RU2268427C2 - High pressure cylinder - Google Patents
High pressure cylinder Download PDFInfo
- Publication number
- RU2268427C2 RU2268427C2 RU2000123128/06A RU2000123128A RU2268427C2 RU 2268427 C2 RU2268427 C2 RU 2268427C2 RU 2000123128/06 A RU2000123128/06 A RU 2000123128/06A RU 2000123128 A RU2000123128 A RU 2000123128A RU 2268427 C2 RU2268427 C2 RU 2268427C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sealing shell
- pressure
- cylinder
- pressure cylinder
- power element
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении баллонов высокого давления для хранения жидкостей и газов, в том числе газовых баллонов для автомобильного транспорта и в модулях стационарных систем пожаротушения.The invention relates to mechanical engineering and can be used in the manufacture of high-pressure cylinders for storing liquids and gases, including gas cylinders for automobile transport and in modules of stationary fire extinguishing systems.
Известны облегченные баллоны, позволяющие снизить массу баллонов за счет использования более высокопрочных и легких материалов, состоящие из тонкостенной внутренней оболочки баллона, включающей днища с горловинами, а также оплетки, и наружной поверхности из композиционных материалов, армированных стекловолокном, углеволокном и т.п.Lightweight cylinders are known to reduce the mass of cylinders through the use of higher strength and lighter materials, consisting of a thin-walled inner shell of the cylinder, including bottoms with necks, as well as braids, and the outer surface of composite materials reinforced with fiberglass, carbon fiber, etc.
Известен баллон высокого давления (см. описание к патенту России 2049955, МКИ6 F 17 C 1/00, опубл. БИ №34, 10.12.95 г.), состоящий из внутренней с кольцевым сварным швом оболочки с днищами горловины, по крайней мере, в одном днище, и наружной армирующей оплетки переменной толщины, при этом внутренняя оболочка выполнена из двух полубаллонов с равными геометрическими параметрами в виде стаканов с днищами, у которых цилиндрическая часть стаканов выполнена тонкостенной относительно днищ с утонением в направлении оси баллона, а свариваемые кромки стаканов утолщены внутрь баллона так, что их наружный диаметр, по крайней мере, меньше наружного диаметра тонкостенной цилиндрической части.Known high-pressure cylinder (see the description of the patent of Russia 2049955, MKI 6 F 17 C 1/00, publ. BI No. 34, 10.12.95,), consisting of an inner with an annular weld seam of the shell with the bottoms of the neck, at least , in one bottom, and an external reinforcing braid of variable thickness, while the inner shell is made of two half-cylinders with equal geometric parameters in the form of glasses with bottoms, in which the cylindrical part of the glasses is thin-walled relative to the bottoms with thinning in the direction of the cylinder axis, and the welded edges of the glasses ut flushed inside the cylinder so that their outer diameter is at least less than the outer diameter of the thin-walled cylindrical part.
Недостатком этой конструкции баллона является нерациональное распределение напряжений в материале внутренней оболочки в местах переменной толщины на цилиндрической части, оказывающее большое влияние на надежность баллона в условиях циклического нагружения.The disadvantage of this design of the container is the irrational distribution of stresses in the material of the inner shell in places of variable thickness on the cylindrical part, which has a great impact on the reliability of the container under cyclic loading.
Задачей, решаемой изобретением, является разработка конструкции баллона высокого давления, обеспечивающего эксплуатационную надежность и оптимизацию массогабаритных и прочностных характеристик баллона.The problem solved by the invention is the development of the design of the high-pressure cylinder, providing operational reliability and optimization of weight and size and strength characteristics of the cylinder.
Техническим результатом, достигаемым в результате решения поставленной задачи, является минимизация массы баллона за счет повышения циклической прочности.The technical result achieved by solving the problem is to minimize the mass of the cylinder by increasing cyclic strength.
Указанный технический результат достигается тем, что в баллоне высокого давления, включающем герметизирующую оболочку и наружный силовой элемент, при этом герметизирующая оболочка выполнена из элементов, соединенных между собой неразъемным соединением, область неразъемного соединения элементов герметизирующей оболочки усилена дополнительным элементом, при этом высота Н и длина L дополнительного элемента связаны соотношением:The specified technical result is achieved in that in a high-pressure cylinder, including a sealing shell and an external power element, the sealing shell is made of elements interconnected by a one-piece connection, the area of one-piece connection of the elements of the sealing shell is reinforced with an additional element, while the height H and length L of the additional element are related by the ratio:
L=H/tgα;L = H / tgα;
где α - угол трения материала силового элемента по материалу дополнительного элемента.where α is the angle of friction of the material of the power element on the material of the additional element.
Кроме того, неразъемное соединение частей герметизирующей оболочки может быть выполнено при помощи сварки или пайки.In addition, the permanent connection of the parts of the sealing shell can be performed by welding or soldering.
Кроме того, дополнительный элемент, усиливающий область неразъемного соединения, может быть выполнен в виде подмотки.In addition, an additional element reinforcing the area of one-piece connection can be made in the form of a winding.
Кроме того, наружный силовой элемент может быть выполнен из композиционного материала, армированного стеклянным, и/или угольным, и/или арамидным, и/или борным, и/или полиамидным, и/или асбестовым, и/или джутовым, и/или хлопковым волокном, а элементы герметизирующей оболочки выполнены из стали или титанового сплава.In addition, the external power element may be made of composite material reinforced with glass, and / or carbon, and / or aramid, and / or boron, and / or polyamide, and / or asbestos, and / or jute, and / or cotton fiber, and the elements of the sealing shell are made of steel or a titanium alloy.
Кроме того, наружный силовой элемент может быть выполнен кольцевой, и/или спиральной, и/или полярной, и/или продольно-поперечной, и/или косослойной продольно-поперечной намоткой.In addition, the external power element can be made circular, and / or spiral, and / or polar, and / or longitudinally-transverse, and / or oblique longitudinally-transverse winding.
Для обеспечения качественного техпроцесса намотки наружной оплетки и, как следствие, высоких характеристик получаемого композита в зоне сварного шва предварительно накладывается кольцевая подмотка (фиг.1).To ensure high-quality technical process of winding the outer braid and, as a result, high characteristics of the composite obtained in the weld zone, an annular winding is preliminarily applied (Fig. 1).
При этом длина L и высота Н подмотки связаны соотношением:The length L and the height H of the winding are related by the ratio:
L=Н/tgα;L = H / tgα;
где α - угол трения материала силового элемента по материалу дополнительного элемента.where α is the angle of friction of the material of the power element on the material of the additional element.
Угол трения α зависит от вязкости и наличия связующего, качества поверхности, силы натяжения волокон материала при намотке и определяется из справочника или экспериментальным путем.The friction angle α depends on the viscosity and the presence of a binder, surface quality, tensile strength of the fibers of the material during winding and is determined from the reference book or experimentally.
Заявленный баллон иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 - конструкция баллона высокого давления; на фиг.2 - поперечное сечение области неразъемного соединения с усилительным элементом.The claimed cylinder is illustrated by drawings, where in Fig.1 - design of a high-pressure cylinder; figure 2 is a cross section of the area of one-piece connection with an amplifying element.
Баллон высокого давления включает герметизирующую оболочку 1, состоящую из элементов 2, соединенных между собой неразъемным (например, сварным или паяным) соединением 3, при этом область последнего усилена подмоткой дополнительным элементом 4 и наружным силовым элементом 5, который может быть выполнен кольцевой, и/или спиральной, и/или полярной намоткой стекловолокна, углеволокна и т.д.The high-pressure cylinder includes a sealing shell 1, consisting of
Баллон высокого давления работает следующим образом. После изготовления баллона герметизирующая оболочка 1 и наружный силовой элемент 5 находятся в напряженном состоянии, в них имеются остаточные напряжения. В наружном силовом элементе 5 имеются остаточные растягивающие напряжения, а в герметизирующей оболочке 1 остаточные сжимающие. В процессе закачивания газа в баллон, по мере роста внутреннего давления, сжимающие напряжения герметизирующей оболочки 1 постепенно становятся равны нулю и переходят в растягивающие при рабочем давлении. При этом необходимо соблюдение следующих условий: остаточные напряжения в материале герметизирующей оболочки 1 должны быть равны по абсолютной величине напряжениям, возникающим в результате нагружения баллона рабочим давлением (рабочим напряжениям), т.е. цикл нагружения должен быть симметричным; рабочие напряжения должны быть меньше напряжений, характеризующих усталостные свойства материала, например предела усталости материала герметизирующей оболочки 1; рабочие напряжения, возникающие в материале наружного силового элемента 5, должны быть меньше напряжений, характеризующих усталостные свойства материала, например предела усталости материала последнего. Особенностью композиционного материала на основе стеклянных, угольных или иных волокон является практически линейная диаграмма деформирования вплоть до разрушения. По сравнению с конструкционными металлическими материалами поведение композиционного материала является упругим. Это дает возможность в процессе нагружения баллона внутренним давлением достичь без разрушения баллона такого напряженного состояния последнего, когда герметизирующая оболочка вступит в фазу пластических деформаций. После сброса давления герметизирующая оболочка, получавшая остаточные деформации, не сможет вернуться к своему первоначальному состоянию, а наружный силовой элемент из композиционного материала будет стремиться вернуться в исходное состояние, в результате чего на герметизирующую оболочку будут действовать сжимающие напряжения.The high pressure cylinder operates as follows. After the manufacture of the cylinder, the sealing shell 1 and the outer power element 5 are in a stressed state, they have residual stresses. In the external power element 5 there are residual tensile stresses, and in the sealing shell 1 there are residual compressive stresses. In the process of pumping gas into the container, as the internal pressure rises, the compressive stresses of the sealing shell 1 gradually become equal to zero and become tensile at working pressure. In this case, the following conditions must be observed: the residual stresses in the material of the sealing shell 1 must be equal in absolute value to the stresses arising as a result of loading the cylinder with working pressure (operating voltage), i.e. loading cycle should be symmetrical; operating stresses must be less than stresses characterizing the fatigue properties of the material, for example, the fatigue limit of the material of the sealing shell 1; the working stresses arising in the material of the external power element 5 should be less than the stresses characterizing the fatigue properties of the material, for example, the fatigue limit of the material of the latter. A feature of a composite material based on glass, carbon or other fibers is an almost linear diagram of deformation up to fracture. Compared to structural metallic materials, the behavior of the composite material is resilient. This makes it possible in the process of loading the cylinder with internal pressure to achieve, without breaking the cylinder, such a stressed state of the latter when the sealing shell enters the phase of plastic deformation. After depressurization, the sealing shell receiving permanent deformations will not be able to return to its original state, and the external force element from the composite material will tend to return to its original state, as a result of which compressive stresses will act on the sealing shell.
Баллон изготавливают следующим образом. Первоначально вырубают из листа заготовку и производят штамповку для получения элемента баллона, затем осуществляют сварку элементов и вваривание горловины, в результате чего получают внутреннюю герметизирующую оболочку баллона. Следующей операцией техпроцесса является термообработка полученной оболочки для снятия напряжений, возникающих в процессе сварки, затем производят подмотку области сварного шва с соблюдением заданных размеров (L и Н), после чего производят сплошную, и/или спиральную, и/или полярную намотку герметизирующей оболочки до необходимой толщины. После отверждения связующего производят нагружение баллона расчетным внутренним давлением до возникновения в герметизирующей оболочке остаточных напряжений. Последним этапом техпроцесса являются испытания баллона на прочность и герметичность.The balloon is made as follows. Initially, a blank is cut from the sheet and stamping is performed to obtain a cylinder element, then the elements are welded and the neck is welded, as a result of which an inner sealing shell of the cylinder is obtained. The next operation of the process is the heat treatment of the resulting shell to relieve stresses arising during the welding process, then the winding of the weld area is carried out in compliance with the specified dimensions (L and H), after which continuous, and / or spiral, and / or polar winding of the sealing shell to the required thickness. After curing the binder, the cylinder is loaded with the calculated internal pressure until residual stresses appear in the sealing shell. The last stage of the process is testing the cylinder for strength and tightness.
Таким образом, использование изобретения позволяет производить металлопластиковые баллоны высокого давления, обеспечивая максимальную циклическую прочность и минимальную массу баллона.Thus, the use of the invention allows the production of metal-plastic high-pressure cylinders, providing maximum cyclic strength and minimum mass of the cylinder.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000123128/06A RU2268427C2 (en) | 2000-09-07 | 2000-09-07 | High pressure cylinder |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000123128/06A RU2268427C2 (en) | 2000-09-07 | 2000-09-07 | High pressure cylinder |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2000123128A RU2000123128A (en) | 2002-08-10 |
| RU2268427C2 true RU2268427C2 (en) | 2006-01-20 |
Family
ID=35835199
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2000123128/06A RU2268427C2 (en) | 2000-09-07 | 2000-09-07 | High pressure cylinder |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2268427C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2757951C1 (en) * | 2020-12-23 | 2021-10-25 | Общество с ограниченной ответственностью «Инспрем» | Pressure vessel |
-
2000
- 2000-09-07 RU RU2000123128/06A patent/RU2268427C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2757951C1 (en) * | 2020-12-23 | 2021-10-25 | Общество с ограниченной ответственностью «Инспрем» | Pressure vessel |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2000123128A (en) | 2002-08-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8474647B2 (en) | Metallic liner with metal end caps for a fiber wrapped gas tank | |
| JP5956602B2 (en) | Accumulator | |
| JP2019527321A (en) | Pressure vessel with tape-based reinforcement structure | |
| CN103148340B (en) | High-pressure gas cylinder with steel wire winding structure | |
| JP5694564B2 (en) | Reduction of residual stress in welding | |
| JP2017048912A (en) | High pressure tank | |
| AU2015212419B2 (en) | Improved method to produce high-resistance composite vessels with inner metal liner and vessels made by said method | |
| RU2162564C1 (en) | Pressure bottle made from composite materials and method of manufacture of such bottles | |
| RU2268427C2 (en) | High pressure cylinder | |
| JP2007113590A (en) | Pressure container liner and its manufacturing method | |
| US5035355A (en) | Method for the production of a warp beam, and warp beam so produced | |
| RU2187746C2 (en) | Metal liner, high-pressure bottle made form metal-filled plastic (versions) and method of manufacture of high-pressure bottle from metal- filled plastic | |
| CN203273275U (en) | Steel wire winding structure high-pressure gas cylinder | |
| WO2013083152A1 (en) | Composite pressure vessel and method for manufacturing the same | |
| CN105299438B (en) | A kind of manufacture method of metal lining composite ring gas bottle | |
| RU2175088C1 (en) | Pressure vessel and method of its manufacture (versions) | |
| RU2432521C2 (en) | Metal composite high pressure vessel | |
| Faddoul | Structural considerations in design of lightweight glass-fiber composite pressure vessels | |
| Escalona et al. | Design of a high performance load sharing lined COPV for ATLAS/Centaur | |
| RU193002U1 (en) | COMPRESSED NATURAL GAS STORAGE CYLINDER | |
| Zheng et al. | Unique design of the junction between a thick pressure vessel shell and a thinner hemispherical head | |
| Hamstad et al. | Fatigue performance of metal-lined graphite/epoxy pressure vessels | |
| RU2168083C2 (en) | High-pressure cylinder | |
| Ma et al. | Development technique of xenon composite over-wrap pressure vessel for electric propulsion system | |
| RU2395749C1 (en) | Manufacturing method of high-pressure cylinder from polymer composite materials, and high-pressure cylinder from polymer composite materials |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FZ9A | Application not withdrawn (correction of the notice of withdrawal) |
Effective date: 20050418 |
|
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20121115 |
|
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20140411 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160908 |