WO2012144929A1 - Баллон высокого давления из композиционных материалов - Google Patents

Баллон высокого давления из композиционных материалов Download PDF

Info

Publication number
WO2012144929A1
WO2012144929A1 PCT/RU2011/000931 RU2011000931W WO2012144929A1 WO 2012144929 A1 WO2012144929 A1 WO 2012144929A1 RU 2011000931 W RU2011000931 W RU 2011000931W WO 2012144929 A1 WO2012144929 A1 WO 2012144929A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
shell
layers
cylinder
cylinder according
liner
Prior art date
Application number
PCT/RU2011/000931
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
Priority claimed from RU2011115524A external-priority patent/RU2482380C2/ru
Application filed by Lukyanets Sergei Vladimirovich, Moroz Nikolai Grigorievich, Lebedev Igor Konstantinovich filed Critical Lukyanets Sergei Vladimirovich
Priority to ES11863930.1T priority Critical patent/ES2671457T3/es
Priority to EP11863930.1A priority patent/EP2716957B1/en
Publication of WO2012144929A1 publication Critical patent/WO2012144929A1/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
    • B29C53/58—Winding and joining, e.g. winding spirally helically
    • B29C53/60—Winding and joining, e.g. winding spirally helically using internal forming surfaces, e.g. mandrels
    • B29C53/602—Winding and joining, e.g. winding spirally helically using internal forming surfaces, e.g. mandrels for tubular articles having closed or nearly closed ends, e.g. vessels, tanks, containers
    • 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
    • B29C63/00—Lining or sheathing, i.e. applying preformed layers or sheathings of plastics; Apparatus therefor
    • B29C63/24—Lining or sheathing, i.e. applying preformed layers or sheathings of plastics; Apparatus therefor using threads
    • 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
    • F17C2201/0128—Shape spherical or elliptical
    • 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
    • F17C2201/054—Size medium (>1 m3)
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2201/00—Vessel construction, in particular geometry, arrangement or size
    • F17C2201/05—Size
    • F17C2201/056—Small (<1 m3)
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • 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
    • F17C2203/0639—Steels
    • F17C2203/0643—Stainless steels
    • 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
    • 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
    • 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
    • F17C2223/03—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
    • F17C2260/012—Reducing weight
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • 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

Definitions

  • Cylinders for high-pressure compressed gases are devices used in various fields of national economy and technology and, in particular, can be used as high-pressure tanks for transporting compressed gases, fuel tanks of vehicles, cylinders with air-oxygen mixtures for breathing apparatus and etc.
  • the invention relates to the construction of vessels intended for the above use (storage, transportation and use of compressed gases, etc.).
  • the main requirements for such gas cylinders are: ensuring their high structural strength with a minimum dispersion of their functional characteristics and operational reliability with minimum values of weight characteristics, as well as low material consumption and ensuring a long service life.
  • composite high-pressure cylinders contain an internal thin-walled hermetic casing - 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
  • Analogues of the proposed design solution for the execution of a metal composite cylinder with a thin-walled liner are the solutions according to patents US 5653358, EP 0714753, US 7497919, US 2007062959, US 3655085, US 4369894.
  • the internal sealed thin-walled shell (liner) is made of all-metal aluminum alloy without the use of welded or other joints of its parts, and the outer shell is made of organoplastics based on Armos brand organic fibers with multi-zone geodetic laying along a spherical surface and angles of inclination to the vessel axis from 5.7 ° to 73.15 °.
  • the problem to which the invention is directed is to create a new optimal geometry of the cylinder liner, which will improve the safety of operation of the cylinder when a significant reduction in mass characteristics in comparison with existing structures. This will dramatically expand the scope of application of light composite pressure vessels.
  • the technical result from the use of the claimed design is to increase the strength and reliability with a minimum weight at full load.
  • the advantage of the invention lies in the simplicity of its technological implementation and consumer appeal, because the consumer has the opportunity not to be afraid of the destruction of the high-pressure cylinder when reaching ultimate loads. This expands the possibilities of using the cylinder according to the invention especially in domestic conditions and on vehicles where compressed gases are used.
  • the high-pressure cylinder contains a neck, at least in one of the bottoms, a thin-walled sealing liner made of stainless thin-walled steel and an external power shell made of composite material, formed by a combination of shell layers of groups of tapes oriented along the surface of the liner in geodesic directions with different angles and linear densities of the threads of the reinforcing material respectively located in them, while the profile of the meridian forming the surface bottoms liner has the shape of a curve forming the tightly embracing meridians nested parts layers - the shells, the first of which from the neck to the second surface is a geodesic izotensoida and subsequent sections of its pole holes coincide with a notional smooth surface of a predetermined shape and satisfy the condition
  • y is the angle between the axis of rotation and the normal to the surface in the section under consideration
  • T is the tensile strength of the reinforcing threads
  • n is the reinforcement power (number of threads) in the i-th layer - the sheath
  • pi - angle reinforcement in the section under consideration g is the radius of the section under consideration
  • p is the pressure in the cylinder
  • k is the number of embedded shell layers.
  • the maximum surface diameter of the geodetic isotensoid is 1.2 - 1.8 times larger than the diameter of the pole hole of the second nested shell layer.
  • the maximum diameters of the shell layers embedded in each other are in the interval between the pole holes of the adjacent shell layers.
  • the functioning of the claimed design is most effective when the trajectories of laying the reinforcing threads in the shell layers are the trajectories of the geodesic directions for the considered layer - the shell and are determined by the ratio of the diameter of its pole hole to the current diameter.
  • Rc is the maximum balloon radius, and also due to the fact that the linear density (number) of tapes with unidirectional filaments respectively located in them on each of the enclosed layers of shells is selected from the condition
  • RK is the maximum radius of the embedded shell layer.
  • a partial modification of the proposed solution is that a sphere is chosen as a conditional smooth surface, and the number of nested shell layers is three. Moreover, in this case, the diameters of the pole holes of the enclosed layers of shells are 0.1, 0.5, and 0.765 of the maximum diameter of the cylinder.
  • a partial modification of the proposed solution is that a conical surface is chosen as a conditional smooth surface, and the number of embedded shell layers is six and for them the diameters of the pole holes of the embedded layers - shells are 0.3, 0.42, 0.53, 0.65, 0.76 and 0.88 of the maximum diameter balloon.
  • the advantage of the invention lies in the simplicity of its implementation and consumer appeal.
  • FIG. 1 shows a general view of a layered balloon.
  • FIG. 2 shows the general contour of the meridian forming the surface of the bottom of the cylinder.
  • FIG. 3 shows an example of a surface shape of a liner of a shell formed from three winding zones.
  • FIG. 4 shows an example implementation of a spherical
  • FIG. 5 shows an example of a technological implementation of reinforcing tapes of shell layers on the surface of a liner, the shape of which is selected using the present invention.
  • the high-pressure cylinder contains a strong (sheath) body 1, for example, of a composite material in the form of a multilayer frame, the layers of which are obtained by winding intersecting unidirectional filaments of fiberglass or carbon fiber impregnated with a polymer binder.
  • a thin-walled metal liner 2 is wound into this housing 1 during its manufacturing, flanges 3 and 4 are mounted in the pole holes of which.
  • the design of the composite shell of such a cylinder at the first stage is carried out as the design of a shell of revolution formed by winding a system of ribbons of composite material laid at angles ⁇ to the generator and loaded with internal pressure.
  • a feature of this approach is that several simultaneously related design optimization problems are posed.
  • the first of them can be formulated as follows: with the known design of the cylinder liner, it is required to find such a distribution structure of the reinforcing material that would provide the minimum weight of the cylinder structure when the cylinder is loaded with the calculated internal pressure.
  • the second task is formulated as follows: it is required to find such a geometry of the cylinder in which the deformations that occur when the cylinder is loaded by internal pressure in the composite material are identical over the entire surface in order to fulfill the restrictions on the cyclic strength of the liner material for a period determined by the designated service life.
  • the base for the design of the balloon uses the theory of momentless shells of revolution. Moreover, in the general equations of the theory of shells used, the effect of linear transverse (cutting) forces, torques and bending moments on the shell is neglected. The only unknowns are the stresses: meridional ⁇ , ring ⁇ called membrane stresses. In this case, instead of the shell, its middle surface is considered as a structure, and instead of the stresses in the material ⁇ , the linear normal forces are 77, 72.
  • the surface shape of the bottoms of the balloon substantially depends on the constants T i n it TL0 is from the acting forces in the threads of the reinforcing material and their number in different layers forming the shell of the balloon, which in turn are expressed through the load p and the characteristic dimensions of the shell.
  • the shell seems to be a shell consisting of several parts of the shells nested in each other (see Fig. 2).
  • a certain conditional surface and its sections r01, r02, OZ, rOn, which determine the number of layers forming the shell, are specified.
  • the initial values of the radii of the imaginary cylindrical surfaces Rl, R2, R3,, Rn embedded in the shell with a maximum diameter Rc are set. In this case, the condition that r i + 1 ⁇ Ri ⁇ r i + 2 is taken into account.
  • n i cos ⁇ ⁇ ⁇ pr 2 12t - ⁇ ri j cos ⁇
  • the approximation of the obtained surface with the original conditional surface is estimated by comparing the coordinate ' in given sections rOi. If they do not coincide, new radii Ri of imaginary surfaces are selected and the process is repeated.
  • the cylinder always has embedded flanges (Fig. 1, pos. 3,4), ensuring the functioning of the cylinder. Due to the fact that in the contact zone of the flanges with the surface of the composite shell there is an increased contact pressure, this zone requires special adjustment. Due to well-known recommendations, this contact width should be at least 1. 225 t
  • the minimum length of the first zone should not be less than 1.225 01 .
  • the manufacture of the shell is carried out by winding a tape consisting of threads and having a certain finite width b.
  • a thickening is formed on the shell, which, as a rule, has a width greater than the width of the contacting surface of the liner flange. Because of this, the minimum length of the first zone should not be less than 1.225 g oh plus half the width of the process tape.
  • the second layer is a shell with a radius of the pole hole r 02 and all subsequent ones are also wound with a technological tape of a certain width b, not always equal to the width of the tape b forming the first layer. Due to this, in order to ensure optimal balloon operability in the zone of the beginning of the second layer, the maximum radius of the cylindrical part of the first imaginary shell - the isotesoid should be more than r 02 + b 12, which for numerical expression leads to a value of 1.3 - 1.8 times the diameter of the pole hole 02 of the second embedded shell layer.
  • cylinder strength is provided for a given level of effective internal pressure.
  • the reinforcement angles can be selected from any conditions and considerations.
  • each shell-layer it is most advantageous for each shell-layer to have a reinforcement path coinciding with the geodesic direction on the surface under consideration, that is, the paths are determined by the ratio of the diameter of its pole hole of the layer in question to the current diameter. In this case, a stable process of laying reinforcing material tapes on the surfaces under consideration is provided.
  • the most rational structural scheme is a shell consisting of three layers of shells nested into each other.
  • a sufficiently good approximation of the surface of the cylinder to the surface of the sphere is provided, both on the inner surface and on the outer (see Fig. Z pos.4 .5).
  • the design is optimal in terms of strength. From a technological point of view, in this case its manufacture is the least labor intensive.
  • the best approximation on the inner surface and the outer surface to the spherical surface is provided when the condition is satisfied that the diameters of the pole holes of the enclosed layer-shells are 0.1, 0.5, and 0.765 of the maximum diameter of the cylinder.
  • the best approximation on the inner surface and the outer surface to the cone surface is provided that the number of nested shell layers is six and the diameters of the pole openings of the nested shell layers are 0.3, 0.42, 0.53, 0.65, 0.76 and 0.88 of the maximum cylinder diameter.
  • the main parameters implemented in the design (Fig. 5): the total thickness of all layers of the shells at a maximum diameter of 3.8 mm, an internal volume of 25 liters, weight 4.2 kg.
  • Cylinders for high-pressure compressed gases are devices used in various fields of national economy and technology and, in particular, can be used as high-pressure tanks for transporting compressed gases, fuel tanks of vehicles, cylinders with air-oxygen mixtures for breathing apparatus and etc.

Landscapes

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

Abstract

Баллон высокого давления содержит горловину, по крайней мере, в одном из днищ, тонкостенный герметизирующий лейнер из нержавеющей стали и внешнюю силовую оболочку из композиционного материала, образованную комбинацией слоев-оболочек из групп лент, ориентированных по поверхности лейнера в геодезических направлениях с разными углами и линейными плотностями соответственно расположенных в них нитей армирующего материала. Слои-оболочки вложены друг в друга. Первая из оболочек от горловины до второй оболочки является поверхностью геодезического изотенсоида, а последующие по сечениям своих полюсных отверстий совпадают с гладкой поверхностью заданной формы. Техническим результатом изобретения является повышение прочности и надежности при минимальной массе при предельных нагрузках.

Description

Баллон высокого давления из композиционных материалов
Область техники
Баллоны для сжатых газов под высоким давлением являются устройствами, используемыми в различных областях народного хозяйства и техники и, в частности, могут найти применение в качестве резервуаров высокого давления для транспортировки сжатых газов, топливных баков транспортных средств, баллонов с воздушно- кислородными смесями для дыхательной аппаратуры и др.
Изобретение относится к конструкции сосудов, предназначенных для указанного выше использования (хранения, транспортирования и использования сжатых газов и др.).
Предшествующий уровень техники
Основными требованиями, предъявляемыми к таким газовым баллонам, являются: обеспечение их высокой конструктивной прочности при минимальном разбросе их функциональных характеристик и эксплуатационной надежности при минимальных значениях весовых характеристик, а также низкой материалоемкости и обеспечение длительного срока службы.
Выпускаемые в настоящее время композитные баллоны высокого давления содержат внутреннюю тонкостенную герметичную оболочку - лейнер и внешнюю силовую оболочку из композиционного материала, образованную намоткой на поверхность лейнера жгутов высокомодульного волокна (например, углеволокна), пропитанного связующим.
В баллонах подобного типа, чтобы избежать утечек текучей среды или нарушения герметичности, особое значение придается материалу герметизирующей оболочки - лейнера.
Известны примеры создания композитных баллонов давления с использованием термопластов в качестве основного материала лейнера (см, например, патенты GB 1023011 , ЕР 0300931, WO 99/27293, WO 99/13263, US 4925044, RU 2150634).
Известны многочисленные примеры создания баллонов давления с использованием металлического лейнера из различных сплавов (см, например, US 5494188, US 5538680, US 5653358, US 5862938, US 5938209, US 5979692, US 6190598, US 6202674, US 6202674, US 6230922 US200311 1473, 6,810,567).
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, RU 2255829, JP2005133847, WO2005022026, RU 2149126 , RU 2094695. RU 2077682. RU 20011 15743, RU 2000123739, RU 2140602, RU 2187746, RU 93049863, RU 2065544, RU 2001115191 , RU 2003115384, RU 2002101904, GB 1 161846, EP0497687, US 5287988). Известные конструкции баллонов из композиционных материалов, как правило, представляют собой конструкции, образованные ι намоткой спиральных и кольцевых слоев армирующего материала, распределенного с различными плотностями по стенке композитной оболочки баллона (см. приведенные выше патенты и книгу Образцов И. , Васильев В.В. и Бунаков В.А, Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционных материалов, М, Машиностроение, 1977). Данные конструкции баллонов содержат композитную силовую оболочку с цилиндрической частью и днищами, причем цилиндрическая часть силовой оболочки содержит спиральные и кольцевые слои композиционного материала, а днища сосуда только спиральные слои. Соотношение толщин кольцевых и спиральных слоев в таких конструкциях выбирается для того, чтобы обеспечить технический результат - равнопрочность баллона давления. Это значит, что одновременно достигаются разрушающие напряжения в спиральных и кольцевых слоях. Это позволяет значительно снизить массу сосуда по сравнению с металлическими аналогами.
Реализация указанных конструкций позволяет частично решить задачу обеспечения минимальных значений весовых характеристик и обеспечение длительного срока службы баллона в силу того, что, как правило, масса внутреннего лейнера используемого в конструкции баллона составляет до 50% от общей массы конструкции баллона. В тоже время известно, что использование в качестве конструкции лейнера оболочек специальных геометрических форм (например, сферической формы в патенте RU 2256844 С1, 20.07.2005) позволяет существенно снизить его массу в сравнении с лейнером цилиндрической формы аналогичного объема. В силу специфики геометрической формы для такого лейнера и вес композитной оболочки также существенно снижается. Таким образом, использование рациональных геометрических форм лейнера и композиционного материала позволяет обеспечивать высокоэффективные конструкции баллонов высокого давления.
Однако обеспечение рациональных геометрических форм лейнера требует проведения конструктивных изменений как в геометрии лейнера так и силовой оболочке из композиционного материала.
Аналогами предлагаемого конструктивного решения исполнения метало композитного баллона с тонкостенным лейнером являются решения по патентам US 5653358, ЕР 0714753, US 7497919, US 2007062959, US 3655085, US 4369894.
Недостатком решения по патенту US 5653358 является то, что в данном случае рассматриваемое решение исполнения баллона касается только одной определенной формы, а именно сферического баллона. Кроме того предлагаемое решение очень трудоемко в исполнении, что приводит к резкому удорожанию баллона.
В патентах US 7497919 и US 2007062959 сделана попытка частично устранить отмеченный недостаток решения по патенту US 5653358 , однако в данном случае такое конструктивное исполнение еще более увеличивает трудоемкость его изготовления.
В решении по патенту ЕР 0714753 предложено использовать сложную геометрию профиля меридиана, образующего поверхности днищ, состоящую из частей поверхности геодезического изотезоида, которая обеспечивает равнопрочность конструкции по всей длине образующего меридиана и тем самим позволяет облегчить конструкцию. Однако в данном случае не решается главная задача снижения массы лейнера.
К отмеченному выше решению по патенту US 5653358 следует отнести и решения, изложенные в патентах US 4369894 и US 3655085. В данном случае предложено конкретное исполнение баллона сферической формы. Однако при таком исполнении конструкции баллона сферической формы она является не оптимальной с точки зрения равнонапряженности всех образующих ее армирующих нитей.
Общим недостатком отмеченных решений является то, что в них не обеспечивается решение задачи оптимизации конструкции баллона в целом, то есть выбора рациональной формы днища лейнера и рационального размещения армирующих волокон в композиционной оболочке.
За прототип принято техническое решение по патенту RU 2175088 С1, 20.10.2001. В сосуде давления, имеющем сферическую форму и состоящем из внутренней герметичной оболочки и внешней силовой оболочки из композиционного материала, внутренняя герметичная тонкостенная оболочка (лейнер) выполнена цельнометаллической из алюминиевого сплава без использования сварных или иных соединений ее частей, а внешняя оболочка выполнена из органопластика на основе органических волокон марки Армос с многозонной геодезической укладкой по сферической поверхности и углами наклона к оси сосуда от 5,7° до 73,15°.
Однако использование данного решения не обеспечивает выполнения совместности деформирования алюминиевого сплава и композита в силу различия их механических свойств, что в результате приводит к одноразовому использованию получаемого баллона и не позволяет использовать его для многократного циклического использования.
Раскрытие изобретения
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании, новой оптимальной геометрии лейнера баллона, что позволит повысить безопасность эксплуатации баллона при существенном снижении массовых характеристик в сравнении с существующими конструкциями. Это позволит резко расширить и области применения легких композитных сосудов высокого давления.
Техническим результатом от применения заявленной конструкции является повышение прочности и надежности при минимальной массе при предельных нагрузках. Преимущество изобретения заключается в простоте его технологической реализации и потребительской привлекательности, т.к. у потребителя появляется возможность не опасаться разрушения баллона высокого давления при достижении предельных нагрузок. Это расширяет возможности использования баллона по изобретению особенно в бытовых условиях и на транспортных средствах, где используются сжатые газы.
Технический результат достигается за счет того, что баллон высокого давления содержит горловину, по крайней мере, в одном из днищ, тонкостенный герметизирующий лейнер из нержавеющей тонкостенной стали и внешнюю силовую оболочку из композиционного материала, образованную комбинацией слоев-оболочек из групп лент, ориентированных по поверхности лейнера в геодезических направлениях с разными углами и линейными плотностями соответственно расположенных в них нитей армирующего материала, при этом профиль меридиана, образующего поверхность днищ лейнера, имеет форму кривой, плотно охватывающей образующие меридианы вложенных друг в друга частей слоев - оболочек, первая из которых от горловины до второй является поверхностью геодезического изотенсоида, а последующие по сечениям своих полюсных отверстий совпадают с условной гладкой поверхностью заданной формы и удовлетворяют условию
Figure imgf000007_0001
где у - угол между осью вращения и нормалью к поверхности в рассматриваемом сечении, Т - усилия разрыва армирующих нитей, п - мощность армирования (число нитей) в i - ой слое - оболочке, (pi - угол армирования в рассматриваемом сечении, г - радиус рассматриваемого сечения , р - давление в баллоне, к - число вложенных слоев-оболочек.
Для функционирования конструкции баллона важно, чтобы максимальный диаметр поверхности геодезического изотенсоида был в 1.2 - 1.8 раза больше диаметра полюсного отверстия второй вложенной слоя-оболочки.
Для функционирования конструкции также важно, чтобы максимальные диаметры вложенных друг в друга слоев-оболочек находились в интервале между полюсными отверстиями соседних слоев- оболочек.
Функционирование заявленной конструкции наиболее эффективно, когда траектории укладки армирующих нитей в слоях-оболочках являются траекториями геодезических направлений для рассматриваемой слоя - оболочки и определяются отношением диаметра ее полюсного отверстия к текущему диаметру.
Дополнительно поставленная задача решается и за счет того, что суммарная линейная плотность (количество) лент во всех слоях- оболочках с соответственно расположенными в них однонаправленными волокнами выбрана из условия
Figure imgf000008_0001
где Rc - максимальный радиус баллона, а также за счет того, что линейная плотность (количество) лент с соответственно расположенными в них однонаправленными нитями на каждой из вложенных слоев- оболочек выбрана из условия
Figure imgf000008_0002
где RK - максимальный радиус вложенной слоя-оболочки.
Частичной модификацией предложенного решения являться то, что в качестве условной гладкой поверхности выбрана сфера, а количество вложенных слоев-оболочек три. Причем в данном случае, диаметры полюсных отверстий вложенных слоев-оболочек составляют 0.1, 0.5 и 0.765 от максимального диаметра баллона. Также частичной модификацией предложенного решения являться то, что в качестве условной гладкой поверхности выбрана коническая поверхность, а количество вложенных слоев-оболочек шесть и для них диаметры полюсных отверстий вложенных слоев - оболочек составляют 0.3, 0.42, 0.53, 0.65, 0.76 и 0.88 от максимального диаметра баллона.
Преимущество изобретения заключается в простоте его реализации и потребительской привлекательности .
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображен общий вид слоистого баллона.
На фиг. 2 представлен общий контура меридиана, образующего поверхность днища баллона.
На фиг. 3 представлен пример формы поверхности лейнера оболочки образованной из трех зон намотки.
На фиг. 4 представлен пример реализации сферической
оболочки, образованной из трех зон намотки, и форма внешней
поверхности баллона.
На фиг. 5 представлен пример технологической реализации армирующих лент слоев- оболочек на поверхности лейнера, форма которого выбрана с использованием данного изобретения.
Варианты осуществления изобретения
Как показано на фиг. 1 (один из примеров выполнения) баллон высокого давления содержит прочную (оболочку) корпус 1, например, из композиционного материала в виде многослойного каркаса, слои которого получены намоткой перекрещивающихся однонаправленных нитей из стекловолокна или угольного волокна с пропиткой полимерным связующим. В этот корпус 1 в процессе его изготовления вмотан тонкостенный металлический лейнер 2, в полюсных отверстиях которого вмонтированы фланцы 3 и 4. В целом, проектирование композитной оболочки такого баллона на первом этапе ведется как проектирование оболочки вращения, образованной намоткой системы лент композиционного материала уложенных под углами φι к образующей и нагруженной внутренним давлением. Особенностью данного подхода является то, что ставится одновременно несколько связанных между собой задач оптимизации конструкции.
Первую из них можно сформулировать следующим образом: при известной конструкции лейнера баллона требуется найти такую структуру распределения армирующего материала, которая обеспечивала бы минимальный вес конструкции баллона при нагрузке баллона расчетным внутренним давлением.
Вторая задача формулируется так: требуется найти такую геометрию баллона при которой возникающие при нагрузке баллона внутренним давлением деформации в композиционном материале были одинаковы по всей поверхности с целью выполнения ограничений на циклическую прочность материала лейнера на период, определенный назначенным сроком службы.
Базой для проектирования баллона используют теорию безмоментных оболочек вращения. При этом в общих уравнениях используемой теории оболочек пренебрегают действием на оболочку погонных поперечных (перерезывающих) сил, крутящих и изгибающих моментов. Единственными неизвестными остаются напряжения: меридиональные σα, кольцевые σβ называемые мембранными напряжениями. В данном случае взамен оболочки как конструкции рассматривают ее срединную поверхность, а вместо напряжений в материале σι погонные нормальные силы 77, 72.
Так как рассматриваемая оболочка является статически определимой, меридиональное и кольцевое усилия 77 и 72 возникающие в ней в процессе действия внутреннего давления могут быть найдены независимо от характеристик ее материала. Предполагая, что в вершине оболочки имеется отверстие радиуса гО, контур которого свободен от нагрузки, усилия 77 и 72 определяют из соотношений
Figure imgf000011_0001
для замкнутой оболочки ( с заглушённым полюсным отверстием )
Figure imgf000011_0002
где р— интенсивность внутреннего давления в рассматриваемой оболочке, Rl, R2— главные радиусы кривизны оболочки.
Как правило при рассмотрении первой задачи проектирования баллона используется алгоритм базирующийся на критерии равнонапряженности (Г = const или σ1 *= const ) материала конструкции по всей поверхности, что предполагает определение рациональной формы срединной поверхности днищ оболочки конструкции. В качестве ограничений при этом выбирается условие совпадения нитей (жгутов) с углом армирования φ с траекториями максимальных главных напряжений.
Для численной методики проектирования рациональной формы срединной поверхности днищ баллона, более целесообразно использовать алгоритм, построенный на определении угла γ между осью вращения оболочки и нормалью к поверхности в рассматриваемом ее сечении из рассмотрения равновесия части оболочки, расположенной над данным сечением
Figure imgf000011_0003
где у - угол между осью вращения оболочки и нормалью к поверхности в рассматриваемом сечении г, Qx - осевое усилие в сечении оболочки с радиусом
>*0
В силу того, что для композитной оболочки меридиональное усилие равно сумме меридиональных усилий в отдельных ее слоях, то есть Тх = едующее соотношение
Figure imgf000012_0001
sin γ =
£7 , cos^,
ι=1 а используя выражения У - ygydr ^ Rx -— , R2 - r /cos y численно
г,
можно определить координаты г, у и главные радиусы кривизны Rl, R2 рассматриваемой поверхности.
Для случая постоянного давления, действующего внутри баллона, данное соотношение принимает вид
2Y JL- Tini cos i '
i=\
Очевидно, что форма поверхности днищ баллона существенно зависит от констант Tini t т0 есть от действующих усилий в нитях армирующего материала и их количества в разных слоях, образующих оболочку баллона, которые в Свою очередь выражаются через нагрузку р и характерные размеры оболочки.
При проектировании оптимального баллона целесообразно использовать условия постоянства усилий в каждой нити в каждом сечении и их равенства для каждого слоя T( = t и условия геодезической укладки нитей по поверхности sin φΙ , = r0. 1 г для каждого слоя материала.
В данном случае оболочка представляется как бы оболочкой состоящей из нескольких частей оболочек вложенных друг в друга (см. фиг. 2).
Для построения геометрической формы такой оболочки целесообразно использовать следующий алгоритм.
Задается некоторая условная поверхность и ее сечения г01, г02, ОЗ, гОп, которые определяют число слоев, образующих оболочку.
Задаются первоначальные значения радиусов мнимых цилиндрических поверхностей Rl, R2, R3, , Rn, вложенных в оболочку с максимальным диаметром Rc. При этом учитывается условие, что г i+1 < Ri < г i+2.
Последовательно начиная с первого участка г01 - г02 для каждой мнимой оболочки с радиусом цилиндра Ri , используя зависимость
7-1
ni cos φί = π pr2 12t - ^ rij cos φ}
7=1 здесь для каждой зоны cos^?(. = ^\ - (η / Rt) вычисляется значение ni .
Используя полученные значения tni также для каждой
определяется угол у(г)
cos^.
i=l и соответственно координаты J , у и главные радиусы кривизны R1, R2 профиля меридиана, образующего поверхность оболочки днища баллона.
Оценивается приближение полученной поверхности с исходной условной поверхностью путем сравнения координату' в заданных сечениях rOi. В случае их не совпадения подбираются новые радиусы Ri мнимых поверхностей и процесс повторяется.
Вполне очевидно, что в силу того, что первый участок от полюсного отверстия баллона с радиусом г01 до начала второго слоя с радиусом г02 всегда является однослойным. В силу этого решение задачи на данном участке всегда приводит к тому, что форма поверхности данного участка всегда является только поверхностью геодезического изотензоида.
С конструктивный соображений баллон всегда имеет закладные фланцы (фиг.1 поз. 3,4), обеспечивающие функционирование баллона. В силу того, что в зоне контакта фланцев с поверхностью композитной оболочки возникает повышенное контактное давление, данная зона требует специальной корректировки. В силу известных рекомендаций, что данная контактная ширина должна составлять не менее 1. 225 т
(см. Образцов И.Ф., Васильев В.В. и Бунаков В.А., Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционных материалов, М., Машиностроение, 1977), минимальная длина первой зоны не должна быть менее 1.225 01 .
С технологической точки зрения, изготовление оболочки производится намоткой ленты, состоящей из нитей, и имеющей некоторую конечную ширину Ъ. В зоне полюсного отверстия из-за конечной ширины ленты Ъ образуется утолщение на оболочке, которое, как правило, имеет ширину больше ширины, контактирующей поверхности фланца лейнера. В силу этого, минимальная длина первой зоны не должна быть не менее 1.225 гох плюс половина ширины технологической ленты.
С другой стороны, второй слой - оболочка с радиусом полюсного отверстия г02 и все последующие наматываются также технологической лентой определенной ширины Ь, не всегда равной ширине ленты Ь, образующей первый слой. В силу этого, для обеспечения оптимальной работоспособности баллона в зоне начала второго слоя максимальный радиус цилиндрической части первой мнимой оболочки - изотезоида должен быть более г02 + Ъ 12 , что при численном выражении приводит к величине 1.3 - 1.8 раза больше диаметра полюсного отверстия 02 второй вложенной слоя-оболочки.
Аналогично, как и при рассмотрении пары первых слоев для всех последующих слоев оболочек необходимо выполнение условия, что максимальные диаметры вложенных друг в друга слоев-оболочек находятся в интервале между полюсными отверстиями соседних слоев- оболочек.
Для обеспечения равнопрочности конструкции на каждом должно выполняться условие помощью которого устанавливается
Figure imgf000015_0001
необходимое число армирующих нитей проходящих через данный участок (мощность армирования).
Очевидно также и то, что общая ования должна быть выбрана из условия случае
Figure imgf000015_0002
обеспечивается прочность баллона для заданного уровня действующего внутреннего давления.
Принципиально при технологической реализации оболочки баллона углы армирования могут выбираться из любых условий и соображений. Однако с технологической точки зрения в части реализации намотки наиболее выгодным является, чтобы для каждой оболочки-слоя траектория армирования совпадала с геодезическим направлением на рассматриваемой поверхности, то есть траектории определялись отношением диаметра ее полюсного отверстия рассматриваемого слоя к текущему диаметру. В данном случае обеспечивается устойчивый процесс укладки армирующих лент материала на рассматриваемых поверхностях.
Для конструкции баллона сферической формы в данном случае наиболее рациональной конструктивной схемой является оболочка, состоящая из трех вложенных друг в друга слоев оболочек. В данном случае обеспечивается достаточно хорошее приближение поверхности баллона к поверхности сферы, как по внутренней поверхности, так и по внешней (см. фиг.З поз.4 .5). Конструкция является оптимальной с позиций прочности. С технологической точки зрения, в данном случае ее изготовление является наименее трудоемкой. Для такой конструкции наилучшее приближение по внутренней поверхности и внешней поверхности к сферической поверхности обеспечивается при выполнении условия, что диаметры полюсных отверстий вложенных слоев-оболочек составляют 0.1, 0.5 и 0.765 от максимального диаметра баллона.
Для конструкции баллона с днищами конической формы наилучшее приближение по внутренней поверхности и внешней поверхности к поверхности конуса обеспечивается при выполнении условия, что количество вложенных слоев-оболочек шесть, а диаметры полюсных отверстий вложенных слоев-оболочек составляют 0.3, 0.42, 0.53, 0.65, 0.76 и 0.88 от максимального диаметра баллона.
В качестве примера реализации изобретения приводится конструкция композитного баллона высокого давления сферической формы, разработанная заявителем по предложенному в данном описании решению. Баллон, изготовленный из углепластика с пределом прочности при растяжении вдоль волокон σι - 5000 МПа предназначен для восприятия внутреннего давления р = ПО МПа (экспериментальное значение разрушающего давления), имеет максимальный радиус R 185 мм и радиус полюсного отверстия г -18 мм. Основные параметры, реализованные в конструкции (фиг. 5): суммарная толщина всех слоев оболочек на максимальном диаметре 3,8 мм, внутренний объем 25 литров, вес 4.2 кг.
Такие характеристики сосуда обеспечивают его минимальный вес и гарантированное разрушение на максимальном диаметре, что подтверждается экспериментальными результатами.
С созданием предложенного решения конструкции баллона появилась реальная возможность использовать сосуды высокого давления из разных материалов с использованием тонкостенной металлической внутренней оболочки - лейнера произвольной формы. Изготовление и испытание сосудов высокого давления с предложенным лейнером для их герметизации подтвердили их высокую надежность и эффективность. Технический результат изобретения достигается в диапазонах указанных соотношений, полученных расчетно - экспериментальным путем. Промышленное применение
Баллоны для сжатых газов под высоким давлением являются устройствами, используемыми в различных областях народного хозяйства и техники и, в частности, могут найти применение в качестве резервуаров высокого давления для транспортировки сжатых газов, топливных баков транспортных средств, баллонов с воздушно- кислородными смесями для дыхательной аппаратуры и др.

Claims

Формула изобретения
1. Баллон высокого давления, характеризующийся тем, что содержит горловину, по крайней мере, в одном из днищ, тонкостенный герметизирующий лейнер из нержавеющей тонкостенной стали и внешнюю силовую оболочку из композиционного материала, образованную комбинацией слоев-оболочек из групп лент, ориентированных по поверхности лейнера в геодезических направлениях с разными углами и линейными плотностями соответственно расположенных в них нитей армирующего материала, при этом профиль меридиана, образующего поверхность днищ лейнера, имеет форму кривой, плотно охватывающей образующие меридианы вложенных друг в друга частей слоев - оболочек, первая из которых от горловины до второй является поверхностью геодезического изотенсоида, а последующие по сечениям своих полюсных отверстий совпадают с условной гладкой поверхностью заданной формы и удовлетворяют условию
Figure imgf000018_0001
где у - угол между осью вращения и нормалью к поверхности в рассматриваемом сечении, Т - усилия разрыва армирующих нитей, п - мощность армирования ( число нитей) в - ой слое - оболочке, φΐ - угол армирования в рассматриваемом сечении, г - радиус рассматриваемого сечения , р - давление в баллоне, к - число вложенных слоев-оболочек.
2. Баллон по п. 1 характеризующийся тем, что максимальный диаметр геодезического изотенсоида в 1.2 - 1.8 раза больше диаметра полюсного отверстия второй вложенной слоя-оболочки.
3. Баллон по п. 1 характеризующийся тем, что максимальные диаметры вложенных друг в друга слоев-оболочек находятся в интервале между полюсными отверстиями соседних слоев-оболочек.
4. Баллон по п. 1 характеризующийся тем, что траектории укладки армирующих нитей в слоях-оболочках являются траекториями геодезических направлений для рассматриваемой слоя-оболочки и определяются отношением диаметра ее полюсного отверстия к текущему диаметру.
5. Баллон по п. 1 характеризующийся тем, что суммарная линейная плотность (количество) лент во всех слоях-оболочках с соответственно расположенными в них однонаправленными волокнами выбрана из условия
Figure imgf000019_0001
где Rc - максимальный радиус аллона.
6. Баллон по п. 1 характеризующийся тем, что линейная плотность (количество) лент с соответственно расположенными в них однонаправленными нитями на каждой из вложенных слоев-оболочек выбрана из условия
Figure imgf000019_0002
где RK - максимальный радиус вложенной слоя-оболочки.
7. Баллон по п. 1 характеризующийся тем, что в качестве условной гладкой поверхности выбрана сфера, а количество вложенных слоев- оболочек три.
8. Баллон по п. 7 характеризующийся тем, диаметры полюсных отверстий вложенных слоев-оболочек составляют 0.1, 0.5 и 0.765 от максимального диаметра баллона.
9. Баллон по п. 1 характеризующийся тем, что в качестве условной гладкой поверхности выбрана коническая поверхность, а количество вложенных слоев-оболочек шесть.
10. Баллон по п. 9 характеризующийся тем, диаметры полюсных отверстий вложенных слоев - оболочек составляют 0.3, 0.42, 0.53, 0.65, 0.76 и 0.88 от максимального диаметра баллона.
PCT/RU2011/000931 2011-04-21 2011-11-28 Баллон высокого давления из композиционных материалов WO2012144929A1 (ru)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ES11863930.1T ES2671457T3 (es) 2011-04-21 2011-11-28 Cilindro de alta presión de materiales compuestos
EP11863930.1A EP2716957B1 (en) 2011-04-21 2011-11-28 High-pressure vessel made of composite materials

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011115524 2011-04-21
RU2011115524A RU2482380C2 (ru) 2011-04-21 Баллон высокого давления из композиционных материалов

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2012144929A1 true WO2012144929A1 (ru) 2012-10-26

Family

ID=47041811

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2011/000931 WO2012144929A1 (ru) 2011-04-21 2011-11-28 Баллон высокого давления из композиционных материалов

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP2716957B1 (ru)
ES (1) ES2671457T3 (ru)
WO (1) WO2012144929A1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108692181A (zh) * 2018-03-28 2018-10-23 航天材料及工艺研究所 一种复合材料气瓶的制备方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU170160U1 (ru) * 2016-06-22 2017-04-17 Максим Сергеевич Игуменов Сосуд высокого давления

Citations (43)

* 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
GB1023011A (en) 1965-01-28 1966-03-16 English Electric Co Ltd Improvements in pressure vessels
US3446385A (en) 1966-08-05 1969-05-27 Koppers Co Inc Filament wound reinforced pressure vessel
GB1161846A (en) 1967-07-28 1969-08-20 Koppers Co Inc Improvements in or relating to Pressure Vessel and Method to Produce the Same.
US3655085A (en) 1968-04-12 1972-04-11 Arde Inc Filament wound spherical pressure vessel
SU859744A1 (ru) * 1977-04-18 1977-04-18 Северодонецкий Филиал Всесоюзного Научно-Исследовательского И Конструкторского Института Химического Машиностроения Сосуд высокого давлени
US4369894A (en) 1980-12-29 1983-01-25 Brunswick Corporation Filament wound vessels
EP0300931A1 (fr) 1987-07-21 1989-01-25 Claude Léon Hembert Réservoir de fluide et son procédé de fabrication
US5027292A (en) 1989-04-19 1991-06-25 International Business Machines Corporation Multiple depth buffers for graphics and solid modelling
EP0497687A1 (fr) 1991-02-01 1992-08-05 Institut Français du Pétrole Procédé de fabrication d'une structure légère par expansion d'un réservoir métallique dans un tube ondulé armé
US5287988A (en) 1993-02-03 1994-02-22 Brunswick Corporation Metal-lined pressure 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
EP0714753A2 (en) 1994-12-01 1996-06-05 ESSEF Corporation Filament-wound isotensoid pressure vessels having geodesic domes
US5538680A (en) 1994-06-24 1996-07-23 Thiokol Corporation Method of molding a polar boss to a composite pressure vessel
RU2065544C1 (ru) 1993-10-12 1996-08-20 Малое предприятие "Институт композитных технологий" Многослойный сосуд высокого давления для хранения сжатого газа
RU2077682C1 (ru) 1994-04-29 1997-04-20 Товарищество с ограниченной ответственностью Научно-производственное объединение "Поиск" Композитный газовый баллон высокого давления
US5653358A (en) 1994-04-08 1997-08-05 Arde, Inc. Multilayer composite pressure vessel with a fitting incorporated in a stem portion thereof
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
WO1999013263A1 (en) 1997-09-08 1999-03-18 Raufoss Composites As Pressure container for fluids
WO1999027293A2 (de) 1997-11-14 1999-06-03 Mannesmann Ag Composite-druckbehälter zur speicherung von gasförmigen medien unter druck mit einem liner aus kunststoff
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
RU2140602C1 (ru) 1999-01-29 1999-10-27 Тадтаев Владимир Ираклиевич Композитный баллон высокого давления и способ его изготовления
US5979692A (en) 1998-03-13 1999-11-09 Harsco Corporation Boss for composite pressure vessel having polymeric liner
RU2149126C1 (ru) 1999-04-20 2000-05-20 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" Топливный бак
RU2150634C1 (ru) 1999-10-26 2000-06-10 Колдыбаев Сергей Глебович Устройство для герметизации патрубка внутренней оболочки в горловине сосуда высокого давления
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
RU2175088C1 (ru) 2000-04-20 2001-10-20 Кашин Сергей Михайлович Сосуд давления и способ его изготовления (варианты)
RU2187746C2 (ru) 2000-09-06 2002-08-20 Общество с ограниченной ответственностью НПО "ПОИСК" Металлический лейнер, металлопластиковый баллон высокого давления (варианты) и способ изготовления металлопластикового баллона высокого давления
RU2001115191A (ru) 2001-06-06 2003-03-20 Леонид Семенович Золотаревский Закрепляемый сосуд давления
WO2003029718A1 (en) 2001-10-04 2003-04-10 Vladimir Iraklievich Tadtaev High pressure composite cylinder
US20030111473A1 (en) 2001-10-12 2003-06-19 Polymer & Steel Technologies Holding Company, L.L.C. Composite pressure vessel assembly and method
US6810567B2 (en) 1997-05-20 2004-11-02 Messer Griesheim Gmbh Partial or complete utilization of a pressurized-gas cylinder known per se for compressed, liquefied or dissolved gases
RU2003115384A (ru) 2003-05-23 2005-01-10 Владимир Иванович Столбов (RU) Сосуд с горлышком
WO2005022026A1 (ja) 2003-08-28 2005-03-10 Mitsubishi Rayon Co., Ltd. 高性能圧力容器および圧力容器用炭素繊維
JP2005106142A (ja) * 2003-09-30 2005-04-21 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 圧力容器
JP2005133847A (ja) 2003-10-30 2005-05-26 Toyota Industries Corp 圧力容器
RU2255829C1 (ru) 2004-02-04 2005-07-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный космический научно-производственный центр им. М.В. Хруничева" Способ изготовления тонкостенной оболочки
RU2256844C2 (ru) 2003-09-08 2005-07-20 ФГУП - Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики - ФГУП-РФЯЦ-ВНИИЭФ Сосуд высокого давления и способ его изготовления
US20070062959A1 (en) 2005-09-21 2007-03-22 Kirk Sneddon Multilayer composite pressure vessel and method for making the same

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2575966B1 (fr) * 1985-01-15 1987-12-18 Commissariat Energie Atomique Procede de bobinage d'un recipient
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
RU2208728C2 (ru) 2001-06-06 2003-07-20 Золотаревский Леонид Семенович Закрепляемый сосуд давления
RU2215216C2 (ru) 2002-01-11 2003-10-27 Цыплаков Олег Георгиевич Сосуд давления и способ его изготовления

Patent Citations (48)

* 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
GB1023011A (en) 1965-01-28 1966-03-16 English Electric Co Ltd Improvements in pressure vessels
US3446385A (en) 1966-08-05 1969-05-27 Koppers Co Inc Filament wound reinforced pressure vessel
GB1161846A (en) 1967-07-28 1969-08-20 Koppers Co Inc Improvements in or relating to Pressure Vessel and Method to Produce the Same.
US3655085A (en) 1968-04-12 1972-04-11 Arde Inc Filament wound spherical pressure vessel
SU859744A1 (ru) * 1977-04-18 1977-04-18 Северодонецкий Филиал Всесоюзного Научно-Исследовательского И Конструкторского Института Химического Машиностроения Сосуд высокого давлени
US4369894A (en) 1980-12-29 1983-01-25 Brunswick Corporation Filament wound vessels
RU2094695C1 (ru) 1984-12-14 1997-10-27 Игорь Иванович Преображенский Баллон высокого давления
EP0300931A1 (fr) 1987-07-21 1989-01-25 Claude Léon Hembert Réservoir de fluide et son procédé de fabrication
US4925044A (en) 1987-07-21 1990-05-15 Hembert Claude L Fluid tank and method of manufacturing it
US5027292A (en) 1989-04-19 1991-06-25 International Business Machines Corporation Multiple depth buffers for graphics and solid modelling
EP0497687A1 (fr) 1991-02-01 1992-08-05 Institut Français du Pétrole Procédé de fabrication d'une structure légère par expansion d'un réservoir métallique dans un tube ondulé armé
US5494188A (en) 1992-01-28 1996-02-27 Edo Canada Ltd. Fluid pressure vessel boss-liner attachment system with liner/exterior mechanism direct coupling
US5287988A (en) 1993-02-03 1994-02-22 Brunswick Corporation Metal-lined pressure vessel
RU2065544C1 (ru) 1993-10-12 1996-08-20 Малое предприятие "Институт композитных технологий" Многослойный сосуд высокого давления для хранения сжатого газа
US5653358A (en) 1994-04-08 1997-08-05 Arde, Inc. Multilayer composite pressure vessel with a fitting incorporated in a stem portion thereof
RU2077682C1 (ru) 1994-04-29 1997-04-20 Товарищество с ограниченной ответственностью Научно-производственное объединение "Поиск" Композитный газовый баллон высокого давления
US5538680A (en) 1994-06-24 1996-07-23 Thiokol Corporation Method of molding a polar boss to a composite pressure vessel
EP0714753A2 (en) 1994-12-01 1996-06-05 ESSEF Corporation Filament-wound isotensoid pressure vessels having geodesic domes
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
US6810567B2 (en) 1997-05-20 2004-11-02 Messer Griesheim Gmbh Partial or complete utilization of a pressurized-gas cylinder known per se for compressed, liquefied or dissolved gases
US5862938A (en) 1997-06-30 1999-01-26 Burkett; Jerald S. Flat bottom composite pressure vessel
WO1999013263A1 (en) 1997-09-08 1999-03-18 Raufoss Composites As Pressure container for fluids
WO1999027293A2 (de) 1997-11-14 1999-06-03 Mannesmann Ag Composite-druckbehälter zur speicherung von gasförmigen medien unter druck mit einem liner aus kunststoff
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
RU2140602C1 (ru) 1999-01-29 1999-10-27 Тадтаев Владимир Ираклиевич Композитный баллон высокого давления и способ его изготовления
RU2149126C1 (ru) 1999-04-20 2000-05-20 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" Топливный бак
RU2150634C1 (ru) 1999-10-26 2000-06-10 Колдыбаев Сергей Глебович Устройство для герметизации патрубка внутренней оболочки в горловине сосуда высокого давления
US6202674B1 (en) 1999-12-10 2001-03-20 Alliedsignal Inc. Pressure vessel bottle mount
RU2175088C1 (ru) 2000-04-20 2001-10-20 Кашин Сергей Михайлович Сосуд давления и способ его изготовления (варианты)
RU2187746C2 (ru) 2000-09-06 2002-08-20 Общество с ограниченной ответственностью НПО "ПОИСК" Металлический лейнер, металлопластиковый баллон высокого давления (варианты) и способ изготовления металлопластикового баллона высокого давления
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
RU2001115191A (ru) 2001-06-06 2003-03-20 Леонид Семенович Золотаревский Закрепляемый сосуд давления
WO2003029718A1 (en) 2001-10-04 2003-04-10 Vladimir Iraklievich Tadtaev High pressure composite cylinder
US20030111473A1 (en) 2001-10-12 2003-06-19 Polymer & Steel Technologies Holding Company, L.L.C. Composite pressure vessel assembly and method
RU2002101904A (ru) 2002-01-11 2003-08-20 Олег Георгиевич Цыплаков Сосуд давления и способ его изготовления
RU2003115384A (ru) 2003-05-23 2005-01-10 Владимир Иванович Столбов (RU) Сосуд с горлышком
WO2005022026A1 (ja) 2003-08-28 2005-03-10 Mitsubishi Rayon Co., Ltd. 高性能圧力容器および圧力容器用炭素繊維
RU2256844C2 (ru) 2003-09-08 2005-07-20 ФГУП - Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики - ФГУП-РФЯЦ-ВНИИЭФ Сосуд высокого давления и способ его изготовления
JP2005106142A (ja) * 2003-09-30 2005-04-21 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 圧力容器
JP2005133847A (ja) 2003-10-30 2005-05-26 Toyota Industries Corp 圧力容器
RU2255829C1 (ru) 2004-02-04 2005-07-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный космический научно-производственный центр им. М.В. Хруничева" Способ изготовления тонкостенной оболочки
US20070062959A1 (en) 2005-09-21 2007-03-22 Kirk Sneddon Multilayer composite pressure vessel and method for making the same
US7497919B2 (en) 2005-09-21 2009-03-03 Arde, Inc Method for making a multilayer composite pressure vessel

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
I.F. OBRAZCOV; V.V. VASILIEV; V.A. BUNAKOV: "Optimal reinforcement of rotation shells from composite materials", M, ENGINEERING, 1977
I.F. OBRAZCOV; V.V.VASILIEV; V.A. BUNAKOV: "Optimum reinforcement of rotation shells from composite materials, M.", MACHINE-BUILDING, 1977

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108692181A (zh) * 2018-03-28 2018-10-23 航天材料及工艺研究所 一种复合材料气瓶的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
ES2671457T3 (es) 2018-06-06
EP2716957A1 (en) 2014-04-09
EP2716957A4 (en) 2015-11-25
EP2716957B1 (en) 2018-04-25
RU2011115524A (ru) 2012-10-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10436388B2 (en) High-pressure container having hoop layers and helical layers
CN106662290B (zh) 高压罐和高压罐制造方法
US20110139796A1 (en) High-pressure container
US9939108B2 (en) Wire wrapped pressure vessels
EP3814674B1 (en) Composite pressure vessel with boss connector
CN106166845B (zh) 高压罐、高压罐的制造方法、以及内衬形状的设计方法
US11585488B2 (en) Fiber-reinforced pressure vessel
JP2008169893A (ja) 圧力容器及びその製造方法
CN104456059A (zh) 自支撑式lng储罐的内罐壁板的安装方法
WO2012144929A1 (ru) Баллон высокого давления из композиционных материалов
EP2532930B1 (en) Metal composite pressure cylinder
JP2005106142A (ja) 圧力容器
RU2482380C2 (ru) Баллон высокого давления из композиционных материалов
US7699187B2 (en) End fitting for pressure vessel
RU2358187C2 (ru) Композиционный баллон высокого давления
JP2017145962A (ja) 高圧タンク及び高圧タンクの製造方法
WO2010131990A1 (ru) Металло композитный баллон высокого давления
RU2393376C2 (ru) Баллон высокого давления
RU2244868C2 (ru) Баллон давления
CN112219057B (zh) 具有两个圆柱形区段的储箱内衬
JPH10274392A (ja) 耐外圧性に優れたｆｒｐ圧力容器
RU2757315C1 (ru) Металлокомпозитный баллон высокого давления
RU2432521C2 (ru) Металлокомпозитный баллон высокого давления
WO2010024708A1 (ru) Баллон высокого давления
JP2023108623A (ja) 流体を貯蔵するための圧力容器

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: 11863930

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2011863930

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE