Результат интеллектуальной деятельности: КОРПУС ДЛЯ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к корпусам для высокого давления из композиционных материалов, используемых, в частности, в двигательных установках, а также может быть использовано во всех конструкциях машиностроительной и химических отраслей, где используются корпусы для газовых и жидких сред.

Известна армированная труба-оболочка для высокого давления с поясами-шпангоутами, установленными на ней на податливых прослойках (патент RU 2113648 С1, МПК⁶ F16L 9/12, опубл. 20.06.1998).

Известен корпус для высокого давления из композиционных материалов, содержащий цилиндрическую оболочку с установленными на ней на податливых прослойках поясами-шпангоутами (патент RU 2176347 С1, МПК⁷ F16L 9/12, опубл. 27.11.2001).

Известен корпус РДТТ из композиционных материалов, в котором узлы стыка (шпангоуты) крепятся к пластиковой силовой оболочке через слой резины (Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе / Под общ. ред. чл.-корр. Российской академии наук, д-ра техн. наук, проф. Л.Н. Лаврова. - М.: Машиностроение, 1993. - 215 с., ил. стр.63).

Все известные конструкции обладают общим недостатком - пониженным уровнем допустимых действующих на пояс-шпангоут осевых сил, определяемых реализуемым уровнем сдвиговых деформаций в податливой прослойке при действии эксплуатационных нагрузок - внутреннего давления совместно с осевой силой.

Известная конструкция корпуса для высокого давления из композиционных материалов по патенту RU 2176347 С1 является наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому результату и выбрана в качестве ближайшего аналога (прототипа).

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение уровня допустимых осевых сил, действующих на пояса-шпангоуты при эксплуатации.

Функционально пояса-шпангоуты предназначены для восприятия и передачи осевых сил от ответных конструкций на силовую оболочку и наоборот - от оболочки, через пояса-шпангоуты к стыкуемым ответным конструкциям.

В известном соединении пояса-шпангоута с силовой оболочкой через податливую прослойку (слой резиноподобного материала) при действии осевых сил возникают сдвиговые деформации и, соответственно, касательные напряжения. Максимально возможный уровень этих характеристик, определяемый соответствующими предельными характеристиками используемого материала, определяет предельно возможную величину действующих осевых сил. Характер распределения сдвиговых характеристик по длине такого соединения при действии осевых сил - нелинейный с максимумами на границах, причем эти максимумы имеют одинаковый знак.

В рассматриваемых корпусах осевые силы на пояса-шпангоуты действуют, в самом нагруженном варианте, одновременно с действием внутреннего давления на силовую оболочку корпуса.

При действии внутреннего давления на силовую оболочку в эластичной прослойке также возникают сдвиговые деформации, которые вызваны тем, что оболочка деформируется в осевом направлении (растягивается), а пояс-шпангоут - нет, если не считать его осевую деформацию за счет возникающих в прослойке касательных напряжений, которая сравнительно мала. Характер распределения сдвиговых характеристик по длине рассматриваемого соединения при действии внутреннего давления нелинейный с максимумами на границах, но в этом случае максимумы имеют противоположные знаки.

При совместном действии осевой силы и внутреннего давления величина возникающих в податливой прослойке сдвиговых деформаций равна алгебраической сумме деформаций, действующих в каждом отдельном случае, и эта суммарная величина собственно и определяет несущую способность соединения.

Для корпусов из композиционных материалов и наиболее часто используемого сочетания нагрузок величины сдвиговых деформаций в обоих случаях примерно одинаковы, и получается, что соединение, предназначенное для восприятия осевых нагрузок, половину своей несущей способности теряет из-за того, что силовая оболочка имеет большие деформации - порядка 2-2,5%.

Снижение осевых деформаций силовой оболочки позволит снизить уровень сдвиговых деформаций, возникающих от действия внутреннего давления, и, соответственно, повысить долю возможных сдвиговых деформаций, возникающих от осевых сил, в общей величине допустимых деформаций.

Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в повышении уровня допустимых действующих на пояса-шпангоуты осевых сил за счет снижения осевых деформаций силовой оболочки в зоне расположения пояса-шпангоута.

Техническая задача решается, а технический результат достигается тем, что в корпусе для высокого давления из композиционных материалов, содержащем силовую оболочку с цилиндрической частью и выпуклыми днищами, выполненную из спиральных и кольцевых слоев однонаправленного армирующего материала, скрепленных полимерным связующим, с фланцами, расположенными в полюсных отверстиях днищ, облицованную изнутри защитным покрытием, и с расположенными на ней на податливых прослойках поясами-шпангоутами, согласно изобретению силовая оболочка содержит, по меньшей мере, один дополнительный локальный слой, расположенный на ее цилиндрической части в месте нахождения пояса-шпангоута и содержащий однонаправленный армирующий материал на основе высокомодульных нитей, расположенных так, что осевая составляющая от их продольной жесткости находится в диапазоне от 0,9 до 1,0, причем в частных случаях выполнения изобретения локальные слои распределены между слоями силовой оболочки, локальные слои выполнены с разной осевой длиной и расположены по толщине силовой оболочки с убыванием от внутреннего к наружному, локальный слой расположен симметрично относительно центрального сечения пояса-шпангоута, локальный слой выполнен осевой длиной в пределах от 1,0 до 1,2 от осевой длины пояса-шпангоута, в качестве высокомодульных нитей использованы углеродные нити или стеклонити, высокомодульные нити представляют собой расположенные по образующей оболочки уточные нити тканого материала, высокомодульные нити расположены в виде, по меньшей мере, одной непрерывной плоской спирали, охватывающей расположенные в кольцевом направлении нити локального слоя, высокомодульные нити расположены в виде, по меньшей мере, одной непрерывной плоской спирали, охватывающей часть нитей кольцевого слоя силовой оболочки, высокомодульные нити расположены попарно симметрично относительно образующей оболочки в пределах угла от минус 25° до плюс 25°, локальный слой выполнен на основе расположенных по образующей отрезков однонаправленных нитей, предварительно скрепленных между собой, например пленочным клеем, или связующим, или прошивным материалом, или иным способом, в качестве высокомодульных нитей локального слоя используются нити силовой оболочки.

Отличительными от прототипа признаками заявленного корпуса для высокого давления являются следующие:

а) признаки, обеспечивающие получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны:

- силовая оболочка содержит, по меньшей мере, один дополнительный локальный слой,

- расположенный на ее цилиндрической части в месте нахождения пояса-шпангоута,

- и содержащий однонаправленный армирующий материал на основе высокомодульных нитей,

- расположенных так, что осевая составляющая от их продольной жесткости находится в диапазоне от 0,9 до 1,0.

б) признаки, характеризующие изобретение в частных случаях:

- локальные слои распределены между слоями силовой оболочки,

- локальные слои выполнены с разной осевой длиной и расположены по толщине силовой оболочки с убыванием от внутреннего к наружному,

- локальный слой расположен симметрично относительно центрального сечения пояса-шпангоута,

- локальный слой выполнен осевой длиной в пределах от 1,0 до 1,2 от осевой длины пояса-шпангоута,

- в качестве высокомодульных нитей использованы углеродные нити или стеклонити,

- высокомодульные нити представляют собой расположенные по образующей оболочки уточные нити тканого материала,

- высокомодульные нити расположены в виде, по меньшей мере, одной непрерывной плоской спирали, охватывающей расположенные в кольцевом направлении нити локального слоя,

- высокомодульные нити расположены в виде, по меньшей мере, одной непрерывной плоской спирали, охватывающей часть нитей кольцевого слоя силовой оболочки,

- высокомодульные нити расположены попарно симметрично относительно образующей оболочки в пределах угла от минус 25° до плюс 25°,

- локальный слой выполнен на основе расположенных по образующей отрезков однонаправленных нитей, предварительно скрепленных между собой, например пленочным клеем, или связующим, или прошивным материалом, или иным способом,

- в качестве высокомодульных нитей локального слоя используются нити силовой оболочки.

Указанные отличительные признаки, каждый в отдельности и все вместе, направлены на достижение заявленного результата и являются существенными. В предшествующем уровне техники представленная в формуле изобретения совокупность известных и отличительных признаков не известна, и, следовательно, изобретение соответствует критерию «новизна».

Корпус для высокого давления, в отличие от корпуса по прототипу, работоспособен при более широком диапазоне действующих осевых нагрузок за счет снижения осевых деформаций силовой оболочки при действии внутреннего давления и, соответственно, увеличения диапазона допустимых сдвиговых деформаций в податливой прослойке от действия осевых сил.

Возможность улучшения эксплуатационных характеристик заявляемого корпуса дополняется частными случаями исполнения, которые позволяют использовать наиболее эффективный вариант технологического процесса и используемого материала в каждом конкретном случае для достижения максимальных массовой и экономической эффективностей с высокой эксплуатационной надежностью.

Изобретение поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего его, примера реализации и прилагаемыми чертежами.

На фиг.1 представлен заявленный корпус для высокого давления из композиционных материалов, на фиг.2, 3 - вид сечения силовой оболочки в зоне расположения дополнительных локальных слоев при вариантах расположения пояса-шпангоута на границе цилиндрической части силовой оболочки и внутри границ.

Корпус для высокого давления из композиционных материалов содержит силовую оболочку 1 с цилиндрической частью 2, выпуклыми днищами 3 и 4, с фланцами 5 и 6, расположенными в полюсных отверстиях днищ 3 и 4, облицованную изнутри защитным покрытием 7, и с расположенными на ней на податливых прослойках 10 поясами-шпангоутами 8 и 9, дополнительные локальные слои 11, расположенные на цилиндрической части силовой оболочки.

Экспериментальная проверка подтвердила повышенную несущую способность соединения силовой оболочки с поясом-шпангоутом при действии осевых сил совместно с внутренним давлением и надежность предложенной конструкции.