WO2011093737A1 - Метало композитный баллон давления - Google Patents

Метало композитный баллон давления Download PDF

Info

Publication number
WO2011093737A1
WO2011093737A1 PCT/RU2010/000034 RU2010000034W WO2011093737A1 WO 2011093737 A1 WO2011093737 A1 WO 2011093737A1 RU 2010000034 W RU2010000034 W RU 2010000034W WO 2011093737 A1 WO2011093737 A1 WO 2011093737A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
annular
liner
composite
cylinder according
flange
Prior art date
Application number
PCT/RU2010/000034
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Сергей Владимирович ЛУКЬЯНЕЦ
Николай Григорьевич МОРОЗ
Игорь Константинович ЛЕБЕДЕВ
Original Assignee
Lukyanets Sergei Vladimirovich
Moroz Nikolai Grigorievich
Lebedev Igor Konstantinovich
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, Lebedev Igor Konstantinovich filed Critical Lukyanets Sergei Vladimirovich
Priority to US13/575,991 priority Critical patent/US20130206778A1/en
Priority to ES10844827T priority patent/ES2812584T3/es
Priority to PCT/RU2010/000034 priority patent/WO2011093737A1/ru
Priority to EP10844827.5A priority patent/EP2532930B1/en
Publication of WO2011093737A1 publication Critical patent/WO2011093737A1/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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C53/00—Shaping by bending, folding, twisting, straightening or flattening; Apparatus therefor
    • B29C53/56—Winding and joining, e.g. winding spirally
    • 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
    • F17C1/16—Pressure vessels, e.g. gas cylinder, gas tank, replaceable cartridge constructed of plastics materials
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A62—LIFE-SAVING; FIRE-FIGHTING
    • A62B—DEVICES, APPARATUS OR METHODS FOR LIFE-SAVING
    • A62B7/00—Respiratory apparatus
    • A62B7/02—Respiratory apparatus with compressed oxygen or air
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A62—LIFE-SAVING; FIRE-FIGHTING
    • A62C—FIRE-FIGHTING
    • A62C13/00—Portable extinguishers which are permanently pressurised or pressurised immediately before use
    • A62C13/62—Portable extinguishers which are permanently pressurised or pressurised immediately before use with a single permanently pressurised container
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29L—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS B29C, RELATING TO PARTICULAR ARTICLES
    • B29L2031/00—Other particular articles
    • B29L2031/712—Containers; Packaging elements or accessories, Packages
    • B29L2031/7154—Barrels, drums, tuns, vats
    • B29L2031/7156—Pressure vessels
    • 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
    • F17C2201/058—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
    • F17C2203/0668—Synthetics in form of fibers or filaments axially 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
    • F17C2209/00—Vessel construction, in particular methods of manufacturing
    • F17C2209/21—Shaping processes
    • F17C2209/2154—Winding
    • 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
    • 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
    • F17C2223/0146—Two-phase
    • F17C2223/0153—Liquefied gas, e.g. LPG, GPL
    • 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
    • F17C2223/0146—Two-phase
    • F17C2223/0153—Liquefied gas, e.g. LPG, GPL
    • F17C2223/0161—Liquefied gas, e.g. LPG, GPL cryogenic, e.g. LNG, GNL, PLNG
    • 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
    • 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
    • F17C2223/036—Very high pressure (>80 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
    • 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
    • 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
    • F17C2270/05—Applications for industrial 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
    • F17C2270/0754—Fire extinguishers
    • 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 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.
  • cylinders are designed to store and transport a fluid (liquid or gas) under high pressure.
  • a fluid liquid or gas
  • Such vessels are subject to repeated cyclic high pressure loads.
  • cylinders of this type in order to avoid fluid leakage or leakage, special importance is given to the material of the sealing shell - liner, which, depending on the type and nature of the fluid filling the vessel, is made of thermoplastic, aluminum or steel.
  • cylinders using metal liners are most widely used, which is determined by a number of advantages of metals over plastics.
  • produced metal-composite high-pressure cylinders contain an internal thin-walled metal hermetic shell - a liner and an external power shell made of composite material, formed by winding onto the surface of the liner along various trajectories of high-strength or high-modulus fiber bundles (e.g. carbon fiber) impregnated with a polymer binder.
  • the basic requirement is to ensure a given resource for using the cylinder by the number of loading or filling cycles. Unlike other types of cylinder structures, for the construction of a metal composite cylinder this requirement is crucial due to the great heterogeneity of the physicomechanical properties of the materials used.
  • the third, also determining requirement of the normative documentation for the cylinders is the requirement of reliable fastening of the neck nozzle of the cylinder in the composite shell, which also provides its multiple loading with torques.
  • the problem is solved in that the liner wall thickness and the thickness of the composite shell are selected from the condition that the main supporting element of the cylinder is a composite shell, and the material of the metal liner at operating pressure is in the region of elastic deformation.
  • the disadvantage of this solution is that that due to the large difference in the values of ultimate strains of fracture of the composite (up to 2%) and deformation of the elasticity of the metal (0.2%), the weight of the structure and its cost are very high, which makes the cylinder of this design almost not competitive with metal counterparts.
  • the use of a metal liner made with longitudinal and circular corrugations is proposed.
  • the outer cavities of the longitudinal corrugations can be filled with elastic material.
  • an elastic material an elastomer is used.
  • the prototype of the present invention is the solution according to patent RU 2358187 C2, 09/10/2008, where it is proposed to use a smooth thin-walled metal liner, and select the material of the composite composite shell with the given ratios to the geometry and material of the liner.
  • the objective of the invention is - for a known material of the liner to select the material and the reinforcement of the groups of forming layers providing the minimum weight of the structure under the restriction on the level of plastic deformation of the material of the liner.
  • the technical result of the invention lies in the fact that the proposed design of the cylinder provides high-performance for any given level of cyclic loading with high pressure and torque with minimal weight and the cost of its manufacture.
  • the advantage of this solution is that the design of the cylinder, made according to the proposed solution, provides the required life of the cylinder.
  • the possibility of their application to achieve an effective design is actually visible.
  • the ability to create a high level of plastic deformation in the liner ultimately leads to the phenomenon of low-cycle fatigue of the liner material.
  • the proposed design of the cylinder provides the requirement for reliable fastening of the neck of the nozzle of the cylinder in a composite shell, which also provides its multiple loading with torques.
  • the metal composite cylindrical container contains a metal cylindrical liner with profile bottoms and a neck flange with a fitting fixed in the pole hole of the power shell made of composite material formed by a group of layers of threads of reinforcing materials oriented in spiral and circumferential directions with different reinforcement powers, the combination of reinforcing power and distribution of groups of layers of reinforcing materials of the power shell along the thickness of its walls and provides the strain rate at each point of the liner material satisfying the condition: where N is the required number of failure-free operation cycles of a cylinder loaded with working pressure; ⁇ is the temporary resistance; ⁇ is the ultimate transverse narrowing and E is the elastic modulus of the liner material, while the neck of the liner is provided with an annular protrusion from the open end of the nozzle with an external diameter greater than the sum of the diameter of the pole hole of the composite shell and the two widths of the wound tape of the threads of reinforcing materials, so between the outer surface of the composite shell and it formed a con
  • the annular bandage can be made of materials with a greater modulus of elasticity than the material of the power shell.
  • An annular bandage can be made of multimodular materials with a layered distribution over the diameter of the bandage.
  • the grooves fixing in the annular bandage may have the shape of a polyhedron.
  • Identification and technical information can be applied on the annular protrusion of the flange.
  • the annular protrusion of the flange can be made in the form of a hotel ring rigidly connected to the fitting of the flange.
  • the outer surface of the neck flange in the area of the fitting can be made with a taper towards the annular protrusion.
  • the bottoms of the power shell formed by a group of layers of threads of reinforcing materials oriented in a spiral direction and the cylindrical part formed by a combination of groups of layers of threads of reinforcing materials oriented in a spiral and circumferential directions can be aligned along the ring deformation in the zone of their joint.
  • FIG. 1 shows a general view of a pressure vessel.
  • FIG. 2 - option of fixing the pole flange of the cylinder.
  • FIG. Figure 3 shows a section of a cylinder flange fixing assembly.
  • FIG. 4 option of fixing the pole flange of the cylinder.
  • Low-cycle fatigue is characterized by the appearance of plastic deformations in macroscopic volumes of the liner material in each loading cycle. Low-cycle fatigue occurs at maximum stresses exceeding the yield strength of the material and is accompanied by alternating plastic deformation of the volume of the material, which is large compared to the dimensions of the structural components (grains, pores, inclusions).
  • Number cycles to the formation of a noticeable crack mainly depends on the amount of plastic deformation of the material in each cycle and on the ability of the material to resist low-cycle destruction:
  • the behavior of the material is determined here by the Bausinger effect, cyclic hardening or softening of the material (i.e., changing the size and shape of the hysteresis loop with increasing number cycles), as well as residual stresses in the structure, resulting from the incompatibility of plastic deformations.
  • the increments and ranges of plastic deformations, as well as the shape and dimensions of the plastic hysteresis loop, are different at different points in the structure and generally change from cycle to cycle.
  • the task of designing a cylinder can be reduced to the following statement: for a known liner material, it is required to select a material and a reinforcement scheme for groups of forming layers providing a minimum weight of the structure under the restriction on the level of plastic deformations of the liner material, represented as a condition
  • the solution of the problem can be carried out as follows. For a given load (for example, test internal pressure) for the accepted distribution of groups of layers of threads, reinforcing materials and their capacities oriented in spiral and circumferential directions of reinforcement in each section of the structure, its deformations in the circumferential and meridional directions are calculated by known methods. According to the data obtained using the ratio ⁇ + ( ⁇ ⁇ - ⁇ ⁇ ) 2 + ⁇ ⁇ 2 the strain intensity and stress intensity ⁇ , are calculated . in the liner material.
  • the strain intensity in the liner is compared with the constraint ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ .
  • the design of the container satisfies the condition that the combination of reinforcing power and distribution of the groups of layers of reinforcing materials of the power sheath over the thickness of its wall provides a strain rate at each point of the liner material less than where ⁇ is the required number of trouble-free operation cycles of a cylinder loaded with working pressure ⁇
  • E is the elastic modulus of the liner material
  • a metal composite cylindrical cylinder contains a metal cylindrical liner 1 with profile bottoms and a neck flange 3 with a fitting fixed in the pole hole of the power shell 2 from composite material formed by a group of layers of threads of reinforcing materials oriented in spiral and circumferential directions with different powers reinforcement.
  • the combination of reinforcing power and distribution of the groups of layers of reinforcing materials of the power shell along the thickness of its wall provides a strain rate at each point of the liner material that satisfies the condition: where N is the required number of failure-free operation cycles of a cylinder loaded with working pressure; ⁇ is the temporary resistance; ⁇ is the ultimate transverse narrowing and E is the elastic modulus of the liner material.
  • the neck flange 3 of the liner is provided with an annular protrusion 4 from the side of the open end of the nozzle with an external diameter greater than the sum of the diameter of the pole hole of the composite shell and the two widths of the winding tape of the threads of reinforcing materials so that between the outer surface of the composite shell and it formed a concentric annular cavity in which is placed with the filling of its entire volume an annular band 5 made of composite shell material.
  • the fitting of the neck flange 3 is fixed in the annular band 5 using grooves of a non-circular shape.
  • the annular bandage 5 can be made of materials with a greater modulus of elasticity than the material of the power sheath.
  • the annular bandage 5 can be made of different-modular materials with a layered distribution over the diameter of the bandage.
  • the grooves fixing in the annular brace 5 may have the shape of a polyhedron or the shape of an ellipse.
  • On the annular protrusion 4 of the flange can be applied identification - technical information.
  • the annular protrusion of the flange can be made in the form of a hotel ring rigidly connected to the fitting of the flange.
  • the outer surface of the neck flange 3 in the area of the fitting can be made with a taper towards the annular protrusion.
  • the bottoms of the power shell 2 formed by a group of layers of threads of reinforcing materials oriented in spiral directions and the cylindrical part formed by a combination of groups of layers of threads of reinforcing materials oriented in spiral and circumferential directions can be aligned along the ring deformation in the zone of their joint.
  • the functioning of the proposed solution is as follows. In the manufacture of a power shell by winding, a thickening occurs in the region of the pole hole. As a rule, the diameter of this thickening is equal to the sum of the diameter of the pole hole in which the fitting of the flange and the two widths of the technological tape of the reinforcing material are placed.
  • a high-pressure cylinder consists in filling it with a fluid (liquid or gas) to the required pressure level, storing, transporting, emptying, subsequent new filling, and spending the fluid, i.e. in the repetition of actions and operations with multiple cyclic loading.
  • high-pressure cylinders (vessels) from different materials using a thin-walled metal inner shell - liner.
  • the manufacture and testing of high pressure cylinders (vessels) with the proposed solution confirmed their high reliability and operational efficiency.
  • the proposed cylinders can be used in portable oxygen breathing apparatus of climbers, rescuers, in portable products of cryogenic and fire fighting equipment, gas supply systems and other industries.

Abstract

Технический результат изобретения заключается в том, что предложенная конструкция баллона обеспечивает высокоэффективную работоспособность на любой заданный уровень циклического нагружения высоким давлением и крутящими моментами при минимальном весе и стоимости ее изготовления. Технический результат достигается тем, что баллон давления содержит тонкостенный металлический цилиндрический лейнер с профильными днищами и горловинным фланцем со штуцером, закрепленным в полюсном отверстии силовой оболочки из композитного материала, образованной комбинацией групп слоев нитей армирующих материалов, ориентированных в спиральных и окружных направлениях с разными мощностями армирования, при этом горловинный фланец лейнера снабжен кольцевым выступом со стороны открытого торца штуцера с внешним диаметром, большим суммы диаметра полюсного отверстия композитной оболочки и двух ширин наматываемой ленты нитей армирующих материалов, а между наружной поверхностью композитной оболочки и ним образована концентрическая кольцевая полость, в которой размещен с заполнением всего ее объема кольцевой бандаж, выполненный из материала композитной оболочки, а штуцер горловинного фланца зафиксирован в кольцевом бандаже с помощью проточек некруговой формы.

Description

Метало композитный баллон 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
Эти баллоны (сосуды) предназначены для хранения и транспортировки текучей среды (жидкости или газа), находящейся под высоким давлением. Такие сосуды, как правило, подвержены многократным циклическим нагрузкам высокого давления.
В баллонах подобного типа, чтобы избежать утечек текучей среды или нарушения герметичности, особое значение придается материалу герметизирующей оболочки - лейнера, которая в зависимости от вида и характера текучей среды, заполняющей сосуд, выполняется из термопласта, алюминия или стали. В настоящее время наибольшее распространение получили баллоны с использованием металлических лейнеров, что определяется рядом преимуществ металлов перед пластиками. 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 по различным траекториям жгутов высокопрочного или высокомодульного волокна (например, углеволокна), пропитанного полимерным связующим.
В соответствии с требованиями действующей нормативной документации помимо основного требования, предъявляемого к газовым баллонам высокого давления, снижения удельной материалоемкости баллона и обеспечения безопасной эксплуатации базовым является также требование обеспечения заданного ресурса использования баллона по числу циклов нагружения или заполнения. В отличие от других типов конструкций баллонов, для конструкции метало композитного баллона данное требование является определяющим в силу большой разнородности физико-механических свойств используемых материалов. Третьим, также определяющим требованием нормативной документации к баллонам, является требование надежного крепления горловинного штуцера баллона в композитной оболочке, обеспечивающего также многократные его нагружения крутящими моментами.
Известны многочисленные примеры создания композитных баллонов давления с использованием металлического лейнера из различных сплавов (см., например, патенты US 5494188, US 5538680, US 5653358, US 5862938, US 5938209, US 5979692, US 6190598, US 6202674, US 6202674, US 6230922).
Однако, данные конструкции не полностью обеспечивают решение главных задач в конструкции баллона: обеспечение надежности при большой цикличности нагружения его высоким давлением при минимально возможном весе и стоимости изготовления соизмеримой или ниже чем у цельнометаллических баллонах.
Известны многочисленные примеры создания композитных баллонов давления с использованием тонкостенных металлических лейнеров из различных сплавов (см., например, патенты US 3 066 822, US 3 446 385, US 5 292 027, US 5,822,838, US 5 918 759 , WO 03/029718), реализация которых позволяет частично решить задачу обеспечения большей цикличности нагружения его высоким давлением при весе ниже чем у цельнометаллических баллонах.
Известны многочисленные конструктивные решения исполнения метало композитных баллонов с тонкостенными лейнерами, где различными способами предлагается совмещение деформаций материала лейнера и композитной оболочки.
В конструкции по заявке RU JV 2001 1 15743 для металлопластикового баллона высокого давления, содержащего композитную оболочку и тонкостенный металлический лейнер, поставленная задача решается тем, что толщина стенки лейнера и толщина композитной оболочки выбираются из условия, что основным несущим элементом баллона является композитная оболочка, а материал металлического лейнера при рабочем давлении находится в области упругого деформирования. Недостатком такого решения является то, что из-за большой разницы в значениях предельных деформаций разрушения композита (до 2%) и деформации упругости металла (0.2%), вес конструкции и ее стоимость имеют очень высокие значения, что делает баллон данной конструкции практически не конкурентоспособным с металлическими аналогами.
В конструкции баллона по патенту RU N»2094695 предлагается использование металлического лейнера, выполненного с продольными и кольцевыми гофрами. При этом наружные полости продольных гофр могут быть заполнены упругим материалом. В качестве упругого материала используют эластомер.
Недостатком отмеченного решения является то, что конструктивное выполнение в виде набора продольных и кольцевых гофр в лейнере поднимает общую изгибную жесткость лейнера, но не обеспечивает выполнения условий совместности деформаций в материале лейнера и материале композитной оболочки. В гофрах при циклических нагрузках возникают пластические деформации, приводящие к преждевременным разрушениям лейнера.
Прототипом к предлагаемому изобретению является решение по патенту RU 2358187 С2, 10.09.2008, где предлагается использовать гладкий тонкостенный металлический лейнер, а материал силовой композитной оболочки подбирать с заданным соотношениями к геометрии и материалу лейнера.
Недостатками решения является то, что в качестве критериев проектирования баллонов здесь используется критерий обеспечения совместности деформирования разнородных материалов конструкции баллонов, но выполненные конструкции с предлагаемыми соотношениями размеров не обеспечивает требуемые ресурсы конструкции по циклическим нагрузкам.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является - для известного материала лейнера подобрать материал и схему армирования групп образующих слоев обеспечивающих минимальный вес конструкции при действии ограничения на уровень пластических деформаций материала лейнера.
Технический результат изобретения заключается в том, что предложенная конструкция баллона обеспечивает высокоэффективную работоспособность на любой заданный уровень циклического нагружения высоким давлением и крутящими моментами при минимальном весе и стоимости ее изготовления. Преимуществом данного решения является то, что конструкция баллона, выполненного по предлагаемому решению, обеспечивает требуемый ресурс эксплуатации баллона. Кроме того, в зависимости от используемых в ней материалов лейнера и силовой оболочки реально видна возможность их применения для достижения эффективной конструкции. Возможность создавать в лейнере высокий уровень пластических деформаций приводит в конечном итоге к явлению малоцикловой усталости материала лейнера. Предложенная конструкция баллона обеспечивает требование надежного крепления горловинного штуцера баллона в композитной оболочке, обеспечивающего также многократные его нагружения крутящими моментами. Технический результат достигается тем, что метало композитный цилиндрический баллон содержит металлический цилиндрический лейнер с профильными днищами и горловинным фланцем со штуцером закрепленным в полюсном отверстии силовой оболочки из композитного материала, образованной группой слоев нитей армирующих материалов, ориентированных в спиральных и окружных направлениях с разными мощностями армирования, при этом комбинация мощности армирования и распределения групп слоев армирующих материалов силовой оболочки по толщине ее стенки обеспечивает интенсивность деформаций в каждой точке материала лейнера удовлетворяющую условию:
Figure imgf000008_0001
где N - требуемое число циклов безотказной работы баллона нагруженного рабочим давлением; σ - временное сопротивление; Ψ - предельное поперечное сужение и Е— модуль упругости материала лейнера, при этом горловинный фланец лейнера снабжен кольцевым выступом, со стороны открытого торца штуцера, с внешним диаметром, большим суммы диаметра полюсного отверстия композитной оболочки и двух ширин наматываемой ленты нитей армирующих материалов, так что между наружной поверхностью композитной оболочки и ним образована концентрическая кольцевая полость, в которой размещен с заполнением всего ее объема кольцевой бандаж, выполненный из материала композитной оболочки, причем штуцер горловинного фланца зафиксирован в кольцевом бандаже с помощью проточек некруговой формы. Отдельные группы слоев нитей армирующих материалов силовой оболочки ориентированных в спиральных направлениях являются частью материала кольцевого бандажа.
Кольцевой бандаж может быть выполнен из материалов с большим модулем упругости, чем у материала силовой оболочки.
Кольцевой бандаж может быть выполнен из разномодульных материалов с послойным распределением по диаметру бандажа.
Фиксирующие в кольцевом бандаже проточки могут иметь форму многогранника.
Фиксирующие в кольцевом бандаже проточки могут иметь форму эллипса.
На кольцевом выступе фланца может быть нанесена идентификационно - техническая информация.
Кольцевой выступ фланца может быть выполнен в виде отельного кольца жестко соединенного со штуцером фланца.
Внешняя поверхность горловинного фланца в зоне штуцера может быть выполнена с конусностью в сторону кольцевого выступа.
Днища силовой оболочки, образованные группой слоев нитей армирующих материалов ориентированных в спиральных направлениях и цилиндрическая часть, образованная комбинацией групп слоев нитей армирующих материалов ориентированных в спиральных и окружных направлениях, могут быть совмещены по кольцевой деформации в зоне их сочленения. Краткое описание чертежей изобретения
На фиг. 1 показан общий вид сосуда высокого давления. На фиг. 2 - вариант закрепления полюсного фланца баллона.
На фиг. 3 показано сечение узла закрепления фланца баллона. На фиг. 4 - вариант закрепления полюсного фланца баллона.
Варианты осуществления изобретения
Как известно, проектирование баллонов по всем действующим методикам строится на законах прочности при статическом нагружении с некоторыми поправками, учитывающими особенности используемого материала и конструкции. В качестве таких поправок выступают коэффициенты запаса прочности и безопасности.
В тоже время основные положения механики твердого тела говорят что, определяющие условия разрушения материала рассматриваемой конструкции баллона при статическом нагружении, констатируют некоторую предельную поверхность, достижение которой соответствует моменту разрушения.
Вопрос о том, каким образом достигается эта поверхность, в существующих методиках не рассматривается. В тоже время, обеспечение желаемой безопасности при эксплуатации баллона связано с особенностями поведения используемых в конструкциях баллонов металлов и сплавов при циклических деформациях, так как она определяет так называемую усталость или историю нагружения конструкции. Усталость конструкции - процесс постепенного накопления повреждений в ее материале, обусловленный циклическим действием нагрузок. Именно усталость является основной причиной разрушения рассматриваемых конструкций баллонов или сосудов давления. Особенность усталостного разрушения состоит в том, что оно может иметь длительный инкубационный период, составляющий иногда годы эксплуатации изделия, в течение которого выявление признаков приближающегося разрушения затруднительно.
Таким образом, вследствие циклического и длительного нагружения конструкции баллона в металле лейнера накапливаются повреждения, которые проявляются поразному, в различных диапазонах прикладываемых напряжений.
Для получения эффективной конструкции, очевидно, что необходимо более полно использовать высокие прочностные характеристики композиционного материала, то есть создавать в лейнере высокий уровень пластических деформаций, что приводит в конечном итоге к явлению малоцикловой усталости материала лейнера.
Для малоцикловой усталости характерно появление пластических деформаций в макроскопических объемах материала лейнера в каждом цикле нагружения. Малоцикловая усталость возникает при максимальных напряжениях, превышающих предел текучести материала, и сопровождается знакопеременным пластическим деформированием объема материала, большого по сравнению с размерами структурных составляющих (зерен, пор, включений). Число циклов до образования заметной трещины зависит в основном от величины пластической деформации материала в каждом цикле и от способности материала сопротивляться малоцикловому разрушению: Поведение материала определяется здесь эффектом Баушингера, циклическим упрочнением или разупрочнением материала (т.е. изменением размеров и формы петли гистерезиса с увеличением числа циклов), а также остаточными напряжениями в конструкции, образующимися при несовместности пластических деформаций.
Основными характеристиками процесса пластического деформирования в точке тела при циклическом изменении нагрузки с периодом являются приращение пластической деформации за цикл
Figure imgf000012_0001
(здесь гр - скорость пластической деформации, τ - время от начала цикла) и размах пластической деформации за цикл
Figure imgf000012_0002
Приращения и размахи пластических деформаций, а также форма и размеры петли пластического гистерезиса различны в разных точках конструкции и в общем случае изменяются от цикла к циклу.
Как правило, для конструкций баллонов при циклических нагружениях в материале лейнера возникают как пластические так и упругие деформации. Для большого ряда металлов и сплавов в переходной области, когда следует учитывать как пластические, так и упругие деформации материала лейнера для описания зависимостей между числом циклов до разрушения Nf и амлитудой деформации области малоцикловой усталости можно использовать экспериментальные аппроксимирующие функции вида:
Figure imgf000013_0001
С учетом отмеченного выше, задачу проектирования баллона можно свести к следующей постановке: для известного материала лейнера требуется подобрать материал и схему армирования групп образующих слоев обеспечивающих минимальный вес конструкции при действии ограничения на уровень пластических деформаций материала лейнера, представляемого в виде условия
Figure imgf000013_0002
Решение поставленной задачи может быть осуществлено следующим образом. При заданной нагрузке (например, испытательном внутреннем давлении) для принятого распределения групп слоев нитей, армирующих материалов и их мощностей ориентированных в спиральных и окружных направлениях армирования в каждом сечении конструкции, по известным методикам рассчитываются ее деформации в окружном и меридиональном направлениях. По полученным данным с использованием соотношения ε + (εα - ερ)2 + εβ 2 рассчитывается интенсивность деформаций и интенсивность напряжений σ,. в материале лейнера.
Далее, используя принцип единой кривой деформирования материала лейнера, для рассматриваемой конструкции величина интенсивности деформаций в лейнере сравнивается с ограничением εί < εα . При достижении обеспечения данного ограничения получаемая конструкция удовлетворяет нормативным требованиям, как по прочности, так и по ресурсу эксплуатации.
Вариацией таких решений по распределению комбинации мощностей армирования и распределению групп слоев армирующего материала подбирается конструкция с минимальными весовыми параметрами. Таким образом, конструкция баллона удовлетворяющая условию, что комбинация мощности армирования и распределения групп слоев армирующих материалов силовой оболочки по толщине ее стенки, обеспечивает интенсивность деформаций в каждой точке материала лейнера меньше чем
Figure imgf000014_0001
где Ν— требуемое число циклов безотказной работы баллона нагруженного рабочим давлением^
ав - временное сопротивление, Ψ - предельное поперечное сужение и
Е - модуль упругости материала лейнера,
является оптимальной конструкцией. С другой стороны, для обеспечения надежной работы данной конструкции, в зоне горловины баллона необходимо исполнение, обеспечивающее надежную работу узла крепления фланца.
Решение такого исполнения представлено на фиг. 1 - 4. Метало композитный цилиндрический баллон содержит металлический цилиндрический лейнер 1 с профильными днищами и горловинным фланцем 3 со штуцером, закрепленным в полюсном отверстии силовой оболочки 2 из композитного материала, образованной группой слоев нитей армирующих материалов, ориентированных в спиральных и окружных направлениях с разными мощностями армирования.
Комбинация мощности армирования и распределения групп слоев армирующих материалов силовой оболочки по толщине ее стенки обеспечивает интенсивность деформаций в каждой точке материала лейнера удовлетворяющую условию:
Figure imgf000015_0001
где N - требуемое число циклов безотказной работы баллона нагруженного рабочим давлением; σ - временное сопротивление; Ψ - предельное поперечное сужение и Е - модуль упругости материала лейнера.
Горловинный фланец 3 лейнера снабжен кольцевым выступом 4 со стороны открытого торца штуцера с внешним диаметром, большим суммы диаметра полюсного отверстия композитной оболочки и двух ширин наматываемой ленты нитей армирующих материалов так, что между наружной поверхностью композитной оболочки и ним образована концентрическая кольцевая полость, в которой размещен с заполнением всего ее объема кольцевой бандаж 5, выполненный из материала композитной оболочки. Штуцер горловинного фланца 3 зафиксирован в кольцевом бандаже 5 с помощью проточек некруговой формы.
Отдельные группы слоев нитей армирующих материалов силовой оболочки 2, ориентированных в спиральных направлениях, являются частью материала кольцевого бандажа. Кольцевой бандаж 5 может быть выполнен из материалов с большим модулем упругости, чем у материала силовой оболочки. Кольцевой бандаж 5 может быть выполнен из разномодульных материалов с послойным распределением по диаметру бандажа. Фиксирующие в кольцевом бандаже 5 проточки могут иметь форму многогранника или форму эллипса. На кольцевом выступе 4 фланца может быть нанесена идентификационно - техническая информация. Кольцевой выступ фланца может быть выполнен в виде отельного кольца жестко соединенного со штуцером фланца. Внешняя поверхность горловинного фланца 3 в зоне штуцера может быть выполнена с конусностью в сторону кольцевого выступа.
Днища силовой оболочки 2, образованные группой слоев нитей армирующих материалов, ориентированных в спиральных направлениях и цилиндрическая часть, образованная комбинацией групп слоев нитей армирующих материалов, ориентированных в спиральных и окружных направлениях, могут быть совмещены по кольцевой деформации в зоне их сочленения. Функционирование предложенного решения происходит следующим образом. При изготовлении силовой оболочки методом намотки происходит образование утолщения в зоне полюсного отверстия. Как правило, диаметр данного утолщения равен сумме диаметра полюсного отверстия, в котором помешен штуцер фланца и двух ширин технологической ленты армирующего материала. Выше данного диаметра происходит плавное изменение толщины стенки силовой оболочки, вызванное непрерывностью процесса намотки. При деформировании оболочки без бандажа полюсное отверстие оболочки раскрывается и создает возможность свободного перемещения фланца. Введение бандажа позволяет управлять процессом деформирования оболочки в данной зоне и тем самым позволяет создавать надежное соединение оболочки и лейнера в полюсном отверстии. Кроме того, бандаж резко снижает напряжения возникающие в патрубке фланца, что позволяет снижать вес конструкции фланца в целом. Выполнение бандажа из разнородных материалов 6 - 9 (см. фиг. 4) с перевязкой с материалом композитной оболочки позволяет существенно расширить эффективность функционирования рассматриваемой конструкции.
Функционирование баллона высокого давления 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 баллоны (сосуды) высокого давления из разных материалов с использованием тонкостенной металлической внутренней оболочки - лейнера. Изготовление и испытание баллонов (сосудов) высокого давления с предложенным решением подтвердили их высокую надежность и эффективность в эксплуатации. Предложенные баллоны могут быть использованы в портативных кислородных дыхательных аппаратах альпинистов, спасателей, в переносных изделиях криогенной и противопожарной техники, системах газообеспечения и других отраслях.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Метало - композитный баллон давления, характеризующийся тем, что содержит тонкостенный металлический цилиндрический лейнер с профильными днищами и горловинным фланцем со штуцером, закрепленным в полюсном отверстии силовой оболочки из композитного материала, образованной комбинацией групп слоев нитей армирующих материалов, ориентированных в спиральных и окружных направлениях с разными мощностями армирования, при этом горловинный фланец лейнера снабжен кольцевым выступом со стороны открытого торца штуцера с внешним диаметром большим суммы диаметра полюсного отверстия композитной оболочки и двух ширин наматываемой ленты нитей армирующих материалов, причем между наружной поверхностью композитной оболочки и ним образована концентрическая кольцевая полость, в которой размещен с заполнением всего ее объема кольцевой бандаж, выполненный из материала композитной оболочки, а штуцер горл овинного фланца зафиксирован в кольцевом бандаже с помощью проточек некруговой формы.
2. Баллон по п.1, характеризующийся тем, что комбинация мощности армирования и распределения групп слоев армирующих материалов силовой оболочки по толщине ее стенки обеспечивает интенсивность деформаций в каждой точке материала лейнера удовлетворяющую условию:
—ε, Λτ0·6 + 1.75 ^ TV
2 E где N - число циклов безотказной работы баллона нагруженного рабочим давлением; £0 -амплитуда деформаций; гь - временное сопротивление; Ψ - предельное поперечное сужение и Е — модуль упругости материала лейнера,
3. Баллон по п. 2 характеризующийся тем, что отдельные группы слоев нитей, армирующих материалов силовой оболочки ориентированных в спиральных направлениях, являются частью материала кольцевого бандажа.
4. Баллон по п. 1 характеризующийся тем, что кольцевой бандаж выполнен из материалов с большим модулем упругости, чем у материала силовой оболочки.
5. Баллон по п. 1 характеризующийся тем, что кольцевой бандаж выполнен из разномодульных материалов с послойным распределением по диаметру бандажа.
6. Баллон по п. 1 характеризующийся тем, что фиксирующие в кольцевом бандаже проточки имеют форму многогранника.
7. Баллон по п. 1 характеризующийся тем, что фиксирующие в кольцевом бандаже проточки имеют форму эллипса.
8. Баллон по п. 1 характеризующийся тем, что на кольцевом выступе фланца нанесена идентификационно - техническая информация.
9. Баллон по п. 1 характеризующийся тем, что кольцевой выступ фланца выполнен в виде отельного кольца жестко соединенного со штуцером фланца.
10. Баллон по п.1, характеризующийся тем, что внешняя поверхность горловинного фланца в зоне штуцера выполнена с конусностью в сторону кольцевого выступа.
1 1. Баллон по п. 1 характеризующийся тем, что днища силовой оболочки, образованные группой слоев нитей армирующих материалов, ориентированных в спиральных направлениях, и цилиндрическая часть, образованная комбинацией групп слоев нитей армирующих материалов, ориентированных в спиральных и окружных направлениях, совмещены по кольцевой деформации в зоне их сочленения.
PCT/RU2010/000034 2010-02-01 2010-02-01 Метало композитный баллон давления WO2011093737A1 (ru)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/575,991 US20130206778A1 (en) 2010-02-01 2010-02-01 Metal composite pressure cylinder
ES10844827T ES2812584T3 (es) 2010-02-01 2010-02-01 Bombona de presión fabricada con materiales compuestos metálicos
PCT/RU2010/000034 WO2011093737A1 (ru) 2010-02-01 2010-02-01 Метало композитный баллон давления
EP10844827.5A EP2532930B1 (en) 2010-02-01 2010-02-01 Metal composite pressure cylinder

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2010/000034 WO2011093737A1 (ru) 2010-02-01 2010-02-01 Метало композитный баллон давления

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2011093737A1 true WO2011093737A1 (ru) 2011-08-04

Family

ID=44319552

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2010/000034 WO2011093737A1 (ru) 2010-02-01 2010-02-01 Метало композитный баллон давления

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20130206778A1 (ru)
EP (1) EP2532930B1 (ru)
ES (1) ES2812584T3 (ru)
WO (1) WO2011093737A1 (ru)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018112622A1 (en) 2016-12-20 2018-06-28 Titan Trailers Inc. Cylindrical cargo container construction
CA3039566C (en) 2016-12-20 2021-04-13 Michael Kloepfer Cylindrical semi-trailer
USD915945S1 (en) 2016-12-20 2021-04-13 Michael Kloepfer Cylindrical semi-trailer
CA3090466C (en) 2017-09-22 2021-03-02 Titan Trailers Inc. Quasi-cylindrical cargo container and construction
JP7176287B2 (ja) * 2018-08-09 2022-11-22 トヨタ自動車株式会社 圧力容器及びその製造方法
CA3069925A1 (en) 2019-01-28 2020-07-28 Michael Kloepfer Cargo container nose cone assembly

Citations (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3066822A (en) 1959-10-19 1962-12-04 Budd Co Composite missile structure
US3446385A (en) 1966-08-05 1969-05-27 Koppers Co Inc Filament wound reinforced pressure vessel
US5287988A (en) * 1993-02-03 1994-02-22 Brunswick Corporation Metal-lined pressure vessel
US5292027A (en) 1992-10-05 1994-03-08 Rockwell International Corporation Tension and compression extensible liner for a primary vessel
US5494188A (en) 1992-01-28 1996-02-27 Edo Canada Ltd. Fluid pressure vessel boss-liner attachment system with liner/exterior mechanism direct coupling
US5538680A (en) 1994-06-24 1996-07-23 Thiokol Corporation Method of molding a polar boss to a composite pressure vessel
US5653359A (en) 1994-02-18 1997-08-05 W. F. Kaiser U. Co. Gmbh Springform with covering hood
RU2094695C1 (ru) 1984-12-14 1997-10-27 Игорь Иванович Преображенский Баллон высокого давления
US5822838A (en) 1996-02-01 1998-10-20 Lockheed Martin Corporation High performance, thin metal lined, composite overwrapped pressure vessel
US5862938A (en) 1997-06-30 1999-01-26 Burkett; Jerald S. Flat bottom composite pressure vessel
US5918759A (en) 1995-07-27 1999-07-06 Apparate-Und Chemieanlagenbau Gmbh Tank or silo vessel made of fiber-reinforced plastic
US5938209A (en) 1997-02-14 1999-08-17 Alternative Fuel Systems, Inc. Seal system for fluid pressure vessels
US5979692A (en) 1998-03-13 1999-11-09 Harsco Corporation Boss for composite pressure vessel having polymeric liner
US6190598B1 (en) 1998-09-11 2001-02-20 Essef Corporation Method for making thermoplastic composite pressure vessels
US6202674B1 (en) 1999-12-10 2001-03-20 Alliedsignal Inc. Pressure vessel bottle mount
US6230922B1 (en) 1997-11-14 2001-05-15 Mannesmann Ag Composite pressurized container with a plastic liner for storing gaseous media under pressure
RU2001115743A (ru) 2001-06-05 2003-03-20 Общество с ограниченной ответственностью НПО "ПОИСК" Металлопластиковый баллон высокого давления, способ контроля работоспособности металлопластикового баллона и устройство для его реализации
WO2003029718A1 (en) 2001-10-04 2003-04-10 Vladimir Iraklievich Tadtaev High pressure composite cylinder
RU2210697C2 (ru) * 2001-06-05 2003-08-20 Общество с ограниченной ответственностью НПО "ПОИСК" Металлопластиковый баллон высокого давления, способ контроля работоспособности металлопластикового баллона и устройство для его осуществления
RU2358187C2 (ru) 2007-02-26 2009-06-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП "НИИМаш") Композиционный баллон высокого давления
US20090200319A1 (en) * 2008-02-08 2009-08-13 Gopala Krishna Vinjamuri Metallic liner for a fiber wrapped composite pressure vessel for compressed gas storage and transportation

Family Cites Families (29)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3358867A (en) * 1965-04-07 1967-12-19 Union Carbide Corp Double-walled thermally insulated container
US3847716A (en) * 1971-09-10 1974-11-12 Uniroyal Inc Doily for reinforcing the wall of a flexible walled liquid container
US3866792A (en) * 1973-03-02 1975-02-18 Hercules Inc Integral filament reinforced composite-rocket chamber/adapter
US3969812A (en) * 1974-04-19 1976-07-20 Martin Marietta Corporation Method of manufacturing an overwrapped pressure vessel
US4053081A (en) * 1976-08-20 1977-10-11 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Reinforced filament-wound cut-port pressure vessel and method of making same
US4369894A (en) * 1980-12-29 1983-01-25 Brunswick Corporation Filament wound vessels
US4438858A (en) * 1982-02-03 1984-03-27 Brunswick Corporation Filament wound vessel with improved polar fitting
CA1326832C (fr) * 1987-07-21 1994-02-08 Claude Leon Hembert Reservoir de fluide et son procede de fabrication
US4927476A (en) * 1988-06-27 1990-05-22 Watkins Richard L T Method for making a reinforced thermosetting resin structure with integral flanged nozzle
FR2669396B1 (fr) * 1990-11-19 1997-05-09 Inst Francais Du Petrole Reservoir de poids unitaire faible utilisable notamment pour le stockage de fluides sous pression et son procede de fabrication.
US5429845A (en) * 1992-01-10 1995-07-04 Brunswick Corporation Boss for a filament wound pressure vessel
US5284996A (en) * 1992-02-28 1994-02-08 Mcdonnell Douglas Corporation Waste gas storage
US5476189A (en) * 1993-12-03 1995-12-19 Duvall; Paul F. Pressure vessel with damage mitigating system
US5653358A (en) * 1994-04-08 1997-08-05 Arde, Inc. Multilayer composite pressure vessel with a fitting incorporated in a stem portion thereof
US5551590A (en) * 1995-05-30 1996-09-03 Amtrol Inc. Non-metallic pressure vessel fitting
US5568878A (en) * 1996-01-11 1996-10-29 Essef Corporation Filament wound pressure vessel having a reinforced access opening
US6135308A (en) * 1998-06-26 2000-10-24 Industrial Technology Research Institute Boss for a filament wound pressure vessel
US6158605A (en) * 1998-12-22 2000-12-12 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Composite tank
NZ513489A (en) * 1999-02-16 2002-12-20 Alliant Techsystems Inc Closure assembly for lined tanks, and vehicles equipped with the same
US6554939B1 (en) * 2000-10-10 2003-04-29 Pentair Pool Products, Inc. Container and method of forming the container
WO2007111325A1 (ja) * 2006-03-28 2007-10-04 Showa Denko K.K. ライナ構成部材の製造方法
JP4875915B2 (ja) * 2006-03-29 2012-02-15 富士重工業株式会社 耐圧容器
EP1850058A1 (en) * 2006-04-25 2007-10-31 Inergy Automotive Systems Research (SA) Storage tank
US8052915B2 (en) * 2006-11-10 2011-11-08 GM Global Technology Operations LLC Apparatus for forming an extrusion blow molded vessel with insert and method
JP4457359B2 (ja) * 2006-12-13 2010-04-28 トヨタ自動車株式会社 圧力容器
NO20073034A (no) * 2007-06-14 2008-09-22 Compressed Energy Tech As Endeboss og en kompositt trykktank
US8517206B2 (en) * 2009-05-19 2013-08-27 Quantum Fuel Systems Technologies Worldwide Inc. High pressure storage vessel
DE102009049948B4 (de) * 2009-10-19 2012-02-02 Kautex Maschinenbau Gmbh Druckbehälter
JP5179458B2 (ja) * 2009-11-11 2013-04-10 八千代工業株式会社 圧力容器のシール構造

Patent Citations (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3066822A (en) 1959-10-19 1962-12-04 Budd Co Composite missile structure
US3446385A (en) 1966-08-05 1969-05-27 Koppers Co Inc Filament wound reinforced pressure vessel
RU2094695C1 (ru) 1984-12-14 1997-10-27 Игорь Иванович Преображенский Баллон высокого давления
US5494188A (en) 1992-01-28 1996-02-27 Edo Canada Ltd. Fluid pressure vessel boss-liner attachment system with liner/exterior mechanism direct coupling
US5292027A (en) 1992-10-05 1994-03-08 Rockwell International Corporation Tension and compression extensible liner for a primary vessel
US5287988A (en) * 1993-02-03 1994-02-22 Brunswick Corporation Metal-lined pressure vessel
US5653359A (en) 1994-02-18 1997-08-05 W. F. Kaiser U. Co. Gmbh Springform with covering hood
US5538680A (en) 1994-06-24 1996-07-23 Thiokol Corporation Method of molding a polar boss to a composite pressure vessel
US5918759A (en) 1995-07-27 1999-07-06 Apparate-Und Chemieanlagenbau Gmbh Tank or silo vessel made of fiber-reinforced plastic
US5822838A (en) 1996-02-01 1998-10-20 Lockheed Martin Corporation High performance, thin metal lined, composite overwrapped pressure vessel
US5938209A (en) 1997-02-14 1999-08-17 Alternative Fuel Systems, Inc. Seal system for fluid pressure vessels
US5862938A (en) 1997-06-30 1999-01-26 Burkett; Jerald S. Flat bottom composite pressure vessel
US6230922B1 (en) 1997-11-14 2001-05-15 Mannesmann Ag Composite pressurized container with a plastic liner for storing gaseous media under pressure
US5979692A (en) 1998-03-13 1999-11-09 Harsco Corporation Boss for composite pressure vessel having polymeric liner
US6190598B1 (en) 1998-09-11 2001-02-20 Essef Corporation Method for making thermoplastic composite pressure vessels
US6202674B1 (en) 1999-12-10 2001-03-20 Alliedsignal Inc. Pressure vessel bottle mount
RU2001115743A (ru) 2001-06-05 2003-03-20 Общество с ограниченной ответственностью НПО "ПОИСК" Металлопластиковый баллон высокого давления, способ контроля работоспособности металлопластикового баллона и устройство для его реализации
RU2210697C2 (ru) * 2001-06-05 2003-08-20 Общество с ограниченной ответственностью НПО "ПОИСК" Металлопластиковый баллон высокого давления, способ контроля работоспособности металлопластикового баллона и устройство для его осуществления
WO2003029718A1 (en) 2001-10-04 2003-04-10 Vladimir Iraklievich Tadtaev High pressure composite cylinder
RU2358187C2 (ru) 2007-02-26 2009-06-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП "НИИМаш") Композиционный баллон высокого давления
US20090200319A1 (en) * 2008-02-08 2009-08-13 Gopala Krishna Vinjamuri Metallic liner for a fiber wrapped composite pressure vessel for compressed gas storage and transportation

Also Published As

Publication number Publication date
EP2532930B1 (en) 2020-07-08
EP2532930A4 (en) 2017-07-12
ES2812584T3 (es) 2021-03-17
EP2532930A1 (en) 2012-12-12
US20130206778A1 (en) 2013-08-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2011093737A1 (ru) Метало композитный баллон давления
EP3094914B1 (en) High-pressure composite vessel and the method of manufacturing high-pressure composite vessel
US8474647B2 (en) Metallic liner with metal end caps for a fiber wrapped gas tank
US7255245B2 (en) Hybrid pressure vessel with separable jacket
JP5711154B2 (ja) 圧力容器の耐せん断ボス及びシェルインタフェース要素
KR20170019353A (ko) 인장 및 압축 하중에 대한 다른 섬유 보강부들을 구비한 비틀림 하중을 받는 로드형 구성 요소
RU2439425C2 (ru) Металло-композитный баллон давления
CN214744929U (zh) 塑料内胆全缠绕气瓶
JP2010270878A (ja) 圧力容器構造
KR20180094996A (ko) 압력 용기 돔 배기구
RU2353851C1 (ru) Лейнер баллона высокого давления
RU164656U1 (ru) Емкость из полимерно-композиционного материала
WO2010116529A1 (ja) タンクおよびその製造方法
RU2560125C2 (ru) Баллон высокого давления
CN203273275U (zh) 一种钢丝缠绕结构的高压气瓶
JP2017082967A (ja) コイルばね用線材およびコイルばね
EP2716957B1 (en) High-pressure vessel made of composite materials
RU2358187C2 (ru) Композиционный баллон высокого давления
JP2004245348A (ja) 圧力容器
RU193002U1 (ru) Баллон для хранения сжатого натурального газа
RU2765217C1 (ru) Металлокомпозитный баллон для дыхательного аппарата
Gheshlaghi et al. Analysis of composite pressure vessels
JP2019108903A (ja) 高圧タンク
RU2008134619A (ru) Баллон высокого давления
RU2754572C1 (ru) Металлокомпозитный баллон высокого давления с горловинами большого диаметра

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: 10844827

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2010844827

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 13575991

Country of ref document: US