Металлокомпозитный баллон для газообразного водорода высокого давления (варианты)

 

Металлокомпозитный баллон для газообразного водорода высокого давления (варианты) относится к общему машиностроению, а именно к производству металлокомпозитных баллонов для газообразного водорода высокого давления, предназначенных для стендовых установок и транспортных средств на альтернативном топливе. Группа полезных моделей состоит из двух устройств, отличие которых заключается в количестве горловин, выполненных на днищах лейнера (1): по первому варианту на каждом днище (3, 5) лейнера (1) выполнена соответственно горловина (4, 6), по второму варианта на одном днище (5) выполнена горловина (6), второе днище (3) выполнено глухим. Металлокомпозитный баллон (вариант 1, 2; фиг.1, 2) состоит из лейнера (1) и внешней силовой композиционной оболочки (2). Лейнер (1) выполнен бесшовным из термически упрочненного на состояние Т1 алюминиевого сплава, содержащего в своем составе компоненты при следующем соотношении (% масс.): кремний - 0,4-0,8; медь - 0,15-0,4; магний - 0,8-1,2; хром - 0,15-0,35; примеси (железо, марганец, цинк, титан) - 0,90-1,1; алюминий - остальное. Композиционная оболочка (2) выполнена из жгутов в виде не менее двух кольцевых слоев (8) для усиления баллона в кольцевом направлении и не менее двух спиральных слоев (9) для усиления баллона в осевом направлении. Слои (8, 9) выполнены в виде нитей (10). На слоях (8, 9) расположена киперная лента (11) для сохранения жидкого эпоксидного связующего. Нити (10) выполнены или из стекловолокна, или из углеволокна, или из органоволокна. 2 н.п. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Полезная модель относится к общему машиностроению, а именно к производству металлокомпозитных баллонов для газообразного водорода высокого давления, предназначенных для стендовых установок и транспортных средств на альтернативном топливе.

Известен сосуд давления, имеющий сферическую форму и состоящий из алюминиевого лайнера с двумя толстостенными горловинами для размещения арматуры или заглушек (см. патент РФ 2175088 на изобретение (вариант 2), МПК 7 F16J 12/00, F17C 1/06, B29D 22/00, 20.10.2001 г.).

Известный сосуд давления не обеспечивает высокую надежность и безопасность при заполнении газообразным водородом высокого давления.

Известен композитный баллон высокого давления, содержащий внешнюю силовую оболочку из композиционного материала и внутренний тонкостенный герметизирующий лайнер, выполненный бесшовным из алюминиевого сплава (см. патент РФ 46834 на полезную модель, МПК 7 F17C 1/00, F17C 1/06, 07.03.2005 г.).

Известный композитный баллон высокого давления не обеспечивает высокую надежность и безопасность при заполнении газообразным водородом высокого давления.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели (вариант 1) по совокупности существенных признаков является сосуд давления, имеющий сферическую форму и состоящий из алюминиевого лайнера с двумя толстостенными горловинами для размещения арматуры или заглушек глушек (см. US 2009/0200319 A1 (описание изобретения с фиг.1), МПК 7 F17C 1/06, 13.08.2009 г.).

Данный композитный баллон высокого давления не обеспечивает необходимый уровень безопасности из-за недостаточной прочности лейнера, обусловленной применением в конструкции лейнера сварных соединений.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели (вариант 2) по совокупности существенных признаков является сосуд давления, имеющий сферическую форму и состоящий из алюминиевого лайнера с двумя толстостенными горловинами для размещения арматуры или заглушек (см. US 2009/0200319 A1 (описание изобретения с фиг.2), МПК 7 F17C 1/06, 13.08.2009 г.).

Данный композитный баллон высокого давления не обеспечивает необходимый уровень безопасности из-за недостаточной прочности лейнера, обусловленной применением в конструкции лейнера сварных соединений.

Задачей предлагаемой группы полезных моделей является создание металлокомпозитного баллона для газообразного водорода высокого давления с повышенным уровнем безопасности.

Техническим результатом при использовании предлагаемой группы полезных моделей является повышение надежности и безопасности металлокомпозитного баллона для газообразного водорода высокого давления.

Указанный технический результат достигается тем, что в металлокомпозитном баллоне для газообразного водорода высокого давления, согласно варианту 1, содержащем внешнюю силовую композитную оболочку, состоящую из нескольких слоев, и лейнер, включающий два днища с горловинами и среднюю цилиндрическую часть, выполнен бесшовным из термически упрочненного на состояние Т1 алюминиевого сплава, содержащего в своем составе компоненты при следующем соотношении (% масс.):

кремний0,4-0,8
медь 0,15-0,4
магний0,8-1,2
хром 0,15-0,35
примеси (железо, марганец, цинк, титан) 0,90-1,1
алюминий остальное,

при этом внешняя силовая композитная оболочка выполнена из жгутов в виде не менее двух кольцевых слоев для усиления баллона в кольцевом направлении и не менее двух спиральных слоев для усиления баллона в осевом направлении.

Кроме того, что слои выполнены в виде нитей или из стекловолокна, или из углеволокна, или из органоволокна; металлокомпозитный баллон снабжен внешним защитным покрытием, закрепленным на внешней силовой композитной оболочке, и выполненным или в виде оболочки из стеклопластика, или в виде сплошного покрытия с антикоррозионными, противоударными свойствами.

Указанный технический результат достигается тем, что в металлокомпозитном баллоне для газообразного водорода высокого давления, согласно варианту 2, содержащем внешнюю силовую композитную оболочку, состоящую из нескольких слоев, и лейнер, включающий днище с горловиной, глухое днище и среднюю цилиндрическую часть, выполнен бесшовным из термически упрочненного на состояние Т1 алюминиевого сплава, содержащего в своем составе компоненты при следующем соотношении (% масс.):

кремний0,4-0,8
медь 0,15-0,4
магний0,8-1,2
хром 0,15-0,35
примеси (железо, марганец, цинк, титан) 0,90-1,1
алюминийостальное,

при этом внешняя силовая композитная оболочка выполнена из жгутов в виде не менее двух кольцевых слоев для усиления баллона в кольцевом направлении и не менее двух спиральных слоев для усиления баллона в осевом направлении.

Кроме того, что слои выполнены в виде нитей или из стекловолокна, или из углеволокна, или из органоволокна; металлокомпозитный баллон снабжен внешним защитным покрытием, закрепленным на внешней силовой композитной оболочке, и выполненным или в виде оболочки из стеклопластика, или в виде сплошного покрытия с антикоррозионными, противоударными свойствами.

Сущность полезной модели поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен металлокомпозитный баллон для газообразного водорода высокого давления, общий вид, вариант 1;

На фиг.2 изображен металлокомпозитный баллон для газообразного водорода высокого давления, общий вид, вариант 2.

Металлокомпозитный баллон для газообразного водорода высокого давления (вариант 1, фиг.1) состоит из лейнера 1 и внешней силовой композиционной оболочки 2. Лейнер 1 имеет днище 3 с горловиной 4 для установки системы сброса газа при повышении давления, днище 5 с горловиной 6 для установки штуцера для установки запорной арматуры (на чертеже не показано) и среднюю цилиндрическую часть 7. Лейнер 1 выполнен бесшовным из термически упрочненного на состояние Т1 алюминиевого сплава, содержащего в своем составе компоненты при следующем соотношении (% масс.): кремний - 0,4-0,8; медь - 0,15-0,4; магний - 0,8-1,2; хром - 0,15-0,35; примеси (железо, марганец, цинк, титан) - 0,90-1,1; алюминий - остальное.

Композиционная оболочка 2 выполнена из жгутов в виде не менее двух кольцевых слоев 8 для усиления баллона в кольцевом направлении и не менее двух спиральных слоев 9 для усиления баллона в осевом направлении. Слои 8, 9 выполнены в виде нитей 10. На слоях 8, 9 расположена киперная лента 11 для сохранения жидкого эпоксидного связующего. Нити 10 выполнены или из стекловолокна, или из углеволокна, или из органоволокна.

Другое процентное соотношение масс компонентов в алюминиевом сплаве не позволяет получить металлокомпозитный баллон для газообразного водорода высокого давления с требуемыми свойствами.

Металлокомпозитный баллон для газообразного водорода высокого давления (вариант 2, фиг.2) состоит из лейнера 1 и внешней силовой композиционной оболочки 2. Лейнер 1 имеет глухое днище 3, днище 5 с горловиной 6 для установки штуцера для навинчивания запорной арматуры (на чертеже не показано) и среднюю цилиндрическую часть 7. Лейнер 1 выполнен бесшовным из термически упрочненного на состояние Т1 алюминиевого сплава, содержащего в своем составе компоненты при следующем соотношении (% масс.): кремний - 0,4-0,8; медь - 0,15-0,4; магний - 0,8-1,2; хром - 0,15-0,35; примеси (железо, марганец, цинк, титан) - 0,90-1,1; алюминий - остальное.

Композиционная оболочка 2 выполнена из жгутов в виде не менее двух кольцевых слоев 8 для усиления баллона в кольцевом направлении и не менее двух спиральных слоев 9 для усиления баллона в осевом направлении. Слои 8, 9 выполнены в виде нитей 10. На слоях 8, 9 расположена киперная лента 11 для сохранения жидкого эпоксидного связующего. Нити 10 выполнены или из стекловолокна, или из углеволокна, или из органоволокна.

Другое процентное соотношение масс компонентов в алюминиевом сплаве не позволяет получить металлокомпозитный баллон для газообразного водорода высокого давления с требуемыми свойствами.

Используемый в полезной модели (варианты 1, 2) алюминиевый сплав из-за его прочности, не чувствительности к газообразному водороду высокого давления и весовых особенностей делает его предпочтительным для изготовления бесшовных лейнеров при производстве металлокомпозитных баллонов для газообразного водорода высокого давления, необходимых для стендовых установок и транспортных средств на альтернативном топливе.

Металлокомпозитный баллон для газообразного водорода высокого давления соответствует современным требованиям Ростехнадзора и «Правилам устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» ПБ-03-576-03. Изготовлена партия баллонов, баллоны прошли прочностные, циклические испытания и испытания на герметичность.

Композитная оболочка 2 (варианты 1, 2), выполненная с использованием, например, углеволокна, позволила снизить массу баллонов в несколько раз, обеспечить устойчивость к воздействию агрессивных сред, пожаровзрывобезопасность и гарантировать безосколочность разрушения.

При необходимости Металлокомпозитный баллон (варианты 1, 2) изготавливают с защитным покрытием, закрепленным на внешней силовой композитной оболочке, и выполненным или в виде оболочки из стеклопластика, или в виде сплошного покрытия с антикоррозионными, противоударными свойствами.

Металлокомпозитный баллон для газообразного водорода высокого давления изготавливают следующим образом.

Лейнер 1 (вариант 1, 2) устанавливают и закрепляют в патроне намоточного станка с ЧПУ и наматывают кольцевые слои 8 для усиления баллона кольцевом направлении и спиральные слои 9 для усиления баллона в осевом направлении, слои 8, 9 чередуют между собой. Соотношение слоев 8, 9 определяют при проектировании с учетом конструктивных и эксплутационных требований предъявляемых к баллону. Выбор применяемых нитей 10 определяют исходя из требований, предъявляемых к баллону.

После намотки заготовку металлокомпозитного баллона помещают в полимеризационную камеру с последующим ступенчатым повышением температуры не менее 100°С и выдержкой в течение 6 часов для полимеризации эпоксидного связующего.

Металлокомпозитный баллон для газообразного водорода высокого давления работает следующим образом.

Газообразный водород высокого давления, хранящийся в баллоне под давлением, действует на стенки лейнера 1, т.к. лейнер 1 выполнен бесшовным, снижаются количество и типы концентраторов напряжения, способствующих появлению трещин в материале лейнера 1, которые могут возникнуть в процессе циклических нагрузок и привести к разгерметизации.

1. Металлокомпозитный баллон для газообразного водорода высокого давления, содержащий внешнюю силовую композитную оболочку, состоящую из нескольких слоев, и лейнер, включающий два днища с горловинами и среднюю цилиндрическую часть, отличающийся тем, что лейнер выполнен бесшовным из термически упрочненного на состояние Т1 алюминиевого сплава, содержащего в своем составе компоненты при следующем соотношении, мас.%:

кремний0,4-0,8
медь 0,15-0,4
магний0,8-1,2
хром 0,15-0,35
примеси (железо, марганец, цинк, титан) 0,90-1,1
алюминийостальное,

при этом внешняя силовая композитная оболочка выполнена из жгутов в виде не менее двух кольцевых слоев для усиления баллона в кольцевом направлении и не менее двух спиральных слоев для усиления баллона в осевом направлении.

2. Металлокомпозитный баллон по п.1, отличающийся тем, что слои выполнены в виде нитей или из стекловолокна, или из углеволокна, или из органоволокна.

3. Металлокомпозитный баллон по п.1, отличающийся тем, что он снабжен внешним защитным покрытием, закрепленным на внешней силовой композитной оболочке и выполненным или в виде оболочки из стеклопластика, или в виде сплошного покрытия с антикоррозионными противоударными свойствами.

4. Металлокомпозитный баллон для газообразного водорода высокого давления, содержащий внешнюю силовую композитную оболочку, состоящую из нескольких слоев, и лейнер, включающий днище с горловиной, глухое днище и среднюю цилиндрическую часть, отличающийся тем, что лейнер выполнен бесшовным из термически упрочненного на состояние Т1 алюминиевого сплава, содержащего в своем составе компоненты при следующем соотношении, мас.%:

кремний0,4-0,8
медь 0,15-0,4
магний0,8-1,2
хром 0,15-0,35
примеси (железо, марганец, цинк, титан) 0,90-1,1
алюминийостальное,

при этом внешняя силовая композитная оболочка выполнена из жгутов в виде не менее двух кольцевых слоев для усиления баллона в кольцевом направлении и не менее двух спиральных слоев для усиления баллона в осевом направлении.

5. Металлокомпозитный баллон по п.4, отличающийся тем, что слои выполнены в виде нитей или из стекловолокна, или из углеволокна, или из органоволокна.

6. Металлокомпозитный баллон по п.4, отличающийся тем, он снабжен внешним защитным покрытием, закрепленным на внешней силовой композитной оболочке и выполненным или в виде оболочки из стеклопластика, или в виде сплошного покрытия с антикоррозионными противоударными свойствами.



 

Наверх