一种环管气瓶结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及压力容器领域，公开了一种容积大、重量轻、耐低温、与液氧相容、节省空间且低成本的环管气瓶结构及其典型制造方法。尤其适合于内置于大直径运载火箭液氧贮箱内使用。

背景技术

高压气瓶是现代工业、科研常用的压力容器设备。在我国气瓶结构分为CNG-1型、CNG-2型、CNG-3型、CNG-4共四种类型。其中CNG-1为金属气瓶，CNG-2为复合材料环向缠绕增强金属气瓶，CNG-3为金属内胆复合材料缠绕气瓶，CNG-4为非金属内胆复合材料缠绕气瓶。上述四种气瓶均为球形或者圆柱形结构，使用中存在如下问题：

1)金属气瓶成本低，容易实现与液氧相容，但是相同情况下金属气瓶重量高，不利于应用在飞机、火箭、卫星等航空航天飞行器产品中；

2)复合材料气瓶重量轻，适合应用于航空航天领域，但存在成本高、与液氧不相容等问题；

3)传统的球形、圆柱形气瓶都难以做大容积，一般容积不会超过500L，常用的在100L左右，这导致很多应用场景下需要安装更多的阀门和管路，增加了系统复杂性和重量；

4)传统的球形、圆柱形气瓶占用空间大，不方便在飞行器内部安装。

发明专利202110242791.9公开了一种高结构效率的相交球壳压力容器结构形式；发明专利202210049625.1在前者基础上公开了一种纤维缠绕相交球壳压力容器结构形式；发明专利202210251667.3公开了前述两项发明的一种胀形制造方法。上述三个专利多应用于类圆柱形结构的压力容器，并没有提出针对环管形压力容器的全面解决方案，没有解决进出气口设计、液氧相容设计、制造方法等诸多方面的设计问题。

本发明在上述3项专利基础上，基于环管形压力容器结构的特点和特殊设计需求，特别面向低成本、大容积、液氧相容和便于安装等应用需求，公开了一种带保护套的纤维圈加强相交球壳环管气瓶结构方案及其制造方法。

发明内容

本发明主要解决容积大、重量轻、耐低温、与液氧相容、节省空间且低成本的压力容器设计、制造难题，公开了一种带保护套的纤维圈加强相交球壳环管气瓶结构方案及其制造方法。

本发明的有益效果是：

1)容积大，可轻易实现1立方米级甚至更大容积；

2)重量轻，使用少量复合材料增强即可实现相当于复合材料气瓶的结构效率；

3)液氧相容，复合材料完全被保护材料包覆起来，不会与液氧接触；

4)便于安装，环形带加强圈结构可以非常方便地安装于火箭贮箱内部或者圆筒形的箱间段、级间段内部；

5)成本低，首选材料为低成本的不锈钢、铝合金，复合材料用量仅占总重量的20％左右，且为简单的缠绕结构，产品整个制造过程不需要复杂、昂贵的模具或者工装；

6)高可靠，使用旋压无缝钢管焊接，焊缝少，可靠性高。

本发明公开的环管气瓶的结构组成和制造过程如下：

1)环管气瓶由金属环管、复合材料加强圈、加强圈保护套和进出气孔组成；

2)金属环管由薄壁金属轮胎形管材，在复合材料加强圈约束下，内压胀形形成相交球壳环管结构。金属环管首选塑性好、容易冷作硬化的不锈钢、铝合金或者高温合金制造，首选基于旋压无缝管弯制后焊接，并最终内压胀形成形；

3)复合材料加强圈为复合材料单向缠绕环圈，其数目、内径、横截面形状以金属环管的最大应力最小化为目标优化，一般环向间距为金属管胀形前横截面半径的50％～70％，复材总重量约为环管成品总重量的20％。复合材料首选耐低温的高刚度、高强度碳纤维复合材料；复合材料加强圈内径略大于胀形前的环管外径，便于套装在环管外部后再胀形固定；

4)当应用于液氧等不适于复合材料暴露的环境时，在复合材料加强圈外表面包覆一层薄壁保护层，首选薄金属版焊接封闭，从而实现液氧相容等特殊要求；

5)复合材料加强圈以等距均布套在胀形前的金属环管外，但在进出气孔两侧各布置一个加强圈以保证进出气孔附近的强度；

6)胀形成形时最大压力以满足材料的强度、韧性要求，并能够完全将复合材料加强圈卡死为准；

附图说明

图1环管气瓶结构示意图

图2复合材料加强圈及其横截面(含保护套)示意图

图3胀形前环管气瓶结构示意图

附图中各部件的标记如下：

①相交球壳金属环管

②复合材料加强圈(已包覆保护套)

③进出气孔

④单向纤维束

⑤加强圈保护套

⑥胀形前金属环管

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本发明实施例包括：

实施例：一种可在运载火箭的液氧贮箱内置使用的大容积环管气瓶，说明如下：

1)如附图1、附图2，环管气瓶由相交球壳金属环管、复合材料加强圈(已经包覆铝合金保护套)、进出气孔组成；

2)金属环管采用304L不锈钢材料，由4段90度弯管焊接而成；

3)90度弯管由旋压无缝直管弯制；

4)复合材料加强圈选用耐低温树脂基碳纤维束单向缠绕固化制造，总计90个，其中进出气口两侧各一个，其他加强圈等间距分布；

5)复合材料加强圈外壁包覆1层0.5mm厚度的铝合金薄板；

6)整体环管气瓶最大外径3.6米，相交球壳横截面最大外径330mm，总容积800L，总质量400kg，其中复合材料80kg；

7)胀形前金属环管外径300mm，小于复合材料加强圈内径,如附图3；

8)经液氮环境内压40MPa成形，复合材料加强圈被胀形后的金属环管牢固卡死；

9)气瓶爆破压力超过70MPa，满足安全性和可靠性要求。

从本实施例可以看出，采用本发明公开的结构方案和制造方法，气瓶容积为一般产品的10倍，与液氧安全相容，结构效率与CNG-3型复合材料气瓶基本相当，可以方便的安装固定于直径3.8米的液氧贮箱内部，或者安装固定于贮箱短壳内侧或者箱间段、级间段内侧。气瓶采利了常用的材料和工艺，制造成本明显低于CNG-3型复合材料气瓶。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。