks are trimmed and the internal thread is cut into them for subsequent installation of the fittings 3 of FIG. 1.
После этих операций производят термообработку лейнера с целью снятия внутренних напряжений и наклепа, которые возникают при проведении предыдущих операций. After these operations, the heat treatment of the liner is performed in order to relieve internal stresses and hardening that occur during previous operations.
Следует отметить, что операция формирования днищ лишь весьма приближенно обеспечивает шаровую форму лейнера. В этой связи осуществляют операцию раздувки лейнера до шаровой формы и заданных размеров. С этой целью заготовку лейнера 8 фиг. 3 заполняют инертным наполнителем (например, сухим песком) 9, заглушают одну из горловин пробкой 10 и устанавливают в приспособлении, состоящем из двух плит 11 с внутренними полусферическими полостями. Через штуцер в другую горловину лейнера подают внутреннее воздушное давление 3 и одновременно нагружают его осевым усилием сжатия S. За одно такое нагружение раздувка производится на 20 - 25 мм по диаметру. It should be noted that the operation of forming the bottoms only very approximately provides the spherical shape of the liner. In this regard, carry out the operation of blowing the liner to a spherical shape and a given size. To this end, the
После раздутия лейнер термообрабатывают. При повторении этих двух операций необходимое число раз получают лейнер сферической формы с заданными параметрами в соответствии с конструкторской документацией. After bloating, the liner is heat treated. When repeating these two operations, the required number of times receive a spherical-shaped liner with specified parameters in accordance with the design documentation.
После проверки лейнера на отсутствие дефектов он поступает на гальванический участок, где на все его поверхности наносят антикоррозионное покрытие. After checking the liner for the absence of defects, it enters the galvanic area, where an anti-corrosion coating is applied to all its surfaces.
Далее производится проверка лейнера на отсутствие дефектов и соответствие его конструкторской документации, после чего в горловины днищ устанавливают стальные штуцеры или заглушки, и лейнер поступает на участок намотки. Next, the liner is checked for defects and its design documentation is consistent, after which steel fittings or plugs are installed in the neck of the bottoms, and the liner enters the winding section.
Перед намоткой силовой оболочки внутреннюю полость лейнера заполняют парафином, устанавливают и закрепляют его на намоточном станке (например, СНП-2), устанавливают намоточно-полимеризационную оснастку для поддержания постоянного внутреннего давления при намотке композиционного материала. Намотку силовой оболочки производят "мокрым" способом жгутом Армос, пропитанным эпоксидным связующим, которое содержит 5-18% полиуретанового пластификатора. При этом контролируют укладку заданного расчетного количества слоев по геодезическим линиям с заданным углом наклона жгута Армос в каждой зоне намотки (3-5 зон). Before winding the power sheath, the inner cavity of the liner is filled with paraffin, installed and fixed on a winding machine (for example, SNP-2), and winding-polymerization equipment is installed to maintain constant internal pressure when winding the composite material. The winding of the power shell is produced by the "wet" method with an Armos tow, impregnated with an epoxy binder, which contains 5-18% polyurethane plasticizer. At the same time, the laying of a given estimated number of layers along geodesic lines with a given angle of inclination of the Armos harness in each winding zone (3-5 zones) is controlled.
По окончании намотки силовой оболочки сферический баллон помещают в нагревательную печь, где по известному режиму проводят процесс ее полимеризации. At the end of the winding of the power shell, the spherical balloon is placed in a heating furnace, where the polymerization process is carried out according to a known mode.
Сосуды давления описанной конфигурации, изготовленные предлагаемым способом, удовлетворяют всем предъявляемым к ним требованиям и решают все поставленные выше технические задачи. The pressure vessels of the described configuration made by the proposed method satisfy all the requirements for them and solve all the above technical problems.
По сравнению с известными сосудами давления аналогичного назначения были получены следующие преимущества:
- трудоемкость и время изготовления сокращена вдвое;
- ресурс работы баллонов увеличен в 1,5-1,8 раз;
- масса предлагаемых баллонов меньше массы цельнометаллических в 4-5 раз и меньше цельнопластмассовых в 3-4 раза (при условии нулевой газопроницаемости);
- существенно снижено количество деталей, входящих в конструкцию баллона (с 8 по прототипу до 4-х);
- баллоны предлагаемой конструкции имеют безосколочный характер разрушения.Compared with known pressure vessels of a similar purpose, the following advantages were obtained:
- the complexity and manufacturing time is halved;
- the life of the cylinders increased by 1.5-1.8 times;
- the mass of the proposed cylinders is 4-5 times less than the weight of all-metal ones and 3-4 times less than all-plastic ones (assuming zero gas permeability);
- significantly reduced the number of parts included in the design of the cylinder (from 8 on the prototype to 4);
- cylinders of the proposed design have a shatterproof nature of destruction.
Аналогичным способом изготавливается цилиндрический баллон, имеющий идентичную конструкцию. Его особенностью является цилиндрический участок между сферическими днищами, на котором между спиральными слоями размещены слои композиционного материала с окружным направлением стеклянных волокон. Причем изготовление цилиндрического баллона с силовой оболочкой из стеклопластика существенно влияет на его цену и делает доступным для применения в изделиях массового применения. Такие баллоны, правда, несколько тяжелее, чем если бы они были изготовлены с применением органопластика. Так, например, цилиндрический баллон для пожаротушения объемом 50 л с внутренним рабочим давлением 20 МПа (200 кгс/см2) имеет массу 18 кг и безосколочный характер разрушения.In a similar way, a cylindrical cylinder having an identical design is made. Its feature is a cylindrical section between the spherical bottoms, on which layers of composite material with a circumferential direction of glass fibers are placed between the spiral layers. Moreover, the manufacture of a cylindrical container with a power shell made of fiberglass significantly affects its price and makes it available for use in mass applications. Such cylinders, however, are somewhat heavier than if they were made using organoplastics. So, for example, a cylindrical fire extinguishing cylinder with a volume of 50 l with an internal working pressure of 20 MPa (200 kgf / cm 2 ) has a mass of 18 kg and a shatterproof fracture.
Источники информации
1. Заявка Германии (DE) N 4139739, 5 F 16 J 12/00, 1993 г.Sources of information
1. Application of Germany (DE) N 4139739, 5 F 16 J 12/00, 1993
2. Заявка Японии (JP) N 58-86520, 5 F 16 J 12/00, 1991 г
3. А.с. СССР N 1714285, 5 F 16 J 12/00, 1992 г.2. Japan Application (JP) N 58-86520, 5 F 16 J 12/00, 1991
3. A.S. USSR N 1714285, 5 F 16 J 12/00, 1992
4. Заявка РФ N 97101070/25, 6 F 16 J 12/00, F 17 C 1/06, 1999, Бюл.1. 4. RF Application N 97101070/25, 6 F 16 J 12/00, F 17 C 1/06, 1999, Bull. 1.
5. Заявка РФ N 95121808/25, 6 F 17 C 1/06, B 29 D 22/00, 1995, Бюл.6. 5. RF application N 95121808/25, 6 F 17 C 1/06, B 29
6. Буланов И.М., Воробей В.В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов. М. : Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана, 1998, стр.482-490. 6. Bulanov I.M., Vorobey V.V. Technology of rocket and aerospace structures from composite materials. M.: Publishing House of MSTU named after N.E.Bauman, 1998, pp. 484-490.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000109690/06A RU2175088C1 (en) | 2000-04-20 | 2000-04-20 | Pressure vessel and method of its manufacture (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000109690/06A RU2175088C1 (en) | 2000-04-20 | 2000-04-20 | Pressure vessel and method of its manufacture (versions) |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2175088C1 true RU2175088C1 (en) | 2001-10-20 |
Family
ID=20233483
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2000109690/06A RU2175088C1 (en) | 2000-04-20 | 2000-04-20 | Pressure vessel and method of its manufacture (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2175088C1 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012144929A1 (en) | 2011-04-21 | 2012-10-26 | Lukyanets Sergei Vladimirovich | High-pressure vessel made of composite materials |
| RU2596538C2 (en) * | 2014-12-24 | 2016-09-10 | Открытое акционерное общество "Композит" | Method for making thin-wall seamless liner for composite tanks made from titanium alloys and liner made using said method |
| RU2653942C1 (en) * | 2016-11-16 | 2018-05-15 | Виктор Степанович Ермоленко | Method of manufacturing built-in tanks in empty aerodynamic profiles (variants) |
| RU2699701C1 (en) * | 2018-11-30 | 2019-09-09 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (БГТУ "ВОЕНМЕХ") | High-pressure bottles manufacturing method |
| RU2758470C2 (en) * | 2007-10-02 | 2021-10-28 | Общество с ограниченной ответственностью НПО "ПОИСК" | High-pressure cylinder (variants) and method for producing same (variants) |
-
2000
- 2000-04-20 RU RU2000109690/06A patent/RU2175088C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| БУЛАНОВ И.М., ВОРОБЕЙ В.В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов. - М.: изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1998, с.482-490. * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2758470C2 (en) * | 2007-10-02 | 2021-10-28 | Общество с ограниченной ответственностью НПО "ПОИСК" | High-pressure cylinder (variants) and method for producing same (variants) |
| WO2012144929A1 (en) | 2011-04-21 | 2012-10-26 | Lukyanets Sergei Vladimirovich | High-pressure vessel made of composite materials |
| RU2596538C2 (en) * | 2014-12-24 | 2016-09-10 | Открытое акционерное общество "Композит" | Method for making thin-wall seamless liner for composite tanks made from titanium alloys and liner made using said method |
| RU2653942C1 (en) * | 2016-11-16 | 2018-05-15 | Виктор Степанович Ермоленко | Method of manufacturing built-in tanks in empty aerodynamic profiles (variants) |
| RU2699701C1 (en) * | 2018-11-30 | 2019-09-09 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (БГТУ "ВОЕНМЕХ") | High-pressure bottles manufacturing method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Azeem et al. | Application of filament winding technology in composite pressure vessels and challenges: a review | |
| Shen | A filament-wound structure technology overview | |
| US7867589B2 (en) | Hybrid cryogenic tank construction and method of manufacture therefor | |
| RU2675173C2 (en) | Improved method for producing high-resistance composite vessels with inner metal liner and vessels made by said method | |
| RU2175088C1 (en) | Pressure vessel and method of its manufacture (versions) | |
| Cho et al. | Effect of dome curvature on failure mode of type4 composite pressure vessel | |
| CN113566107A (en) | Composite gas cylinder with metal composite gas port and manufacturing method thereof | |
| CA3149336A1 (en) | Reinforced hybrid pressure vessel having a plastic liner and metallic boss | |
| Erkal et al. | Fatigue damage in composite cylinders | |
| CN113898869A (en) | Ultrahigh-pressure fully-wound gas cylinder with aluminum alloy liner with one end sealed and bottom and manufacturing method thereof | |
| JP7247062B2 (en) | Method for manufacturing seamless container and method for manufacturing composite container | |
| CN112066240A (en) | High-pressure low-temperature composite material gas cylinder used in liquid oxygen environment and manufacturing method | |
| RU87492U1 (en) | HIGH PRESSURE CYLINDER (OPTIONS) | |
| CN113414556A (en) | Metal composite air port for satellite pressure container and manufacturing method thereof | |
| US20220275908A1 (en) | Method for producing a pressure container and pressure container | |
| CN113883406A (en) | Ultra-high pressure full-wound gas cylinder with oversized aluminum alloy inner container and manufacturing method thereof | |
| CN113883410A (en) | Oversized aluminum alloy inner container high-pressure fully-wound gas cylinder and manufacturing method thereof | |
| Tam et al. | Design and manufacture of a composite overwrapped xenon conical pressure vessel | |
| Chashchilov et al. | Development of a polymer composite material with an epoxy binder for producing a high-pressure cylinder | |
| CN116146880B (en) | High-pressure gas cylinder and manufacturing method thereof | |
| RU2698824C1 (en) | Method for production of composite high-pressure bottle | |
| US11685126B2 (en) | Method and tool for molding a composite pressure vessel liner to a boss | |
| MURRAY et al. | All-composite pressurant tanks for aerospace applications | |
| RU2094695C1 (en) | High-pressure bottle | |
| Radhika et al. | Design, Fabrication and Testing of Composite Overwrapped Pressure Vessel for CNG Storage |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20040421 |