RU2302582C1

RU2302582C1 - High-pressure gas vessel

Info

Publication number: RU2302582C1
Application number: RU2006106430/06A
Authority: RU
Inventors: Юрий Апполинарьевич Караник (RU); Юрий Апполинарьевич Караник; Константин Николаевич Колмаков (RU); Константин Николаевич Колмаков
Original assignee: Юрий Апполинарьевич Караник; Константин Николаевич Колмаков
Priority date: 2006-03-01
Filing date: 2006-03-01
Publication date: 2007-07-10

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: gas vessel comprises metallic shell reinforced from outside by means of a composite carbon plastic material. The metallic housing is provided with longitudinal ribs made on its inner side and transverse ribs made on its outer side.

EFFECT: reduced weight.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, может быть использовано при изготовлении баллонов высокого давления для хранения сжатого газа и может быть применено на автотранспорте, работающем на сжатом природном газе или водороде.The invention relates to the field of engineering, can be used in the manufacture of high-pressure cylinders for storage of compressed gas and can be used on vehicles operating on compressed natural gas or hydrogen.

Известен баллон для сжатого газа высокого давления, выполненный из стали (ГОСТ 949-57. Справочник. Трубы стальные, чугунные и баллоны. Изд. «Металлургия», М., 1966, стр.280). При низкой удельной стоимости литра объема ($1,8/л) удельный вес или отношение массы такой емкости к внутреннему объему составляет 2 кг/л. Так при 50 литрах газа вес такого баллона составляет 100 кг, что не позволяет использовать его в легковых автомобилях.Known cylinder for high pressure compressed gas made of steel (GOST 949-57. Reference. Steel, cast iron pipes and cylinders. Publishing house "Metallurgy", M., 1966, p. 280). At a low unit cost per liter of volume ($ 1.8 / l), the specific gravity or the ratio of the mass of such a capacity to the internal volume is 2 kg / l. So with 50 liters of gas, the weight of such a cylinder is 100 kg, which does not allow its use in cars.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является металлопластиковый газовый баллон высокого давления, выполненный из металлической оболочки, обмотанной полимерным композиционным материалом (патент RU №2002160, М. Кл. F17С 1/06. Заяв. 03.09.1991, опубл. 30.10.1993, Бюл. №39-40).The closest analogue adopted for the prototype is a metal-plastic high-pressure gas cylinder made of a metal shell wrapped in a polymer composite material (patent RU No. 20022160, M. Cl. F17C 1/06. Application. 09/03/1991, publ. 30.10.1993 Bull. No. 39-40).

Описываемый прототип содержит бесшовную стальную оболочку, упрочненную полимерным композиционным материалом, намотанным на ее цилиндрическую часть. При рабочем объеме такого баллона 56 л его масса составляет 25,5 кг.The described prototype contains a seamless steel shell reinforced with a polymer composite material wound around its cylindrical part. With a working volume of such a cylinder 56 l, its weight is 25.5 kg.

Техническим результатом изобретения является уменьшение веса баллона при сохранении рабочего объема и расширение области его применения, в том числе в автомобильном транспорте. Это достигается тем, что в газовом баллоне высокого давления, выполненном в виде металлической емкости, армированной снаружи композиционным стекло- или углепластиковым материалом, металлическая емкость снабжена ребрами, выполненными продольно на внутренней и поперечно на наружных поверхностях, и покрыта монолитным слоем электроплавленых окислов, дополнительно герметизирующих объем. Это позволяет за счет оптимизации геометрических размеров баллонов и материала металлической оболочки довести его удельный вес до 0,3-0,35 кг/л при обеспечении эксплутационных требований к изделию. Наиболее оптимальный материал емкости - легкие сплавы на основе алюминия или титана.The technical result of the invention is to reduce the weight of the container while maintaining the working volume and expanding the scope of its application, including in road transport. This is achieved by the fact that in a high-pressure gas cylinder made in the form of a metal container reinforced externally with composite glass or carbon fiber material, the metal container is equipped with ribs made longitudinally on the inside and transversely on the outer surfaces, and is covered with a monolithic layer of electrofused oxides, which additionally seal volume. This allows, by optimizing the geometric dimensions of the cylinders and the material of the metal shell, to bring its specific gravity to 0.3-0.35 kg / l while ensuring operational requirements for the product. The most optimal container material is light alloys based on aluminum or titanium.

Следующим отличием баллона является то, что он выполнен с приваренной головкой сферической формы или при изготовлении металлической емкости из деформированного металла путем сварки, в сварной шов введены модификаторы, повышающие механические свойства шва до уровня кованого. При этом головка имеет на боковой поверхности пазы, в которые входят продольные ребра корпуса до выхода в канавку для сварки. В процессе сварки неразъемно соединяется головка и торцевая часть сплошного цилиндра корпуса и ребер, а остающиеся зазоры между ними дополнительно заполняются электроплавленными окислами при микроплазменном оксидировании, образуя неразъемное соединение.The next difference between the cylinder is that it is made with a welded head of a spherical shape or in the manufacture of a metal container from a deformed metal by welding, modifiers are introduced into the weld, which increase the mechanical properties of the weld to the forged level. At the same time, the head has grooves on the lateral surface, which include the longitudinal ribs of the housing until it enters the weld groove. During welding, the head and the end part of the solid cylinder of the body and ribs are inseparably connected, and the remaining gaps between them are additionally filled with electrofused oxides during microplasma oxidation, forming an inextricable joint.

Это позволяет повысить надежность изделия, изготовленного из отдельных частей.This improves the reliability of the product made of individual parts.

Для снижения себестоимости изготовления металлическая оболочка может быть выполнена цельнолитой способом литья выжиманием с кристаллизацией под давлением (ЛВКД), обеспечивающим получение герметичных отливок с повышенными механическими свойствами металла на уровне поковок и проката. Следующее отличие баллона заключается в том, что он отлит в оснастке, выполненной из металла или графита. Это позволяет уменьшить насыщение металла отливки газами и измельчить зерно за счет ускорения процесса кристаллизации.To reduce the cost of manufacturing, the metal shell can be made using the cast molding by squeezing with crystallization under pressure (LVKD), which provides tight castings with improved mechanical properties of the metal at the level of forgings and rolled products. The next difference between the cylinder is that it is cast in a snap made of metal or graphite. This allows you to reduce the saturation of the metal casting gases and grind the grain by accelerating the crystallization process.

На фиг.1 представлен общий вид баллона, выполненного со сварной металлической емкостью из проката, на фиг.2 - сечение А-А общего вида, на фиг.3 - сечение Б-Б общего вида.Figure 1 presents a General view of the cylinder, made with a welded metal tank of rolled metal, figure 2 is a section aa of a General view, figure 3 is a section bb of a General view.

Газовый баллон состоит из металлической емкости, включающей цилиндрический корпус 1 с дном (при изготовлении из проката) и сферическую крышку 2, соединенные сварным швом 3 неразъемно. На внутренней поверхности корпуса 1 выполнены продольные ребра 4, а на наружной поверхности - поперечные ребра 5. Поверхность корпуса 1, крышки 2 и сварного шва 3 покрыты монолитным слоем 7 электроплавленных окислов. Цилиндрическая емкость 1 заключена неразъемно в композиционный углепластиковый корпус 6.A gas cylinder consists of a metal container, including a cylindrical body 1 with a bottom (in the manufacture of rolled products) and a spherical cap 2, connected by a weld 3 in one piece. On the inner surface of the casing 1, longitudinal ribs 4 are made, and on the outer surface, transverse ribs 5. The surface of the casing 1, the lid 2, and the weld 3 are coated with a monolithic layer 7 of electrofused oxides. The cylindrical container 1 is enclosed in one piece in a composite carbon fiber housing 6.

При изготовлении металлической емкости из сплава АК8 с пределом текучести σ₀₂>380 МПа, объемом на 50 нормальных литров для хранения сжатого газа метана принимаются следующие геометрические размеры:In the manufacture of a metal container from AK8 alloy with a yield strength of σ ₀₂ > 380 MPa, a volume of 50 normal liters for the storage of compressed methane gas, the following geometric dimensions are taken:

- внутренний диаметр - 300 мм,- inner diameter - 300 mm,

- толщина Стенки цилиндрической емкости -10 мм,- wall thickness of a cylindrical tank -10 mm,

- внутренние продольные ребра сечением 1 см² - 20 шт,- internal longitudinal ribs with a cross section of 1 cm ² - 20 pcs,

- наружные поперечные ребра выполнены высотой 1...2 мм с шагом 12...15 мм,- the outer transverse ribs are made 1 ... 2 mm high with a pitch of 12 ... 15 mm,

- средняя толщина слоя стеклопластика - 6...8 мм,- the average thickness of the fiberglass layer is 6 ... 8 mm,

- общая длина цилиндрической емкости - 700 мм,- the total length of the cylindrical container is 700 mm,

- удельный вес баллона не более 0,35 кг/л.- the specific gravity of the balloon is not more than 0.35 kg / l.

Работа баллона.The operation of the cylinder.

При заправке баллона сжатым газом до 200 атм толстостенное дно и крышка, рассчитанные на эти давления, не создают проблем.When filling a cylinder with compressed gas up to 200 atm, a thick-walled bottom and a cover designed for these pressures do not create problems.

Прочность тонкостенного цилиндра корпуса 1 при растягивающейся осевой нагрузке обеспечивается его продольными ребрами 4, а композиционный углепластиковый корпус 6, навитый на цилиндрическую часть, усиливает цилиндрический корпус 1 в радиальном направлении. Кроме того, углепластиковый корпус 6 также усиливает корпус 1 в продольном направлении посредством поперечных ребер 5. Герметичность баллона в зоне сварного шва 3 дополнительно обеспечивается монолитным электроплавленным слоем окислов 7, а в случае выполнения металлической емкости цельнолитой слой электроплавленных окислов 7 может применяться как дополнительное антикоррозийное и упрочняющее покрытие.The strength of the thin-walled cylinder of the housing 1 with a tensile axial load is provided by its longitudinal ribs 4, and the composite carbon-plastic housing 6, wound on the cylindrical part, reinforces the cylindrical housing 1 in the radial direction. In addition, the carbon-plastic housing 6 also strengthens the housing 1 in the longitudinal direction by means of transverse ribs 5. The tightness of the cylinder in the weld zone 3 is additionally ensured by a monolithic electrofused layer of oxides 7, and in the case of a metal container with a solid cast layer of electrofused oxides 7 can be used as an additional anti-corrosion hardening coating.

Использование изобретения позволяет снизить вес баллона и использовать его в легковом автотранспорте, в том числе заправленном газом метаном взамен дорогостоящего бензина, пропанобутановой смеси и дизельного топлива, что позволяет снизить издержки на эксплуатацию автомобильного транспорта.The use of the invention allows to reduce the weight of the cylinder and use it in passenger cars, including methane gas, instead of expensive gasoline, propane-butane mixture and diesel fuel, which reduces the cost of operating an automobile transport.

Claims

1. Gas cylinder of high pressure, made in the form of a metal tank, reinforced on the outside with a polymer composite material, characterized in that the metal tank is equipped with ribs made longitudinally on the inner and transverse on the outer surfaces.

2. The high-pressure gas cylinder according to claim 1, characterized in that the metal shell is sealed with a monolithic layer of electrofused oxides formed in the microplasma oxidation mode.

3. The gas cylinder according to claim 1, characterized in that in the manufacture of a metal container from a deformed metal by welding, a modifier is introduced into the weld that increases its mechanical properties at the level of forged metal.

4. The gas cylinder according to claim 1, characterized in that it is made by a one-piece method of squeezing with crystallization under pressure (LPKD) with increased mechanical properties of the metal at the level of forgings and rolled products.