Армированная оболочка для высокого давления из слоистого композиционного материала (варианты)

Армированная оболочка для высокого давления из слоистого композиционного материала (варианты)

Реферат

 

Оболочка предназначена для сосудов высокого давления из слоистого композиционного материала. Оболочка содержит силовой каркас с цилиндрическим участком, торцевыми днищами и фланцами в их полюсных отверстиях, образованный комбинацией групп слоев спиральных и кольцевых лент, ориентированных в спиральных и окружном направлениях с соответственно расположенными в них однонаправленными высокомодульными нитями, скрепленными полимерным связующим, облицованный внутренним защитным покрытием, при этом силовой каркас по центральным зонам днищ образован с сочетанием по меньшей мере двух групп слоев спиральных лент, суженных в направлении к полюсным отверстиям, с постоянным радиусом полюсного отверстия у основания фланцев с увеличением их ширины в 1,1-2,1 раза в последующих слоях каждой из групп, и выполнен из высокомодульных нитей линейной плотностью 29-100 текс на основе арамидных волокон и эпоксисодержащего связующего. Технический результат - повышение надежности и упрощение конструкции. 2 с. и 2 з.п.ф-лы., 5 ил.

Изобретение относится к оболочкам из композиционных материалов, в частности к армированным оболочкам для высокого давления, используемым в качестве несущих корпусных деталей, находящихся в условиях кратковременного воздействия избыточного внутреннего давления.

К армированным оболочкам из композиционных материалов предъявляются повышенные требования по прочности, надежности и эффективности использования в условиях воздействия избыточного давления газового потока в составе двигателя, без разрушения составляющих их элементов и деталей.

Известна армированная оболочка для высокого давления из слоистого композиционного материала, содержащая силовой каркас с цилиндрическим участком, торцевыми днищами и фланцами в их полюсных отверстиях, образованный комбинацией групп слоями спиральных и кольцевых лет, ориентированными в спиральных и окружных направлениях с соответственно расположенными в них однонаправленными высокомодульными нитями, скрепленными полимерным связующим, облицованный внутренним защитным покрытием (патент EПB 0191655 В1, В 29 С 53/66, F 17 C/16, 1989).

В данной армированной оболочке для снижения концентрации напряжений в зонах полюсных отверстий днищ спиральные ленты сформированы группами ступенчато за счет изменения угла наклона спиральных лент.

Однако такой конструкции недоступна плотная укладка спиральных лент вокруг соответствующего полюсного отверстия, образующиеся полости у нахлестов лент даже с учетом выдавленного в них при опрессовке избытка связующего остаются неоднородными, структура материала обладает некоторой пористостью и рыхлостью, что снижает качество изделий, их прочность и надежность.

Аналогичные недостатки присущи армированной оболочке по патенту США 3083864, кл. 220-3, 1963г.

Попытки снизить концентрацию напряжений в зонах полюсных отверстий (патент США 4053081, кл. 220-3, 1977г.) введением сформированных сетчатых армированных элементов приведет к изменению заданного профиля днищ и нарушению ориентации последующих слоев из спиральных лент, усложняет формообразование каркаса, увеличивает массу, трудоемкость и расход материалов.

Наиболее близким аналогом технического решения является армированная оболочка по патенту ЕПВ 0191655 В1, выбранная в качестве прототипа.

Основной задачей является создание армированной оболочки из слоистого композиционного материала повышенного качества, в которой были бы устранены вышеуказанные недостатки, оболочка обладала бы повышенной прочностью.

Техническим результатом от использования изобретения является достижение весового совершенства и повышение эксплуатационной надежности.

Основная задача решена и технический результат достигнут за счет изменения конструкции каркаса армированной оболочки введением сужений в спиральных лентах по направлению к полюсным отверстиям в первом варианте или выполнения каркаса из сочетания со спиральными лентами с увеличивающейся шириной в другом параллельном варианте, а также выполнения его из арамидных нитей.

Для этого в армированной оболочке для высокого давления из слоистого композиционного материала, содержащей силовой каркас с цилиндрическим участком, торцевыми днищами и фланцами в их полюсных отверстиях, образованных комбинацией групп слоев спиральных и кольцевых лент, ориентированных в спиральных и окружном направлениях с соответственно расположенными в них однонаправленными высокомодульными нитями, скрепленными полимерным связующим, облицованной внутренним защитным покрытием, ее силовой каркас по центральным зонам днищ образован с сочетанием по меньшей мере двух групп слоев спиральных лент, суженных в направлении к полюсным отверстиям с увеличением их ширины в 1,1-2,1 раза в последующих слоях каждой из групп с постоянным радиусом полюсного отверстия у основания фланцев, и выполнен из высокомодульных нитей линейной плотностью 29-100 текс. На основе арамидных волокон и эпоксидосодержащего связующего силовой каркас оболочки может быть сформирован из групп слоев с неравным количеством нитей в слоях спиральных лент.

В другом варианте силовой каркас армированной оболочки может быть образован с сочетанием по меньшей мере двух групп слоев спиральных лент с увеличением их ширины в 1,1-2,1 раза в последующих слоях каждой из групп с постоянным радиусом полюсного отверстия у основания фланцев и выполнен из высокомодульных нитей линейной плотностью 29-100 текс на основе арамидных волокон и эпоксисодержащего связующею. При этом силовой каркас может быть сформирован из групп слоев с равным количеством нитей в слоях спиральных лент.

Отличительными особенностями армированной оболочки для высокого давления из слоистого композиционного материала являются следующие признаки: - образование силового каркаса по центральным зонам днищ с сочетанием по меньшей мере двух групп слоев спиральных лент, суженных в направлении к полюсным отверстиям; - постоянный радиус полюсного отверстия групп слоев у основания фланцев; - увеличение ширины спиральных лент в последующих слоях каждой из групп в 1,1-2,1 раза; - формирование силового каркаса из групп слоев с неравным количеством нитей в слоях спиральных лент.

Или: - образование силового каркаса с сочетанием по меньшей мере двух групп слоев спиральных лент с увеличением их ширины в 1,1-2,1 раза в последующих слоях каждой из групп; - постоянный радиус полюсного отверстия групп слоев у основания фланцев; - формирование силового каркаса из групп слоев с разным количеством нитей в слоях спиральных лент.

Общими отличительными особенностями вариантов армированной оболочки является выполнение ее каркаса из высокомодульных нитей линейной плотностью 29-100 текс на основе арамидных волокон и эпоксисодержащего связующего. Указанные отличительные признаки являются существенными, поскольку каждый из них в отдельности и совместно направлен на решение поставленной задачи и достижение нового технического результата двумя вариантами выполнения силового каркаса оболочки. В первом варианте спиральные ленты в центральных зонах днищ сужены в направлении к полюсным отверстиям с увеличением их ширины в последующих слоях, в другом варианте спиральные ленты выполнены переменной шириной, увеличивающейся в слоях групп. Причем в обоих вариантах группы слоев с увеличивающейся шириной спиральных лент сформированы с постоянным радиусом полюсного отверстия у основания фланцев и выполнены из высокомодульных нитей линейной плотностью 29-100 текс и эпоксисодержащего связующего. В первом варианте силовой каркас может быть сформирован с сочетанием групп слоев с неравным количеством нитей в слоях спиральных лент, в другом варианте - с равным их количеством. Эти существенные признаки позволяют повысить плотность материала в зонах полюсных фланцев, уменьшить деформативность днищ, обеспечить весовое совершенство оболочек и повысить их эксплуатационную надежность.

Отличительные существенные признаки являются новыми, так как их использование в известном уровне техники, аналогах и прототипе не обнаружено, что позволяет характеризовать армированную оболочку для высокого давления в вариантах выполнения ее силового каркаса соответствием критерию "новизна".

Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными существенными признаками позволяет решить поставленную задачу и достичь нового технического результата в весовом совершенстве изделий с обеспечением их повышенной прочности и надежности, что характеризует предложенное техническое решение существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа. Новое техническое решение является результатом научно-исследовательской работы и творческого вклада без использования стандартизованных проектов или рекомендаций в данной области техники, является оригинальным, неочевидным для круга специалистов в данной области техники, соответствует в совокупности существенных признаков критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами с кратким их описанием.

На фиг. 1 представлен общий вид армированной оболочки для высокого давления из слоистого композиционного материала, на фиг.2 показано днище армированной оболочки с суженными спиральными лентами (первый вариант), на фиг. 3 показано днище армированной оболочки в меридиональном сечении (первый вариант), на фиг.4 показано днище армированной оболочки из спиральных лент с увеличивающейся их шириной в последующих слоях (второй вариант), на фиг.5 показано днище армированной оболочки в меридиональном сечении (второй вариант).

Более подробное описание сущности изобретения состоит в следующем.

Армированная оболочка для высокого давления из слоистого композиционного материала (фиг.1) содержит силовой каркас 1 с цилиндрическим участком 2, торцевыми днищами 3, 4 и фланцами 5, 6 в их полюсных отверстиях 7, 8, образованный комбинацией групп 9, 10 и 11 слоев 12, 13, 14 спиральных и кольцевых лент 15, 16, ориентированных в спиральных и окружном направлениях с соответственно расположенными в них однонаправленными высокомодульными нитями 17, 18, скрепленными полимерным связующим, облицованный внутренним защитным покрытием 19.

Силовой каркас 1 армированной оболочки по центральным зонам днищ 3, 4 (фиг. 2, фиг.3 - первый вариант) образован с сочетанием по меньшей мере двух групп 9, 10 слоев 12, 13 спиральных лент 15, суженных в направлении к полюсным отверстиям 7, 8 с постоянным радиусом у основания 20 фланцев 5, 6 с увеличением их ширины в 1,1-2,1 раза в последующих слоях 13 каждой из групп 9, 10, и выполнен из высокомодульных нитей 17, 18 линейной плотностью 29-100 текс на основе арамидных волокон и эпоксисодержащего связующего.

Силовой каркас 1 армированной оболочки первого варианта может быть выполнен формированием групп 9, 10 слоев 12, 13 с неравным количеством нитей 17 в слоях 12, 13 спиральных лент 15.

Силовой каркас 1 армированной оболочки (фиг.4, фиг.5 - второй вариант) образован с сочетанием по меньшей мере двух групп 9, 10 слоев 12, 13 спиральных лент 15 с увеличением их ширины в 1,1-2,1 раза в последующих слоях 13 каждой из групп 9, 10 с постоянным радиусом полюсного отверстия 7, 8 у основания 20 фланцев 5, 6 без сужения к полюсным отверстиям и выполнен из высокомодульных нитей 17, 18 линейной плотностью 29-100 текс на основе арамидных волокон и эпоксисодержащего связующего. Силовой каркас 1 армированной оболочки второго варианта может быть выполнен формированием групп 9, 10 слоев 12, 13 с равным количеством нитей 17 в слоях 12, 13 спиральных лент 15.

Армированная оболочка для высокого давления из слоистого композиционного материала (фиг. 1 - фиг.5) может быть изготовлена способом намотки на извлекаемую оправку (не показано) с последующим отверждением полимерного связующего.

Функционирование армированной оболочки для высокого давления из слоистого композиционного материала на основе арамидных волокон и эпоксисодержащего связующего заключается в нахождении его в напряженно-деформированном состоянии в пределах упругих свойств композиционного материала, из которого изготовлен ее силовой каркас 1, с учетом обеспечения высокой надежности и безопасности без разрушения днищ 3, 4 в зонах фланцев 5, 6 за счет повышенной жесткости и прочности армирования предложенных структур и усилений материала. Испытания армированных оболочек, изготовленных с использованием нового технического решения, показали положительные результаты. Реализация предложенного технического решения позволяет достичь весового совершенства изделий с обеспечением повышенной прочности и надежности.

Таким образом, новое техническое решение воспроизводимо в условиях производства, обеспечивает решение поставленной задачи и достижение нового технического результата в предложенной совокупности признаков соответствует и критерию "промышленная применимость", то есть уровню изобретения.

Следует отметить, что могут быть различные комбинации выполнения армированной оболочки для высокого давления из слоистого композиционного материала в отношении формы, размеров и расположения отдельных элементов. Предложенная форма выполнения представляет собой только возможные предпочтительные варианты ее осуществления, могут быть различные комбинации, если все это не выходит за пределы существующих признаков, изложенных в пунктах формулы.

Предложенное техническое решение не ограничивается его использованием в армированных оболочках, как для высокого давления, оно может быть использовано для реализации обнаруженных и других свойств, описанных в материалах заявки, для получения емкостей, работающих под избыточным давлением.

Формула изобретения

1. Армированная оболочка для высокого давления из слоистого композиционного материала, содержащая силовой каркас с цилиндрическим участком, торцевыми днищами и фланцами в их полюсных отверстиях, образованный комбинацией групп слоев спиральных и кольцевых лент, ориентированных в спиральных и окружном направлениях с соответственно расположенными в них однонаправленными высокомодульными нитями, скрепленными полимерным связующим, облицованный внутренним защитным покрытием, отличающаяся тем, что ее силовой каркас по центральным зонам днищ образован с сочетанием по меньшей мере двух групп слоев спиральных лент, суженных в направлении к полюсным отверстиям, с постоянным радиусом полюсного отверстия у основания фланцев с увеличением их ширины в 1,1-2,1 раза в последующих слоях каждой из групп, и выполнен из высокомодульных нитей линейной плотностью 29-100 текс на основе арамидных волокон и эпоксисодержащего связующего.

2. Оболочка по п. 1, отличающаяся тем, что силовой каркас сформирован из групп слоев с неравным количеством нитей в слоях спиральных лент.

3. Армированная оболочка для высокого давления из слоистого композиционного материала, содержащая силовой каркас с цилиндрическим участком, торцевыми днищами и фланцами в их полюсных отверстиях, образованный комбинацией групп спиральных и кольцевых лент, ориентированных в спиральных и окружном направлениях с соответственно расположенными в них однонаправленными высокомодульными нитями, скрепленными полимерным связующим, облицованный внутренним защитным покрытием, отличающаяся тем, что ее силовой каркас образован с сочетанием слоев спиральных лент с увеличением их ширины в 1,1-2,1 раза в последующих слоях каждой из групп с постоянным радиусом полюсного отверстия у основания фланцев и выполнен из высокомодульных нитей линейной плотностью 29-100 текс на основе арамидных волокон и эпоксисодержащего связующего.

4. Оболочка по п. 3, отличающаяся тем, что силовой каркас сформирован из групп слоев с равным количеством нитей в слоях спиральных лент.

РИСУНКИ

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