RU2554699C2

RU2554699C2 - Metal-plastic high-pressure cylinder

Info

Publication number: RU2554699C2
Application number: RU2013138530/06A
Authority: RU
Inventors: Александр Иванович Андронов; Александр Федорович Разин; Андрей Валерьевич Азаров; Владимир Иванович Халиманович; Анатолий Васильевич Леканов; Леонид Михайлович Бородин; Андрей Викторович Михеев; Геннадий Иванович Овечкин; Александр Васильевич Гордеев
Original assignee: Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва"(АО "ИСС"); Закрытое акционерное общество "Центр перспективных разработок ОАО ЦНИИСМ"(ЗАО "ЦПР ОАО ЦНИИСМ")
Priority date: 2013-08-19
Filing date: 2013-08-19
Publication date: 2015-06-27
Also published as: RU2013138530A

Abstract

FIELD: packaging industry.

SUBSTANCE: cylinder is designed to contain or store gases in compressed, liquefied or solid state. The cylinder comprises a metal liner having a lower and an upper bottom, an outer hardening reinforcing shell of the tape composite material impregnated with the binder. The liner is made in the form of an ellipsoid formed by joining the two bottoms to each other, at that the liner walls are made equal of thickness. the outer hardening reinforcing shell is made along the entire outer surface of the liner with the fastening elements of the structure of the metal-plastic cylinder, which are made by the same tape in the winding process of the reinforcing shell of the liner, at that the tapes, forming the loops spaced evenly outside along the perimeter of connection of the bottoms, are fastened in pairs by means of the plates at one point with a uniform tension when securing the cylinder. At that all the plates are at equidistant distance from the cylinder and made with an opening for the possibility of fixing the cylinder structure with threaded connection.

EFFECT: reducing the weight of the device.

3 dwg

Description

Изобретение относится к общему машиностроению и может быть использовано при производстве сосудов высокого давления из композиционных материалов, предназначенных для помещения или хранения газов в сжатом, сжиженном или твердом состоянии. В частности, может применяться для создания баллонов высокого давления сложной геометрической формы, используемых при производстве космических аппаратов (КА).The invention relates to general engineering and can be used in the manufacture of pressure vessels from composite materials intended for the placement or storage of gases in a compressed, liquefied or solid state. In particular, it can be used to create high-pressure cylinders of complex geometric shapes used in the manufacture of spacecraft (SC).

Известна емкость из композиционного материала (патент РФ на изобретение №2237210), включающая в себя пластиковую оболочку, установленные в полюсных отверстиях оболочки фланцы, состоящие из опорного пера, на которое уложен пластик силовой оболочки, и узла соединения емкости с другими элементами конструкции (соплом или крышкой). В устройстве узел для соединения фланца с другими элементами конструкции вдвинут внутрь корпуса и соединен с внутренней поверхностью опорного пера фланца с помощью конической оболочки таким образом, что срединная поверхность конической оболочки пересекает поверхность опорного пера фланца по окружности, радиус которой больше радиуса полюсного отверстия пластиковой оболочки.A container made of composite material is known (RF patent for the invention No. 2237210), which includes a plastic shell, flanges installed in the pole holes of the shell, consisting of a support pen on which the plastic of the power shell is laid, and a container connection unit with other structural elements (nozzle or cover). In the device, the unit for connecting the flange with other structural elements is pushed inside the housing and connected to the inner surface of the support pen of the flange using a conical shell so that the middle surface of the conical shell intersects the surface of the support pen of the flange in a circle whose radius is greater than the radius of the pole hole of the plastic shell.

Недостаток аналога заключается в повышенной массе, причиной которой является исполнение узла для соединения фланца с другими элементами конструкции. При этом узел выполнен громоздким из-за повышенной концентрации механических нагрузок.The disadvantage of the analogue is the increased mass, the reason for which is the design of the node for connecting the flange to other structural elements. At the same time, the assembly is cumbersome due to the increased concentration of mechanical loads.

В качестве прототипа выбран «Металлопластиковый баллон высокого давления» (патент РФ на изобретение №2310120). Металлопластиковый баллон высокого давления содержит металлический лейнер, имеющий днища, среднюю цилиндрическую часть и внешнюю упрочняющую армирующую оболочку из композиционного материала. При этом цилиндрическая часть лейнера в зонах перехода к днищам с обеих сторон имеет утолщения, а между упрочняющей армирующей оболочкой и наружной поверхностью лейнера имеется антикоррозионное покрытие.As a prototype of the selected "Metal-plastic high-pressure balloon" (RF patent for the invention No. 2310120). The metal-plastic high-pressure cylinder contains a metal liner having bottoms, a middle cylindrical part and an external reinforcing reinforcing shell made of composite material. Moreover, the cylindrical part of the liner in the transition areas to the bottoms on both sides has thickenings, and there is an anti-corrosion coating between the reinforcing reinforcing shell and the outer surface of the liner.

Недостаток прототипа заключается в повышенной массе устройства, причиной которой является исполнение цилиндрической части лейнера, выполненной с утолщением в зонах перехода к днищам с обеих сторон.The disadvantage of the prototype is the increased mass of the device, the reason for which is the execution of the cylindrical part of the liner, made with a thickening in the transition zones to the bottoms on both sides.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является уменьшение массы устройства, не снижая прочности.The problem to which the invention is directed is to reduce the mass of the device without compromising strength.

Данная задача решается за счет того, что металлопластиковый баллон высокого давления содержит металлический лейнер, имеющий нижнее и верхнее днища, внешнюю упрочняющую армирующую оболочку из ленточного композиционного материала, пропитанного связующим. Лейнер выполнен в виде эллипсоида, образованного соединением двух днищ между собой, при этом стенки лейнера выполнены одинаковой толщины. Внешняя упрочняющая армирующая оболочка выполнена по всей наружной поверхности лейнера с элементами крепления конструкции металлопластикового баллона, которые выполнены одной и той же лентой в процессе намотки армирующей оболочки лейнера, при этом ленты, образуя петли, равномерно размещенные снаружи по периметру соединения днищ, скрепляются попарно при помощи пластин в одной точке с равномерным натяжением при креплении баллона. При этом все пластины находятся на равноудаленном от баллона расстоянии и выполнены с отверстием для возможности крепления конструкции баллона резьбовым соединением.This problem is solved due to the fact that the high pressure metal-plastic container contains a metal liner having lower and upper bottoms, an external reinforcing reinforcing shell made of a tape composite material impregnated with a binder. The liner is made in the form of an ellipsoid formed by connecting two bottoms to each other, while the walls of the liner are made of the same thickness. An external reinforcing reinforcing shell is made over the entire outer surface of the liner with fastening elements of the metal-plastic container construction, which are made with the same tape during winding of the reinforcing liner of the liner, while the ribbons, forming loops uniformly placed outside the perimeter of the bottoms, are fastened in pairs with plates at one point with uniform tension when securing the cylinder. In this case, all the plates are at a distance equidistant from the cylinder and are made with a hole for the possibility of mounting the cylinder structure with a threaded connection.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является снижение вибрационных и ударных нагрузок на баллон при выведении КА на орбиту за счет предлагаемой подвесной конструкции крепления, что дополнительно позволяет снизить массу устройства.The technical result provided by the given set of features is to reduce vibration and shock loads on the balloon when the spacecraft is put into orbit due to the proposed suspension mounting design, which further reduces the mass of the device.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:The invention is illustrated by drawings, which depict:

на фиг.1 - металлопластиковый баллон, вид спереди, сверху;figure 1 - metal-plastic balloon, front view, top view;

на фиг.2 - элемент крепления конструкции металлопластикового баллона;figure 2 - fastening element for the construction of a metal-plastic container;

на фиг.3 - металлопластиковый баллон в разрезе, вид A.figure 3 - metal-plastic cylinder in section, view A.

Металлопластиковый баллон высокого давления содержит металлический лейнер 1, имеющий нижнее и верхнее днища, внешнюю упрочняющую армирующую оболочку 2 из ленточного композиционного материала, пропитанного связующим. Лейнер 1 выполнен в виде эллипсоида, образованного соединением двух днищ между собой, при этом стенки лейнера 1 выполнены одинаковой толщины. Наружная поверхность лейнера 1 выполнена с нанесением антикоррозионного покрытия. Внешняя упрочняющая армирующая оболочка 2 выполнена по всей наружной поверхности лейнера 1 с элементами крепления конструкции металлопластикового баллона, которые выполнены одной и той же лентой 3 в процессе намотки армирующей оболочки 2 лейнера 1, при этом ленты 3, образуя петли, равномерно размещенные снаружи по периметру соединения днищ, скрепляются попарно при помощи пластин 4 в одной точке с равномерным натяжением при креплении баллона. При этом все пластины 4 находятся на равноудаленном от баллона расстоянии и выполнены с отверстием для возможности крепления конструкции баллона резьбовым соединением к корпусу 5 КА.The high pressure metal-plastic container contains a metal liner 1 having lower and upper bottoms, an external reinforcing reinforcing shell 2 of a tape composite material impregnated with a binder. The liner 1 is made in the form of an ellipsoid formed by connecting two bottoms to each other, while the walls of the liner 1 are made of the same thickness. The outer surface of the liner 1 is made with anti-corrosion coating. The external reinforcing reinforcing shell 2 is made over the entire outer surface of the liner 1 with fastening elements of the metal-plastic container construction, which are made with the same tape 3 during winding of the reinforcing shell 2 of the liner 1, while the tape 3, forming loops uniformly placed outside the perimeter of the connection bottoms are fastened in pairs using plates 4 at one point with uniform tension when securing the cylinder. In this case, all plates 4 are located at a distance equidistant from the cylinder and are made with a hole for the possibility of mounting the cylinder structure by a threaded connection to the spacecraft 5.

Для обеспечения требуемой прочности конструкции металлопластикового баллона намотка упрочняющей армирующей оболочки выполнена послойно необходимой толщины, количество слоев определяется в зависимости от механических свойств металла лейнера, типа армирующих волокон, а также от размеров и толщины стенок лейнера.To ensure the required structural strength of the metal-plastic balloon, the winding of the reinforcing reinforcing sheath is made in layers of the required thickness, the number of layers is determined depending on the mechanical properties of the liner metal, type of reinforcing fibers, and also on the dimensions and wall thicknesses of the liner.

Металлопластиковый баллон перед установкой на КА подвергается технологической операции автофреттажа - нагружении металлопластикового баллона внутренним давлением, вызывающим в металле лейнера остаточные деформации. В результате чего, после снятия давления, в лейнере создаются сжимающие, а в армирующей оболочке из композиционного материала - растягивающие напряжения в таком соотношении, что при разрушении металлопластикового баллона металлический лейнер и армирующая оболочка, имеющие различные модули упругости, разрушаются одновременно, реализуя свою прочность полностью.Before installing a metal-plastic cylinder, it is subjected to a technological operation of autofretting - loading a metal-plastic cylinder with internal pressure, which causes residual deformations in the liner metal. As a result, after depressurization, compressive stresses are created in the liner, and tensile stresses are created in the reinforcing shell made of composite material in such a ratio that upon destruction of the metal-plastic cylinder, the metal liner and reinforcing shell having different elastic moduli collapse simultaneously, fully realizing their strength .

При установке металлопластикового баллона обеспечивается равномерное натяжение лент элементов крепления конструкции по всему периметру соединения днищ лейнера. Данная конструкция позволяет жестко и прочно закреплять металлопластиковый баллон с выдержкой повышенных механических нагрузок на КА.When installing a metal-plastic cylinder, uniform tension of the tapes of the fastening elements of the structure around the entire perimeter of the connection of the bottoms of the liner is ensured. This design allows you to rigidly and firmly fasten the metal-plastic cylinder with the endurance of increased mechanical loads on the spacecraft.

Обеспечение оптимальных параметров намотки при изготовлении армирующей оболочки: угла намотки, натяжения ленты при намотке, перекрытия краев ленты при намотке с последующим выполнением элементов крепления конструкции металлопластикового баллона приводит к минимальному воздействию ортогональных внутренних напряжений на стенки лейнера при обеспечении заданной прочности, что позволяет не утолщать стенки и производить установку металлопластикового баллона без массивных кронштейнов крепления, что приводит к снижению массы металлопластикового баллона.Ensuring optimal winding parameters in the manufacture of the reinforcing sheath: winding angle, tape tension during winding, overlapping tape edges during winding, followed by fastening of the metal-plastic container construction elements, minimizes the effect of orthogonal internal stresses on the liner walls while ensuring the specified strength, which allows not to thicken the walls and install a metal-plastic cylinder without massive mounting brackets, which leads to a decrease in the mass of metal stikovogo balloon.

В настоящее время устройство находится на стадии завершения наземной отработки с последующим применением на космических аппаратах последних разработок.Currently, the device is at the stage of completion of ground mining with subsequent use on spacecraft of the latest developments.

Claims

A metal-plastic high-pressure cylinder containing a metal liner having lower and upper bottoms, an external reinforcing reinforcing shell of a tape composite material impregnated with a binder, characterized in that the liner is made in the form of an ellipsoid formed by connecting two bottoms to each other, while the walls of the liner are made the same thickness; an external reinforcing reinforcing shell is made over the entire outer surface of the liner with fasteners for the construction of the metal-plastic container, which are made with the same tape during winding of the reinforcing shell of the liner, while the ribbons, forming loops uniformly placed outside the perimeter of the bottoms, are fastened in pairs with plates at one point with uniform tension when attaching the container, while all the plates are equally spaced from the container and made with a hole for fixing the design of the cylinder threaded connection.