Баллон давления из композиционных материалов

(51) 16 12/00 (2010.01) 16 1/16 (2010.01) 16 1/06 (2010.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ одновременном устранении утечек текучей среды из баллонов или нарушении их герметичности. Технический результат при использовании предлагаемого изобретения заключается в обеспечении высокоэффективной работоспособности обечайки-лейнера на любой уровень циклического нагружения высоким давлением. Днищевые части внешней оболочки выполнены по форме сжатого эллипсоида вращения, а часть днищ обечайки-лейнера выполнены пологими. В образующееся между поверхностью обечайкилейнера и поверхностью днищевой части внешней оболочки пространство установлены оболочкивставки из термопластичного материала, жестко зафиксированные на металлическим патрубке фланца.(72) Лукьянец Сергей ВладимировичМороз Николай Григорьевич(54) БАЛЛОН ДАВЛЕНИЯ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ(57) Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении сосудов высокого давления, предназначенных для хранения и транспортировки текучих сред (жидкостей или газа) в условиях их многократных циклических нагружений высоким давлением при 24182 Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении сосудов высокого давления, предназначенных для хранения и транспортировки текучих сред (жидкостей или газа) в условиях их многократных циклических нагружений высоким давлением при одновременном устранении утечек текучей среды из баллонов или нарушении их герметичности. Известны баллоны высокого давления с использованием металлического лейнера из различных сплавов, например, патенты 5 494 188,6 230 922 и другие. Известные конструкции не обеспечивают высокую надежность работы при большой цикличности нагружения их высоким давлением. Известны конструкции композитных баллонов давления с использованием в качестве основного материала лейнера термопластов, например,патенты 1 023 011,4 925 044,2 150 634 и другие. В известных решениях задача обеспечения надежной герметизации баллона решена не полностью в силу того, что общим недостатком их является то, что используемые в качестве материала обечайки-лейнера термопласты имеют низкие по сравнению с металлами коэффициенты газопроницаемости практически по всем техническим газам, что при высоких давлениях приводит к потере прочности при декомпрессии, а также к возникновению трещинообразования при длительном нагружении. Известны конструкции баллонов и лейнеров для них, например, патент 2156 399, в которых в качестве основного материала используется полиэтилентерефталат (ПЭТ), обладающего более низкой газопроницаемостью и более высокой прочностью. Известны примеры создания композитных баллонов давления с использованием тонкостенных металлических лейнеров из различных сплавов,например патенты 3 066 822,2 255 829, ЕР 0497687 и другие, использование которых позволяет частично решить задачу обеспечения большой цикличности нагружения его высоким давлением при собственном весе ниже,чем у цельнометаллических баллонов. В данных конструкциях поставленная задача решается за счет того, что толщина стенки лейнера и толщина композитной оболочки выбираются из условия, что основным несущим элементом баллона является композитная оболочка, а материал металлического лейнера при рабочем давлении находится в области упругого деформирования. Недостатком такого решения является то, что из-за большой разницы в значениях предельных деформаций разрушения композита (до 2) и деформации упругости металла(0,2), вес конструкции и ее стоимость имеют высокие значения, что делает баллоны данной конструкции неконкурентоспособным по сравнению с металлическими аналогами. В конкуренциях баллонов по патентам 2 094 695,2 187 746 и других предлагается использование металлического лейнера,2 выполненного с продольными и кольцевыми гофрами. При этом наружные полости продольных гофр могут быть заполнены упругим материалом,например, эластомером. Общим недостатком всех известных технических решений является то, что в них решаются задачи обеспечения работоспособности только цилиндрической части баллона и практически ни в одном из известных решений, как для баллонов с полимерными лейнерами, так и для баллонов с тонкостенными металлическими лейнерами, не рассматриваются и не решаются задачи обеспечения работоспособности днищ баллонов. В соответствии с общей теорией выбора геометрии днищ оболочек давления из композиционных материалов/например,Композиционные материалы, Справочник, Под ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского, - М. Машиностроение, 1990. - с.512 Образцов И.О.,Васильев В.В., Бунаков В.А. Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционного материала, М. Машиностроение,1977) в основу выбора геометрии заложено положение, что форма должна выбираться из условия равнонапряженности всех армирующих нитей по их длине. Такое условие приводит к тому,что армирующие нити композиционного материала должны находится на траекториях, совпадающих с геодезическими линиями на поверхности. Однако, в известных теориях не учитывается поведение материала лейнера и отдельные контактные зоны установки металлического фланца. Частично задачи выбора геометрии днищ оболочки или ее частей рассматриваются в патентах 2 319 061,2 269 044,2 282 045 и других. Так, в патенте 2 319 061 предложено решение, в котором днища композитной оболочки имеют форму, выбранную из условия укладки армирующей ленты композиционного материала по линиям постоянного отклонения от геодезических траекторий,причем углы геодезического отклонения фактического закона укладки лент и расчетного, по которому построен исходный профиль днища, не равны и для диапазона относительного радиуса полюсного отверстия к радиусу оболочки 0,1. 0,5 лежат в пределах от 0 до 10, соответственно, и подпираются так, чтобы полюсная зона днища с фланцем в начале нагружения давлением перемещалась вовнутрь, и далее наружу, стремясь к исходному положению при давлении, равном рабочему. В решениях по патентам 2 269 044,2 282 045 частично уточняется геометрия днищ композитной оболочки в зоне контакта оболочки с металлическим фланцем. Как известно, наличие лейнера в конструкции баллона требует решения задачи оптимального проектирования комбинированной конструкции, то есть выбора оптимального соотношения толщины стенки лейнера и толщины композита, выбора соответствующей схемы армирования композита и выбора соответствующей формы профиля днища лейнера. 24182 Общим же недостатком известных решений по приведенным патентам и технической литературе является то, что при выборе геометрии днища композитной оболочки не учитывается толщина наматываемого композиционного материала,поведение материала лейнера, особенно при циклическом нагружении, геометрия локальных зон и другие. То есть, в известных решениях практически не рассматриваются задачи выбора геометрии лейнера композитной оболочки. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является техническое решение по патенту РФ 2 246 062, заявка 2002 122 143/06 от 13.08.2002. Опубл. в бюлл.4, 2005. Данное решение принято за прототип к предлагаемому. Известный баллон давления из композиционных материалов содержит внешнюю оболочку из композиционного материала,состоящую из днищевых частей эллипсоидной формы с полюсными отверстиями и расположенной между ними центральной круговой цилиндрической части,внутреннюю тонкостенную обечайку-лейнер с металлическим фланцем,установленным в полюсном отверстии внешней оболочки. Недостатком известного решения является, то что в нем не обеспечивается надежная работа обечайки-лейнера при циклических нагрузках из-за проявления локализации деформацией его материала на переходных контактных зонах. Технический результат при использовании предлагаемого изобретения заключается в обеспечении высокоэффективной работоспособности обечайки-лейнера на любой уровень циклического нагружения высоким давлением. Указанный технический результат достигается тем, что, в баллоне давления из композиционных материалов, содержащем внешнюю оболочку из композиционного материала,состоящую из днищевых частей эллипсоидной формы с полюсными отверстиями и расположенной между ними центральной круговой цилиндрической части,внутреннюю тонкостенную обечайку-лейнер с металлическими фланцем, установленным в полюсном отверстии внешней оболочки, днищевые части внешней оболочки выполнены по форме сжатого эллипсоида вращения, из которого часть длины малой оси составляет(0,60,8)/ 2, а часть днищ обечайки-лейнера до диаметра 20(23)в выполнены пологими с малой выпуклостью вовнутрь объема лейнера, в образующееся между поверхностью обечайкилейнера и поверхностью днищевой части внешней оболочки пространство установлены оболочкивставки из термопластичного материала, жестко зафиксированные на металлическом патрубке фланца с помощью внутренних буртиков, внешняя оболочка по поверхности контакта с оболочкамивставками выполнена двухзонной, при этом диаметр второй зоны на 1020 мм ниже внешнего диаметра оболочки-вставки, где- радиус цилиндрической части оболочке, 0 - радиус полюсного отверстия в оболочке,- толщина композиционного материала на полюсном отверстии, в - ширина укладываемой ленты композиционного материала. Указанный технический результат достигается также тем, что, внешняя от обечайки-лейнера форма поверхности оболочки-вставки выполнена по форме изотенсоида вращения, тем, что суммарный объем материала-вставки превышает приращение внутреннего объема внешней оболочки в осевом направлении при ее деформировании, а также тем,что, по всей поверхности контакта обечайка-вставка и эллипсоидная днищевая часть внешней оболочки разделены между собой антифрикционным материалом. Сопоставительный анализ с прототипом показывает,что предлагаемое устройство отличается от известного конструкцией, а именно,исполнением днищевой части внешней оболочки и днища обечайки-лейнера,дополнительной установкой в пространстве между поверхностью обечайки-лейнера и поверхностью днищевой части внешней оболочки оболочки-вставки из термопластичного материала,выполнением внешней оболочки по поверхности контакта с оболочками-вставками двухзонной, выполнением внешней от обечайки-лейнера формы поверхности оболочки-вставки по форме изотенсоида вращения,разделением поверхности контакта оболочкивставки и эллипсоидной днищевой части внешней оболочки антифрикционным материалом. Изобретение поясняется иллюстрациями, где на фиг.1 показан общий вид баллона давления, на фиг.2 - общий вид конструкции днищевой части внешней оболочки, на фиг.3 - вид Б на фиг.2, на фиг.4 - типовые формы профилей днищевых частей внешней оболочки, на фиг. 5 - вид по стрелке А на фиг. 1. Баллон давления содержит внешнюю оболочку 1 из композиционного материала в виде многослойного каркаса, слои которого получены намоткой перекрещивающихся однонаправленных нитей из стекло - или углеволокна с пропиткой полимерным связующем. Во внешнюю оболочку 1 в процессе ее изготовления вмотан тонкостенный металлический обечайка-лейнер 2, отделенный от внешней оболочки 1 прослойкой 3 из вязкоупругого материала и жестко зафиксированный по фланцу 4. Определим форму днищевой части внешней оболочки 1. Поскольку основной нагрузкой при работе баллона высокого давления является внутреннее давление среды, при выборе формы профиля днищевой части внешней оболочки 1 основным требованием является равнонапряженность композиционного материала по всей поверхности днища. Такое условие эквивалентно выполнению требования постоянства деформаций внешней оболочки 1 и формирующих нитей, то есть где - меридиональная деформация днищевой части,3 24182- тангенциальная деформация днищевой части, - деформация вдоль армирующих волокон комиозиционного материала. В случае выполнения конструкции баллона с укладкой армирующих нитей композиционного материала по геодезическим траекториям, форма профиля днищевой части определяются из решения дифференциального уравнения вида получаемого при рассмотрении геометрических,статических и физических условий поведения конструкции комбинированной металлокомпозитной оболочки. Принятые в уравнении обозначения параметр,учитывающий отношение прочностных характеристик используемого металла и материала армирующих волокон- текущие координаты профиля,определяющие форму оболочки 1- первая и вторая производные координаты у, - радиус цилиндрической части оболочки 1,0 - радиус полюсного отверстия в оболочке 1, - предел текучести материала лейнера 2, - предел прочности композитного материала оболочки 1, - толщина используемого материала лейнера 2, - толщина используемого композиционного материала на цилиндрической части. Решением данного уравнения определяется форма профиля днищевой части оболочки с учетом используемого материала лейнера и композиционного материала. Полученные решением данного уравнения типовые формы профилей днищевых частей внешней оболочки приведены на фиг. 4. Анализ полученных форм профилей тонкостенных лейнеров показывает, что для широкого класса используемых материалов лейнера и композиционного материала глубина профиля должна составлять 0,60,8 радиуса цилиндрической части оболочки. Приведенные теоретические зависимости получены из условия образования оболочки намоткой нити нулевой толщины. Для учета влияния толщины наматываемого материала на форму поверхности применен принцип,заключающийся в том, что теоретическая форма,получаемая по данным зависимостям является формой срединной поверхности. Таким образом,внутренняя поверхность днищевой части внешней оболочки определяется как теоретическая минус половина толщины стенкикомпозиционного материала в каждой точке поверхности При изготовлении лейнера используется конструкция оболочки постоянной толщины с имеющими место локальными изменениями кривизн различных участков. В такой обечайке-лейнере при ее деформировании наблюдаются локальные зоны концентрации напряжений,приводящие к возникновению пластических деформаций материала лейнера. При условии сохранении формы поверхности лейнера соответствующей форме внутренней поверхности композитной оболочки, в материале лейнера всегда будут возникать пластические деформации, что значительно ограничивает ресурс циклического нагружения баллона и его жизненный срок. Из геометрии известно, что две поверхности называются изометрическими в случае, если одна из них может быть превращена в другую без изменения внутренней метрики, то есть к изометрическим поверхностям можно отнести такие, которые могут переходить друг в друга только исключительно за счет деформаций изгиба. Из механики также известно, что деформация поверхности пологой оболочки происходит без изменения внутренней метрики и представляет собой геометрическое изгибание, получаемое зеркальным отражением ее части относительно некоторой плоскости, либо последовательным выполнением ряда таких отражений. Такой переход оболочки в деформированное состояние является изометрическим и связан со значительным ее изгибом. В предлагаемой конструкции баллона часть днища лейнера выполнена пологой, его же поверхность в деформированном состоянии изометрична поверхности исходного состояния. В образующееся между поверхностью лейнера 2 и внутренней поверхностью днищевой части внешней оболочки 1 пространство установлена оболочка-вставка 5 из термопластичного материала. Первой функцией оболочки-вставки 5 является преобразование действия постоянного внутреннего давления на пологое днище лейнера 2 в перемещение оболочки-вставки и создание контактного давления на днищевую часть внешней оболочки, неравномерно распределенного по ее поверхности контакта. Такое преобразование происходит за счет упругого сжатия и перетекания материала оболочки-вставки 5. При этом, размеры оболочки-вставки 5 выбираются из условия, что суммарный объем ее материала превышает увеличение объема внешней оболочки при ее деформировании в осевом направлении. Второй функцией оболочки-вставки 5 является компенсация локализации напряжений и деформаций материала лейнера на внешнем диаметре буртика фланца 4. При отсутствии оболочки-вставки на внешнем диаметре фланца в силу наличия реальной толщины фланца происходит локализация сдвиговых напряжений,приводящая при повторном нагружении к образованию циклических трещин. Наличие в 24182 конструкции баллона давления оболочки-вставки 5 компенсирует данные градиенты изменения толщин в зоне внешнего диаметра фланца 4 и, тем самым,исключает проявление сдвиговых деформаций. Функционирование предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. При возникновении давления в полости баллона пологая часть днища лейнера 2 деформируется без мембранных деформаций растяжения-сжатия, а только за счет деформаций изгиба и в предельном состоянии достигает изометрической формы днищевой части внешней оболочки 1. При этом происходит сдавливание вязкоупругого материала оболочки-вставки 5 и, в силу его несжимаемости,передача давления по всей поверхности днищевой части внешней оболочки 1 в виде переменного по профилю контактного давления. Внешняя оболочка 1 деформируется и увеличивает свой внутренний объем. В то же время материал оболочки-вставки 5 сжимается в осевом направлении и перетекает в возникающие от деформирования внешней оболочки 1 пространства. Однако, в силу того, что суммарный объем материала оболочки-вставки 5 выше приращения объема при деформировании внешней оболочки 1 изгибание пологого днищалейнера не достигает конечной изометрической формы. Возникающие же от внутреннего давления в баллоне осевые усилия воспринимаются только материалом внешней оболочки 1. При этом в материале лейнера 2 практически отсутствуют мембранные растягивающие усилия. В силу этого обстоятельства, а именно из-за того,что лейнер 2 не воспринимает мембранных усилий,его толщина стенки и материал выбираются из условий, не связанных с деформированием баллона при внутреннем давлении в кольцевом направлении. Это позволяет, во-первых, снизить вес лейнера, и во-вторых, использовать дешевые компоненты материала внешней оболочки,например,стеклопластик. Выбор же геометрии поверхности пологого днища лейнера 2 осуществляется из следующих условий. Поскольку основным условием работы днища лейнера является условие отсутствия растягивающих деформаций в материале днища лейнера, в нем могут возникать только деформации от изометрического изгиба. Используя данное ограничение, а также то, что деформации изгиба не должны превышать уровень упругих деформаций в материале лейнера (для металлов и их сплавов это 0,2), определяются соотношения между формой и глубиной внутреннего прогиба пологого днища лейнера. С другой стороны, при учете реальной толщины композиционного материала в выборе формы профиля внешней оболочки показывает, что начиная с диаметра равного 2 о( 23)в,профиль оболочки начинает изгибаться вовнутрь оболочки. Такая геометрия практически не реализуема при использовании метода намотки нитью. Выбирая данный размер за базовый для организации изометрической формы лейнера, с одной стороны,и, удовлетворяя условию изотензоидной формы для внешней оболочки, с другой стороны, обеспечивается надежная работа материала лейнера и внешней оболочки. Для ограничения деформаций внешней оболочки при действии внутреннего давления в баллоне целесообразно укладку нитей по поверхности оболочки-вставки производить в форме двух зон первая зона армирующие нити композиционною материала охватывают фланец лейнера по диаметру полюсного отверстия вторая зона - армирующие нити композиционного материала охватывают оболочку-вставку на диаметре на 1020 мм ниже внешнего диаметра оболочки-вставки. Такое конструктивное решение повышает надежность работы баллона давления в целом. Работа баллона высокого давления заключается в наполнении его текучей средой (жидкостью или газом) до требуемого уровня давления, в хранении,транспортировании, опорожнении, последующем новом наполнении, расходовании текучей среды, то есть в осуществлении операции многократного циклического нагружения. При использовании предложенного решения появилась реальная возможность использовать сосуды высокого давления из разных материалов с использованием тонкостенной металлической или полимерной внутренней обечайки-лейнера. Изготовление и испытание сосудов высокого давления с предложенным решением подтвердили их высокую надежность и эффективность. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Баллон давления из композиционных материалов, содержащий внешнюю оболочку из композиционного материала,состоящую из днищевых частей эллипсоидной формы с полюсными отверстиями и расположенной между ними центральной круговой цилиндрической части,внутреннюю тонкостенную обечайку-лейнер с металлическим фланцем,установленным в полюсном отверстии внешней оболочки отличающийся тем, что, днищевые части внешней оболочки выполнены по форме сжатого эллипсоида вращения, из которого часть длины малой оси составляет (0,608)-/2, а часть днищ обечайкилейнера до диаметра 20(23) выполнены пологими с малой выпуклостью вовнутрь объема лейнера, в образующееся между поверхностью обечайки-лейнера и поверхностью днищевой части внешней оболочки пространство установлены оболочки-вставки из термопластичного материала,жестко зафиксированные на металлическим патрубке фланца с помощью внутренних буртиков,внешняя оболочка по поверхности контакта с оболочками-вставками выполнена двухзонной, при этом диаметр второй зоны на 1020 мм ниже внешнего диаметра оболочки-вставки, гдерадиус цилиндрической части оболочки, 0 радиус полюсного отверстия в оболочке,- толщина композиционного материала на полюсном 5 24182 отверстии,- ширина укладываемой ленты композиционного материала. 2. Баллон по п.1, отличающийся тем, что,внешняя от обечайки-лейнера форма поверхности оболочки-вставки выполнена по форме изотенсоида вращения. 3. Баллон по п.1, отличающийся тем, что, что суммарный объем материала-вставки превышает приращение внутреннего объема внешней оболочки в осевом направлении при ее деформировании. 4. Баллон по п. 1, отличающийся тем, что, по всей поверхности контакта обечайка-вставка и эллипсоидная днищевая часть внешней оболочки разделены между собой антифрикционным материалом.