CC BY
360
2008
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Эксплуатация воздушного транспорта
№ 134
УДК 620.22
ВЫСОКОПРОЧНЫЕ ОБЛЕГЧЕННЫЕ БАЛЛОНЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И ЖИЗНЕСПОСОБНОСТИ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ
И.К. ЛЕБЕДЕВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Никоновым В.В.
По решению международной организации авиаперевозчиков ИКАО с 3 ноября 1998 года все авиалайнеры обязаны быть снабжены кислородными дыхательными системами. Авиалайнер должен иметь четыре-пять 20 литровых баллонов для снабжения пассажиров кислородом в случае разгерметизации судна и 20 единиц 2-х литровых (давление 210 атм.) для индивидуального использования. Эксплуатируемые на сегодняшний день двухлитровые стальные баллоны при тестовых испытаниях на прострел (в соответствии с международными стандартами) взрываются. Композитные баллоны взрывоопасны и при разрушении не образуют осколков.
Кроме этого более 2-х тысяч баллонов в год требуется федеральной авиационной службе России для оснащения 600 авиационных аварийно-спасательных групп, которые по требованиям ИКАО находятся на постоянном дежурстве для обеспечения международных полетов через территорию России.
Для обеспечения этих мероприятий и комплектации пневмоприводов систем управления и систем пожаротушения требуются десятки тысяч легких и надежных баллонов высокого давления.
Доля на рынке по типам конструкций баллонов составляет:
- 70% - углеродистые стальные баллоны с удельной материалоемкостью 1,8 кг/литр;
- 12% - баллоны из легированной стали с удельной материалоемкостью 1,2 кг/литр;
- 10% - титановые и алюминиевые баллоны с удельной материалоемкостью 1,0 кг/литр;
- 7% - металлокомпозитные баллоны с удельной материалоемкостью 0,8 кг/литр;
- 1% - композитные баллоны с удельной материалоемкостью 0,4 - 0,5 кг/литр.
В табл. 1 приведены сравнительные характеристики основных материалов применяемых при производстве баллонов.
Таблица 1
Материал Модуль упругости, гПа Предел прочности, ГПа Плотность кг/м3
Сталь 200 1,3 1800
Алюминий 71,5 0,45 (0,25) 2700
Титан 105 0,85(0,70) 4400
Стеклопластик 60 1.4 2100
Углепластик 126 1,3 1560
Органопластик 81 2,1 1360
Из-за большой удельной массы практически невозможно использование металлических баллонов в авиационных и космических системах. И только применение баллонов из армированных полимерных композитных материалов позволяет устранить эти недостатки.
Современные композиционные материалы обладают высокой удельной прочностью, в четыре - пять раз превышающую удельную прочность стали, алюминиевых и титановых сплавов,
помимо этого, они успешно противостоят коррозии и другим формам разрушения материала. Эти обстоятельства, а также возможность большого разнообразия в технологии изготовления, возможность ориентировать армирующий материал в направлениях главных напряжений позволяют оптимизировать весовые характеристики и минимизировать материалоемкость. Опыт зарубежных и отечественных производителей показал, что комбинированные баллоны высокого давления, состоящие из внутренней герметичной оболочки, упрочненной снаружи композиционным материалом на основе полимерных связующих и высокопрочных волокон, являются более эффективными, чем цельнометаллические. Такие баллоны имеют значительно меньшую массу и обеспечивают безосколочное разрушение, что особенно выгодно применять в авиационном, автомобильном и судостроении, а также в космических системах. На рис. 1 приведены сравнительные результаты весовых параметров лучших образцов стальных, титановых и металлокомпозитных баллонов, известных автору. Как видно из графиков стальные баллоны значительно уступают титановым и металлопластиковым. В свою очередь титановые только при малых объёмах (< 1 дм3) могут составлять конкуренцию металлопластиковым баллонам, т, кг
V, дмЗ
60
Рис. 1. Зависимость веса от объема баллонов стальных (кривая 1), титановых (кривая 2) и металлопластиковых (кривая 3) при рабочем давлении 30 МПа
Компании Structural Composites Industries (SCI), Beunswick и Laxfer, занимающие более половины мирового рынка металлокомпозитных баллонов высокого давления, проектируют и изготавливают легкие баллоны с алюминиевым лейнером и силовой оболочкой из углеэпоксидного композита. Такая комбинация материалов обусловлена тем, что квазиизотропный модуль упругости силовой оболочки и лейнера примерно равны 7000 МПа, и нагружение давлением вызывает в обоих материалах напряжения одного порядка. Традиционный подход, реализуемый всеми фирмами, заключается в ограничении деформаций металлического лейнера на уровне 0,21 при рабочем давлении. Разработанная при этих условиях конструкция считается совершенной в весовом отношении. Однако алюминиевый лейнер достигает своего предела упругости гораздо раньше, чем композит реализует всю свою прочность, и приходится либо увеличивать массу силовой оболочки, либо жертвовать ресурсом эксплуатации.
В работе предлагается принципиально новый вид конструкции комбинированного металлопластикового баллона давления.
Баллон состоит из внешней силовой композитной оболочки и внутреннего металлического лейнера (обеспечивающего герметичность) с торцевыми элементами для запорной арматуры.
Металлический лейнер и силовая оболочка в предлагаемом баллоне раскреплены между собой и в лейнере не возникают высокие напряжения и деформации. Это обстоятельство, во первых, позволяет баллонам выдерживать большое число циклов «нагрузка-разгрузка», т.е. значительно увеличить его эксплуатационный срок. Во вторых, отсутствие напряжений и деформаций в лейнере позволяет изготавливать его со сварными швами, что значительно удешевляет конструкцию. В третьих, отсутствие деформаций в лейнере позволяет оптимизировать схему намотки силовой оболочки, не лимитируя её жесткостные характеристики.
Общий вид конструкции баллона представлен на рис. 2.
1 2
Рис. 2. Баллон газовый 1 - металлическая оболочка; 2 - стеклопластиковая оболочка
Внутренний герметизирующий лейнер изготовлен из тонколистовой стали. Штампованные днища приварены к цилиндрической части.
Для композитной силовой оболочки выбрано высокопрочное угольное волокно на эпоксидном связующем. Этот материал помимо высокой прочности имеет высокий модуль упругости, что позволяет до самого разрушения не подвергать лейнер деформированию, превышающему расчетные относительные удлинения его материала.
Среди угольных наполнителей наилучшим сочетанием прочности, модуля упругости и стоимости обладают волокна HTS 5631 и HTA 5131 фирмы TENAX. Прочность при растяжении этих волокон достигает 430 кга/мм2, а модуль упругости 24000 кга/мм2.
Проектные параметры цилиндрической части баллона выбирались по несущей способности армирующего жгута. Угол армирования ф0 на экваторах днищ определялся из условия геодезического расположения жгута армирующего материала по поверхности днища
ф0 = arcsin (doi /d),
где d01, d02 - диаметры полюсных отверстий переднего и заднего днища.
Количество спиральных жгутов ns определялось из условия:
ns= (пР 0 Kp d2) /(4Т cos фок), где Р0 - внутреннее рабочее давление; КР - коэффициент безопасности; d - внутренний диаметр цилиндрической части; T - разрывная нагрузка армирующего жгута; фок - наибольшее значение из фоь
Количество кольцевых жгутов nk на единицу длины определим из соотношения
Nk = Po Kp d / 2Т.
Донные части силовой оболочки проектируются как оболочки вращения оптимальной формы, образующие которых определяются из условия совпадения траекторий укладки армирую-
щего материала с траекториями главных напряжений. Формы днища в этом случае представляются вращением кривой, называемой в литературе изотенсоидом, описываемой с помощью эллиптических интегралов. При этом учитывается влияние металлического лейнера, т.е. допускается, что пластические деформации в материале лейнера возникают только при достижении разрушающего давления.
Физико -механические характеристики однонаправленного композита, состоящего из волокна и связующего (смолы) определим по следующим основным зависимостям:
Е1 = БьУ + Б8(1-у);
Л12 = ЛьП + Л*(1-п);
Е2 = (Еь/Е8)(1+((Еь/Е8)-1)у)Е1/(у + (Еь/Е8)(1-(()) -((еь/еб) (б- (б)2( ((1-((());
(21 = (12Е2/Е1;
О Ь = ЕЬ/(2(1+((Ь);
О Б = Еб/ (2 (1+ (б) ;
О12 = ( (ОЬ/Об) (1+() + (1-())Об/((О Ь/Об) (1-() + (1+()
где Е1, Е2, О 12, Л12 - модули упругости вдоль и поперек армирования, модуль сдвига в плоскости армирования и коэффициент Пуассона однонаправленного композита;
Еь, Е8, О ь, О 8, Ль, Л§, ( - модули упругости и коэффициенты Пуассона волокна и смолы
соответственно и коэффициент армирования (процентное содержание волокон) композита .
При известных углах армирования (1 и толщине Ь. 1 отдельных намотанных слоев физико-механические характеристики композиционного материала стенки силовой оболочки определим по следующим основным формулам:
Ех = (Б11-Б122/Б22)/Ьб - модуль упругости при растяжении вдоль оси баллона,
Еу= (Б22-Б122/Б11)/к8 - модуль упругости при растяжении в кольцевом направлении,
Оху = Б33/И8 - модуль сдвига в касательной плоскости,
(ху = Б12/Б11 - коэффициент Пуассона при растяжении в осевом направлении,
(ух = Б12/Б22 - коэффициент Пуассона при растяжении в кольцевом направлении,
где Б11 = ( И 1(Е11 соб4(1 + Е21 81п4(1 + 2(Е11(121 + 2О 121)81п2(1 соб2(1);
Б22 = X И ¡(Е1; 81п4(1 + Е21 соб4(1 + 2(Е11(121 + 2О 121)^2(1 соб2(1);
Б12 = ( И 1((Е11 + Е21 ) 81п2(1 соб2(1 + Е11(121 (Бтф +соБ4ф;)-О ^т^ф^;
Б33 = X И ¡((Е1; + Е21 - 2Е1ЩШ ) в1п2ф; соБ2ф; + О 121 соБ22ф;).
Деформации оболочки баллона при этом определяются из соотношений (х = Р ё (Б22- 2Б12)/4(Б11 Б22- Б122);
(у = Р ё (Б11- 2Б12)/4(Б11 Б22- Б122), а напряжения в отдельных слоях устанавливаются с помощью связей о11 = Е11(£х(сов2(1 + (121 б1п2(1)+ (у(б1п2(1 + (121 соб2(1));
(21 = Е21((х(б1п2(1 + л 121 соБ2фО + £у(соБ2ф1 + Л121 Б1п2ф1));
Х121 = О 121(еу - £х)81п2ф1.
Приращение диаметра и длины цилиндрической части баллона определяем по формулам:
Аё = £уё ; АЬ = £хЬ.
Приращение длины дна баллона определяем по формуле:
АЬдн = ех Ьдн, где ех - деформация дна в осевом направлении;
Ьдн - глубина дна.
Так как форма дна близка к равновесной, то выполняется условие
ех = ех0 ,
где ех0 - деформация вдоль жгута, которая определяется из уравнения равновесия в проекции на ось баллона по формуле:
ехо =(рРоКрё2)/(4 Е1 соБ2фок).
Общее приращение длины баллона составляет
АЬ0 = АЬ + 2АЬдн.
Результаты расчетов, проведенных на ЭВМ , представлены ниже
B11 =4920.08; B22 =6589.8; B12 =2902.78; B33= 131.27;
Ex = 1685.8; Ey= 2257.95; Gxy = 60.77; hxy = 0.589; hyx = 0.44;
ex = 8.661 10"3; ey =7.671 10-3;
S1k =33.26; S1s =14.3;
Ad=0.812 ; AL0 =0.156.
Запасы прочности в рассматриваемой конструкции при давлении 300 бар составляют n k = 100/33.26 = 3.0; n s = 100/ 14.3 = 6.99.
Общий запас прочности по отношению к рабочему давлению 300 бар составляет 4,2.
В табл. 2 приведены результаты сопоставления характеристик баллонов, изготовленных по методике, предложенной российской фирмой ЗАО «Сафит», с лучшими зарубежными аналогами. Как видно из таблицы, предлагаемые баллоны превосходят зарубежные аналоги по всем показателям.
Таблица 2
V3 3 дм Р раб МПа Масса, кг и удельный вес баллонов производства
ЗАО «САФИТ» m /V Зарубежные производители m /V
45 23,0 10 0,22 18 EDO 15,6 NASA 20 Dynetek 0,40 0,35 0,45
60 23,0 15 0,25 19,2 EDO 24 Lincoln Composites 22 Dynetek 0,32 0,40 0,37
20 32,0 6,2 0,31
6,8 30,0 2,2 0,32 3,8 Luxfer 3,8 SCI 3,6 MCS 0,56 0,56 0,53
2,0 30,0 0,95 0,47 1,6 Luxfer 1,6 SCI 0,8 0,8
Примечание: в скобках указаны значения предела текучести
ЛИТЕРАТУРА
1. Устинов В.А., Бейдер Э.Я. Сб.: Технология. Серия «Конструкции из композитных материалов». - М.: ВНИИМИ, 1991.
THE WORK ANALYSES TECHNICAL CHARACTERISTICS OF DIFFERENT TYPES OF HIGH-PRESSURE CYLINDERS USED IN AIRLINERS AND AIR SERVICES OF THE CIVIL AVIATION
Lebedev I.K.
The advantage of using metal-composite cylinders with steel sealing liner and carbon-epoxy load-bearing shell is shown. A procedure for design of these cylinders is presented, and their parameters are compared with foreign counterparts.
Сведения об авторе
Лебедев Игорь Константинович, 1972 г.р., окончил МАТИ (1994), генеральный директор ЗАО «Сафит», автор 8 научных работ, область научных интересов - проектирование и эксплуатация элементов летательных аппаратов из композиционных материалов.
