WO2016078823A1 - Druckbehälter und verfahren zum fertigen eines druckbehälters - Google Patents

Druckbehälter und verfahren zum fertigen eines druckbehälters Download PDF

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WO2016078823A1
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pressure vessel
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fiber
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Frank Cichy
Guido ENNINGHORST
Thorsten Thelen
Marc Tillmanns
Ole Hinneburg
Arne Böckenhauer
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Thyssenkrupp Marine Systems Gmbh
Thyssenkrupp Ag
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    • F17C2270/0102—Applications for fluid transport or storage on or in the water
    • F17C2270/0131—Submarines

Definitions

  • the present invention relates to a pressure vessel and a method of manufacturing a pressure vessel.
  • Pressure vessels are well known, for example in the form of pressure bottles in which compressed air is stored.
  • these pressure vessels usually have to withstand not only a pressure from the inside, which emanates from a compressed fluid in the pressure bottle, but also a pressure from the outside, for example a dive of the submarine on the pressure vessel acts.
  • a pressure vessel for internal or external compression in particular for a submarine, with a wall comprising an inliner and a fibrous fiber package comprising fibers, wherein the inliner is at least partially encased by the fiber layer package, wherein the The fiber layer packet has a first layer and a second layer, wherein fibers extend along a first fiber direction around the inliner in a partial area in the first layer and fibers in the second layer are formed. run long a second fiber direction, wherein the inliner for stabilizing the pressure vessel has a region of increased material thickness.
  • armoring is advantageously provided by the use of the fiber layer package, and the increase in stability or an increase in shock resistance is ensured by the preferably targeted arrangement of the region of increased material thickness.
  • a fiber-plastic composite which, together with the area of increased material thickness, ensures that the pressure vessel also has an increased external pressure, for example when a submarine dives onto the pressure vessel acts, withstands.
  • the at least partial use of the fiber-plastic composite instead of a solid pressure vessel made of steel thereby advantageously allows a reduction in weight compared to the massively made of steel pressure vessels.
  • it is a dimensionally stable pressure vessel, which is particularly preferably intended for use in maritime environments, especially in a submarine.
  • the pressure vessel is a pressure bottle which is used in a submarine and in which compressed air or a pressure fluid is stored.
  • the inliner is designed as a hollow body.
  • the inliner is shaped such that the pressure vessel has an axis of symmetry and / or that the pressure vessel is adapted for better use of space in terms of its geometric configuration at its place of use.
  • the pressure vessel is designed kidney-shaped in its cross-section or that its cross-section deviates from a circular or elliptical shape.
  • the pressure vessel is preferably designed to fit into the environment in which the pressure vessel is to be used.
  • the pressure vessel can be used to store a compressed fluid, wherein the compressed fluid is preferably enclosed in a cavity formed by the inliner.
  • regions of increased material thickness are arranged at regular intervals on the inliner and / or they are specifically arranged in certain areas on the inliner.
  • the region of increased material thickness is a bulge or a protrusion on the outside of the inliner.
  • the wall of the pressure vessel can be specifically strengthened at the points at which an increased tension, for example during a dive, is to be expected. It is conceivable, for example, that such areas of increased material strength are arranged at regular or irregular intervals along the axis of symmetry of the pressure vessel.
  • an area of increased material thickness is arranged between the cylindrical area and the pole cap area is. It can preferably be provided that the distances of the regions of increased material thickness along the axis of symmetry in the middle region of the inliner are half as large as in the outer region.
  • the fiber layer package has a third layer, wherein in the third layer fibers extend along a third fiber direction, wherein the second fiber direction and the third fiber direction differ from each other, wherein second layers and third layers along a direction perpendicular to the surface of the liner alternate direction.
  • the inliner forms a mold core.
  • the fiber layer package has a plurality of second layers and a plurality of third layers, wherein the individual second layers and third layers are each arranged alternately to one another.
  • the fibers of the second layer follow a circulating winding and the fibers of the third layer follow a polar winding.
  • the fibers of the second layer extend approximately perpendicular to the fibers in the third layer. Furthermore, it is provided that the fibers are each distributed uniformly in the first or second layer.
  • the most stable possible plastic composite for reinforcing the pressure vessel can be realized in the form of the fiber layer package, wherein a layer thickness of the first layer extends up to a maximum increase of the inliner in the region of increased material thickness.
  • first layer can be provided in an advantageous manner as smooth and flat surface, above which the rest of the fiber layer system is arranged.
  • the fibers of the compensation layer extend at least obliquely, preferably substantially perpendicular, to the fibers of the second or third layer adjoining the first layer.
  • the fibers of the first layer are preferably wound on an outer side of the inliner in accordance with a circulation winding, in particular without wrapping the region of increased material thickness.
  • the fiber layer package is surrounded by a protective layer.
  • the protective layer is a glass-fiber-reinforced plastic, which in particular is uniformly applied to the fiber layer package.
  • the protective layer can advantageously ensure that the pressure vessel is not corroded or otherwise damaged.
  • the protective layer is preferably attached to the operating environment of the pressure vessel, while For example, to its maritime environment, adapted and prevents, for example, a deposition and / or fouling, which would ultimately be responsible for a corroding.
  • the Schutz devis can thus ensure in an advantageous manner, on the one hand, a fouling, ie fouling, is minimized and on the other hand by insulation or material separation corrosion is prevented.
  • the protective layer isolates the fiber layer package against seawater, whereby no electric currents can flow and the electromagnetic signature is not increased.
  • the protective layer can be designed such that it changes in the event of impact or point loads, for example becomes cloudy or changes color.
  • This indicator function makes it easy to detect possible damage to the fiber layer package.
  • the pressure vessel is stored in a pocket with zipper.
  • the bag can be made of neoprene or similar material, for example. To check the indicator function, the bag can be removed, thus facilitating an inspection.
  • the region of increased material thickness is designed as a reinforcing rib.
  • the inliner is at least partially cylindrical in shape and / or has a Polkappen Scheme up.
  • the fiber layer package is arranged in a cylindrically shaped region.
  • the pressure vessel can be strengthened in its stability in the region which is subjected to the greatest pressure under pressure or the application of force from the outside.
  • the fibers run along a fiber direction, which differs from the corresponding fiber direction in the cylindrical region by an angle change.
  • the angle change is selected such that the storage path is arranged in the region of the curved pole region on a surface of revolution.
  • the fibers are arranged isotensoidally in the fiber layer package.
  • the in-mold acting as a mold core is designed such that its surface allows the isotensoid deposition of the fibers.
  • the region of increased material thickness runs along the intended connection, ie in each case at the ends of the individual parts to be joined.
  • the first layer, the second layer and / or the third layer comprises a thermoplastic or thermosetting matrix system.
  • the respective matrix system fixes the fibers on the inliner or in the fiber layer package.
  • the thermoset matrix system is preferably a two-component resin system, in particular consisting of an (epoxy) resin.
  • the use of a thermosetting matrix system has the advantage of good long-term stability. It is also conceivable that a thermoplastic matrix system consisting of, for example, polyethylene, polypropylene or polyetheretherketone is used to fix the respective fibers.
  • the use of a thermoplastic matrix system has the advantage of giving the pressure vessel an impact resistance and providing an energy absorbing wall.
  • the inliner is made of a metal, an aluminum or a thermoplastic.
  • the inliner is made of a stainless steel, with which a comparatively thin metallic inliner can be realized.
  • Thermoplastics can be processed without great expense shaping, which advantageously further simplifies the production of the pressure vessel.
  • a thickness of the inliner is less than 5 mm, preferably less than 2.5 mm and particularly preferably less than 1, 5 mm.
  • this can be easily edit because of its small thickness and bring in the desired shape.
  • the weight can advantageously be further reduced by reducing the metallic content of the pressure vessel.
  • the fiber layer package is more than twice, preferably more than four times, and particularly preferably more than ten times as thick as the inliner along a direction perpendicular to the surface of the liner.
  • the wall of the pressure vessel preferably has a shock resistance of up to 250 G, preferably given a shock resistance up to 350 G and more preferably a shock resistance up to 400 G.
  • Another object of the present invention is a process for producing a pressure vessel according to the invention, wherein in a process step a of the inliner is provided and in a process step b the fiber layer package is deposited on the inliner.
  • step b by depositing a fiber-plastic composite realized in a simple manner.
  • the fibers are arranged in the fiber layer package, thereby forming a plastic fiber composite, which makes the use of solid steel as a single material to form the pressure vessel superfluous.
  • the fibers are preferably deposited in the second layer along a second fiber direction and / or in a third layer along a third fiber direction.
  • an inliner is provided with a cylindrical region and at least one pole region, preferably two opposite pole regions.
  • the second fiber direction in the cylindrical region differs from the second fiber direction in the pole region.
  • the second fiber direction is determined essentially by a circulation winding around a hollow-body-shaped inliner and the third fiber direction essentially by a polar wrapping which is perpendicular to the circulation winding.
  • the second fiber direction in the cylindrical region is not parallel, preferably substantially perpendicular, to the third fiber direction.
  • thermoplastic inliner by an injection blow molding process
  • a blank is preferably tensioned on a mandrel in a lathe, and then the blank is shaped into the desired shape of the metallic inliner in accordance with a mandrel contour with simultaneous pressing and feed rolling.
  • this non-cutting method it is advantageously possible to produce thin-walled metallic inliners whose thickness is less than 2 mm.
  • area of increased material thickness or projections on the metallic inliner can be realized in a simple manner.
  • a preform is heated to a temperature that is above the glass transition temperature, allowing macromolecules to align along the preform.
  • the heated preform is preferably introduced into a blow mold, in particular into a contour tool, and then subjected to an internal pressure.
  • the preform adapts to the contour of the inside of the contour tool or the blow mold.
  • the fibers are impregnated in a thermosetting matrix and then wound up.
  • fibers are provided as dry continuous fiber, wherein the continuous fibers are infiltrated or soaked in the thermosetting matrix immediately before winding of the liquid thermoset.
  • thermoset matrix system used is a two-component resin system, for example of an (epoxy) resin and a hardener.
  • a hot-curing matrix system is provided, wherein the hot-curing matrix system is characterized by an increased glass transition temperature and thereby guarantees a sufficient strength of the winding even at high ambient temperatures.
  • thermosetting matrix can be adjusted in an advantageous manner, the viscosity and achieve high strength.
  • the fibers are summarized prior to winding as roving, in particular with a width of up to 8 mm, summarized and the vibing is wound on the metallic or thermoplastic inliner.
  • the roving is wound up during winding on a rotating inliner. It is conceivable that several rovings are stored parallel to each other on the inliner.
  • the fibers are impregnated in a thermoplastic matrix and subsequently wound up.
  • fibers are provided as a tape, in particular with a tape width of up to 50 mm, and are preimpregnated with a thermoplastic matrix.
  • the thermoplastic matrix comprises polyethylene, polypropylene or polyetheretherketone.
  • the tape is melted immediately before winding on the inliner and then cured again.
  • FIG. 1 shows a section of a wall of a pressure vessel according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows a pressure vessel according to the exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 schematically shows a detail of a wall 10 of a pressure vessel according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the wall 10 shown here extends substantially parallel to an axis of symmetry S of the pressure vessel, which for example at least partially has a cylindrical shape.
  • Such pressure vessels are for example part of a submarine or other marine engineering construction.
  • the pressure vessel has a comparatively low weight.
  • the wall 10 of the pressure vessel is preferably designed as a hybrid structure.
  • the fiber layer package 7 is located on a side facing away from the center of the pressure vessel or a cavity of the pressure hull, ie, on an outer side of the pressure vessel.
  • the fiber layer package 7 serves to reinforce the pressure vessel and thereby ensures stabilization of the substantially shape-determining inliner 1.
  • the fiber layer package 7 is configured in a multi-layered manner and has at least one second layer 3 and one third layer 4.
  • fibers preferably run along a second fiber direction and fibers in the third layer 4 run along a third fiber direction.
  • the fibers follow the second layer of a pile winding, while the fibers of the third layer follow a circulation winding.
  • the fibers preferably extend, in particular in the cylindrical region, substantially along an axial direction, ie, running parallel to the axis of symmetry S.
  • the fibers in particular in the cylindrical region, extend essentially along a radial direction, wherein the fibers are wound around the axis of symmetry S around the circumference. It is also conceivable that the fibers are helically wound around the inliner. It is clear to the person skilled in the art that such a helical arrangement of the fibers leads to the second fiber direction and the third fiber direction no longer being exactly perpendicular to one another.
  • the second fiber direction and the third fiber direction are still to be understood to be perpendicular to one another if a deviation from an ideal vertical profile is less than 10 °, preferably 5 °.
  • the inliner 1 comprises a region of increased material thickness V, which in the present embodiment is designed as a bulge or as a projection on the cylindrical region of the pressure vessel.
  • Such a region of increased material thickness V advantageously supports the stabilization of the pressure vessel.
  • the region of increased material thickness V is located in the regions of the pressure vessel in which comparatively high stresses occur under operating conditions, for example at an external pressure of more than 60 bar.
  • the region of increased material thickness V is arranged on the inliner 1 in a transition region in which the pressure vessel transitions from its cylindrical region into a pole cap region of the pressure vessel.
  • a first layer 5 is provided, wherein the first layer 5 comprises fibers, for example along a first fiber direction wrapped around the inliner 1.
  • the area of increased material thickness V is omitted from the winding, whereby the areas adjacent to the area of increased material thickness V can be filled up to the first layer 5 and the area of increased material thickness along the radial direction thereof Complete the height.
  • the fiber layer package 7 is surrounded by a protective layer 6, preferably completely, or sheathed.
  • this is a layer of a glass fiber reinforced plastic.
  • the fiber layer package 7 for protection against any deposits, ie before fouling, or for transport of a protective layer 6 or another layer is surrounded in the form of a bag.
  • FIG. 2 shows a pressure vessel according to the exemplary embodiment of the present invention. The representation is selected such that on the right side of the pressure vessel is illustrated without the fiber layer package 7 and on the left side with the fiber layer package 7.
  • the areas of increased material thickness 1 'at regular intervals along the inliner first and thus also along the pressure hull, in particular along the symmetry axis S, are arranged.
  • the area of increased material thickness extends circumferentially along the outside of the inliner.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die vorliegende Erfindung schlägt einen Druckbehälter für eine Innen- oder Außendruckbeanspruchung, insbesondere für ein U-Boot, vor mit einer Wandung, die einen Inliner und ein Fasern aufweisendes Faserlagenpaket umfasst, wobei der Inliner zumindest teilweise vom Faserlagenpaket ummantelt ist, wobei das Faserlagenpaket eine erste Schicht und eine zweite Schicht aufweist, wobei in einem Teilbereich in der ersten Schicht Fasern entlang einer ersten Faserrichtung um den Inliner verlaufen und in der zweiten Schicht Fasern entlang einer zweiten Faserrichtung verlaufen, wobei der Inliner zur Stabilisierung des Druckbehälters einen Bereich erhöhter Materialstärke aufweist.

Description

BESCHREIBUNG
Titel
Druckbehälter und Verfahren zum Fertigen eines Druckbehälters
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckbehälter und ein Verfahren zum Fertigen eines Druckbehälters.
Druckbehälter sind beispielsweise in Form von Druckflaschen, in denen Druckluft gespeichert ist, hinlänglich bekannt. In maritimer Umgebung, beispielsweise im Umfeld eines U- Boots oder einer anderen meerestechnischen Konstruktion, müssen diese Druckbehälter zumeist nicht nur einem Druck von innen, der von einem in der Druckflasche komprimierten Fluid ausgeht, standhalten, sondern auch einem Druck von außen, der beispielsweise bei einem Tauchgang des U-Boots auf den Druckbehälter einwirkt.
Typischerweise werden für U-Boote Druckflaschen verwendet, die aus Stahl gefertigt sind, um den genannten Belastungen gerecht zu werden. Allerdings weisen diese Druckflaschen in der Regel ein derart hohes Eigengewicht auf, dass sich mit ihnen keine gezielte Balancierung eines Bootskörpers, beispielsweise des U-Boots, ohne zusätzliche Ausgleichsmassen erzielen lässt.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung Druckbehälter zur Verfügung zu stellen, die gegenüber den massiv aus Stahl gefertigten Druckbehältern leichter sind und trotzdem so stabil sind, dass sie sich auch bei einem Außendruck, der beispielsweise bei einem U-Boot im Tauchgang auf den Druckbehälter einwirkt, verwenden lassen.
Die vorliegende Aufgabe wird gelöst durch einen Druckbehälter für eine Innen- oder Außen- druckbeanspruchung, insbesondere für ein U-Boot, mit einer Wandung, die einen Inliner und ein Fasern aufweisendes Faserlagenpaket umfasst, wobei der Inliner zumindest teilweise vom Faserlagenpaket ummantelt ist, wobei das Faserlagenpaket eine erste Schicht und eine zweite Schicht aufweist, wobei in einem Teilbereich in der ersten Schicht Fasern entlang einer ersten Faserrichtung um den Inliner verlaufen und in der zweiten Schicht Fasern ent- lang einer zweiten Faserrichtung verlaufen, wobei der Inliner zur Stabilisierung des Druckbehälters einen Bereich erhöhter Materialstärke aufweist.
Gegenüber dem Stand der Technik wird durch die Verwendung des Faserlagenpakets in vorteilhafter Weise für eine Armierung gesorgt und durch die vorzugsweise gezielte Anordnung des Bereichs erhöhter Materialstärke für eine Stabilitätserhöhung bzw. eine Erhöhung der Schockfestigkeit gesorgt. Insbesondere lässt sich durch die Verwendung von Fasern im Faserlagenpaket ein Faser-Kunststoff- Verbund realisieren, der zusammen mit dem Bereich erhöhter Materialstärke dafür sorgt, dass der Druckbehälter auch einem erhöhten Außen- druck, der beispielsweise bei einem Tauchgang eines U-Boots auf den Druckbehälter wirkt, standhält. Die zumindest teilweise Verwendung des Faser-Kunststoff-Verbunds statt eines massiven Druckbehälters aus Stahl ermöglicht dabei in vorteilhafter Weise eine Gewichtsreduzierung gegenüber den massiv aus Stahl gefertigten Druckbehältern. Vorzugsweise handelt es sich um einen formstabilen Druckbehälter, der besonders bevorzugt für die Nutzung im maritimen Umfeld, insbesondere in einem U-Boot, vorgesehen ist. Beispielsweise handelt es sich bei dem Druckbehälter um eine Druckflasche, die in einem U- Boot eingesetzt wird und in der Druckluft bzw. ein Druckfluid gespeichert wird. Dabei ist der Inliner als Hohlkörper ausgestaltet. Insbesondere ist es vorgesehen, dass der Inliner derart geformt ist, dass der Druckbehälter eine Symmetrieachse aufweist und/oder dass der Druckbehälter für eine bessere Raumnutzung hinsichtlich seiner geometrischen Ausgestaltung an seinen Einsatzort angepasst ist. Denkbar ist beispielsweise, dass der Druckbehälter in seinem Querschnitt nierenförmig ausgestaltet ist bzw. dass sein Querschnitt von einer Kreisform oder elliptischen Form abweicht. Dabei ist der Druckbehälter vorzugsweise baurauman- gepasst an die Umgebung, in der der Druckbehälter eingesetzt werden soll, ausgestaltet. Insbesondere lässt sich der Druckbehälter dazu nutzen, ein komprimiertes Fluid aufzubewahren, wobei das komprimierte Fluid vorzugsweise in einem Hohlraum eingeschlossen ist, den der Inliner bildet. Vorzugsweise sind Bereiche erhöhter Materialstärke in regelmäßigen Abständen auf dem Inliner angeordnet und/oder sie sind gezielt in bestimmten Bereichen auf dem Inliner angeordnet. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Bereich erhöhter Materialstärke um eine Ausbuchtung bzw. eine Erhebung an der Außenseite des Inliners. Mit einem solchen Bereich erhöhter Materialstärke lässt sich die Wandung des Druckbehälters gezielt an den Stellen verstärken, an denen mit einer erhöhten Spannung, beispielsweise bei einem Tauchgang, zu rechnen ist. Denkbar ist beispielsweise, dass solcher Bereiche erhöhter Ma- terialstärke in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen entlang der Symmetrieachse des Druckbehälters angeordnet sind. Weiterhin ist es vorstellbar, dass ein Bereich erhöhter Materialstärke zwischen dem zylindrischen Bereich und dem Polkappenbereich angeordnet ist. Es kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Abstände der Bereiche erhöhter Materialstärke entlang der Symmetrieachse im mittleren Bereich des Inliners halb so groß sind wie im äußeren Bereich. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das Faserlagenpaket eine dritte Schicht aufweist, wobei in der dritten Schicht Fasern entlang einer dritten Faserrichtung verlaufen, wobei die zweite Faserrichtung und die dritte Faserrichtung voneinander abweichen, wobei sich zweite Schichten und dritte Schichten entlang einer senkrecht zur Oberfläche des Inliners verlaufenden Richtung abwechseln. Dabei bildet der Inliner einen Formkern. Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Faserlagenpaket eine Vielzahl zweiter Schichten und eine Vielzahl dritter Schichten aufweist, wobei die einzelnen zweiten Schichten und dritten Schichten jeweils abwechselnd zueinander angeordnet sind. Vorzugsweise folgen die Fasern der zweiten Schicht einer Umlaufwickelung und die Fasern der dritten Schicht einer Polwickelung. Denkbar ist dabei, dass die Fasern der zweiten Schicht in etwa senkrecht zu den Fasern in der dritten Schicht verlaufen. Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Fasern jeweils gleichmäßig in der ersten bzw. zweiten Schicht verteilt sind. Dadurch lässt sich in Gestalt des Faserlagenpakets ein möglichst stabiler Kunststoff- Verbund zur Armierung des Druckbehälters realisieren, wobei sich eine Schichtdicke der ersten Schicht bis zu einer maximalen Erhöhung des Inliners im Bereich erhöhter Materialstärke erstreckt. Durch die als Kompensationsschicht dienende erste Schicht lässt sich in vorteilhafte Weise ein möglichst glatte und ebene Oberfläche bereitstellen, oberhalb der der Rest des Faserlagensystems angeordnet ist. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Fasern der Kompensationsschicht zumindest schräg, vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht, zu den Fasern der sich an die erste Schicht anschließenden zweiten oder dritten Schicht verlaufen. Vorzugsweise sind die Fasern der ersten Schicht gemäß einer Umlaufwickelung auf eine Außenseite des Inliner aufgewickelt, insbesondere ohne den Bereich erhöhter Mate- rialstärke zu umwickeln.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das Faserlagenpaket von einer Schutzschicht umgeben ist. Beispielsweise handelt es sich bei der Schutzschicht um einen glasfaserverstärkten Kunststoff, der insbesondere gleichmä- ßig auf das Faserlagenpaket aufgetragen ist. Durch die Schutzschicht lässt sich vorteilhafter Weise dafür sorgen, dass der Druckbehälter nicht korrodiert oder anders beschädigt wird. Dabei ist die Schutzschicht vorzugsweise an das Einsatzumfeld des Druckbehälters, bei- spielsweise an seine maritime Umgebung, angepasst und verhindert beispielsweise ein Ablagern und/oder ein fouling, das letztendlich für ein Korrodieren ursächlich wäre. Die Schutzschickt kann also in vorteilhafter Weise dafür sorgen, dass einerseits ein Fouling, d. h. ein Bewuchs, minimiert wird und andererseits durch eine Isolation bzw. Materialtrennung eine Korrosion verhindert wird. Darüber hinaus isoliert die Schutzschicht das Faserlagenpaket gegen Meerwasser, wodurch keine elektrischen Ströme fließen können und die elektromagnetische Signatur nicht erhöht wird. Desweiteren kann die Schutzschicht derart ausgestaltet sein, dass sie sich bei Stoss- oder Punktbelastungen verändert, beispielsweise trübe wird oder sich farblich verändert. Durch diese Indikatorfunktion kann eine mögliche Beschädigung des Faserlagenpakets leicht erkannt werden. Denkbar ist zudem, dass der Druckbehälter in einer Tasche mit Reißverschluss gelagert wird. Die Tasche kann beispielsweise aus Neo- pren oder ähnlichem Material gefertigt sein. Zur Prüfung der Indikatorfunktion kann die Tasche entfernt werden und somit eine Inspektion erleichtert werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass der Bereich der erhöhten Materialstärke als Verstärkungsrippe ausgestaltet ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass der Inliner zumindest teilweise zylindrisch geformt ist und/oder einen Polkappenbereich auf- weist. Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Faserlagenpaket in einem zylindrisch geformten Bereich angeordnet ist. Durch das gezielte Anordnen des Faserlagenpakets im zylindrischen Bereich lässt sich der Druckbehälter in seiner Stabilität in dem Bereich verstärken, der unter Druck bzw. Kraftbeaufschlagung von außen am stärksten beansprucht wird. Im Polkappenbereich verlaufen die Fasern entlang einer Faserrichtung, die sich zur entspre- chenden Faserrichtung im zylindrischen Bereich durch eine Winkeländerung unterscheidet. Insbesondere ist die Winkeländerung derart gewählt, dass der Ablagepfad im Bereich des gekrümmten Polbereichs auf einer Rotationsfläche angeordnet ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Fasern isotensoid im Faserlagenpaket angeordnet sind. Insbesondere ist es vorgesehen, dass der als Formkern wirkende Inliner derart ausgestaltet ist, dass seine Oberfläche das isotensoide Ablegen der Fasern erlaubt. Durch das isotensoide Ablegen der Fasern lässt sich in vorteilhafter Weise vermeiden, dass die abgelegten Fasern beim Nasswickeln abrutschen. Außerdem lässt sich in vorteilhafter Weise dafür sorgen, dass an jedem Ort des Druckbehälters die gleiche Beanspruchung in den Fasern herrscht. Dadurch lässt sich der auf den Druckbehälter wirkende Druck in vorteilhafter Weise gleichmäßig verteilen. Bei mehrteiligen Inlinern mit Trennlinie senkrecht zur Längsachse kann es vorzugsweise vorgesehen sein, dass der Bereich erhöhter Materialstärke entlang der vorgesehenen Verbindung verläuft, d. h. jeweils an den Enden der zu verbindenden Einzelteile. Dadurch wird in vorteilhafter Weise die spätere materialschlüssige Verbindungen, insbesondere beim Ver- schweißen, vereinfacht bzw. ermöglicht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die erste Schicht, die zweite Schicht und/oder die dritte Schicht ein thermoplastisches oder duroplastisches Matrixsystem aufweist. Durch das jeweilige Matrixsystem werden die Fasern am Inliner bzw. im Faserlagenpaket fixiert. Bei dem duroplastischen Matrixsystem handelt es sich vorzugsweise um ein Zweikomponenten-Harzsystem, insbesondere bestehend aus einem (Epoxid-)Harz. Die Verwendung eines duroplastischen Matrixsystems hat den Vorteil einer guten Langzeitbeständigkeit. Es ist auch vorstellbar, dass zum Fixieren der jeweiligen Fasern ein thermoplastisches Matrixsystem, bestehend beispielsweise aus Polyethylen, Po- lypropylen oder Polyetheretherketon verwendet wird. Die Verwendung eines thermoplastischen Matrixsystems hat den Vorteil, dem Druckbehälter eine Schlagzähe zu verleihen und eine energieabsorbierende Wandung zur Verfügung zu stellen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass der Inliner aus einem Metall, einem Aluminium oder einem Thermoplast gefertigt ist. Beispielsweise ist der Inliner aus einem rostfreien Stahl hergestellt, mit dem sich ein vergleichsweise dünner metallischer Inliner realisieren lässt. Thermoplasten lassen sich ohne großen Aufwand formgebend bearbeiten, wodurch in vorteilhafter Weise die Fertigung des Druckbehälters weiter vereinfacht wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass eine Dicke des Inliners weniger als 5 mm, bevorzugt weniger als 2,5 mm und besonders bevorzugt weniger als 1 ,5 mm beträgt. Insbesondere bei metallischen Inlinern lässt sich dieser wegen seiner geringen Dicke einfach bearbeiten und in die gewünschte Form bringen. Au- ßerdem kann durch die Reduzierung des metallischen Anteils am Druckbehälter das Gewicht in vorteilhafter Weise weiter reduziert werden. Weiterhin ist es vorgesehen, dass das Faserlagenpaket mehr als doppelt, vorzugsweise mehr als vierfach, und besonders bevorzugt mehr als zehnfach, so dick ist wie der Inliner entlang einer senkrecht zur Oberfläche des Inliners verlaufenden Richtung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Wandung des Druckbehälters vorzugsweise eine Schockfestigkeit bis zu 250 G, bevor- zugt eine Schockfestigkeit bis zu 350 G und besonders bevorzugt eine Schockfestigkeit bis zu 400 G aufweist.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Druckbehälters, wobei in einem Verfahrensschritt a der Inliner bereitgestellt wird und in einem Verfahrensschritt b das Faserlagenpaket auf den Inliner abgelegt wird.
Vorzugsweise wird im Verfahrensschritt b durch das Ablegen auf einfache Weise ein Faser- Kunststoff-Verbund realisiert. Dabei werden die Fasern derart im Faserlagenpaket angeordnet, dass dadurch ein Kunststoff-Faserverbund entsteht, der die Verwendung von massivem Stahl als einzigen Werkstoff zur Bildung des Druckbehälters überflüssig macht. Vorzugsweise werden die Fasern dabei in der zweiten Schicht entlang einer zweiten Faserrichtung und/oder in einer dritten Schicht entlang einer dritten Faserrichtung abgelegt. Vorzugsweise wird im Verfahrensschritt a ein Inliner mit einem zylinderförmigen Bereich und mindestens einem Polbereich, vorzugsweise zwei gegenüberliegenden Polbereichen, breitgestellt. Weiterhin ist es vorgesehen, dass sich die zweite Faserrichtung im zylinderförmigen Bereich unterscheidet von der zweiten Faserrichtung im Polbereich. Insbesondere gilt Analoges für die dritte Faserrichtung bezüglich des zylinderförmigen Bereichs und des Polbereichs.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die zweite Faserrichtung im Wesentlichen durch eine Umlaufwicklung um einen hohlkörperförmigen Inliner festgelegt wird und die dritte Faserrichtung im Wesentlichen durch eine senkrecht zur Umlaufwicklung erfolgenden Polwickelung. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die zweite Faserrichtung im zylinderförmigen Bereich nicht parallel, bevorzugt im Wesentlichen senkrecht, zur dritten Faserrichtung verläuft.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegende Erfindung ist es vorgesehen, dass in Verfahrensschritt a
— ein metallischer Inliner durch ein Drückwalzverfahren oder
— ein thermoplastischer Inliner durch ein Spritzblasverfahren
hergestellt wird. Bei der Herstellung des metallischen Inliners mit dem Drückwalzverfahren wird vorzugsweise eine Ronde in einer Drehmaschine auf eine Mandrel gespannt und anschließend wird die Ronde entsprechend einer Mandrelkontur unter gleichzeitigem Drücken und Vorschubwalzen in die gewünschte Form des metallischen Inliners verformt. Mittels die- ses spanlosen Verfahrens lassen sich in vorteilhafter Weise dünnwandige metallische Inliner herstellen, deren Dicke weniger als 2 mm beträgt. Zudem lassen sich auf einfache Weise Bereich erhöhter Materialstärke bzw. Vorsprünge am metallischen Inliner realisieren. Bei der Herstellung des thermoplastischen Inliners wird eine Vorform auf eine Temperatur erhitzt, die oberhalb der Glasübergangstemperatur liegt, wodurch sich Makromoleküle entlang der Vorform ausrichten lassen. Die erwärmte Vorform wird vorzugsweise in eine Blasform, insbesondere in ein Konturwerkzeug, eingeführt und anschließend mit einem Innendruck beauf- schlagt. Dadurch passt sich die Vorform an die Kontur der Innenseite des Konturwerkzeugs bzw. der Blasform an. Durch dieses Spritzblasverfahren lässt sich in vorteilhafter Weise ein thermoplastischer Inliner realisieren, der sich nahtlos fertigen lässt und eine hohe Oberflächengüte hat. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass in Verfahrensschritt b die Fasern in einer duroplastischen Matrix getränkt und anschließend aufgewickelt werden. Insbesondere ist es vorgesehen, dass Fasern als trockene Endlosfaser bereitgestellt werden, wobei die Endlosfasern unmittelbar vor dem Aufwickeln von dem flüssigen Duroplast infiltriert werden bzw. in der duroplastischen Matrix getränkt werden. Insbe- sondere wird als duroplastisches Matrixsystem ein zweikomponentiges Harzsystem, beispielsweise aus einem (Epoxid)-Harz und einem Härter, verwendet. Vorzugsweise ist ein heißhärtendes Matrixsystem vorgesehen, wobei sich das heißhärtende Matrixsystem durch eine erhöhte Glasübergangstemperatur auszeichnet und dabei eine ausreichende Festigkeit der Wickelung auch bei hohen Umgebungstemperaturen garantiert. Durch die Verwendung einer duroplastischen Matrix lässt sich in vorteilhafter Weise die Viskosität einstellen und eine hohe Festigkeit erzielen. Vorzugsweise werden die Fasern zeitlich vor dem Aufwickeln als Roving, insbesondere mit einer Breite von bis zu 8 mm, zusammengefasst und der Ro- ving wird auf den metallischen oder thermoplastischen Inliner aufgewickelt. Insbesondere wird der Roving beim Aufwickeln auf einen rotierenden Inliner aufgewickelt. Es ist dabei vor- stellbar, dass mehrere Rovings parallel nebeneinander auf dem Inliner abgelegt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass in Verfahrensschritt b die Fasern in einer thermoplastischen Matrix getränkt und anschließend aufgewickelt werden. Insbesondere ist es vorgesehen, dass Fasern als Tape, insbe- sondere mit einer Tapebreite von bis zu 50 mm, bereitgestellt werden und mit einer thermoplastischen Matrix vorimprägniert werden. Insbesondere umfasst die thermoplastische Matrix dabei Polyethylen, Polypropylen oder Polyetheretherketon. Vorzugsweise wird das Tape unmittelbar vor dem Aufwickeln auf dem Inliner aufgeschmolzen und härtet anschließend wieder aus. Die Nutzung einer thermoplastischen Matrix hat den Vorteil, dass sie vergleichs- weise schnell aushärtet und keiner thermischen Nachbehandlung bedarf. Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsform der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Figur 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Wandung eines Druckbehälters gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Figur 2 zeigt einen Druckbehälter gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In Figur 1 ist schematisch ein Ausschnitt aus einer Wandung 10 eines Druckbehälters ge- mäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei verläuft die hier dargestellte Wandung 10 im Wesentlichen parallel zu einer Symmetrieachse S des Druckbehälters, der beispielsweise zumindest teilweise eine zylindrische Form aufweist. Solche Druckbehälter sind beispielsweise Teil eines U-Boots oder einer anderen meerestechnische Konstruktion. Neben den hohen Anforderungen an die Stabilität des Druckbe- hälters ist es ebenfalls gewünscht, dass der Druckbehälter ein vergleichsweise geringes Gewicht aufweist. Zur Reduzierung des Druckbehältergewichts ist die Wandung 10 des Druckbehälters vorzugsweise als Hybridstruktur ausgestaltet. Dazu weist die Wandung neben einem, vorzugsweise metallischen oder thermoplastischen, Inliner 1 ein Faserlagenpaket 7 auf, wobei das Faserlagenpaket 7 den Inliner 1 umgibt bzw. ummantelt. Insbesondere liegt das Faserlagenpaket 7 an einer dem Zentrum des Druckbehälters bzw. einem Hohlraum des Druckkörpers abgewandten Seite, d. h. an einer Außenseite des Druckbehälters an. Vorzugsweise dient das Faserlagenpaket 7 der Armierung des Druckbehälters und sorgt dadurch für eine Stabilisierung des im Wesentlichen formbestimmenden Inliners 1 . Dabei ist es vorgesehen, dass das Faserlagenpaket 7 mehrschichtig ausgestaltet ist und mindestens eine zweite Schicht 3 und eine dritte Schicht 4 aufweist. Dabei verlaufen in der zweiten Schicht 3 vorzugsweise Fasern entlang einer zweiten Faserrichtung und in der dritten Schicht 4 Fasern entlang einer dritten Faserrichtung. Insbesondere folgen die Fasern der zweiten Schicht einer Polwickelung, während die Fasern der dritten Schicht einer Umlaufwicklung folgen. Bei der Polwickelung verlaufen vorzugsweise die Fasern, insbesondere im zylindrischen Bereich, im Wesentlichen entlang einer axialen, d. h. parallel zur Symmetrieachse S verlaufenden, Richtung. Bei der Umlaufwicklung verlaufen die Fasern, insbesondere im zylindrischen Bereich, im Wesentlichen entlang einer radialen Richtung, wobei die Fasern umlaufend um die Symmetrieachse S aufgewickelt sind. Denkbar ist auch, dass die Fasern helixartig um den Inliner gewickelt sind. Dem Fachmann ist klar, dass eine solche helixartige Anordnung der Fasern dazu führt, dass die zweite Faserrichtung und die dritte Faserrichtung nicht mehr exakt senkrecht zueinander verlaufen. Entsprechend sind die zweite Faserrich- tung und die dritte Faserrichtung noch als senkrecht zueinander verlaufend zu verstehen, wenn ein Abweichen von einem idealen senkrechten Verlauf weniger als 10°, vorzugsweise 5°, beträgt. Weiterhin ist es vorgesehen, dass der Inliner 1 einen Bereich erhöhter Materialstärke V umfasst, die in der vorliegenden Ausführung als Ausbuchtung bzw. als Vorsprung auf dem zylinderförmigen Bereich des Druckbehälters ausgestaltet ist. Durch einen solchen Bereich erhöhter Materialstärke V lässt sich in vorteilhafter Weise die Stabilisierung des Druckbehälters unterstützen. Insbesondere ist es vorstellbar, dass sich der Bereich erhöhter Materialstärke V in den Bereichen des Druckbehälters befindet, in denen unter Betriebsbedingungen, beispielsweise bei einem Außendruck von mehr als 60 bar, vergleichsweise hohe Spannungen auftreten. Denkbar ist beispielsweise das der Bereich erhöhter Materialstärke V am Inliner 1 in einem Übergangsbereich angeordnet ist, in dem der Druckbehälter von seinem zylindrischen Bereich in einen Polkappenbereich des Druckbehälter übergeht. Um dem Rest des Faserlagenpaket 7, insbesondere der zweiten und/oder der dritten Schicht, eine ebene Fläche für das Aufwickeln zur Verfügung zu stellen ist eine erste Schicht 5 vorgesehen, wobei die erste Schicht 5 Fasern umfasst, die beispielsweise entlang einer ersten Fa- serrichtung umlaufend um den Inliner 1 gewickelt sind. Insbesondere ist bei der Wickelung der Fasern in der ersten Schicht 5 der Bereich erhöhter Materialstärke V von der Wickelung ausgelassen, wodurch die Bereiche neben dem Bereich erhöhter Materialstärke V aufgefüllt werden können bis die erste Schicht 5 und der Bereich erhöhter Materialstärke entlang der radialen Richtung auf derselben Höhe abschließen.
Weiterhin ist es vorgesehen, dass das Faserlagenpaket 7 von einer Schutzschicht 6, vorzugsweise vollständig, umgeben bzw. ummantelt ist. In der dargestellten Ausführungsform handelt es sich dabei um eine Schicht aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff. Denkbar ist zudem, dass das Faserlagenpaket 7 zum Schutz vor etwaigen Ablagerungen, d. h. vor fouling, oder zum Transport von einer Schutzschicht 6 oder eine weiteren Schicht in Form einer Tasche umgeben ist. In Figur 2 ist ein Druckbehälter gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei ist die Darstellung so gewählt, dass auf der rechten Seite der Druckbehälter ohne das Faserlagenpaket 7 illustriert ist und auf der linken Seite mit dem Faserlagenpaket 7. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Bereiche erhöhter Material stärke 1 ' in regelmäßigen Abständen entlang des Inliners 1 und damit auch entlang des Druckkörpers, insbesondere entlang der Symmetrieachse S, angeordnet sind. Insbesondere erstreckt sich der Bereich erhöhter Materialstärke umlaufend entlang der Außenseite des Inliners.
Bezugszeichenliste
1 Inliner
1 ' Bereich erhöhter Material stärke
3 zweite Schicht
4 dritte Schicht
5 erste Schicht
6 Schutzschicht
7 Faserlagenpaket
10 Wandung
S Symmetrieachse

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Druckbehälter für eine Innen- oder Außendruckbeanspruchung, insbesondere für ein U-Boot, mit einer Wandung (10), die einen Inliner (1 ) und ein Fasern aufweisendes Faserlagenpaket (7) umfasst, wobei der Inliner (1 ) zumindest teilweise vom Faserlagenpaket (7) ummantelt ist, wobei das Faserlagenpaket (7) eine erste Schicht (5) und eine zweite Schicht (2) aufweist, wobei in einem Teilbereich in der ersten Schicht (5) Fasern entlang einer ersten Faserrichtung um den Inliner (1 ) verlaufen und in der zweiten Schicht (2) Fasern entlang einer zweiten Faserrichtung verlaufen, wobei der Inliner (1 ) zur Stabilisierung des Druckbehälters einen Bereich erhöhter Materialstärke (V) aufweist.
2. Druckbehälter gemäß Anspruch 1 , wobei das Faserlagenpaket (7) eine dritte
Schicht (3) aufweist, wobei Fasern in der dritten Schicht (3) entlang einer dritten Faserrichtung verlaufen, wobei die zweite Faserrichtung von der dritten Faserrichtung abweicht, wobei sich zweite Schichten (2) und dritte Schichten (3) entlang einer senkrecht zur Oberfläche des Inliners (1 ) verlaufenden Richtung abwechseln.
3. Druckbehälter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Faserlagenpaket (7) von einer Schutzschicht (6) umgeben ist.
4. Druckbehälter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bereich der erhöhten Materialstärke (1 ) als Verstärkungsrippe ausgestaltet ist.
5. Druckbehälter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fasern isotensoid im Faserlagenpaket (7) angeordnet sind.
6. Druckbehälter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste
Schicht (3), die zweite Schicht (4) und/oder die dritte Schicht (5) ein thermoplastisches oder duroplastisches Matrixsystem aufweist.
7. Druckbehälter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Inliner (1 ) aus einem Metall, insbesondere einem Edelstahl, oder einem Thermoplast gefertigt ist.
8. Druckbehälter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Dicke des Inliners (1 ) weniger als 5 mm, bevorzugt weniger als 2,5 mm und besonders bevorzugt weniger als 1 ,5 mm beträgt.
9. Druckbehälter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wandung (10) des Druckbehälters vorzugsweise eine Schockfestigkeit bis zu 250 G, bevorzugt eine Schockfestigkeit bis zu 350 G und besonders bevorzugt eine Schockfestigkeit bis zu 400 G aufweist.
10. Verfahren zum Fertigen eines Druckbehälters gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem Verfahrensschritt a der Inliner (1 ) bereitgestellt wird und in einem Verfahrensschritt b zur Bildung des Faserlagenpakets Fasern auf den Inliner (1 ) aufgewickelt werden.
1 1 . Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei in Verfahrensschritt a
— ein metallischer Inliner durch ein Drückwalzverfahren oder
— ein thermoplastischer Inliner durch ein Spritzblasverfahren
hergestellt wird.
12. Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 1 1 , wobei in Verfahrensschritt b die Fasern in einer duroplastischen Matrix getränkt und anschließend aufgewickelt werden.
13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei in Verfahrensschritt b die Fasern in einer thermoplastische Matrix getränkt und anschließend aufgewickelt werden.
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