WO2010024708A1 - Баллон высокого давления - Google Patents

Баллон высокого давления Download PDF

Info

Publication number
WO2010024708A1
WO2010024708A1 PCT/RU2008/000574 RU2008000574W WO2010024708A1 WO 2010024708 A1 WO2010024708 A1 WO 2010024708A1 RU 2008000574 W RU2008000574 W RU 2008000574W WO 2010024708 A1 WO2010024708 A1 WO 2010024708A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
reinforcing material
oriented
belt
cylindrical
liner
Prior art date
Application number
PCT/RU2008/000574
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Сергей Владимирович ЛУКЬЯНЕЦ
Николай Григорьевич МОРОЗ
Original Assignee
Lukyanets Sergei Vladimirovich
Moroz Nikolai Grigorievich
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Lukyanets Sergei Vladimirovich, Moroz Nikolai Grigorievich filed Critical Lukyanets Sergei Vladimirovich
Priority to PCT/RU2008/000574 priority Critical patent/WO2010024708A1/ru
Publication of WO2010024708A1 publication Critical patent/WO2010024708A1/ru

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C1/00—Pressure vessels, e.g. gas cylinder, gas tank, replaceable cartridge
    • F17C1/02—Pressure vessels, e.g. gas cylinder, gas tank, replaceable cartridge involving reinforcing arrangements
    • F17C1/04—Protecting sheathings
    • F17C1/06—Protecting sheathings built-up from wound-on bands or filamentary material, e.g. wires
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2201/00—Vessel construction, in particular geometry, arrangement or size
    • F17C2201/01—Shape
    • F17C2201/0104—Shape cylindrical
    • F17C2201/0109—Shape cylindrical with exteriorly curved end-piece
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2201/00—Vessel construction, in particular geometry, arrangement or size
    • F17C2201/05—Size
    • F17C2201/056—Small (<1 m3)
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2201/00—Vessel construction, in particular geometry, arrangement or size
    • F17C2201/05—Size
    • F17C2201/058—Size portable (<30 l)
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2203/00—Vessel construction, in particular walls or details thereof
    • F17C2203/06—Materials for walls or layers thereof; Properties or structures of walls or their materials
    • F17C2203/0602—Wall structures; Special features thereof
    • F17C2203/0604—Liners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2203/00—Vessel construction, in particular walls or details thereof
    • F17C2203/06—Materials for walls or layers thereof; Properties or structures of walls or their materials
    • F17C2203/0602—Wall structures; Special features thereof
    • F17C2203/0612—Wall structures
    • F17C2203/0614—Single wall
    • F17C2203/0619—Single wall with two layers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2203/00—Vessel construction, in particular walls or details thereof
    • F17C2203/06—Materials for walls or layers thereof; Properties or structures of walls or their materials
    • F17C2203/0634—Materials for walls or layers thereof
    • F17C2203/0636—Metals
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2203/00—Vessel construction, in particular walls or details thereof
    • F17C2203/06—Materials for walls or layers thereof; Properties or structures of walls or their materials
    • F17C2203/0634—Materials for walls or layers thereof
    • F17C2203/0658—Synthetics
    • F17C2203/0663—Synthetics in form of fibers or filaments
    • F17C2203/0665—Synthetics in form of fibers or filaments radially wound
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2203/00—Vessel construction, in particular walls or details thereof
    • F17C2203/06—Materials for walls or layers thereof; Properties or structures of walls or their materials
    • F17C2203/0634—Materials for walls or layers thereof
    • F17C2203/0658—Synthetics
    • F17C2203/0663—Synthetics in form of fibers or filaments
    • F17C2203/067—Synthetics in form of fibers or filaments helically wound
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2203/00—Vessel construction, in particular walls or details thereof
    • F17C2203/06—Materials for walls or layers thereof; Properties or structures of walls or their materials
    • F17C2203/068—Special properties of materials for vessel walls
    • F17C2203/069—Break point in the wall
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2205/00—Vessel construction, in particular mounting arrangements, attachments or identifications means
    • F17C2205/03—Fluid connections, filters, valves, closure means or other attachments
    • F17C2205/0302—Fittings, valves, filters, or components in connection with the gas storage device
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2205/00—Vessel construction, in particular mounting arrangements, attachments or identifications means
    • F17C2205/03—Fluid connections, filters, valves, closure means or other attachments
    • F17C2205/0388—Arrangement of valves, regulators, filters
    • F17C2205/0394—Arrangement of valves, regulators, filters in direct contact with the pressure vessel
    • F17C2205/0397—Arrangement of valves, regulators, filters in direct contact with the pressure vessel on both sides of the pressure vessel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2209/00—Vessel construction, in particular methods of manufacturing
    • F17C2209/23—Manufacturing of particular parts or at special locations
    • F17C2209/232—Manufacturing of particular parts or at special locations of walls
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2221/00—Handled fluid, in particular type of fluid
    • F17C2221/01—Pure fluids
    • F17C2221/011—Oxygen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2223/00—Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel
    • F17C2223/01—Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel characterised by the phase
    • F17C2223/0107—Single phase
    • F17C2223/0123—Single phase gaseous, e.g. CNG, GNC
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2225/00—Handled fluid after transfer, i.e. state of fluid after transfer from the vessel
    • F17C2225/03—Handled fluid after transfer, i.e. state of fluid after transfer from the vessel characterised by the pressure level
    • F17C2225/036—Very high pressure, i.e. above 80 bars
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2260/00—Purposes of gas storage and gas handling
    • F17C2260/01—Improving mechanical properties or manufacturing
    • F17C2260/011—Improving strength
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2260/00—Purposes of gas storage and gas handling
    • F17C2260/01—Improving mechanical properties or manufacturing
    • F17C2260/012—Reducing weight
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2260/00—Purposes of gas storage and gas handling
    • F17C2260/01—Improving mechanical properties or manufacturing
    • F17C2260/017—Improving mechanical properties or manufacturing by calculation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2270/00—Applications
    • F17C2270/01—Applications for fluid transport or storage
    • F17C2270/0165—Applications for fluid transport or storage on the road
    • F17C2270/0168—Applications for fluid transport or storage on the road by vehicles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2270/00—Applications
    • F17C2270/02—Applications for medical applications
    • F17C2270/025—Breathing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2270/00—Applications
    • F17C2270/07—Applications for household use
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2270/00—Applications
    • F17C2270/07—Applications for household use
    • F17C2270/079—Respiration devices for rescuing

Definitions

  • the present invention relates to the field of gas equipment and can be applied to pressure vessels used, in particular, in portable oxygen breathing apparatus for climbers, rescuers, portable products of cryogenic and fire fighting equipment, gas supply systems and automotive equipment.
  • High-pressure metal-plastic balloons currently produced contain an inner metal sealed shell - a liner and an outer plastic power shell formed by winding a bundle of high-modulus fiber (for example, fiberglass, carbon fiber, organic fiber) impregnated with a binder on the surface of the liner.
  • high-modulus fiber for example, fiberglass, carbon fiber, organic fiber
  • the effectiveness of the use of composite pressure vessels is determined by the degree of perfection of the reinforcement technology - the process of continuous winding.
  • This method involves determining the rational structure of the material, i.e. the number and order of alternating layers, orientation angles and type of reinforcing materials in them, their relative content in the composition and other parameters.
  • layers should be understood as layers with a corresponding arrangement of reinforcing fibers (circular or spiral laying direction) of the composite material during winding.
  • the thickness of the annular or spiral layers should be understood as the total set of reinforcing fibers with the corresponding location, referred to the unit length of the shell section.
  • the sequence of arrangement of layers with an annular and spiral arrangement of reinforcing fibers over the thickness of the shell wall may be different.
  • the priority is to reduce the specific material consumption of the cylinder, determined by the ratio the mass of the cylinder to its volume, and ensuring a high resource in the number of loading cycles during safe operation of the cylinder.
  • the current technology for the resource design of cylinders which ensures not only the strength of structures at single static loads and the upcoming life of the cylinder, additionally determines the localization of possible structural failure under extreme static loading conditions with a specifying fracture shape and protection against possible expansion fragments formed (see, for example, standards GOST NPB 190-2000, EN 12245, EN 14427, ISO 1119-3 and others).
  • a known high-pressure cylinder containing a thin-walled metal cylindrical liner with one neck in the bottom and an external power shell made of composite material formed by a combination of groups of layers of high-modulus threads of reinforcing material oriented in spiral and circumferential directions with specified linear stacking densities (see RU 2244868 Cl, 04/10/2004)
  • the objective of the invention is to expand the arsenal of technical means by creating a new design of high-pressure cylinders made of composite materials with a given shape and destruction zone.
  • the technical result from the application of the claimed design is to increase strength and reliability with a minimum mass of a given shape and fracture zone at maximum loads, ensuring a high resource in the number of loading cycles for safe operation of the cylinder.
  • the advantage of the invention lies in the simplicity of its technological implementation and consumer appeal, because the consumer has the opportunity not to be afraid of the destruction of the high-pressure cylinder when reaching the maximum loads, due to the shatterproof form of its destruction at these loads. This expands the possibilities of using the vessel according to the invention, especially in domestic conditions and on vehicles where compressed gases are used.
  • the cylinder contains a thin-walled metal cylindrical liner and an external power shell made of composite material
  • a local belt of predicted fracture is made in the form of a shell part bounded inside the cylindrical surface of the liner and on the outside by the surface of a ruled unipolar rotation hyperboloid formed spirally oriented threads of reinforcing material, with a linear density of laying of threads of reinforcing material oriented in the circumferential direction is not more than 70% of the linear density of the yarn laydown reinforcing material oriented in the circumferential direction on the cylindrical portion.
  • the technical result is achieved by the fact that along the length of the belt of predicted fracture the same type of layers of reinforcing material formed by oriented threads in the spiral and circular directions of the cylindrical section are placed on surfaces that are different from the surface of the liner, as well as by the fact that the linear density of the predicted fracture has a linear density of threads circumferential reinforcement smoothly decreases to half the length of the generatrix of the hyperboloid in the direction of its smaller section.
  • the length of the local belt of the predicted fracture exceeds (20 - 25) times the total thickness of the annular ribbons of the reinforcing material outside the zone of the local belt of the predicted fracture.
  • Figure l shows a pressure vessel (in longitudinal section).
  • Fig.2 shows a sectional profile of a local belt of predicted destruction.
  • Figure 5 and Figure 6 shows the pattern of destruction of the local belt.
  • Figure 7 presents a view of the destruction of the experimental balloon in the local zone at a pressure of 930 bar.
  • a pressure vessel for a fluid has a sealing metal liner 1 and a power shell 2 made of a composite material, which is used as a high-strength thread, for example, carbon fiber or fiberglass.
  • the specified shell 2 is obtained by winding unidirectional filaments on a metal liner 1 in spiral and circular directions with simultaneous impregnation with a polymer binder, for example, epoxy resin, of each layer of the carcass and its subsequent thermal curing.
  • a polymer binder for example, epoxy resin
  • the functioning of the power composite shell of the container consists in finding it in such a stress-strain state under the action of internal pressure, in which the stress concentration in the ring reinforcement material is localized in the local belt and there are no changes in the spiral reinforcement material.
  • the maximum pressure in the cylinder is reached, the material of the ring reinforcement along the length of the local belt is destroyed, the metal liner is also destroyed, and the material of the spiral reinforcement, due to its presence on the outer surface in the form of a single-band hyperboloid, is deformed and takes the form of a "Chinese lantern", which allows not to miss the expansion of the destruction of the liner of metal fragments.
  • the threads of the ring reinforcement 3 with a linear reinforcement density less than the density of the ring reinforcement along the entire length of the cylindrical part of the liner are wound on a certain length of the cylindrical part of the liner (the length of the future local belt of predicted fracture). Moreover, the thickness of the ring reinforcement obtained in this zone is less than the total thickness of the ring reinforcement 3. As a result of such a reinforcement circuit, a local concentrator of circumferential stresses arises in the composite shell 2 when the cylinder is loaded with internal pressure. The winding of threads of spiral reinforcement 4 in the considered zone is carried out only after winding the threads of ring reinforcement 3.
  • a surface is formed in the form of a one-sheeted linear hyperboloid of revolution. Together, such reinforcement allows you to create a local belt of predicted destruction in the power shell.
  • the length of the local zone of the predicted fracture can be determined as the length of the zone of perturbations of the edge effect when articulating different thickness shells. For reasons of strength, it is advisable to assign this length as a value of 20 to 25 thicknesses of the power shell of the container.
  • the amount of reinforcing material along the length of the local belt of predicted fracture is recommended to be reduced by 30% compared with the amount of reinforcing material on the cylindrical part of the power shell.
  • the layers of reinforcing material formed by threads oriented in the spiral and circular directions of the cylindrical section are placed in pairs on surfaces equidistant from the inner surface of the liner, that is, alternately in pairs along the wall thickness of the power shell.
  • Such placement and alternation of layers of reinforcing threads allows to localize the destruction in the zone of the belt of the predicted destruction in the form of a "Chinese lantern" and to prevent the spread of the resulting fragments during the destruction of the liner (see Fig. 5.6 and 7).
  • the present invention can be applied to pressure vessels used, in particular, in portable oxygen breathing apparatus for climbers, rescuers, in portable products of cryogenic and fire fighting equipment, gas supply systems and automotive equipment.
  • portable oxygen breathing apparatus for climbers, rescuers
  • portable products of cryogenic and fire fighting equipment gas supply systems and automotive equipment.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)

Abstract

Изобретение направлено на повышение прочности и надежности баллона. Указанный технический результат достигается тем, что баллон высокого давления содержит тонкостенный замкнутый герметизирующий металлический цилиндрический лейнер по крайней мере с одной горловиной в днище и внешнюю силовую оболочку из композитного материала, образованную комбинацией групп слоев высокомодульных нитей армирующего материала, ориентированных в спиральных и окружных направлениях с заданными линейными плотностями укладки, при этом на цилиндрической части баллона в силовой оболочке выполнен локальный пояс прогнозируемого разрушения в виде части оболочки, ограниченной внутри цилиндрической поверхностью лейнера и снаружи поверхностью линейчатого однополюсного гиперболоида вращения образованную спирально ориентированными нитями армирующего материала, причем линейная плотность укладки нитей армирующего материала ориентированных в окружном направлении составляет не более 70% линейной плотности укладки нитей армирующего материала ориентированных в окружном направлении на цилиндрической части, а длина его выбирается из условия сохранения равенства d1sinφ1 = d2*sin φ2 для спирально ориентированных нитей армирующего материала, где d1 - диаметр сечения по цилиндрической поверхности силовой оболочки, d2 - диаметр минимального сечения поверхности гиперболоида вращения, φ1, φ2 - углы ориентации спиральных нитей в данных сечениях соответственно.

Description

БАЛЛОН ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
Область техники
Настоящее изобретение относится к области газовой аппаратуры и может быть применено к сосудам высокого давления, используемым, в частности, в портативных кислородных дыхательных аппаратах альпинистов, спасателей, в переносных изделиях криогенной и противопожарной техники, системах газообеспечения и автомобильной технике.
Предшествующий уровень техники
Выпускаемые в настоящее время металлопластиковые баллоны высокого давления содержат внутреннюю металлическую герметичную оболочку - лейнер и внешнюю силовую пластиковую оболочку, образованную намоткой на поверхность лейнера жгута из высокомодульного волокна (например, стекловолокна, углеволокна, органического волокна), пропитанного связующим .
Практическая привлекательность баллонов с корпусом из композиционного материала заключается в том, что они обладают достаточно малым весом, легко транспортируются и способны выдерживать значительное давление (200-300 бар) при многократной цикличности нагружения.
Эффективность применения композиционных сосудов давления определяется степенью совершенства технологии армирования - процесса непрерывной намотки. Этот метод предусматривает определение рациональной структуры материала, т.е. числа и порядка чередования слоев, углов ориентации и вида армирующих материалов в них, их относительного содержания в композиции и других параметров. При этом, под слоями следует понимать слои с соответствующим расположением армирующих волокон (кольцевое или спиральное направление укладки) композиционного материала при намотке. Под толщиной кольцевых или спиральных слоев следует понимать суммарное множество армирующих волокон с соответствующим расположением, отнесенное к единице длины сечения оболочки. При этом очередность расположения слоев с кольцевым и спиральным расположением армирующих волокон по толщине стенки оболочки может быть различной.
Среди требований, предъявляемых к газовым баллонам, приоритетными являются снижение удельной материалоемкости баллона, определяемой отношением массы баллона к его объему, и обеспечение высокого ресурса по числу циклов нагружения при безопасной эксплуатации баллона.
В то же время сложившаяся в настоящее время технология ресурсного проектирования баллонов, при которой обеспечивается не только прочность конструкций при однократных статических нагрузках и предстоящий ресурс эксплуатации баллона, дополнительно определяет локализацию возможного разрушения конструкции при предельных статических условиях нагружения с заданием формы разрушения и предохранением от возможного разлета образующихся осколков (см. например стандарты ГОСТ НПБ 190-2000, EN 12245, EN 14427 , ISO 1119-3 и другие).
Известен баллон высокого давления, содержащий тонкостенный металлический цилиндрический лейнер с одной горловиной в днище и внешнюю силовую оболочку из композитного материала, образованную комбинацией групп слоев высокомодульных нитей армирующего материала, ориентированных в спиральных и окружных направлениях с заданными линейными плотностями укладки (см. RU 2244868 Cl, 10.04.2004)
Основным недостатком известного решения конструкции баллона с оболочкой из композиционного материала является то, что оно не выполняют предъявляемых нормативными документами требований по характеру разрушения при предельных нагрузках. Данный недостаток сдерживает их широкое применение в бытовых условиях и на транспортных средствах.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является расширение арсенала технических средств путем создания новой конструкции баллонов высокого давления из композиционных материалов с заданной формой и зоной разрушения.
Техническим результатом от применения заявленной конструкции является повышение прочности и надежности при минимальной массе заданной формой и зоной разрушения при предельных нагрузках, обеспечение высокого ресурса по числу циклов нагружения при безопасной эксплуатации баллона.
Преимущество изобретения заключается в простоте его технологической реализации и потребительской привлекательности, т.к. у потребителя появляется возможность не опасаться разрушения баллона высокого давления при достижении предельных нагрузок, благодаря безосколочной форме его разрушения при этих нагрузках. Это расширяет возможности использования- сосуда по изобретению особенно в бытовых условиях и на транспортных средствах, где используются сжатые газы.
Технический результат достигается тем, что баллон содержит тонкостенный металлический цилиндрический лейнер и внешнюю силовую оболочку из композитного материала, на цилиндрической части баллона в силовой оболочке выполнен локальный пояс прогнозируемого разрушения в виде части оболочки, ограниченной внутри цилиндрической поверхностью лейнера и снаружи поверхностью линейчатого однополюсного гиперболоида вращения образованную спирально ориентированными нитями армирующего материала, с линейной плотностью укладки нитей армирующего материала ориентированных в окружном направлении не более 70% от линейной плотности укладки нитей армирующего материала ориентированных в окружном направлении на цилиндрической части. При этом длина локального пояса прогнозируемого разрушения выбирается из условия сохранения равенства di*sinφi = d2*sin φ2 для спирально ориентированных нитей армирующего материала .
Технический результат достигается и тем, что на длине пояса прогнозируемого разрушения однотипные слои армирующего материала, образованные ориентированными нитями в спиральном и кольцевом направлениях цилиндрического участка размещены на поверхностях, разноудаленных от поверхности лейнера , а также и тем, что в локальном поясе прогнозируемого разрушения линейная плотность нитей окружного армирования плавно уменьшается до половины длины образующей гиперболоида в сторону его меньшего сечения.
Длина локального пояса прогнозируемого разрушения превышает в (20 - 25) раз суммарную толщину кольцевых лент армирующего материала вне зоны локального пояса прогнозируемого разрушения.
Краткое описание чертежей изобретения
На фиг.l показан сосуд высокого давления (в продольном разрезе).
На фиг.2, фиг.З и Фиг.4 показан профиль сечения локального пояса прогнозируемого разрушения.
На фиг.5 и Фиг.6 показана картина разрушения локального пояса.
На фиг.7 представлен вид разрушения экспериментального баллона в локальном поясе при давлении 930 бар. Варианты осуществления изобретения
Как показано на фиг.l, сосуд высокого давления для текучей среды (жидкости или газа) имеет герметизирующий металлический лейнер 1 и силовую оболочку 2, изготовленную из композиционного материала, в качестве которого используют высокопрочные нити, например, углеволокна или стекловолокна. Указанную оболочку 2 получают путем намотки на металлический лейнер 1 однонаправленных нитей в спиральном и кольцевом направлениях с одновременной пропиткой полимерным связующим, например, эпоксидной смолой, каждого слоя каркаса и с последующим его термическим отверждением. В результате получают конструкцию баллона достаточно легкую по весу и способную выдерживать многократные циклические нагрузки давлением.
Функционирование силовой композитной оболочки баллона , выполненной по предложенному техническому решению, заключается в нахождении ее в таком напряженно-деформированном состоянии при действии внутреннего давления, при котором в локальном поясе локализуется концентрация напряжений в материале кольцевого армирования и не происходит никаких изменений в материале спирального армирования. При достижении предельного давления в баллоне материал кольцевого армирования на длине локального пояса разрушается, разрушается также металлический лейнер а материал спирального армирования в силу его наличия на наружной поверхности в форме однополосного гиперболоида деформируется и принимает форму "китайского фонарика", что позволяет не пропустить разлет образующихся при разрушении лейнера металлических осколков.
В процессе изготовления силовой оболочки 2 на некоторой длине цилиндрической части лейнера (длине будущего локального пояса прогнозируемого разрушения) наматывается нити кольцевого армирования 3 с линейной плотностью армирования меньшей чем плотность кольцевого армирования по всей длине цилиндрической части лейнера. При этом получаемая в данной зоне толщина кольцевого армирования меньше чем общая толщина кольцевого армирования 3. В результате такой схемы армирования образуется локальный концентратор окружных напряжений возникающих в композитном материале силовой оболочки 2 при нагружении баллона внутренним давлением. Намотку нитей спирального армирования 4 в рассматриваемой зоне производят только после намотки нитей кольцевого армирования 3. При соответствующем выборе длины зоны и в силу того , что толщина материала рассматриваемой зоны меньше общей толщины материала при намотке спиральных нитей образуется поверхность в форме однополостного линейчатого гиперболоида вращения . В совокупности такое армирование позволяет создать в силовой оболочке локальный пояс прогнозируемого разрушения.
Длина локального пояса прогнозируемого разрушения может быть определена как длина зоны возмущений краевого эффекта при сочленении разнотолщинных оболочек. Из соображений прочности эту длину целесообразно назначать как величину, составляющую 20 - 25 толщин силовой оболочки баллона.
С другой стороны, для выполнения требования образования монолитной структуры композита (плотного прилегания нитей спирального и кольцевого армирования) в процессе технологической реализации метода намотки нитей спирального армирования на длине локального пояса прогнозируемого разрушения необходимо выполнение условия d^siп φ! = d2*sin φ2; где d\ — диаметр сечения по цилиндрической поверхности силовой оболочки, d2 - диаметр минимального сечения поверхности гиперболоида вращения, фi , ψг - углы ориентации спиральных нитей в данных сечениях соответственно, что в конечном результате приводит к выбору длины локального пояса прогнозируемого разрушения , определяемой соотношением
L = di аrссоs ( AjI ά\) соs φi / V (1+ соs2 φi)
Рассчитывая по данной зависимости длину локального пояса прогнозируемого разрушения при проектировании необходимо , также сравнивать ее с рекомендованной длиной равной 20 - 25 толщин силовой оболочки баллона и в конечном итоге выбирать большую из них.
При выборе таких соотношений количество армирующего материала на длине локального пояса прогнозируемого разрушения рекомендуется уменьшить на 30 % по сравнению с количеством армирующего материала на цилиндрической части силовой оболочки. Для обеспечения требования безосколочного разрушения баллона на длине локального пояса прогнозируемого разрушения необходимо однотипные слои армирующего материала, образованные ориентированными нитями в спиральном и кольцевом направлениях цилиндрического участка размещать на поверхностях, разноудаленных от поверхности лейнера, то есть на данной длине сначала на лейнер укладываются только нити кольцевого армирования, а нити спирального армирования размещены с внешней стороны силовой оболочки (см фиг. 4). На всей остальной длине цилиндрической части баллона слои армирующего материала, образованные нитями ориентированными в спиральном и кольцевом направлениях цилиндрического участка размещены попарно на поверхностях, равноудаленных от внутренней поверхности лейнера, то есть попарно чередуются по толщине стенки силовой оболочки. Такое размещение и чередование слоев армирующих нитей позволяет локализовать разрушение в зоне пояса прогнозируемого разрушения в форме "китайского фонарика" и не допускать разлета образующихся осколков при разрушении лейнера (см. фиг. 5.6 и 7).
Рекомендуемые размеры, пределы и закон изменения угла укладки лент на длине пояса разрушения экспериментально подтверждены на натурных образцах и доказано, что технический результат достигается только в указанных соотношениях.
Реализация предлагаемого решения проведена на примере баллона давления объемом 7 литров с рабочим давлением 300 бар и давлением разрушения не менее 900 бар. При этом силовая оболочка была выполнена из углепластика, а верхний слой намотан из стекловолокна. На фиг. 7 представлен типовое разрушение баллона при давлении 930 бар в зоне локального пояса прогнозируемого разрушения.
Промышленная применимость
Настоящее изобретение может быть применено к сосудам высокого давления, используемым, в частности, в портативных кислородных дыхательных аппаратах альпинистов, спасателей, в переносных изделиях криогенной и противопожарной техники, системах газообеспечения и автомобильной технике. В настоящий момент по данной схеме разработан ряд конструкций баллонов, для использования в различных областях и для различных газов. Проводится их технологическая и экспериментальная отработка.

Claims

Формула изобретения
1. Баллон высокого давления, характеризующийся тем, что содержит тонкостенный замкнутый герметизирующий металлический цилиндрический лейнер по крайней мере с одной горловиной в днище и внешнюю силовую оболочку из композитного материала, образованную комбинацией групп слоев высокомодульных нитей армирующего материала, ориентированных в спиральных и окружных направлениях с заданными линейными плотностями укладки, при этом на цилиндрической части баллона в силовой оболочке выполнен локальный пояс прогнозируемого разрушения в виде части оболочки, ограниченной внутри цилиндрической поверхностью лейнера и снаружи поверхностью линейчатого однополюсного гиперболоида вращения образованную спирально ориентированными нитями армирующего материала, причем линейная плотность укладки нитей армирующего материала ориентированных в окружном направлении составляет не более 70% линейной плотности укладки нитей армирующего материала ориентированных в окружном направлении на цилиндрической части , а длина его выбирается из условия сохранения равенства dj* SnKp1 = d2*sin φ2 для спирально ориентированных нитей армирующего материала, где d\ - диаметр сечения по цилиндрической поверхности силовой оболочки, d2 - диаметр минимального сечения поверхности гиперболоида вращения, фi , фг - углы ориентации спиральных нитей в данных сечениях соответственно.
2. Баллон по п.l, в котором на длине пояса прогнозируемого разрушения однотипные слои армирующего материала, образованные ориентированными нитями в спиральном и кольцевом направлениях цилиндрического участка размещены на поверхностях, разноудаленных от поверхности лейнера.
3. Баллон по п.2, в котором на цилиндрическом участке силовой оболочки вне пояса прогнозируемого разрушения однотипные слои армирующего материала, образованные ориентированными нитями в спиральном и кольцевом направлениях цилиндрического участка размещены попарно на поверхностях, равноудаленных от внутренней поверхности лейнера.
4. Баллон по п.l, в котором линейная плотность нитей окружного армирования локального пояса прогнозируемого разрушения плавно уменьшается до половины длины образующей гиперболоида в сторону его меньшего сечения.
5. Баллон по п.l, в котором длина локального пояса прогнозируемого разрушения превышает в (20 - 25) раз суммарную толщину кольцевых лент армирующего материала вне зоны локального пояса прогнозируемого разрушения.
PCT/RU2008/000574 2008-08-27 2008-08-27 Баллон высокого давления WO2010024708A1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2008/000574 WO2010024708A1 (ru) 2008-08-27 2008-08-27 Баллон высокого давления

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2008/000574 WO2010024708A1 (ru) 2008-08-27 2008-08-27 Баллон высокого давления

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2010024708A1 true WO2010024708A1 (ru) 2010-03-04

Family

ID=41721690

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2008/000574 WO2010024708A1 (ru) 2008-08-27 2008-08-27 Баллон высокого давления

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2010024708A1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108973252A (zh) * 2018-09-12 2018-12-11 山东云海新材料科技有限公司 一种混杂纤维复合材料水下助推器壳体

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4544428A (en) * 1982-10-12 1985-10-01 Messerschmitt-Bolkow-Blohm Gmbh Method of manufacturing a pressure tank
RU2077682C1 (ru) * 1994-04-29 1997-04-20 Товарищество с ограниченной ответственностью Научно-производственное объединение "Поиск" Композитный газовый баллон высокого давления
RU2244868C2 (ru) * 2002-09-03 2005-01-20 Открытое Акционерное Общество "Московский Вертолетный Завод Им. М.Л. Миля" Баллон давления
RU43618U1 (ru) * 2004-08-11 2005-01-27 Корякин Николай Александрович Баллон высокого давления

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4544428A (en) * 1982-10-12 1985-10-01 Messerschmitt-Bolkow-Blohm Gmbh Method of manufacturing a pressure tank
RU2077682C1 (ru) * 1994-04-29 1997-04-20 Товарищество с ограниченной ответственностью Научно-производственное объединение "Поиск" Композитный газовый баллон высокого давления
RU2244868C2 (ru) * 2002-09-03 2005-01-20 Открытое Акционерное Общество "Московский Вертолетный Завод Им. М.Л. Миля" Баллон давления
RU43618U1 (ru) * 2004-08-11 2005-01-27 Корякин Николай Александрович Баллон высокого давления

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108973252A (zh) * 2018-09-12 2018-12-11 山东云海新材料科技有限公司 一种混杂纤维复合材料水下助推器壳体
CN108973252B (zh) * 2018-09-12 2023-11-07 山东云海新材料科技有限公司 一种混杂纤维复合材料水下助推器壳体

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8550286B2 (en) High-pressure container
US10563818B1 (en) Basalt-based pressure vessel for gas storage and method for its production
US9939108B2 (en) Wire wrapped pressure vessels
US5499739A (en) Thermoplastic liner for and method of overwrapping high pressure vessels
US8074826B2 (en) Damage and leakage barrier in all-composite pressure vessels and storage tanks
US2848133A (en) Pressure vessels and methods of making such vessels
EP2581638B1 (en) High-pressure tank and manufacturing method of high pressure tank.
US8453868B2 (en) Gas cylinder
JP4284705B2 (ja) 成形体の製造方法、成形体、並びにタンク
KR102478330B1 (ko) 압력 용기 돔 배기구
JP2008169893A (ja) 圧力容器及びその製造方法
CN110873276B (zh) 储罐的制造方法
RU2393376C2 (ru) Баллон высокого давления
EP2532930B1 (en) Metal composite pressure cylinder
CN109964068A (zh) 压力容器
WO2010024708A1 (ru) Баллон высокого давления
RU2560125C2 (ru) Баллон высокого давления
JPH1182888A (ja) 耐圧性に優れたｆｒｐ圧力容器及びその製造法
RU58657U1 (ru) Металлокомпозитный баллон высокого давления
RU2358187C2 (ru) Композиционный баллон высокого давления
RU2439425C2 (ru) Металло-композитный баллон давления
US11015761B1 (en) Composite pressure vessel for gas storage and method for its production
WO2013083151A1 (en) Optimised vessel
RU165217U1 (ru) Композитный баллон высокого давления
WO2012144929A1 (ru) Баллон высокого давления из композиционных материалов

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 08876847

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

32PN Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established

Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205A DATED 29/08/2011)

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 08876847

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1