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DE69206114T2 - Polstück für ein fasergewickeltes Druckgefäss. - Google Patents

Polstück für ein fasergewickeltes Druckgefäss.

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Publication number
DE69206114T2
DE69206114T2 DE69206114T DE69206114T DE69206114T2 DE 69206114 T2 DE69206114 T2 DE 69206114T2 DE 69206114 T DE69206114 T DE 69206114T DE 69206114 T DE69206114 T DE 69206114T DE 69206114 T2 DE69206114 T2 DE 69206114T2
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DE
Germany
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annular flange
liner
flange
locking groove
outer shell
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DE69206114T
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Norman L Newhouse
Dale B Tiller
Ronald B Veys
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Technical Products Group Inc
Original Assignee
Technical Products Group Inc
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Publication date
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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine wulstartige Anschlußvorrichtung für einen Druckbehälter.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (9)

1. Wulstartige Anschlußvorrichtung für einen Druckbehälter (10) mit einer fasergewickelten äußeren Schale (12) und einer nicht-metallischen inneren Auskleidung (14), wobei die Vorrichtung einen wulstartigen Anschluß (16) mit einem rohrförmigen Hals (24) umfaßt, der durch eine Öffnung (18) in der äußeren Schale (12) nach außen ragt, und einem ringförmigen Flansch (28), der sich in radialer Richtung von einem Ende des Halses (24) im Behälter (10) erstreckt, wobei der ringförmige Flansch (28) eine äußere Oberfläche (30) zum Verstärken des Umfanges der Öffnung (18) in der Schale (12) aufweist, gekennzeichnet durch eine erste, im wesentlichen schwalbenschwanzförmige Rastnut (40) in der äußeren Oberfläche (30) des ringförmigen Flansches (28), durch eine zweite, im wesentlichen schwalbenschwanzförmige Rastnut (42) in einer inneren Oberfläche (38) des ringförmigen Flansches (28), wobei die Auskleidung (14) an dem ringförmigen Flansch (28) unterteilt ist, und zwar in einen äußeren Abschnitt außerhalb des ringförmigen Flansches (28) und in einen inneren Abschnitt innerhalb des ringförmigen Flansches (28), durch eine erste, im wesentlichen schwalbenschwanzförmige Feder (44) an dem äußeren Abschnitt der Auskleidung (14) zum Verrasten in der ersten Rastnut (40) in der äußeren Oberfläche (30) des ringförmigen Flansches (28), und durch eine zweite, im wesentlichen schwalbenschwanzförmige Feder (46) an dem inneren Abschnitt der Auskleidung (14) zum Verrasten in der zweiten Rastnut (42) in der inneren Oberfläche (38) des ringförmigen Flansches (28).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der eine, die Scherbelastung vermindernde Schicht (22) gesondert von der Auskleidung (14) zwischen der äußeren Oberfläche (30) des ringförmigen Flansches (28) und einer inneren Oberfläche der äußeren Schale (12) angeordnet ist, um zwischen diesen eine relative Gleitbewegung zu ermöglichen, wenn der Behälter (10) unter Druck gesetzt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einer die Scherbelastung vermindernden Schicht (22), die zwischen der äußeren Oberfläche (30) des ringförmigen Flansches (28) und einer inneren Oberfläche der äußeren Schale (12) angeordnet ist, um zwischen diesen eine relative Gleitbewegung zu ermöglichen, wenn der Behälter (10) unter Druck gesetzt wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei der die die Scherbelastung vermindernde Schicht (22) aus einem unter Wärmeeinwirkung aushärtbaren Elastomer hergestellt ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Befestigungsflansch (32), der sich in radialer Richtung vom ringförmigen Flansch (28) weg erstreckt und eine äußere Oberfläche (34) aufweist, die nach innen von der äußeren Schale (12) beabstandet ist, wobei die erste, im wesentlichen schwalbenschwanzförmige Rastnut (40) sich in der äußeren Oberfläche (34) des Befestigungsflansches (32) befindet.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der der Befestigungsflansch (32) eine innere Oberfläche (36) aufweist, die gegenüber der inneren Oberfläche (38) des ringförmigen Flansches (28) versetzt ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die zweite im wesentlichen schwalbenschwanzförmige Rastnut (42) sich in der inneren Oberfläche (36) des Befestigungsflansches (32) befindet.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der äußere Oberfläche (34) des Befestigungsflansches (32) gegenüber der äußeren Oberfläche (30) des ringförmigen Flansches (28) versetzt ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der wulstförmige Anschluß (16) einen Werkstoff umfaßt, der aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Legierungen von Aluminium, Stahl, Nickel, Titan oder Kompositmaterialien besteht.
DE69206114T 1992-01-10 1992-08-07 Polstück für ein fasergewickeltes Druckgefäss. Expired - Lifetime DE69206114T2 (de)

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US81861992A 1992-01-10 1992-01-10
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DE69206114D1 DE69206114D1 (de) 1995-12-21
DE69206114T2 true DE69206114T2 (de) 1996-04-18

Family

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Family Applications (1)

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DE69206114T Expired - Lifetime DE69206114T2 (de) 1992-01-10 1992-08-07 Polstück für ein fasergewickeltes Druckgefäss.

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