WO2010131990A1 - Металло композитный баллон высокого давления - Google Patents

Металло композитный баллон высокого давления Download PDF

Info

Publication number
WO2010131990A1
WO2010131990A1 PCT/RU2009/000232 RU2009000232W WO2010131990A1 WO 2010131990 A1 WO2010131990 A1 WO 2010131990A1 RU 2009000232 W RU2009000232 W RU 2009000232W WO 2010131990 A1 WO2010131990 A1 WO 2010131990A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
compensator
modulus
threads
liner
shell
Prior art date
Application number
PCT/RU2009/000232
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 EP09844705.5A priority Critical patent/EP2461081A4/en
Priority to PCT/RU2009/000232 priority patent/WO2010131990A1/ru
Publication of WO2010131990A1 publication Critical patent/WO2010131990A1/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
    • 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
    • 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
    • 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
    • F17C2205/0305—Bosses, e.g. boss collars
    • 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
    • F17C2209/22—Assembling processes
    • F17C2209/221—Welding
    • 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
    • F17C2209/234—Manufacturing of particular parts or at special locations of closing end pieces, e.g. caps
    • 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
    • F17C2223/03—Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel characterised by the pressure level
    • F17C2223/035—High pressure (>10 bar)
    • 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

Definitions

  • the invention relates to the field of gas equipment, namely to metal composite high-pressure cylinders used, in particular, in portable oxygen breathing apparatus for climbers, rescuers, in portable products of cryogenic and fire fighting equipment, gas supply systems and other industries.
  • metal-composite high-pressure cylinders contain an internal thin-walled metal hermetic shell - a liner and an external power shell of composite material formed by winding high-modulus fiber bundles (e.g. carbon fiber) impregnated with a binder on the surface of the liner.
  • high-modulus fiber bundles e.g. carbon fiber
  • priority are: reducing the specific material consumption of the cylinder, determined by the ratio of 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.
  • Known metal-plastic high-pressure cylinder containing a stamped-welded sealed steel liner and an external power shell made of composite material.
  • the liner contains the middle cylindrical part, two bottoms and has a wall thickness equal to (0.5-0.9) mm.
  • the bottoms are connected to the middle part by welding through washers, providing a smooth outer surface of the liner in place of the weld. At least one fitting is welded to one of the bottoms (see RU 2077682 Cl, 04/20/1997).
  • the cylindrical part of the liner is obtained from sheet steel billets rolled into a cylinder and butt welded, for example, by electron beam welding.
  • the bottoms are performed by the known method of cold drawing from the same sheet metal.
  • the depth of the bottoms is insignificant, as a rule, no more than 0.32 of the outer diameter, their thickness after drawing is comparable with the thickness of the cylindrical workpiece.
  • Bottoms around the perimeter are welded to the cylindrical part through washers. When this is used, for example, electron beam or laser welding. Welded, stamped-welded technologies make it possible to manufacture steel liners with rather thin walls and, thereby, provide a relatively low specific material consumption of the cylinder.
  • a composite high-pressure cylinder comprising a thin-walled metal welded liner and an external power shell made of composite material formed by a combination of groups of layers of high-modulus and low-modulus strands of reinforcing materials oriented in spiral and circumferential directions.
  • the cylinder is equipped with stainless steel rings mounted on the outside and inside of the liner at the junctions of the cylindrical shell with bottoms (see RU 2140602 Cl, 10.27.1999).
  • a disadvantage of the known design of a cylinder with a welded steel liner is the relatively low resource in the number of loading cycles due to the possible destruction of the liner in the region of the welded bottom joint.
  • the present invention is based on the task of creating a metal-plastic high-pressure cylinder, which allows to exclude loading of the annular welded joint of the cylindrical part with the bottom and thereby increase the strength of the liner and the resource of the cylinder by the number of loading cycles while maintaining a low specific material consumption of the cylinder.
  • the technical result of the invention is:
  • the metal-composite pressure cylinder contains a thin-walled metal welded liner and an external power shell made of composite material formed by a combination of groups of layers of high-modulus and low-modulus threads of reinforcing materials oriented in spiral and circumferential directions, while in the zone of the ring weld an annular lens compensator is made in the liner shell, and in the wall structure of the composite power shell of the balloon above the lens compensator Credited at least one annular bracelet - axial deformation limiter fixedly bonded over the entire surface with independent groups of continuous reinforcing filaments with a width greater than the width of the compensator and the amount brasletov- constraints determined from the condition of axial strain limit value compensator and elasticity of the material used.
  • the forming surface of the lens compensator can be made in the form of a surface consisting of two nodoids connected by a weld.
  • the forming surface of the lens compensator can be made in the form of a surface consisting of parts of toroidal surfaces with radii of their cross sections amounting to 5-7 heights of the lens compensator.
  • the lens compensator may have at least one circumferential ridge located in the section of the weld.
  • the width of the lens compensator is at least 30-40 thicknesses of the liner shell
  • the forming surface of the lens compensator can be made cylindrical, while the compensator is partially embedded in the bracelet - axial strain limiter.
  • the first bracelet-limiter of axial deformations from the surface of the liner may have a meridional curvature that substantially coincides with the meridional curvature of the compensator, and subsequent limiters are parallel to the first in the structure of the composite material with dressing with reinforcing threads of the composite shell.
  • Ring bracelets - axial strain limiters can be made with different coefficients of longitudinal and transverse deformation.
  • Ring bracelets - axial deformation limiters can be made of single-strand high modulus cord fabric.
  • Ring bracelets - axial deformation limiters can be made from a combination of high-modulus and low-modulus groups of flexible continuous threads.
  • a group of high-modulus threads can be made of metal cord threads, and a group of low-modulus threads can be made of fiberglass threads.
  • a group of high-modulus threads can be made of high-modulus carbon threads, and a group of low-modulus threads can be made of polyamide threads.
  • FIG. 1 shows a general view of a high pressure cylinder.
  • FIG. 2 shows a general view of the cylinder liner.
  • FIG. 3 shows a general view of a high pressure cylinder.
  • FIG. 4 installation diagram of bracelets - axial deformation limiters.
  • FIG. Figure 5 shows the pattern of changes in axial strains in the composite shell material along the length of the cylinder generatrix in the weld zone.
  • FIG. 6 shows the nodoid shape of the generatrix surface of the compensator.
  • the high-pressure cylinder contains a liner 1 and a composite shell 2.
  • the liner consists of a cylindrical shell 3, welded bottoms 4 to it, and a fitting 5, also welded to one of the bottoms 4.
  • a lens compensator is made in the liner, as shown in FIG. 4 and FIG. 5.
  • the main load during the operation of the container is the internal pressure of the medium
  • various levels of deformation can occur.
  • this condition is not always satisfactory, and the liner can slip relative to the composite shell.
  • These slippage results in increased deformations in the liner material and are usually localized in the welded joint.
  • a lens compensator is made, which, due to changes in geometry and internal pressure support, provides this condition for the compatibility of the deformation of materials of the zone in question.
  • FIG. 5 shows a picture of changes in axial deformations in liner material in the presence of bracelets in the balloon design - axial deformation limiters.
  • the bracelets, the limiters are subjected to pronounced deformation gradients, which lead to the appearance of longitudinal and transverse shear stresses between them and the intersecting layers of the composite material. These stresses can lead to cracking in the composite, adversely affecting the life of the balloon. It is known from mechanics that considering the pattern of inclusion of the axial stiffness of bracelets - stoppers and the composite material of the power shell, the minimum distance necessary to exclude marked cracking should be at least 3 - 5 wall thicknesses of the composite material or correlating with the wall thickness of the liner this ratio should be at least 15 - 20 For these reasons, the width of the local compensator in the liner should be at least 30 to 40 liner wall thicknesses.
  • the generators of the nodoid and unduloid membranes are shown in FIG. 6 are described in parametric form as follows:
  • Is the parameter characterizing the generatrix curve, i is the radius of the cylindrical part of the shell.
  • the shell is called a nodoid, when the shell becomes spherical.
  • the generatrix of the nodoid (unduloid) is described by the focus of the ellipse (hyperbola), if you roll it in a straight line.
  • Such shells have a maximum volume, a minimum surface area, and the angle of inclination of the tangent to the generatrix in them tends to zero as they approach the junction with a cylindrical or some other shell.
  • Nodoid, unduloid shells when loaded with internal pressure have the property of equal strength and have an advantage in strength compared with elliptical and spherical shells, the level of stresses arising in them with this type of loading is much lower.
  • One of the characteristic properties of the shell under consideration is that when approaching the junction with the cylinder, there is a fairly smooth conjugation of the shell with it and bending stresses in the joint are practically absent, that is, the influence of edge effects is completely eliminated.
  • the functioning of the high-pressure cylinder of the proposed design consists in filling it with a fluid / liquid or gas / to the required pressure level, storage, transportation, emptying, subsequent new filling, expenditure of fluid, i.e. in the repetition of actions and operations with multiple cyclic loading.
  • the present invention can be used in portable oxygen breathing apparatus of climbers, rescuers, in 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 исключение нагружения кольцевого сварного соединения цилиндрической части с днищем. Металло композитный баллон высокого давления содержит тонкостенный металлический сварной лейнер и внешнюю силовую оболочку из композитного материала, образованную комбинацией групп слоев высокомодульных и низкомодульных нитей армирующих материалов, ориентированных в спиральных и окружных направлениях, при этом в зоне кольцевого сварного шва в обечайке лейнера выполнен кольцевой линзовый компенсатор, а в структуре стенки композитной силовой оболочки баллона над линзовым компенсатором установлен, по меньшей мере, один кольцевой браслет - ограничитель осевых деформаций жестко скрепленный по всей поверхности с независимыми группами непрерывных армирующих нитей, причем его ширина превышает ширину компенсатора, а количество браслетов- ограничителей определяется из условия ограничения величины осевой деформации компенсатора и упругости используемого материала.

Description

Металло композитный баллон высокого давления
Область техники
Изобретение относится к области газовой аппаратуры, а именно к метало композитным баллонам высокого давления, используемым, в частности, в портативных кислородных дыхательных аппаратах альпинистов, спасателей, в переносных изделиях криогенной и противопожарной техники, системах газообеспечения и других отраслях.
Предшествующий уровень техники
Выпускаемые в настоящее время метало композитные баллоны высокого давления содержат внутреннюю тонкостенную металлическую герметичную оболочку - лейнер и внешнюю силовую оболочку из композиционного материала, образованную намоткой на поверхность лейнера жгутов высокомодульного волокна (например, углеволокна), пропитанного связующим.
Среди требований, предъявляемых к газовым баллонам высокого давления, 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.
Известен металлопластиковый баллон высокого давления, содержащий штампованно-сварной герметичный стальной лейнер и внешнюю силовую оболочку из композиционного материала. Лейнер содержит среднюю цилиндрическую часть, два днища и имеет толщину стенок, равную (0.5-0.9) мм. Днища соединены со средней частью посредством сварки через подкладные кольца, обеспечивающие гладкую внешнюю поверхность лейнера в месте сварного шва. По крайней мере, к одному из днищ приварен штуцер (см. RU 2077682 Cl, 20.04.1997).
Для изготовления лейнера используют стальную заготовку из тонкого листового проката. Цилиндрическую часть лейнера получают из листовой стальной заготовки, свернутой в цилиндр и сваренной встык, например, электронно-лучевой сваркой. Днища выполняют известным методом холодной вытяжки из того же листового проката. При этом, поскольку глубина днищ незначительна, как правило, не более 0.32 наружного диаметра, их толщина после вытяжки соизмерима с толщиной цилиндрической заготовки. Днища по периметру приваривают к цилиндрической части через подкладные кольца. При этом используют, например, электроннолучевую или лазерную сварку. Сварная, штампованно-сварная технологии позволяют изготовить стальные лейнеры с достаточно тонкими стенкам и, тем самым, обеспечить сравнительно невысокую удельную материалоемкость баллона.
Однако известная конструкция металлопластиковых баллонов со сварными или штампованно-сварными стальными лейнерами имеют сравнительно невысокий ресурс по числу циклов нагружения вследствие возможного разрушения лейнера в области сварного соединения днища.
Известен композитный баллон высокого давления, содержащий тонкостенный металлический сварной лейнер и внешнюю силовую оболочку из композитного материала, образованную комбинацией групп слоев высокомодульных и низкомодульных нитей армирующих материалов, ориентированных в спиральных и окружных направлениях. Баллон снабжен кольцами из нержавеющей стали, установленными с наружной и внутренней стороны лейнера в местах соединения цилиндрической оболочки с днищами (см. RU 2140602 Cl, 27.10.1999).
Недостатком известной конструкции баллона со сварным стальным лейнером является сравнительно невысокий ресурс по числу циклов нагружения вследствие возможного разрушения лейнера в области сварного соединения днища.
Раскрытие изобретения
Результаты всесторонних исследований усталостных характеристик кольцевых сварных швов стальных труб показывают, что даже мелкие дефекты в сварном шве могут иметь существенное влияние на его работоспособность. Важной особенностью кольцевых сварных соединений является необходимость их выравнивания (подгонки). Любой перекос в данном случае приведет к возникновению локального вторичного изгиба в случае нагрузки на соединение в поперечном направлении относительно сварного шва и перекос в стыковке деталей является основной причиной сравнительно низких усталостных характеристик сварного шва. Другим существенным моментом сварки кольцевых швов является характер остаточных напряжений сварки. Не существует жестких и установленных правил, определяющих природу остаточных напряжений в сварных кольцевых швах, но практический опыт, основанный на результатах измерений, совместно с анализом, проводимым методом конечных элементов , показывает, что они всегда являются растягивающим в прикорневой зоне кольцевых сварных швов. В этом случае, даже если бы внешнее напряжение циклически изменялось от растяжения до сжатия, фактический диапазон напряжений практически является растягивающим.
В основу настоящего изобретения положена задача создать металлопластиковый баллон высокого давления, позволяющий исключить нагружение кольцевого сварного соединения цилиндрической части с днищем и тем самым повысить прочность лейнера и ресурс баллона по числу циклов нагружения при сохранении невысокой удельной материалоемкости баллона.
Техническим результатом изобретения является:
- выполнение условия совместимости деформаций материалов в локальной зоне сварного шва, при которых изменяют осевую жесткость композитной оболочки и добиваются нулевых растягивающих или сжимающих осевых деформаций в материале лейнера и тем самым полностью исключают осевое нагружение сварного шва;
- полное исключение деформации сварного шва без внесения дополнительных возмущений в деформацию лейнера в окружном направлении;
- обеспечение однородной структуры оболочки лейнера и исключение влияния сварного шва на работоспособность конструкции баллона в целом. Технический результат достигается за счет того, что металло композитный баллон давления содержит тонкостенный металлический сварной лейнер и внешнюю силовую оболочку из композитного материала, образованную комбинацией групп слоев высокомодульных и низкомодульных нитей армирующих материалов, ориентированных в спиральных и окружных направлениях, при этом в зоне кольцевого сварного шва в обечайке лейнера выполнен кольцевой линзовый компенсатор, а в структуре стенки композитной силовой оболочки баллона над линзовым компенсатором установлен, по меньшей мере, один кольцевой браслет - ограничитель осевых деформаций жестко скрепленный по всей поверхности с независимыми группами непрерывных армирующих нитей, причем его ширина превышает ширину компенсатора, а количество браслетов- ограничителей определяется из условия ограничения величины осевой деформации компенсатора и упругости используемого материала.
Образующая поверхность линзового компенсатора может быть выполнена в форме поверхности, состоящей из двух нодоидов, соединенных сварным швом.
Образующая поверхность линзового компенсатора может быть выполнена в форме поверхности состоящей из частей торообразных поверхностей с радиусами их сечений, составляющих 5-7 высот линзового компенсатора.
Линзовый компенсатор может иметь, по меньшей мере, один окружной гребень, расположенный в сечении сварного шва.
Ширина линзового компенсатора составляет не менее 30-40 толщин оболочки лейнера
Образующая поверхность линзового компенсатора может быть выполнена цилиндрической, при этом компенсатор частично внедрен в браслет - ограничитель осевых деформаций.
Первый от поверхности лейнера браслет- ограничитель осевых деформаций может иметь меридиональную кривизну, по существу совпадающую с меридиональной кривизной компенсатора, а последующие ограничители располагаются параллельно первому в структуре композиционного материала с перевязкой армирующими нитями композитной оболочки.
Кольцевые браслеты - ограничители осевых деформаций могут быть выполнены с различными коэффициентами продольной и поперечной деформации.
Кольцевые браслеты - ограничители осевых деформаций могут быть выполнены из одностренговой высокомодульной кордной ткани.
Кольцевые браслеты - ограничители осевых деформаций могут быть выполнены из комбинации высокомодульных и низкомодульных групп гибких непрерывных нитей.
Группа высокомодульных нитей может быть выполнена из металлических кордных нитей, а группа низкомодульных нитей - из нитей стекловолокна.
Группа высокомодульных нитей может быть выполнена из высокомодульных угольных нитей, а группа низкомодульных нитей - из нитей полиамида.
Краткое описание чертежей изобретения
На фиг. 1 показан общий вид баллона высокого давления.
На фиг. 2 показан общий вид лейнера баллона.
На фиг. 3 показан общий вид баллона высокого давления.
На фиг. 4 - схема установки браслетов - ограничителей осевой деформации.
На фиг. 5 показана картина изменения осевых деформаций в материале композитной оболочки по длине образующей баллона в зоне сварного шва. На фиг. 6 показана нодоидная форма образующей поверхности компенсатора.
Варианты осуществления изобретения
Как показано на фиг. 1, баллон высокого давления содержит лейнер 1 и композитную оболочку 2. При этом, лейнер состоит из цилиндрической обечайки 3, приваренных к ней днищ 4, и штуцера 5 , также приваренного к одному из днищ 4. В зоне сварки цилиндрической обечайки и днища в лейнере выполнен линзовый компенсатор, как показано на фиг. 4 и фиг. 5.
В виду того, что основной нагрузкой при работе баллона является внутреннее давление среды, при работе конструкции в материале лейнера и композитной оболочки могут возникать различного уровня деформации. При этом, если в окружном направлении выполняется совместность деформаций в материале лейнера и композитной оболочки, то в осевом направлении это условие не всегда выполнимо, а возможны проскальзывания лейнера относительно композитной оболочки. Данные проскальзывания приводят к повышенным деформациям в материале лейнера и как правило локализуются в сварном соединении. Для обеспечения совместности осевых деформаций в локальной зоне сварного шва лейнера выполнен линзовый компенсатор, который за счет изменения геометрии и подпора внутреннего давления выполняет обеспечение данного условия совместности деформирования материалов рассматриваемой зоны.
Очевидно, что на работоспособность кольцевого сварного шва в лейнере определяющее влияние оказывает меридиональная деформация εma в его материале.
При выполнении условия совместности деформаций материалов в локальной зоне сварного шва, локально изменяя осевую жесткость композитной оболочки, можно добиться нулевых растягивающих или наоборот сжимающих осевых деформаций в материале лейнера и те самим полностью исключить нагружение сварного шва (см. фиг.5 ) . Для выполнения данной задачи в структуру композиционного материала целесообразно ввести браслеты ограничители осевых деформаций 6 . Сущность конструкции такого браслета заключается в том, что его осевая жесткость на растяжение в совокупности с осевой жесткостью композитной оболочки существенно уменьшает деформации в локальной зоне сварного шва и, в тоже время, не вносит возмущений в жесткость композитной оболочки в окружном направлении. Такие свойства конструкции браслетов ограничителей осевых деформаций позволяют полностью выключить деформирование сварного шва без внесения дополнительных возмущений в деформации лейнера в окружном направлении. На фиг. 5 показана картина изменения осевых деформаций в материале лейнере при наличии в конструкции баллона браслетов - ограничителей осевых деформаций.
Для получения конструкций браслетов - ограничителей осевых деформаций возможно использование различных конструктивных схем. Например, возможна схема исполнения браслета в виде соединенных в окружном направлении низкомодульным материалом металлических профильных пластин ламелей. Возможна схема исполнения браслета в виде комбинации высокомодульных и низкомодульных нитей ориентированных в различных направлениях, или схема использования одностренговой высокомодульной кордной ткани. Возможны также различные совместные комбинации предлагаемых схем.
При нагружении баллона внутренним давлением браслеты - ограничители, подвергаются резко выраженным градиентам деформаций, которые приводят к возникновению продольных и поперечных напряжений сдвига между ними и перекрещивающимися слоями композиционного материала. Эти напряжения могут приводить к образованию трещин в композите, оказывая отрицательное воздействие на срок службы баллона. Из механики известно, что рассматривая картину включения осевой жесткости браслетов - ограничителей и композиционного материала силовой оболочки минимальное расстояние необходимое для исключения отмеченного трещинообразования должно равняться минимум 3 - 5 толщинам стенки композиционного материала или соотнося с толщиной стенки лейнера это отношение должно составлять не менее 15 - 20. Из этих соображений ширина локального компенсатора в лейнере должна быть не менее 30 - 40 толщин стенки лейнера.
Очевидно, что при выполнении компенсатора необходимо создание специальной формы его поверхности, которая бы исключала влияние моментных деформаций в материале лейнера. К таким поверхностям относятся поверхности, которые в механике называются нодоидными и ундулоидными
Образующие нодоидных и ундулоидных оболочек представлены на фиг. 6 описываются в параметрической форме следующим образом:
Figure imgf000009_0001
где '^ гi)//"i — модуль эллиптического интеграла, * — дополнительный модуль, F, E - эллиптические интегралы 1-го и 2-го рода,
Figure imgf000009_0002
— параметр, характеризующий кривую образующей , i — радиус цилиндрической части оболочки.
При 0
Figure imgf000009_0003
> гi
оболочка носит название нодоидной, при » оболочка становится сферической. Необходимо отметить, что образующая нодоида (ундулоида) описывается фокусом эллипса (гиперболы), если катить его по прямой линии. Такие оболочки обладают максимальным объемом, имеют минимальную площадь поверхности, а угол наклона касательной к образующей в них стремится к нулю по мере приближения к месту стыка с цилиндрической или какой-либо другой оболочкой.
Нодоидные, ундулоидные оболочки при нагружении их внутренним давлением обладают свойством равнопрочности и имеют преимущество по прочности в сравнении с эллиптическими и сферическими оболочками, уровень возникающих напряжений в них при данном виде нагружения значительно ниже. Одним из характерных свойств рассматриваемой оболочки, как легко заметить, является и то, что по мере приближения к месту стыка с цилиндром, имеется достаточно плавное сопряжение оболочки с ним и напряжения изгиба в стыке практически отсутствуют, то есть полностью исключается влияние краевых эффектов.
Использование такой формы поверхности компенсатора позволяет исключить появление локальных зон деформаций в лейнере и тем самим значительно повысить его надежность в эксплуатации. Таким образом, выполняя конструкцию баллона по приведенной схеме обеспечивается практически полностью однородная структура оболочки лейнера и исключается влияние сварного шва на работоспособность конструкции баллона в целом.
Функционирование баллона высокого давления предлагаемой конструкции заключается в наполнении его текучей средой /жидкостью или газом/ до требуемого уровня давления, хранении, транспортировании, опорожнении, последующем новом наполнении, расходовании текучей среды, т.е. в повторении действий и операций с многократным циклическим нагружением.
Промышленная применимость
С созданием предложенного устройства появилась реальная возможность использовать сосуды высокого давления из разных материалов с использованием сварной тонкостенной металлической внутренней оболочки - лейнера. Изготовление и испытание сосудов высокого давления с предложенным лейнером для их герметизации подтвердили их высокую надежность и эффективность. Настоящее изобретение может быть использовано в портативных кислородных дыхательных аппаратах альпинистов, спасателей, в переносных изделиях криогенной и противопожарной техники, системах газообеспечения и автомобильной технике.

Claims

Формула изобретения
1. Металло композитный баллон высокого давления, характеризующийся тем, что содержит тонкостенный металлический сварной лейнер и внешнюю силовую оболочку из композитного материала, образованную комбинацией групп слоев высокомодульных и низкомодульных нитей армирующих материалов, ориентированных в спиральных и окружных направлениях, при этом в зоне кольцевого сварного шва в обечайке лейнера выполнен кольцевой линзовый компенсатор, а в структуре стенки композитной силовой оболочки баллона над линзовым компенсатором установлен, по меньшей мере, один кольцевой браслет - ограничитель осевых деформаций жестко скрепленный по всей поверхности с независимыми группами непрерывных армирующих нитей, причем его ширина превышает ширину компенсатора, а количество браслетов- ограничителей определяется из условия ограничения величины осевой деформации компенсатора и упругости используемого материала.
2. Баллон по п.l, в котором образующая поверхность линзового компенсатора выполнена в форме поверхности, состоящей из двух нодоидов, соединенных сварным швом.
3. Баллон по п.l, в котором образующая поверхность линзового компенсатора выполнена в форме поверхности состоящей из частей торообразных поверхностей с радиусами их сечений, составляющих 5-7 высот линзового компенсатора.
4. Баллон по п.l, в котором линзовый компенсатор имеет, по меньшей мере, один окружной гребень, расположенный в сечении сварного шва.
5. Баллон по п.lλ или по любому из п. п. 2 - 4, в котором ширина линзового компенсатора составляет не менее 30-40 толщин оболочки лейнера
6. Баллон по п.l, в котором образующая поверхность линзового компенсатора выполнена цилиндрической, при этом компенсатор частично внедрен в браслет - ограничитель осевых деформаций.
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
7. Баллон по п.1, в котором первый от поверхности лейнера браслет- ограничитель осевых деформаций имеет меридиональную кривизну, по существу совпадающую с меридиональной кривизной компенсатора, а последующие ограничители располагаются параллельно первому в структуре композиционного материала с перевязкой армирующими нитями композитной оболочки.
8. Баллон по п.l в котором что кольцевые браслеты - ограничители осевых деформаций выполнены с различными коэффициентами продольной и поперечной деформации.
9. Баллон по п.l, в котором кольцевые браслеты - ограничители осевых деформаций выполнены из одностренговой высокомодульной кордной ткани.
10. Баллон по п.l, в котором кольцевые браслеты - ограничители осевых деформаций выполнены из комбинации высокомодульных и низкомодульных групп гибких непрерывных нитей.
11. Баллон по п.10, в котором группа высокомодульных нитей выполнена из металлических кордных нитей, а группа низкомодульных нитей - из нитей стекловолокна.
12. Баллон по п.10, в котором группа высокомодульных нитей выполнена из высокомодульных угольных нитей, а группа низкомодульных нитей - из нитей полиамида.
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
PCT/RU2009/000232 2009-05-14 2009-05-14 Металло композитный баллон высокого давления WO2010131990A1 (ru)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP09844705.5A EP2461081A4 (en) 2009-05-14 2009-05-14 HIGH PRESSURE BOTTLE IN METAL AND COMPOSITES
PCT/RU2009/000232 WO2010131990A1 (ru) 2009-05-14 2009-05-14 Металло композитный баллон высокого давления

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2009/000232 WO2010131990A1 (ru) 2009-05-14 2009-05-14 Металло композитный баллон высокого давления

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2010131990A1 true WO2010131990A1 (ru) 2010-11-18

Family

ID=43085206

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2009/000232 WO2010131990A1 (ru) 2009-05-14 2009-05-14 Металло композитный баллон высокого давления

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP2461081A4 (ru)
WO (1) WO2010131990A1 (ru)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3030679B1 (fr) * 2014-12-18 2017-12-08 Atmostat Reservoir pour gaz sous pression a liner ultra mince
CN104948901B (zh) * 2015-06-09 2017-10-20 湖北三江航天江北机械工程有限公司 具有薄壁金属内衬结构的高温高压气瓶的制造方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2002160C1 (ru) * 1991-09-03 1993-10-30 Научно-производственное предпри тие "Темп" Металлопластиковый баллон давлени
RU2077682C1 (ru) * 1994-04-29 1997-04-20 Товарищество с ограниченной ответственностью Научно-производственное объединение "Поиск" Композитный газовый баллон высокого давления
RU2140602C1 (ru) * 1999-01-29 1999-10-27 Тадтаев Владимир Ираклиевич Композитный баллон высокого давления и способ его изготовления
RU2205330C1 (ru) * 2001-10-04 2003-05-27 Тадтаев Владимир Ираклиевич Композитный баллон высокого давления и способ его изготовления
WO2004029504A1 (en) * 2002-09-26 2004-04-08 Vladimir Iraklievich Tadtaev High-pressure composite cylinder and method for the production thereof
US20050006394A1 (en) * 2003-06-12 2005-01-13 Kazuo Fujihara High-pressure gas container

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3655468A (en) * 1964-08-06 1972-04-11 Owens Corning Fiberglass Corp Fluid-handling constructions, apparatus and methods of production
US4552281A (en) * 1984-06-29 1985-11-12 Owens-Corning Fiberglas Corporation Glass fiber reinforced resin tank with particular joint structure
US20040026431A1 (en) * 2002-01-18 2004-02-12 Jones Brian H Low weight high performance composite vessel and method of making same
US7803241B2 (en) * 2002-04-12 2010-09-28 Microcosm, Inc. Composite pressure tank and process for its manufacture
JP4599118B2 (ja) * 2004-08-30 2010-12-15 富士重工業株式会社 燃料タンク
US7287663B2 (en) * 2005-01-05 2007-10-30 Amtrol Inc. Lined pressure vessel and connector therefor

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2002160C1 (ru) * 1991-09-03 1993-10-30 Научно-производственное предпри тие "Темп" Металлопластиковый баллон давлени
RU2077682C1 (ru) * 1994-04-29 1997-04-20 Товарищество с ограниченной ответственностью Научно-производственное объединение "Поиск" Композитный газовый баллон высокого давления
RU2140602C1 (ru) * 1999-01-29 1999-10-27 Тадтаев Владимир Ираклиевич Композитный баллон высокого давления и способ его изготовления
RU2205330C1 (ru) * 2001-10-04 2003-05-27 Тадтаев Владимир Ираклиевич Композитный баллон высокого давления и способ его изготовления
WO2004029504A1 (en) * 2002-09-26 2004-04-08 Vladimir Iraklievich Tadtaev High-pressure composite cylinder and method for the production thereof
US20050006394A1 (en) * 2003-06-12 2005-01-13 Kazuo Fujihara High-pressure gas container

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP2461081A4 *

Also Published As

Publication number Publication date
EP2461081A4 (en) 2016-01-06
EP2461081A1 (en) 2012-06-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8602250B2 (en) Storage vessel and method of forming
US7147124B2 (en) Containers and methods for containing pressurized fluids using reinforced fibers and methods for making such containers
US4113132A (en) Wire-wrapped cylindrical prestressed structures
US2652943A (en) High-pressure container having laminated walls
US20110139796A1 (en) High-pressure container
AU2015212419B2 (en) Improved method to produce high-resistance composite vessels with inner metal liner and vessels made by said method
NO312483B1 (no) Fleksibelt, lettvekts komposittrör for höytrykks olje- og gassanvendelser
US5194110A (en) Method of preventing rupture of storage tanks
WO2010131990A1 (ru) Металло композитный баллон высокого давления
US7699187B2 (en) End fitting for pressure vessel
RU2432521C2 (ru) Металлокомпозитный баллон высокого давления
RU2187746C2 (ru) Металлический лейнер, металлопластиковый баллон высокого давления (варианты) и способ изготовления металлопластикового баллона высокого давления
WO2004096649A2 (en) Composite reservoir for pressurized fluid
RU2358187C2 (ru) Композиционный баллон высокого давления
EP2716957B1 (en) High-pressure vessel made of composite materials
EP1350057A1 (en) Device by gas cylinder
RU2268427C2 (ru) Баллон высокого давления
RU2757315C1 (ru) Металлокомпозитный баллон высокого давления
RU2482380C2 (ru) Баллон высокого давления из композиционных материалов
JP2004084915A (ja) 繊維強化圧力容器およびその製造方法
Faddoul Structural considerations in design of lightweight glass-fiber composite pressure vessels
WO2023058614A1 (ja) 高圧水素ガス用蓄圧器
EP4215796A1 (en) A pressure vessel for storing fluid
JP2002168396A (ja) 圧力容器
JP2005529286A (ja) 加圧流体を収容するために強化繊維を用いた改良容器及び方法、並びにその製造方法

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: 09844705

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2009844705

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE