RU2358187C2 - Композиционный баллон высокого давления - Google Patents
Композиционный баллон высокого давления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2358187C2 RU2358187C2 RU2007107309/06A RU2007107309A RU2358187C2 RU 2358187 C2 RU2358187 C2 RU 2358187C2 RU 2007107309/06 A RU2007107309/06 A RU 2007107309/06A RU 2007107309 A RU2007107309 A RU 2007107309A RU 2358187 C2 RU2358187 C2 RU 2358187C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- liner
- composite material
- shell
- thickness
- layers
- Prior art date
Links
Landscapes
- Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)
- Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
- Laminated Bodies (AREA)
Abstract
Изобретение относится к баллонам для хранения и транспортировки газов и жидкостей под давлением. Баллон состоит из внутреннего герметизирующего металлического лейнера с цилиндрической обечайкой и приваренными к ней с помощью подкладных колец двумя полусферическими или эллиптическими днищами и внешней силовой оболочки из композиционного материала, выполненной путем непрерывной намотки жгутов или тканых лент композиционного материала, пропитанных связующим составом, в виде двух слоев - спирального и кольцевого. Толщину спирального и кольцевого слоев принимают не менее
где δсп, δк - толщины спирального и кольцевого слоев соответственно;
δл - толщина стенки лейнера;
Ел - модуль упругости материала лейнера;
Ео - модуль упругости композиционного материала вдоль нити;
Рmax - максимальное рабочее давление;
R - средний радиус силовой оболочки на цилиндрической части лейнера;
σт.л - предел текучести материала лейнера. Использование изобретения позволит повысить ресурс работоспособности баллона. 1 ил.
Description
Изобретение относится к баллонам для хранения и транспортировки газов и жидкостей под давлением и может найти применение в авиационной, космической, автомобильной промышленности и других отраслях.
Известен тонкостенный металлический баллон высокого давления, имеющий цилиндрическую часть с приваренными к ней эллиптическими днищами и горловину. На лейнер намотана под разными углами многослойная оболочка из углеродной нити или ленты, пропитанная полимерным связующим материалом (п. Фр. №2650367, F17C 1/06).
Баллон такого типа имеет сложную технологию изготовления и повышенную массу за счет заполнения полимерным связующим полостей между пересекающимися нитями. Кроме того, тонкий лейнер баллона имеет, в основном, функцию герметизирующей оболочки, и при объемах баллона более 50 литров деформации от внутреннего циклического давления приводят к отслоению лейнера от силовой оболочки и последующей независимой деформации лейнера до касания им силовой оболочки, что существенно снижает ресурс работоспособности баллона к циклическим нагрузкам.
Наиболее близким аналогом предлагаемого решения является баллон для хранения сжатого газа, содержащий внешнюю силовую оболочку из композиционного материала, выполненную намоткой жгутов органопластика, пропитанного связующим составом, на тонкостенный металлический лейнер, имеющий два полусферических днища, приваренных к цилиндрической оболочке. Намотка волокон композиционного материала может быть выполнена на любом предназначенном для этого оборудовании и по любой схеме, в частности по спиральной (геодезической) схеме - первый слой и кольцевой - второй слой (п. РФ №2140602, МПК F17C 1/06).
К недостаткам известного устройства можно отнести невысокую надежность при циклических нагрузках, возникающих за счет колебаний внутреннего давления.
Задача изобретения состоит в повышении ресурса работоспособности баллона к циклическим нагрузкам от внутреннего давления, которая решается путем оптимизации связи между параметрами силовой оболочки и параметрами внутреннего металлического лейнера, а точнее путем оптимизации толщин материала силовой оболочки при известной толщине лейнера.
Композиционный баллон высокого давления содержит внутренний герметизирующий металлический лейнер, состоящий из цилиндрической части (обечайки) и приваренных к ней двух полусферических или эллиптических днищ с использованием подкладных колец в зоне сварного шва.
На лейнер намотана внешняя силовая оболочка из композиционного материала, выполненная методом непрерывной намотки жгутов (тканых лент) композиционного материала, пропитанных связующим составом, в виде двух слоев - спирального и кольцевого.
Согласно изобретению толщина спирального слоя силовой оболочки должна составлять
а кольцевого слоя
где δсп, δк - толщина спирального и кольцевого слоев силовой оболочки;
δл - толщина стенки лейнера;
Ел - модуль упругости материала лейнера;
Eо - модуль упругости композиционного материала вдоль нити;
Рmax - максимальное рабочее давление;
Rоб - средний радиус силовой оболочки на цилиндрической части лейнера;
σт.л - предел текучести материала лейнера.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показан продольный разрез баллона.
Баллон высокого давления содержит металлический лейнер 1, состоящий из цилиндрической обечайки 2 и приваренных к ней с использованием подкладных колец 3 двух полусферических или эллиптических днищ 4. На лейнер намотана внешняя силовая оболочка из композиционного материала. Первый слой 5 представляет собой спиральную геодезическую намотку жгутов композиционного материала, пропитанных связующим составом, по всей поверхности лейнера 1. Поверх слоя 5 выполняют второй слой 6 путем кольцевой намотки в зоне цилиндрической обечайки 2.
Как правило, при разработке баллонов, исходя из требований к материалу лейнера по условиям контакта с хранимой средой и используемой разработчиком технологии изготовления тонкостенных металлических оболочек, параметры лейнера, его конструкция являются исходными для проектирования и изготовления баллона в целом. При этом важно выбрать параметры оболочки (слои 5 и 6) такими, чтобы обеспечить выполнение требований к баллону по рабочим параметрам и обеспечить максимальный ресурс работоспособности. В большинстве задач ставится условие получения минимальной массы баллона, в связи с чем оптимизации подвергаются не только геометрические параметры силовой оболочки, но и используемый для намотки материал.
При многоцикловых нагрузках баллона внутренним давлением необходимо обеспечить выполнение требования - непревышение напряжения в материале лейнера 1 предела текучести (σт.л) при максимальном рабочем давлении (Рmax), т.е. допустимое максимальное давление в лейнере без силовой оболочки составит
- в осевом направлении
где 0,9 - коэффициент снижения прочности в зоне сварных швов лейнера;
δл - толщина стенок лейнера;
Rл - радиус цилиндрической обечайки 2 лейнера;
- в радиальном направлении
Поскольку при нормальной работе баллона деформации лейнера 1 и оболочки из слоев 5 и 6 под воздействием давления одинаковы, то можно записать
где δоб - напряжение в материале оболочки при заданном давлении;
Ел и Еоб - модули упругости материалов лейнера и оболочки соответственно.
Кроме того, баллон можно рассматривать как двухслойную оболочку, и, следовательно, внутреннее давление будет равно сумме давления, которое держит лейнер, и давления, которое держит оболочка, т.е.
Как показал опыт работы с оболочками указанного класса, при рассмотрении прочностных характеристик баллона в осевом направлении влиянием кольцевого слоя 6 практически можно пренебречь, поскольку он работает при нагрузке поперек намотки или их вклад настолько мал, что может быть использован как нерегламентированный запас прочности, то же самое можно принять для спирального слоя 5 при оценке радиальной прочности баллона, т.е. им можно пренебречь.
Следовательно, для осевых усилий можно записать
для радиальных усилий
Принимая баллон как тонкостенную оболочку с необходимой точностью можно в дальнейшем принять
Тогда для осевых нагрузок уравнение (6) с учетом (3) и (7) можно записать в виде
для радиальных усилий используя (4) и (8)
где δсп - толщина спирального слоя намотки;
δк - толщина кольцевого слоя намотки.
Записав соотношение (5) в виде
подставив в соотношения (10) и (11) получим:
- для спирального слоя
- для кольцевого слоя
Имеющийся у заявителя экспериментальный опыт отработки баллонов показывает, что степень реализации механических свойств исходного материала оболочки, нитей или жгутов композиционного материала составляют для спирального слоя ~0,6…0,7, а для кольцевого слоя ~0,8…0,85, то есть
Есп=0,6·Ео
Ек=0,8·Ео
где Eо - модуль упругости композиционного материала вдоль нити.
Следовательно, связь между параметрами оболочки, лейнера и максимальным давлением может быть записана в следующем виде
Изготовленные согласно изобретению баллоны способны выдержать практически неограниченное количество циклов нагрузки внутренним давлением без отслоения лейнера от силовой оболочки при высокой прочности и малой массе конструкции.
Claims (1)
- Композиционный баллон высокого давления, содержащий внутренний герметизирующий металлический лейнер, включающий цилиндрическую обечайку и два днища преимущественно полусферической формы, приваренных к обечайке с использованием подкладных колец, и внешнюю силовую оболочку из композиционного материала, выполненную путем непрерывной намотки жгутов или тканых лент композиционного материала, пропитанных связующим составом, в виде двух слоев - спирального и кольцевого, отличающийся тем, что толщину спирального и кольцевого силовых слоев принимают не менее
где δсп, δк - толщины спирального и кольцевого слоев соответственно;
δл - толщина стенки лейнера;
Ел - модуль упругости материала лейнера;
Ео - модуль упругости композиционного материала вдоль нити;
Рmax - максимальное рабочее давление;
R - средний радиус силовой оболочки на цилиндрической части лейнера;
σт.л - предел текучести материала лейнера.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007107309/06A RU2358187C2 (ru) | 2007-02-26 | 2007-02-26 | Композиционный баллон высокого давления |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007107309/06A RU2358187C2 (ru) | 2007-02-26 | 2007-02-26 | Композиционный баллон высокого давления |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2007107309A RU2007107309A (ru) | 2008-09-10 |
RU2358187C2 true RU2358187C2 (ru) | 2009-06-10 |
Family
ID=39866393
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007107309/06A RU2358187C2 (ru) | 2007-02-26 | 2007-02-26 | Композиционный баллон высокого давления |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2358187C2 (ru) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2011093737A1 (ru) | 2010-02-01 | 2011-08-04 | Lukyanets Sergei Vladimirovich | Метало композитный баллон давления |
RU193002U1 (ru) * | 2019-06-17 | 2019-10-09 | ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "СИСТЕМЫ АРМИРОВАННЫХ ФИЛЬТРОВ И ТРУБОПРОВОДОВ" (ООО "Сафит") | Баллон для хранения сжатого натурального газа |
RU2757315C1 (ru) * | 2020-11-16 | 2021-10-13 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Звезда" имени академика Г.И. Северина" | Металлокомпозитный баллон высокого давления |
-
2007
- 2007-02-26 RU RU2007107309/06A patent/RU2358187C2/ru active
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2011093737A1 (ru) | 2010-02-01 | 2011-08-04 | Lukyanets Sergei Vladimirovich | Метало композитный баллон давления |
RU193002U1 (ru) * | 2019-06-17 | 2019-10-09 | ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "СИСТЕМЫ АРМИРОВАННЫХ ФИЛЬТРОВ И ТРУБОПРОВОДОВ" (ООО "Сафит") | Баллон для хранения сжатого натурального газа |
RU2757315C1 (ru) * | 2020-11-16 | 2021-10-13 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Звезда" имени академика Г.И. Северина" | Металлокомпозитный баллон высокого давления |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2007107309A (ru) | 2008-09-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2393375C2 (ru) | Баллон высокого давления | |
JP5711154B2 (ja) | 圧力容器の耐せん断ボス及びシェルインタフェース要素 | |
JP5408351B2 (ja) | 高圧タンクおよび高圧タンクの製造方法 | |
US7412956B2 (en) | Reinforcing structure of cylinder barrel | |
US10436388B2 (en) | High-pressure container having hoop layers and helical layers | |
US8074826B2 (en) | Damage and leakage barrier in all-composite pressure vessels and storage tanks | |
EP2418412B1 (en) | Tank and fabrication method thereof | |
US9316359B2 (en) | Tank and manufacturing method thereof | |
KR102038793B1 (ko) | 나노 텍스처링된 표면을 통해 배출하는 압력 용기 라이너 | |
KR102262344B1 (ko) | 보스 커넥터를 갖는 복합 압력 용기 | |
US8453868B2 (en) | Gas cylinder | |
RU2358187C2 (ru) | Композиционный баллон высокого давления | |
CN111368439A (zh) | 一种基于缠绕成型工艺的压力容器的设计方法 | |
WO2011093737A1 (ru) | Метало композитный баллон давления | |
RU2353851C1 (ru) | Лейнер баллона высокого давления | |
JP6927013B2 (ja) | 高圧タンク | |
RU2439425C2 (ru) | Металло-композитный баллон давления | |
RU2757315C1 (ru) | Металлокомпозитный баллон высокого давления | |
JP2017145962A (ja) | 高圧タンク及び高圧タンクの製造方法 | |
RU2393376C2 (ru) | Баллон высокого давления | |
JPH0942594A (ja) | 圧力容器 | |
WO2012144929A1 (ru) | Баллон высокого давления из композиционных материалов | |
WO2010131990A1 (ru) | Металло композитный баллон высокого давления | |
RU2482380C2 (ru) | Баллон высокого давления из композиционных материалов | |
JP2008057632A (ja) | 流体貯蔵タンク |