Композитный баллон для хранения сжатого газа

 

Использование: производство газовой аппаратуры, автотранспорт на газовом топливе. Сущность: баллон содержит цилиндрическую оболочку, выполненную из спиральных и кольцевых слоев волокнистого композиционного материала, и образованные спиральными слоями днища с установленными в них закладными элементами. В примыкающих к днищам зонах цилиндрической силовой оболочки, длина которых составляет 0,6 - 1,5 радиуса цилиндрической силовой оболочки, размещены дополнительные кольцевые слои в количестве от 10 до 30 % от общего числа кольцевых слоев. Дополнительные кольцевые слои чередуются со спиральными слоями силовой оболочки. Конструкция баллона повышает безопасность эксплуатации путем обеспечения безосколочного разрушения. 4 ил.

Изобретение относится к энергетике, а более конкретно к производству газовой аппаратуры, и может использоваться, например, в автотранспорте на газовом топливе.

Непременным элементом газовой аппаратуры автомобиля является баллон для хранения сжатого газа при высоком давлении (см. книгу: Морев А. И. Ерохов В. И. Эксплуатация и техническое обслуживание газобалонных автомобилей. М. Транспорт, 1988). Газовый баллон является одним из наиболее опасных в эксплуатации элементов газовой аппаратуры и повышение безопасности ее эксплуатации во многом определяется безопасностью баллона.

Известна конструкция металлического баллона, предназначенного для хранения сжатых газов при высоком давлении (там же, с. 55 57). Такая конструкция способна выдерживать высокое давление, однако обладает двумя основными недостатками: высоким значением массы баллона и опасным характером его разрушения (взрывное разрушение с разлетом осколков). Эти недостатки ограничивают применение таких конструкций в ответственных изделиях (например, автомобилях и самолетах).

Известна также конструкция композитного баллона давления, предназначенного для хранения сжатых газов и содержащего слои волокнистого материала, армированные в осевом и кольцевом направлении (см. патент США N 3508677 U.S. Cl 220-3, 1970). Такая конструкция обеспечивает меньшую массу баллона, чем металлическая, однако отличается сложностью в изготовлении и, кроме того, не может гарантировать безопасного разрушения баллона (разрушение происходит в зоне днища с вылетом металлического закладного элемента).

Известна конструкция баллона из композиционных материалов, образованного намоткой спиральных и кольцевых слоев, описанная, например, в книге: Образцов И. Ф. Васильев В. В. Бунаков В. А. Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционных материалов. М. Машиностроение, 1977, с.72 74. Такой баллон содержит цилиндрическую композитную силовую оболочку и днища с установленными в них металлическими закладными элементами, причем цилиндрическая силовая оболочка содержит спиральные и кольцевые слои композиционного материала, а днища баллона только спиральные слои. Кольцевые слои расположены по всей длине цилиндрической части баллона, а соотношение толщины кольцевых и спиральных слоев определяется из условия равнопрочности (то есть одновременного достижения разрушающих напряжений в спиральных и кольцевых слоях). Это позволяет значительно снизить массу баллона по сравнению с металлическим аналогом, а также упростить и удешевить процесс изготовления баллона по сравнению с аналогом, содержащим осевые и кольцевые слои. Вместе с тем, условие равнопрочности, применяемое при проектировании композитных баллонов, на практике приводит к тому, что разрушение конструкции всегда происходит в зоне днищ вследствие концентрации напряжений в этой зоне. При этом металлический закладной элемент с большой скоростью вылетает из разрушающегося баллона, что приводит к опасности для окружающих людей и устройств.

Целью изобретения является повышение безопасности эксплуатации баллона путем обеспечения гарантированного разрушения в удаленной от днищ зоне цилиндрической силовой оболочки. Это позволит полностью исключить случаи вылета металлического закладного элемента при разрушении баллона.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемой конструкции баллона введены дополнительные кольцевые слои, размещаемые не по всей длине цилиндрической силовой оболочки, а только в примыкающих к днищам зонах, длина которых составляет 0,6 1,5 R, где R радиус цилиндрической силовой оболочки. Число дополнительных кольцевых слоев составляет 10 30 от общего числа кольцевых слоев в силовой оболочке, при этом дополнительные кольцевые слои чередуются со спиральными слоями силовой оболочки.

Диапазоны значений устанавливаются исходя из следующих соображений: при выполнении в примыкающих к днищам зонах менее 10 дополнительных кольцевых слоев невозможно гарантировать разрушение в требуемой зоне, так как средний разброс свойств композиционных материалов составляет около 10 при выполнении в примыкающих к днищам зонах более 30 дополнительных кольцевых слоев происходит неоправданное увеличение массы конструкции, что снижает положительный эффект изобретения; при длине зон размещения дополнительных кольцевых слоев менее 0,6 R невозможно гарантировать разрушение в требуемой зоне, так как зона концентрации напряжений на границе цилиндрической оболочки и днищ может охватывать 0,4 0,6 R; при длине зон размещения дополнительных кольцевых слоев более 1,5 R происходит неоправданное увеличение массы конструкции, что снижает положительный эффект изобретения.

Чередование дополнительных кольцевых слоев со спиральными слоями силовой оболочки необходимо для снижения краевого эффекта в зоне окончания дополнительных кольцевых слоев; в противном случае добавление дополнительных кольцевых слоев привело бы к снижению надежности конструкции.

На фиг. 1 проиллюстрирован общий вид предлагаемой конструкции баллона; на фиг.2 схема размещения спиральных и кольцевых слоев в цилиндрической силовой оболочке; на фиг.3 эпюра напряжений в силовой оболочке для предлагаемой конструкции; на фиг.4 эпюры напряжений в силовой оболочке для конструкции-прототипа.

Возможность осуществления заявленного устройства подтверждается представленными фигурами, на которых цифрой 1 обозначена цилиндрическая силовая оболочка баллона из композиционных материалов, 2 днища, 3 - закладные элементы. Цилиндрическая силовая оболочка 1 включает в себя спиральные слои 4 и кольцевые слои 5. Дополнительные кольцевые слои 6 размещаются в примыкающих к днищам зонах цилиндрической силовой оболочки 7, причем длина этих зон составляет 0,6 1,5 радиуса оболочки R. Остальная часть кольцевых слоев и все спиральные слои составляют центральную зону силовой оболочки 8. Дополнительные кольцевые слои чередуются со спиральными слоями силовой оболочки; порядок чередования определяется соотношением спиральных и кольцевых слоев в конкретной конструкции.

При достижении внутренним давлением в баллоне разрушающего значения напряжения в силовой оболочке заявленного устройства распределяются согласно фиг. 3. Для сравнения на фиг. 4 показана эпюра напряжений в устройстве-прототипе. Разрушение конструкции заявленного устройства происходит в зоне 8, при этом дополнительные кольцевые слои 6 предохраняют от разрушения примыкающие к днищам зоны силовой оболочки 7. Это обеспечивает целостность днищ 2 и невозможность вылета из них закладных элементов 3. Тем самым повышается безопасность эксплуатации сосуда давления.

Формула изобретения

Композитный баллон для хранения сжатого газа, содержащий цилиндрическую силовую оболочку, выполненную из спиральных и кольцевых слоев волокнистого композиционного материала, и образованные спиральными слоями днища с установленными в них закладными элементами, отличающийся тем, что на цилиндрической силовой оболочке в примыкающих к днищам зонах, длина которых составляет 0,6-1,5 радиуса цилиндрической силовой оболочки, размещены дополнительные кольцевые слои, число которых составляет 10-30% от общего числа кольцевых слоев, при этом дополнительные кольцевые слои чередуются со спиральными слоями силовой оболочки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4