RU2819476C1 - Баллон высокого давления для одновременного восприятия внутреннего давления и внешних нагрузок - Google Patents
Баллон высокого давления для одновременного восприятия внутреннего давления и внешних нагрузок Download PDFInfo
- Publication number
- RU2819476C1 RU2819476C1 RU2023111918A RU2023111918A RU2819476C1 RU 2819476 C1 RU2819476 C1 RU 2819476C1 RU 2023111918 A RU2023111918 A RU 2023111918A RU 2023111918 A RU2023111918 A RU 2023111918A RU 2819476 C1 RU2819476 C1 RU 2819476C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- composite material
- pressure
- cylinder
- pressure cylinder
- layer
- Prior art date
Links
- 230000008447 perception Effects 0.000 title description 6
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 13
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims abstract description 5
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 5
- 229920005596 polymer binder Polymers 0.000 claims abstract description 5
- 239000002491 polymer binding agent Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000000945 filler Substances 0.000 claims abstract description 3
- 239000006260 foam Substances 0.000 claims description 2
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 abstract 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 abstract 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 10
- 238000013461 design Methods 0.000 description 7
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 3
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 2
- 239000002828 fuel tank Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 102200068707 rs281865211 Human genes 0.000 description 2
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 2
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000002905 metal composite material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000003351 stiffener Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000004046 wet winding Methods 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к баллону высокого давления. Баллон высокого давления содержит внутреннюю герметичную изотропную оболочку-лейнер с цилиндрическим участком и днищами, силовой слой композитного материала из перекрещивающихся спиральных лент, охватывающий её поверхность, состоящий из однонаправленных углеродных, стеклянных или органических нитей, скреплённых между собой полимерным связующим. Кроме того, баллон содержит сформированный в лёгком вспененном заполнителе сетчатый слой из пересекающихся спиральных и кольцевых стержней, выполненных из полимерного композиционного материала на основе однонаправленных углеродных, стеклянных или органических нитей и полимерного связующего, снабжённый торцевыми стыковочными шпангоутами. При этом баллон имеет наружную ненесущую обшивку, а сетчатый слой выполнен за одно целое с герметичной оболочкой и слоем композиционного материала на ней. Техническим результатом является снижение общего веса конструкции баллона, повышение прочности, технологичности и надёжности конструкции. 1 ил.
Description
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к баллонам давления для транспортирования и хранения газообразного или жидкого топлива, находящегося под избыточным давлением, а также к элементам их закрепления в летательных аппаратах, одновременно являясь несущим конструктивным элементом, воспринимающим полётные и другие внешние нагружения.
Такой баллон с силовой несущей стенкой может быть использован в летательном аппарате в качестве корпусного силового элемента, являясь одновременно ёмкостью, содержащей рабочее тело и частью фюзеляжа самолёта или ракеты-носителя. В настоящий момент баллоны и ёмкости высокого давления не имеют силовой несущей стенки и должны размещаться внутри корпусов летательных аппаратов, что приводит к избыточному росту его веса.
В эксплуатации уже находятся средства, обеспечивающие возможность транспортирования рабочего тела при невысоком давлении и являющиеся одновременно корпусными элементами. Однако такие средства либо предназначены для относительно невысоких нагрузок и отсутствия требования по жёсткости, либо используют в своей конструкции металлические конструкционные материалы и обладают низким весовым совершенством и невысокой экономической эффективностью. Другим решением является размещение баллонов или баков давления внутри корпусов при помощи специальных систем креплений, что дополнительно уменьшает весовое совершенство летательных аппаратов и снижает надёжность их эксплуатации. Вместе с тем, в случае необходимости повышения скоростей полёта и роста лётных эксплуатационных перегрузок, а также при необходимости транспортирования рабочего тела большой массы и объёма, ни одно из известных решений не позволяет полностью исключить опасность разрушения системы крепления или возникновения нештатных колебаний конструкции, влекущие за собой взаимное столкновения баллона давления и корпуса летательного аппарата при достаточном уровне прочности, надёжности и обеспечении минимума массы конструкции баллона высокого давления.
Известен Торовый шпангоут, патент РФ 2657719 (МПК В63В 3/13, Е04С 2/24, 2017), работающий на внешнее воздействие, при избыточном внутреннем давлении для обеспечения подкрепления цилиндрических оболочке в кольцевом направлении. Данное решение не предназначено для хранения рабочего тела, а является лишь конструктивным силовым элементом.
Известен металлокомпозитный корпус для внешнего давления, патент РФ 2441798 (МПК В63В 3/13, 2012), содержащий дискретные ребра жесткости различной структуры из однонаправленных высокомодульных нитей. Такое решение представляет собой ёмкость давления, снабжённое системой крепления в виде кругового сплошного интерфейсного адаптера, так называемой «юбки», работающую только на внутреннее и внешнее давление, не обладает собственной изгибной, осевой или крутильной жёсткостями, не может передавать их к смежным отсекам и работать на внешние осевые и перерезывающие силы и моменты.
Недостаток вышеперечисленных конструкций состоит в том, что они не предназначены для одновременного использования в качестве баллона хранения рабочего тела под высоким давлением и элемента корпуса или фюзеляжа летательного аппарата для восприятия осевых и перерезывающих сил, изгибающих и крутящих моментов, не обладают осевой, изгибной и крутильной жёсткостями и неспособны передавать нагрузки между соседними отсеками летательных аппаратов.
В результате анализа патентной и научно-технической информации в качестве прототипа заявляемого устройства принято техническое решение по патенту РФ 2157322 (МПК В32В 1/02, F17C 1/06, F17C 1/16, 1999), (регистрационный номер заявки №99123514/02 от 11.04.1999, страна приоритета Россия) в котором описано устройство «Топливного бака летательного аппарата» с системой спиральных однонаправленных рёбер и представляющий собой ёмкость сравнительно невысокого давления – в баке расчётное давление ниже или значительно ниже 1.0 МПа – и относящийся к комбинированным металлостеклопластиковым конструкциям. Кроме этого, данный топливный бак имеет невысокую изгибную и крутильную жёсткости в силу отсутствия регулярного набора поперечных рёбер, замкнутых в кольцевом направлении, интегрально пересекающихся со спиральными, в сетчатой структуре.
Основным недостатком данного бака, как и у перечисленных выше по сравнению с предлагаемым изобретением, является невозможность одновременного использования в качестве самостоятельного корпусного элемента фюзеляжа летательного аппарата и ёмкости для хранения рабочего тела под высоким давлением.
Изобретение относится к баллону высокого давления, предназначенному для транспортирования и хранения рабочего тела в газообразном или жидком состоянии, а также для работы в качестве элемента силового корпуса летательного аппарата и восприятие всего спектра внешних силовых воздействий и передачи необходимой жёсткости между соседними отсеками или элементами.
Задачами (целями) предлагаемого устройства баллона высокого давления для одновременного восприятия внутреннего давления и внешних нагрузок являются:
– исключение необходимости использования систем крепления ёмкости давления, исключение возможности соударения баллона высокого давления с корпусными элементами при его эксплуатации;
– минимизация массы конструкции баллона высокого давления;
– обеспечение надёжности фиксации баллона высокого давления с заданной жёсткостью и прочностью во всех эксплуатационных случаях.
Отличительными особенностями баллона высокого давления по предложенному техническому решению являются следующие признаки:
– исполнение в виде интегральной неразъёмной конструкции, содержащей герметизирующий изотропный лейнер с силовой оболочкой и сетчатую оболочку из полимерных композиционных материалов;
– наличие выступающей за цилиндрическую часть баллона давления сетчатой оболочки, содержащей дополнительные замкнутые в кольцевом направлении поперечные рёбра с регулярным шагом, выполняющей роль переходного отсека для крепления к смежным конструкциям и имеющей стыковочные силовые шпангоуты из полимерного композиционного материала круговой формы;
– способность одновременного восприятия конструкцией всех видов нагружения: хранение рабочего тела в газообразном или жидком состоянии под давлением; восприятие осевой сжимающей или растягивающей силы, изгибающих и крутящих моментов, поперечных сил и внешнего давления окружающей среды; передача необходимой жёсткости между соседними отсеками или элементами.
Единая совокупность новых и общих известных существенных признаков позволяет решить поставленную задачу и достичь новый технический результат: конструкцию баллона высокого давления для одновременного восприятия внутреннего давления и внешних нагрузок минимальной массы, повышенной жёсткости, прочности и надёжности, что характеризует предложенное техническое решение существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа. Новое техническое решение является результатом аналитических исследований, расчётов и опытно-экспериментальных работ, творческого вклада в разработку и создание новых модификаций корпусных элементов летательных аппаратов и ёмкостей давления, получено без использования стандартов или каких-либо рекомендаций в данной области техники, является оригинальным, неочевидным для специалиста, в совокупности новых и общих известных существенных признаков соответствует критерию «изобретательский уровень».
Указанные отличительные признаки баллона высокого давления являются существенными, так как каждый из них в отдельности и совместно направлен на решение поставленной задачи и достижение нового технического результата.
Краткая сущность изобретения поясняется фиг.1.
Заявленный баллон высокого давления для одновременного восприятия внутреннего давления и внешних нагрузок, показанный на фиг.1, содержит герметизирующую изотропную оболочку-лейнер с фитингами для подсоединения к рабочим топливным системам 1, днища с нанесённым силовым слоем композитного материала из перекрещивающихся спиральных лент, охватывающий её поверхность, состоящий из однонаправленных углеродных, стеклянных или органических нитей, скреплённых между собой полимерным связующим 2, лёгкий вспененный заполнитель 3 для формирования рёбер сетчатой структуры и теплоизоляции баллона, сетчатый слой 4 со спиральными и поперечными взаимоперекрещивающимися рёбрами, выполненными из однонаправленного композитного материала, выполненный за одно целое с герметичной оболочкой и слоем композиционного материала на ней, и являющийся неотъемлемой частью несущей стенки баллона, торцевые силовые шпангоуты 5 и наружную ненесущую обшивку 6. К торцевым шпангоутам кругового сечения могут стыковаться смежные корпусные элементы или отсеки летательного аппарата, осуществляться соединение с ракетой-носителем.
Функционирование баллона высокого давления для одновременного восприятия внутреннего давления и внешних нагрузок заключается в одновременном подключении к работе изотропного лейнера, силовой оболочки на лейнере 1-2 и сетчатой структуры, состоящей из интегрально пересекающихся криволинейных спиральных и кольцевых стержней 4, выполненных из перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент из однонаправленного полимерного композиционного материала.
Расчёты, проведённые автором, проектирование и испытание макетного образца устройства показывают значительную эффективность предложенного технического решения для хранения рабочего тела и его использования в качестве силового несущего корпусного элемента в части:
– массовых характеристик – исключение массы переходных отсеков или систем закрепления и объединение силовых конструкций корпуса, баллона и системы крепления в единую конструкцию;
– технологичности – изготовление конструкции изобретения автоматизированными методами непрерывной мокрой намотки в виде интегральной конструкции с минимальным количеством механических соединений-интерфейсов;
– жёсткостные характеристики (минимальные запасы по первым модам) собственных частот изделия, а также запасы прочности для типовых нагрузок не уступают аналогичным характеристикам известных баллонов с системами креплений и корпусным силовым сетчатым элементам, представляющим собой правильный цилиндр и ёмкость давления, обладающую днищами и цилиндрической частью.
Заявленное устройство по сравнению с прототипом обладает существенными отличиями и позволяет существенно снизить массу самого устройства, обеспечить дополнительную жёсткость корпуса и исключить необходимость применения специальных приспособлений, переходных отсеков или элементов крепления баллона к смежным конструкциям ввиду наличия интегральной сетчатой конструкции с силовыми шпангоутами при обеспечении необходимых жёсткости и прочности изделия, повысить технологичность изготовления за счёт применения автоматизированных технологических процессов интегральной конструкции, повысить надёжность изделия за счёт исключения большого количества механических соединений для крепления баллона к секции фюзеляжа летательного аппарата.
Таким образом, предложенное техническое решение по конструктивному исполнению является новым и эффективным по сравнению с известным уровнем техники.
Предложенное изобретение может быть реализовано на стандартном оборудовании с использованием метода автоматизированной намотки по известным технологиям.
Объем предлагаемого изобретения следует понимать шире, чем то конкретное выполнение, приведённое в описании, формуле, чертежах. Следует иметь в виду, что форма выполнения изобретения представляет собой только возможные предпочтительные варианты его осуществления, могут быть различные комбинации в отношении формы, размеров и расположения отдельных элементов, если все это не выходит за пределы объёма технического решения, изложенного в пунктах формулы.
Кроме того, предложенное техническое решение не ограничивается его использованием в корпусных элементов летательных аппаратов, может быть использовано в других областях техники, где требуется применение сетчатой оболочки из композиционных материалов, повышенной жёсткости, прочности и надёжности с одновременной возможностью транспортирования и использования жидкого или газообразного рабочего тела, и других свойств, описанных в материалах заявки.
Новое техническое решение в предложенной совокупности новых и общих известных существенных признаков соответствует и критерию «промышленная применимость», т.е. уровню изобретения.
Claims (1)
- Баллон высокого давления, содержащий внутреннюю герметичную изотропную оболочку-лейнер с цилиндрическим участком и днищами, силовой слой композитного материала из перекрещивающихся спиральных лент, охватывающий её поверхность, состоящий из однонаправленных углеродных, стеклянных или органических нитей, скреплённых между собой полимерным связующим, сформированный в лёгком вспененном заполнителе сетчатый слой из пересекающихся спиральных и кольцевых стержней, выполненных из полимерного композиционного материала на основе однонаправленных углеродных, стеклянных или органических нитей и полимерного связующего, и снабжённый торцевыми стыковочными шпангоутами, имеющий наружную ненесущую обшивку, отличающийся тем, что сетчатый слой выполнен за одно целое с герметичной оболочкой и слоем композиционного материала на ней.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2819476C1 true RU2819476C1 (ru) | 2024-05-21 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4225051A (en) * | 1977-04-15 | 1980-09-30 | L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude | Containers for storing fluids under pressure |
RU2157322C1 (ru) * | 1999-11-04 | 2000-10-10 | Акционерное общество "Центр перспективных разработок "Акционерного общества Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения" | Топливный бак летательного аппарата |
RU99100U1 (ru) * | 2010-07-01 | 2010-11-10 | Закрытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Маштест" | Металлокомпозитный баллон для газообразного водорода высокого давления (варианты) |
RU2750827C1 (ru) * | 2020-12-01 | 2021-07-05 | Олег Станиславович Клюнин | Способ изготовления баллона высокого давления и устройство для пропитки армирующего материала связующим для его осуществления |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4225051A (en) * | 1977-04-15 | 1980-09-30 | L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude | Containers for storing fluids under pressure |
RU2157322C1 (ru) * | 1999-11-04 | 2000-10-10 | Акционерное общество "Центр перспективных разработок "Акционерного общества Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения" | Топливный бак летательного аппарата |
RU99100U1 (ru) * | 2010-07-01 | 2010-11-10 | Закрытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Маштест" | Металлокомпозитный баллон для газообразного водорода высокого давления (варианты) |
RU2750827C1 (ru) * | 2020-12-01 | 2021-07-05 | Олег Станиславович Клюнин | Способ изготовления баллона высокого давления и устройство для пропитки армирующего материала связующим для его осуществления |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10464691B2 (en) | Self-balancing pressure bulkhead | |
JP4616279B2 (ja) | 液化天然ガスの保存タンク及びその製造方法 | |
US5115711A (en) | Missile canister and method of fabrication | |
RU196913U1 (ru) | Силовая конструкция корпуса космического аппарата | |
US7984731B2 (en) | Lightweight high pressure repairable piston tie rod composite accumulator | |
CA2650512A1 (en) | Tail structure for an aircraft or spacecraft | |
Fukunaga et al. | Optimum design of helically wound composite pressure vessels | |
RU196827U1 (ru) | Силовая конструкция корпуса космического аппарата | |
RU2819476C1 (ru) | Баллон высокого давления для одновременного восприятия внутреннего давления и внешних нагрузок | |
CN109094820B (zh) | 环形平板灶式复合材料主承力结构件 | |
RU197021U1 (ru) | Силовая конструкция корпуса космического аппарата | |
EP3012190B1 (en) | Bladder-free fuel tank | |
US9441788B2 (en) | Tank resistant to the overpressures caused by projectile impact | |
RU2340516C1 (ru) | Разгонный блок и силовой шпангоут (2 варианта) | |
CN111114836B (zh) | 大尺寸高基频轻量化表面张力贮箱 | |
EP2420792A1 (en) | Missile canister | |
RU212701U1 (ru) | Силовая конструкция корпуса космического аппарата | |
US20060093804A1 (en) | Blast resistant liner for use in limited access enclosures | |
KR102664437B1 (ko) | 초경량 우주발사체 동체 및 그 제조 방법 | |
JPS6099891A (ja) | トロイダル形タンクを形成する方法とトロイダル形タンク・トラス支持構造 | |
RU203407U1 (ru) | Силовая конструкция корпуса космического аппарата | |
RU2738247C1 (ru) | Топливный бак жидкостных двигательных установок ракет большой грузоподъемности | |
EP4124790B1 (en) | Hydrogen tank for aircrafts | |
RU207383U1 (ru) | Универсальный приборный модуль космического аппарата | |
RU2749468C1 (ru) | Адаптер для нескольких полезных нагрузок в виде оболочки из полимерных композиционных материалов |