Сосуд давления, упрочненный обмоткой

 

Сосуд предназначен для хранения жидкостей или газов под давлением. Сосуд состоит из цилиндрической обечайки, имеющей цилиндрический прочный и герметичный лейнер и упрочняющую обечайку цилиндрическую обмотку из прочного на разрыв нитевидного материала, и двух днищ, на которых могут иметься присоединительные устройства и арматура, при этом по крайней мере одно из днищ выполнено подвижным вдоль оси сосуда и снабжено подвижным уплотнением в месте сопряжения с обечайкой, причем оба днища связаны между собой одним или несколькими пучками нитевидного материала, которые закреплены на днищах любым известным способом. Технический результат - повышение надежности. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.

Изобретение относится к машиностроению в области изготовления сосудов, работающих под внутренним давлением.

Известны сосуды, работающие под внутренним давлением, имеющие упрочняющий слой из нитевидного материала или композитного армированного волокном материала. Такой сосуд имеет лейнер, выполненный в виде тонкостенной металлической трубы, прочно и герметично соединенной с днищами сосуда. На лейнер намотан упрочняющий слой из нитевидного материала, более прочного на разрыв, чем материал лейнера (Морев А.И., Ерохов В.И. Эксплуатация и техническое обслуживание газобаллонных автомобилей. М.: Транспорт, 1988, с. 55-67). Обечайка этого сосуда более прочна на разрыв по образующей цилиндра (тангенциальные усилия), чем на разрыв от осевого усилия. Поскольку в сосудах, работающих под давлением, тангенциальные нагрузки в 2 раза превышают осевые, такая конструкция позволяет снизить массу сосуда без ущерба для прочности.

Однако при таком решении лейнер воспринимает осевые нагрузки полностью, и его толщина может быть уменьшена по отношению к толщине однослойной обечайки не более чем в 2 раза, тогда как прочность нитевидного материала может превышать прочность сплошного материала в 10 и более раз.

Известно решение, которое частично устраняет этот недостаток (заявка 95121808/25, опубликована 1998.02.27. Композитный сосуд давления). В этом случае сосуд, имеющий цилиндрическую форму с днищами, содержит внутреннюю герметизирующую оболочку и наружную оболочку из волокнистого композиционного материала. Слои волокон со спиральной перекрестной намоткой чередуются со слоями, намотанными по окружности на цилиндрическую часть сосуда и на расположенные на днищах между оболочками металлические фланцы, а между слоями с разнонаправленной намоткой помещен антиадгезионный слой. Перекрестная намотка, захватывая фланцы, воспринимает осевые усилия, а отсутствие адгезии между слоями снижает возможность образования касательных напряжений между ними. При этом, однако, существенно усложняется технология намотки. Кроме того, вследствие несовпадения геодезических линий с направлением главных напряжений, невозможно исключить касательные взаимодействия между витками обмоток с перекрестной намоткой, что снижает прочность изделия.

Наиболее близкое к заявляемому изобретению решение (заявка "Комбинированный баллон высокого давления" RU, 95108822/25 C1, F 17 C 1/16, опубликован 1997.07.10) состоит в том, что на цилиндрическую оболочку, имеющую полусферические или эллиптические днища, уложены кольца из мотков нитевидного материала, поверх которых уложены мотки из нитевидного материала, закрепленные на днищах и выложенные вдоль образующей цилиндрической части. Таким образом, нитевидный материал располагается вдоль направлений главных напряжений и способен их воспринимать.

Недостатком этого решения являются одинаковые осевые деформации герметичной цилиндрической оболочки и продольно расположенных частей мотков нитевидного материала. В этих условиях прочность нитевидного материала мотков на разрыв может быть использована в полной мере только в том случае, когда предельная допустимая относительная деформация этого материала меньше, чем предельная допустимая относительная деформация материала, из которого выполнена оболочка. Это требование выражается неравенством: где σ_нд - предельно допустимые напряжения на разрыв нитевидного материала обмотки; Е_м - модуль упругости материала герметичной оболочки; σ_МД - допустимые напряжения в материале герметичной оболочки; Е_н - модуль упругости нитевидного материала обмотки.

Для реально применяемых материалов имеет место обратное соотношение, что видно из таблицы, рассчитанной на основании известных из литературы сведений (Ю. Н. Васильев и др. Опыт эксплуатации автомобилей, работающих на природном газе, М. ВНИИЭгазпром, 1990. - 59 с. Серия "Использование газа в народном хозяйстве").

Кроме двух пар материалов коэффициент К превышает 1, что означает невозможность полного нагружения продольных пучков нитевидного материала. Кроме того, продольная нагрузка на обечайке вызывает по закону Пуассона уменьшение поперечного диаметра цилиндрической части обечайки. Компенсация этого сужения вызывает дополнительные напряжения на разрыв вдоль образующей, увеличивая их примерно на 25% (пропорционально коэффициенту Пуассона для материала лейнера).

Заявляемое изобретение исключает отмеченные недостатки и позволяет при любом выборе материалов обеспечить полное использование прочностных возможностей нитевидного материала, не создавая дополнительных тангенциальных напряжений.

Сущность изобретения состоит в том, что сосуд давления, упрочненный обмоткой, состоит из цилиндрической обечайки, имеющей цилиндрический прочный и герметичный лейнер и упрочняющую обечайку цилиндрическую обмотку из прочного на разрыв нитевидного материала, и двух днищ, на которых могут иметься присоединительные устройства и арматура, при этом по крайней мере одно из днищ цилиндрического сосуда выполнено подвижным вдоль оси сосуда и снабжено подвижным уплотнением в месте сопряжения с обечайкой, причем оба днища связаны между собой одним или несколькими пучками нитевидного материала, которые закреплены на днищах любым известным способом. Поскольку цилиндрическая часть лейнера и наложенная на нее обмотка не скреплены с подвижным днищем достигается полная разгрузка обечайки от осевых усилий, которые полностью воспринимаются пучками нитевидного материала, связывающими между собой днища. При этом пучки нитей, никак не связанные с обечайкой, самостоятельно занимают положение вдоль действующих усилий, что исключает касательные эффекты.

Кроме того, сосуд может иметь днища выпуклой формы, а пучки нитевидного материала, связывающие днища между собой, могут иметь вид замкнутых мотков, расположенных в плоскости, параллельной оси сосуда, которые охватывают днища, при этом на наружной поверхности днищ имеются канавки или выступы с канавками, в которые уложены прилегающие к днищам части мотков. Наличие канавок позволяет не связывать геодезическую линию с линией соприкосновения пучка с поверхностью днища. Направление канавки в этом случае может соответствовать наилучшему восприятию осевого усилия пучками нитевидного материала и, кроме того, обеспечить наименьшую массу днища благодаря тому, что днище под действием нагрузки от давления опирается не только по краям, но и в средней части, что повышает его прочность.

Осевое перемещение подвижного днища невелико, так как равно упругому растяжению связывающих днища пучков. Поэтому уплотнение сопряжения подвижного днища и обечайки может быть выполнено в виде манжеты из эластомера, имеющей форму отрезка трубы, один край которой герметично по всему ободку прижат к обечайке, а другой край также прижат к подвижному днищу.

Растягиваясь при повышении давления вслед за перемещением подвижного днища и сокращаясь при снижении давления, манжет обеспечивает герметичность подвижность соединения.

На фиг.1 показан продольный разрез заявляемого сосуда; на фиг.2 - фрагмент сосуда с выпуклым днищем, охваченным мотками нитевидного материала; на фиг.3 - вид по А на фиг.2; на фиг.4 показано применение в качестве подвижного уплотнения эластомерного манжета.

Возможность осуществления заявленного изобретения следует из описания его конструкции.

На фиг.1 показан продольный разрез сосуда. Он состоит из цилиндрической обечайки 1, которая имеет внутренний лейнер и цилиндрическую обмотку, и днищ 2 и 3, на которых могут быть установлены присоединительные патрубки, штуцера и необходимая арматура. По крайней мере одно из них (на фиг.1 днище 3) может свободно передвигаться в осевом направлении, скользя вдоль обечайки. Между днищем 3 и обечайкой 1 установлены подвижные уплотнения 4. Днище 2 соединено с днищем 3 пучком нитевидного материала 5. В начальных условиях, когда сосуд пуст или находится под малым избыточным давлением, пучок 5 не нагружен и имеет минимальную длину. Днище 3 удерживается пучком 5 в первоначальном положении. При увеличении давления внутри сосуда днище 3 выталкивается из сосуда, чему препятствует пучок 5. Нагрузка на пучок возрастает, под действием чего пучок растягивается и днище перемещается вдоль оси сосуда, выдвигаясь из обечайки. Благодаря наличию уплотнений 4 утечки среды из сосуда не происходит. При всех давлениях, не создающих нагрузок, разрушающих пучок 5, осевые усилия на обечайку не передаются.

В случаях, когда днища имеют выпуклую форму, пучки, связывающие между собой днища, могут накладываться на днища снаружи. Фиг.2 поясняет эту возможность. Пучки выполняются в виде замкнутых мотков 6. Каждый из мотков расположен в плоскости, параллельной оси сосуда, и охватывает оба днища 2 и 3. Поскольку дуга мотка, охватывающая днище, не является геодезической линией, для предотвращения бокового соскальзывания пучка на поверхности днища выполнены канавки 7 или выступы 8 с канавками, в которые уложены охватывающие днище части мотков 6. Такое решение упрощает сборку сосуда. Кроме того, при таком решении днище опирается на дуги мотков, приближенные к центру днища, что повышает прочность днища.

На фиг. 4 показано применение манжеты в качестве уплотнения подвижного соединения днища с обечайкой. Манжета 9, выполненная из эластомера, например резины, имеет вид отрезка трубы, близкой по диаметру к диаметру сопряжения обечайки с подвижным днищем. Один край манжеты прижимается к поверхности обечайки 1, другой край - прижат к подвижному днищу 3. Сопряжение обечайки и днища перекрыто манжетой и не допускает утечки среды из сосуда. Перемещение днища 3 не превышает упругого растяжения пучков под нагрузкой. Это растяжение в несколько раз меньше допустимого растяжения манжеты из эластомера. Таким образом, манжета сохраняет свою целостность и не допускает утечек среды из сосуда по сопряжению между обечайкой и подвижным днищем.

Формула изобретения

1. Сосуд давления, упрочненный обмоткой, состоящий из цилиндрической обечайки, имеющей цилиндрический прочный и герметичный лейнер и упрочняющую обечайку цилиндрическую обмотку из прочного на разрыв нитевидного материала, и двух днищ, на которых могут иметься присоединительные устройства и арматура, отличающийся тем, что, по крайней мере, одно из днищ выполнено подвижным вдоль оси сосуда и снабжено подвижным уплотнением в месте сопряжения с обечайкой, причем оба днища связаны между собой одним или несколькими пучками нитевидного материала, которые закреплены на днищах любым известным способом.

2. Сосуд по п. 1, отличающийся тем, что имеет днища выпуклой формы, а пучки нитевидного материала, связывающие днища между собой, имеют вид замкнутых мотков, расположенных в плоскости, параллельной оси сосуда, которые охватывают днища, а на наружной поверхности днищ имеются канавки или выступы с канавками, в которые уложены прилегающие к днищам части мотков.

3. Сосуд по п. 1 или 2, отличающийся тем, что уплотнение сопряжения подвижного днища и обечайки выполнено в виде манжеты из эластомера, имеющей форму отрезка трубы, один край которого герметично по всему ободку прижат к обечайке, а другой край также прижат к подвижному днищу.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5