DE69206114T2 - Pole piece for a fiber-wound pressure vessel. - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine wulstartige Anschlußvorrichtung für einen Druckbehälter.The present invention relates to a bead-like connection device for a pressure vessel.
Die Eigenschaften der Leichtbauweise und einer hohen Beständigkeit gegen Beschädigungen durch Bruch und Korrosion sind häufig äußerst wünschenswerte Eigenschaften von Druckbehältern. Diese Konstruktionsbedingungen sind über viele Jahre hinweg durch die Entwicklung von Hochdruck-Kompositbehältern erfüllt worden, die aus laminierten Lagen von gewickelten Glasfaserfilamenten unterschiedlicher Arten von synthetischen Filamenten hergestellt wurden, die mittels eines durch Wärme aushärtbaren Epoxidharzes miteinander verbunden wurden. Eine aus einein Elastomer oder einem anderen Nicht-Metall bestehende elastische Auskleidung oder Blase ist in der aus Filamenten gewickelten Schale befestigt, um den Behälter abzudichten und um zu vermeiden, daß im Inneren vorhandene Flüssigkeiten in Kontakt mit dem Kompositmaterial gelangen.The properties of lightweight construction and high resistance to damage from fracture and corrosion are often highly desirable properties of pressure vessels. These design requirements have been met over many years by the development of high pressure composite vessels made from laminated layers of wound glass fiber filaments of various types of synthetic filaments bonded together by a heat-curable epoxy resin. A resilient liner or bladder made of an elastomer or other non-metal is secured within the filament wound shell to seal the vessel and prevent fluids inside from coming into contact with the composite material.
Aus Filamenten gewickelte Behälter werden häufig in kugelförmiger Gestalt oder in zylindrischer Gestalt mit im wesentlichen halbkugelförmigen Endabschnitten zum Einsatz bei Hochdruckanwendungen kunstruiert. Ein Anschluß dient zum zuverlässigen Verbinden der inneren Auskleidung mit der äußeren Kompositschale an einem Druckanschluß in der äußeren Schale, so daß verhindert wird, daß Flüssigkeit zwischen die Auskleidung und die Schale eintritt. In vielen Anwendungsfällen, beispielsweise in der Luftfahrtindustrie, werden Komposit-Druckbehälter benötigt, um extrem hohe Drücke auf zunehmen, die im Bereich von 1722 bar liegen, wobei der konstruktive Berstdruck im Bereich von 3444 bar liegt. Als Folge davon ist mit zunehmendem Druck der Verbindungsbereich zwischen dem Anschluß, der Auskleidung und der äußeren Schale extremen strukturellen Belastungen ausgesetzt.Filament wound vessels are often manufactured in a spherical shape or in a cylindrical shape with substantially hemispherical end sections for use in high pressure applications. A connector is used to reliably connect the inner liner to the outer composite shell at a pressure port in the outer shell, preventing fluid from entering between the liner and the shell. In many applications, for example in the aerospace industry, composite pressure vessels are required, to withstand extremely high pressures in the range of 1722 bar, with the design burst pressure in the range of 3444 bar. As a result, as pressure increases, the connection area between the connector, the liner and the outer shell is subjected to extreme structural stresses.
Insbesondere wird mit zunehmendem Druck im Behälter eine Auflagespannung zwischen dem Anschluß und der Kompositschale erzeugt, die sich in einem steilen Spannungsgradienten durch die Schale hindurch auswirkt, wobei die inneren Spannungen wesentlich höher sind als diejenigen auf der äußeren Oberfläche. Zwischen dem Anschluß und der internen Auskleidung bildet sich darüber hinaus eine Scherbelastung aus, und zwar infolge von ungleichförmigen Verschiebungen, die sich aus einer ungleichförmigen Belastung während des inneren Druckaufbaus ergeben. Darüber hinaus sind die sich radial erstreckenden Stützglieder am Anschluß einem unzulässigen Ausmaß von Biegebelastung ausgesetzt, was zu einem Abreißen des Anschlusses führen kann.In particular, as the pressure in the vessel increases, a bearing stress is created between the port and the composite shell, which results in a steep stress gradient through the shell, with internal stresses being significantly higher than those on the external surface. A shear stress is also developed between the port and the internal lining as a result of non-uniform displacements resulting from non-uniform loading during internal pressure build-up. In addition, the radially extending support members at the port are subjected to an unacceptable amount of bending stress, which can lead to port tearing.
Es ist ferner kritisch, daß während des Druckaufbaus in dem Behälter die Auskleidung und die äußere Schale fest mit dem Anschluß verbunden bleiben, trotz der entgegengesetzten Belastung, der die Auskleidung und die Schale ausgesetzt sind.It is also critical that during pressure build-up in the vessel, the liner and outer shell remain firmly connected to the fitting, despite the opposing loading to which the liner and shell are subjected.
US-A-4 360 116 beschreibt in allgemeiner Form ein Anschlußsystem für einen Druckbehälter mit einer aus Filamenten gewickelten äußeren Schale und einer nicht-metallischen inneren Auskleidung, wobei die Anordnung einen Anschluß mit einem rohrförmigen Hals umfaßt, der durch eine Öffnung in der äußeren Schale nach außen vorsteht, sowie einen ringförmigen Flansch, der sich radial von einem Ende des Halses im Behälter weg erstreckt, wobei der ringförmige Flansch eine äußere Oberfläche hat, um den Umfang der Öffnung in der Schale zu verstärken.US-A-4 360 116 describes in general terms a fitting system for a pressure vessel having a filament wound outer shell and a non-metallic inner lining, the assembly comprising a fitting having a tubular neck projecting outwardly through an opening in the outer shell and an annular flange extending radially from an end of the neck in the vessel, the annular flange having an outer surface to reinforce the perimeter of the opening in the shell.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Anschlußsystem zur Verfügung zu stellen, das im wesentlichen eines oder mehrere der oben erläuterten Belastungs- und Dichtigkeitsprobleme löst.The object of the present invention is to provide a connection system that essentially solves one or more of the load and sealing problems explained above.
In Übereinstimmung mit der beanspruchten vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Anschluß der oben in allgemeiner Form beschriebenen Art gelöst durch eine im wesentlichen schwalbenschwanzförmige Rastnut in der äußeren Oberfläche des ringförmigen Flansches, durch eine zweite, im wesentlichen schwalbenschwanzförmige Rastnut in einer inneren Oberfläche des ringförmigen Flansches, wobei die Auskleidung an dem ringförmigen Flansch unterteilt ist, und zwar in einen äußeren Abschnitt außerhalb des ringförmigen Flansches und einen inneren Abschnitt innerhalb des ringförmigen Flansches, durch eine erste, im wesentlichen schwalbenschwanzförmige Feder an dem äußeren Abschnitt der Auskleidung zum Verrasten in der ersten Rastnut in der äußeren Oberfläche des ringförmigen Flansches, und durch eine zweite, im wesentlichen schwalbenschwanzförmige Feder an dem inneren Abschnitt der Auskleidung zum Verrasten in der zweiten Rastnut in der inneren Oberfläche des ringförmigen Flansches.In accordance with the present invention as claimed, this object is achieved in a connector of the type described in general terms above by a substantially dovetail-shaped locking groove in the outer surface of the annular flange, by a second substantially dovetail-shaped locking groove in an inner surface of the annular flange, the liner on the annular flange being divided into an outer portion outside the annular flange and an inner portion inside the annular flange, by a first substantially dovetail-shaped spring on the outer portion of the liner for locking in the first locking groove in the outer surface of the annular flange, and by a second substantially dovetail-shaped spring on the inner portion of the liner for locking in the second locking groove in the inner surface of the annular flange.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erstreckt sich ein Befestigungsflansch in radialer Richtung vom ringförmigen Flansch weg und die beiden Rastnuten sind jeweils auf den beiden axial gegenüberstehenden beabstandeten Oberflächen des Befestigungsflansches angeordnet. Die Rastnut in der äußeren Oberfläche des Befestigungsflansches öffnet sich nach außen und die Rastnut in der inneren Oberfläche des Befestigungsflansches öffnet sich nach innen, wobei die Rastnuten jeweils eine untere Wand zwischen zwei zueinander geneigten Seitenwänden aufweisen, um einen Formschluß mit der Auskleidung zu gewährleisten. Die versetzte Eigenschaft des Befestigungsflansches vermindert die Gefahr, daß die Auskleidung außer Eingriff mit dem Anschluß gebracht wird und dadurch ein Leck zwischen der äußeren Schale und der Auskleidung erzeugt.In a preferred embodiment of the invention, a fastening flange extends radially away from the annular flange and the two locking grooves are arranged on the two axially opposite spaced surfaces of the fastening flange. The locking groove in the outer surface of the fastening flange opens outwards and the locking groove in the inner surface of the fastening flange opens inwards, the locking grooves each having a lower wall between two mutually inclined side walls in order to form a positive connection with the lining. The offset nature of the mounting flange reduces the risk of the liner becoming disengaged from the fitting and thereby creating a leak between the outer shell and the liner.
Um die Scherbelastung zwischen dem Anschluß und der Auskleidung während des inneren Druckaufbaus im Behälter zu vermindern, ist eine nicht-metallische Lage zum Vermindern der Scherbelastung zwischen die äußere Oberfläche des ringförmigen Flansches und die innere Oberfläche der äußeren Schale eingesetzt. Die zwischengeschaltete Schicht kann aus jedwedem Kunststoff, einem durch Wärmeeinwirkung aushärtbaren Elastomer oder einem anderen unmetallischen Werkstoff bestehen und kann durch Spritzgießen oder durch Ausschneiden aus Bahnenware hergestellt werden.To reduce the shear stress between the fitting and the liner during internal pressure build-up in the vessel, a non-metallic shear stress reducing layer is interposed between the outer surface of the annular flange and the inner surface of the outer shell. The interposed layer may be made of any plastic, heat-curable elastomer or other non-metallic material and may be manufactured by injection molding or by cutting from sheet stock.
Beschädigungen beim Druckaufbau können ferner durch die Konstruktion des Anschlusses vermindert werden. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat der ringförmige Flansch einen Durchmesser, der groß genug ist, um eine Beschädigung der äußeren Schale zu vermeiden, wenn in dem Behälter Druck aufgebaut wird, und ist ferner hinreichend dick, um einen unzulässigen Wert der Biegebelastung im ringförmigen Flansch und im Befestigungsflansch zu vermeiden. Der Anschluß selbst kann aus Aluminiumlegierungen, Stahl, Nickel, Titan oder anderen Metallen bestehen.Damage during pressure build-up can be further reduced by the design of the connector. In a preferred embodiment, the annular flange has a diameter large enough to avoid damage to the outer shell when pressure builds up in the vessel and is also sufficiently thick to avoid an unacceptable amount of bending stress in the annular flange and the mounting flange. The connector itself can be made of aluminum alloys, steel, nickel, titanium or other metals.
Um das Verständnis der Erfindung zu verbessern, wird deren bevorzugte Ausführungsform, die beispielhaft dargestellt ist, nachstehend in weiteren Einzelheiten und unter Bezug auf die einzige Figur beschrieben, wobei Figur 1 eine teilweise Querschnittsansicht eines abgerundeten Endes eines axialsymmetrischen Druckgefäßes ist, mit einem Anschlußsystem, das die Merkmale der vorliegenden Erfindung aufweist.In order to facilitate understanding of the invention, the preferred embodiment thereof, shown by way of example, will now be described in more detail with reference to the sole figure, in which: Figure 1 is a partial cross-sectional view of a rounded end of an axially symmetric pressure vessel with a connection system incorporating the features of the present invention.
In Figur 1 ist in einer teilweisen Querschnittsdarstellung das abgerundete, vorzugsweise im wesentlichen kugelförmige Ende eines axialsymmetrischen Druckgefäßes dargestellt, das insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Das Druckgefäß 10 besteht aus einer faserverstärkten äußeren Schale 12 und einer nicht-metallischen inneren Auskleidung 14. Ein Anschluß 16 erstreckt sich nach außen durch eine Öffnung 18, die an der obersten Stelle in der äußeren Schale 12 angebracht ist und einen Druckanschluß 20 definiert, durch den hindurch Fluid bei hohem Druck in Verbindung mit dem Innenraum des Druckbehälters 10 gebracht werden kann. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß die Erfindung auch in Verbindung mit nicht am obersten Punkt angeordneten Öffnungen von Behältern eingesetzt werden kann, wie beispielsweise bei Öffnungen in rein kugelförmigen Behältern. Eine dünne, die Scherbelastung aufnehmende Schicht 22 ist zwischen die äußere Schale 12, den Anschluß 16 und die Auskleidung 14 eingefügt, um Beschädigungen der Schale oder der Auskleidung während des Druckaufbaus im Behälter zu verhindern, wie noch beschrieben werden wird.Figure 1 shows a partial cross-sectional view of the rounded, preferably substantially spherical end of an axially symmetrical pressure vessel, designated overall by the reference numeral 10. The pressure vessel 10 consists of a fiber-reinforced outer shell 12 and a non-metallic inner lining 14. A connection 16 extends outwardly through an opening 18 which is arranged at the uppermost point in the outer shell 12 and defines a pressure connection 20 through which fluid at high pressure can be brought into communication with the interior of the pressure vessel 10. It should be noted, however, that the invention can also be used in connection with openings in vessels which are not arranged at the uppermost point, such as openings in purely spherical vessels. A thin shear load bearing layer 22 is interposed between the outer shell 12, the port 16 and the liner 14 to prevent damage to the shell or the liner during pressure buildup in the vessel, as will be described.
Die äußere Schale 12 umfaßt eine im wesentlichen bekannte Komposit-Verstärkung, bestehend aus einem faserverstärkten Werkstoff in einer Harzmatrix. Die Faser kann Glasfaser, Aramid, Karbonfaser, Graphitfaser oder jedwedes andere allgemein bekanntes faserförmiges Verstärkungsmaterial sein. Die verwendete Harzmatrix kann Epoxid sein, Polyester, Vinylester, ein thermoplastischer Kunststoff oder jedweder andere geeignete Harzwerkstoff, der geeignet ist, die erforderliche Reißfestigkeit für den speziellen Anwendungsbereich zu gewährleisten, in dem der Behälter eingesetzt wird.The outer shell 12 comprises a substantially known composite reinforcement consisting of a fiber reinforced material in a resin matrix. The fiber may be glass fiber, aramid, carbon fiber, graphite fiber or any other well-known fibrous reinforcing material. The resin matrix used may be epoxy, polyester, vinyl ester, a thermoplastic or any other suitable resin material suitable to provide the required tear resistance for the particular application in which the container is used.
Die innere Auskleidung 14 kann aus Kunststoff oder einem anderen Elastomer bestehen und kann durch Druckgießen, Blasgießen, Spritzgießen oder jedwede andere bekannte Technik hergestellt werden. Der Anschluß 16 besteht vorzugsweise aus einer Legierung von Aluminium, Stahl, Nickel oder Titan, obwohl sich versteht, daß auch andere Metalle oder nicht-metallische Werkstoffe, beispielsweise Kompositwerkstoffe, geeignet sind. Die dünne Lage 22 kann aus einem Kunststoff bestehen oder aus einem anderen nicht-metallischen Werkstoff und kann durch einen Gießprozeß hergestellt werden oder, alternativ, aus Bahnenmaterial ausgeschnitten werden.The inner lining 14 may be made of plastic or another elastomer and may be formed by die casting, blow molding, injection molding or any other known technique. The terminal 16 is preferably made of an alloy of aluminum, steel, nickel or titanium, although it will be understood that other metals or non-metallic materials, such as composite materials, are also suitable. The thin layer 22 may be made of a plastic or other non-metallic material and may be made by a molding process or, alternatively, may be cut from sheet material.
Wie in Figur 1 dargestellt, weist der in Bezug genommene Anschluß 16 einen nach außen vorstehenden Hals 24 mit einer sich verjüngenden Kehle 26 auf, die sich durch die am obersten Punkt angeordnete Öffnung 18 in der äußeren Schale 12 hindurcherstreckt. Die Kehle 26 verjüngt sich, so daß sie eine konkave Ringnut bildet, um die Faser- und Harzmatrix aufzunehmen, die die Schale bilden, so daß die Schale den Anschluß 16 formschlüssig ergreift, um eine Bewegung des Anschlusses in den Behälter 10 hinein oder aus dem Behälter 10 heraus zu verhindern.As shown in Figure 1, the referenced connector 16 has an outwardly projecting neck 24 with a tapered throat 26 extending through the uppermost opening 18 in the outer shell 12. The throat 26 tapers to form a concave annular groove to receive the fiber and resin matrix forming the shell so that the shell positively grips the connector 16 to prevent movement of the connector into or out of the container 10.
Unmittelbar innerhalb des Druckbehälters 10 befindet sich ein ringförmiger Stützflansch 28, der vom Hals 24 ausgeht und eine äußere Oberfläche 30 des Stützflansches 28 definiert, durch den Belastungen beim Druckaufbau über den Umfang der am obersten Punkt befindlichen Öffnung 18 in der Kompositschale 12 verteilt werden. Der Stützflansch 28 hat eine Breite W&sub1;, so daß der Gesamtdurchmesser des Stützflansches 28 hinreichend groß ist, um eine Beschädigung der äußeren Schale 12 zu verhindern, wenn der Druckbehälter 10 unter Druck gesetzt wird.Immediately within the pressure vessel 10 is an annular support flange 28 extending from the neck 24 and defining an outer surface 30 of the support flange 28 which distributes pressure buildup stresses over the circumference of the uppermost opening 18 in the composite shell 12. The support flange 28 has a width W₁ such that the overall diameter of the support flange 28 is sufficiently large to prevent damage to the outer shell 12 when the pressure vessel 10 is pressurized.
Darüber hinaus ist ein Abschnitt der dünnen Schicht 22 zwischen den Stützflansch 28, die Auskleidung 14 und die äußere Schale 12 zwischengeschaltet, um darüber hinaus eine Beschädigung so gering wie möglich zu halten, wenn der Behälter unter Druck gesetzt wird. Insbesondere führt ein Druckaufbau im Inneren des Behälters zu einer beträchtlichen Verdrehung des abgerundeten Behälterendes, so daß eine relative Verschiebung zwischen der inneren Oberfläche der äußeren Schale 12 und den sich daran anschließenden Abschnitten der Auskleidung 14 und des Stützflansches 28 auftreten kann. Um die Relativbewegung aufzunehmen und Scherbelastungen zu entspannen, die ansonsten in dieser Zwischenschicht auftreten würden, erstreckt sich die zwischengeschaltete Schicht 22 über das abgerundete Ende des Behälters, und zwar über einen Bereich, der dem Durchmesser D&sub1; des kreisförmigen Abschnitts des Druckbehälters 10 entspricht.In addition, a portion of the thin layer 22 is interposed between the support flange 28, the lining 14 and the outer shell 12 to further prevent damage as low as possible when the vessel is pressurized. In particular, pressure buildup within the vessel results in considerable twisting of the rounded end of the vessel so that relative displacement can occur between the inner surface of the outer shell 12 and the adjacent portions of the liner 14 and support flange 28. To accommodate the relative movement and to relieve shear stresses that would otherwise occur in this intermediate layer, the intermediate layer 22 extends over the rounded end of the vessel over an area corresponding to the diameter D₁ of the circular portion of the pressure vessel 10.
Ein ringförmiger Befestigungsflansch 32 steht radial nach außen vom Stützflansch 28 im Abstand W&sub2; vor. Der Befestigungsflansch 32 hat eine äußere Oberfläche 34, die nach innen gegenüber der äußeren Oberfläche 30 des Stützflansches 28 um einen Abstand T&sub1; versetzt ist. Der Befestigungsflansch 32 hat eine innere Oberfläche 36, die nach außen gegenüber einer inneren Oberfläche 38 des Stützflansches 28 um einen Abstand T&sub2; versetzt ist. Auf diese Weise hat der Stützflansch 28 eine Dicke T&sub3;, die ausreichend bemessen ist, um Biegespannungen im Anschluß auf ein annehmbares Maß zu vermindern, wenn der Behälter unter Druck gesetzt wird.An annular mounting flange 32 projects radially outwardly from the support flange 28 a distance W2. The mounting flange 32 has an outer surface 34 which is offset inwardly from the outer surface 30 of the support flange 28 by a distance T1. The mounting flange 32 has an inner surface 36 which is offset outwardly from an inner surface 38 of the support flange 28 by a distance T2. Thus, the support flange 28 has a thickness T3 sufficient to reduce bending stresses in the joint to an acceptable level when the vessel is pressurized.
Von einem Paar ringförmiger Rastnuten 40 bzw. 42 ist eine in der äußeren Oberfläche 34 des Befestigungsflansches 32 und die andere in der inneren Oberfläche 36 des Stützflansches 28 angebracht. Jede der Nuten nimmt eine komplementäre Feder 44 bzw. 46 auf, die sich an der inneren Auskleidung 14 befinden.A pair of annular locking grooves 40 and 42 are formed, one in the outer surface 34 of the mounting flange 32 and the other in the inner surface 36 of the support flange 28. Each of the grooves receives a complementary key 44 and 46, respectively, located on the inner liner 14.
Die Rastnut 40 ist eine sich nach außen öffnende Nut mit einer unteren Wand 48 zwischen einem Paar von zueinander geneigten Seitenwänden 50; mit anderen Worten, die Nut 40 ist eine schwalbenschwanzförmige Nut. Es versteht sich, daß andere hinterschnittene Konfigurationen, die eine formschlüssige mechanische Verbindung der Auskleidung mit dem Anschluß gewährleisten, ebenfalls von der vorliegenden Erfindung umfaßt sind.The locking groove 40 is an outwardly opening groove with a bottom wall 48 between a pair of mutually inclined side walls 50; in other words, the groove 40 is a dovetail groove. It is understood that other undercut configurations that provide a positive mechanical connection of the liner to the connector are also encompassed by the present invention.
Die Rastnut 42 ist an der inneren Oberfläche 36 des Befestigungsflansches 32 ausgebildet und hat eine untere Wand 52 zwischen zwei zueinander geneigten Seitenwänden 54, so daß ebenfalls eine schwalbenschwanzförmige Nut definiert wird. Die komplementäre Geometrie der geneigten Seitenwände 50 und 54 und die zugehörigen Federn 44 und 46 der Auskleidung gewährleisten einen Formschluß und eine Halterung der inneren Auskleidung 14 am Anschluß 16, um zu verhindern, daß unter Druck stehendes Fluid in den Zwischenraum zwischen der Auskleidung und der äußeren Schale 12 leckt.The locking groove 42 is formed on the inner surface 36 of the mounting flange 32 and has a bottom wall 52 between two mutually inclined side walls 54 so as to also define a dovetail-shaped groove. The complementary geometry of the inclined side walls 50 and 54 and the associated liner springs 44 and 46 ensure positive engagement and retention of the inner liner 14 to the port 16 to prevent pressurized fluid from leaking into the space between the liner and the outer shell 12.
Die versetzte Eigenschaft des Befestigungsflansches 32, definiert durch den nach innen gerichteten Versatz T&sub1; der äußeren Oberfläche 34 und den nach außen gerichteten Versatz T&sub2; der inneren Oberfläche 36, vermindert die Gefahr, daß die Auskleidung 14 außer Eingriff mit dem Anschluß 16 gerät, wenn sie unter Druck steht, indem ein genügend großer Oberflächenbereich zur Verfügung gestellt wird, in dem die Auskleidung den Befestigungsflansch abdichtet und auf diese Weise eine Leckage verhindert.The offset characteristic of the mounting flange 32, defined by the inward offset T1 of the outer surface 34 and the outward offset T2 of the inner surface 36, reduces the risk of the liner 14 becoming disengaged from the port 16 when under pressure by providing a sufficiently large surface area in which the liner seals the mounting flange and thus prevents leakage.
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