ANALIZA KONSTRUKCJI KRÓĆCA WYJŚCIOWEGO BUTLI KOMPOZYTOWYCH TYPU 4 NOWEJ GENERACJI

Transkrypt

1 Wojciech BŁAŻEJEWSKI, Piotr KRYSIAK, Radosław RYBCZYNSKI Politechniki Wrocławskiej Instytut Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej wojciech.blazejewski@pwr.wroc.pl ANALIZA KONSTRUKCJI KRÓĆCA WYJŚCIOWEGO BUTLI KOMPOZYTOWYCH TYPU 4 NOWEJ GENERACJI Streszczenie. W pracy przedstawiono trzy warianty konstrukcji króćców wyjściowych butli kompozytowej określanej w literaturze przedmiotu jako:,,typ 4 nowej generacji. Przedstawione konstrukcje są autorskie i nie chronione prawem patentowym. Na podstawie trzech wariantów konstrukcji omówiono ich wady i zalety. Wskazano również kierunki zmian w celu uzyskania oryginalnej konstrukcji. Króciec jest metalowy zatopiony lub przyklejony do linera wykonanego z tworzywa termoplastycznego a całość jest wzmocniona kompozytowym materiałem włóknistym naniesionym techniką nawijania. ANALYSIS OF CONSTRUCTION OUTPUT NOZZLES OF COMPOSITE VESSEL TYPE 4 NEW GENERATION Summary. The paper presents three options for the construction output nozzles of composite vessel, described in the literature as type 4 new generation. The presented designs are not protected by copyright and patent law. Based on the three design options presented are their advantages and disadvantages. In the paper showing the directions of change in order to obtain the original construction of output nozzles. Nozzle is made of metal embedded or glued to a liner made of thermoplastic material reinforced by filament winding method.

2 Analiza konstrukcji króćca wyjściowego WSTĘP Obecnie można zauważyć wyraźną dynamikę rozwoju elementów maszyn wykonanych z materiałów kompozytowych łączonych z innymi materiałami, takimi jak: stal, tworzywa termoplastyczne, itd. Dużą przestrzeń tych zagadnień, zajmują konstrukcje służące do magazynowania cieczy i gazów. Spektakularnym przykładem jest lekki, wysokowytrzymały zbiornik sprężonego gazu ziemnego (CNG) i wodorowy, w którym ciśnienia niszczące wynoszą ok barów [1]. Duża popularność tych zbiorników jest głównie związana ze znaczną redukcją masy zbiornika nawet czterokrotnie w porównaniu do zbiorników stalowych. Warto dodać, że zbiorniki kompozytowe przeznaczone do magazynowania paliwa CNG oraz wodoru w pojazdach są obarczone najwyższymi wymaganiami w zakresie badań wytrzymałościowych dotyczących zbiorników [2]. Głównie chodzi o wysokie ciśnienia badań cyklicznych sięgające 900 bar, duże skoki temperatury podczas tankowania oraz opróżniania zbiornika, wahające się w zakresie nawet ºC, itp. W pracy przedstawiono zagadnienia związane z budową zbiornika kompozytowego typu 4 nowej generacji. Ten typ butli jest rozwiązaniem przyszłości jako zbiorniki sprężonego paliwa gazowego w pojazdach. Praca dotyczy analizy zaproponowanych rozwiązań konstrukcyjnych króćca wyjściowego w zbiorniku typ 4 nowej generacji. Jak przedstawiono na poniższych rysunkach, króciec stanowi tzw. zapraska metalowa związana szczelnie z linerem, w którą wkręcany jest zawór. Metalowa zapraska musi współpracować z innymi skrajnie różniącymi się materiałami, a mianowicie tworzywem termoplastycznym (najczęściej polipropylen, polietylen, poliamid, itp.) i polimerowym kompozytem włóknistym (głównie włókno węglowe i żywica epoksydowa). W pracy przedstawiono trzy rozwiązania konstrukcyjne, które szczegółowo omówiono, wskazano ich wady i zalety, które mogą być ważną wskazówką dla konstruktorów nowych rozwiązań butli typu 4 nowej generacji. Należy także wspomnieć o nowych tendencjach konstrukcyjnych króćców wyjściowych, związanych z oszczędnością wolnej przestrzeni w pojazdach. Chodzi tutaj o skrócenie króćca wyjściowego, lub schowanie całego zaworu do wnętrza butli lub wyprowadzenie króćca z boku butli (dennicy), itd. W efekcie końcowym dąży się do tego, aby butla o jak największej objętości wypełniła istniejącą przestrzeń w pojeździe. Jeszcze innym rozwiązaniem z tego obszaru jest zmiana kształtu zbiorników i spajania ich w pakiety, lub stosowanie kilku zbiorników o mniejszej pojemności połączonych ze sobą, np. w samochodzie Fiat grande punto, jedna z propozycji wykorzystuje 14 sztuk butli o trzech różnych objętościach.

3 36 W. Błażejewski, P. Krysiak, R. Rybczyński 2. PROPONOWANE KONSTRUKCJE KRÓĆCÓW Zbiorniki wysokociśnieniowe należą do specyficznej grypy elementów, z których każda konstrukcja jest opatentowana. Dlatego dokonano przeglądu ponad dwudziestu różnych rozwiązań patentowych [3] a po ich analizie zaproponowano rozwiązania autorskie Koncepcja nr 1 W rozwiązaniu pierwszym zamodelowano króciec jako jednoczęściowy, na stałe połączony z linerem (rys. 1). W tej technologii dennica wytwarzana jest poprzez wtrysk tworzywa do formy. Przed procesem wtrysku we wnętrzu formy umieszcza się przygotowany wcześniej króciec - zapraskę. Drugim etapem wytwarzania linera jest łączenie części cylindrycznych wykorzystując takie techniki jak zgrzewanie, klejenie, itp. Króciec ze względu na skomplikowany kształt geometryczny stanowi osobny problem technologiczny, który nie będzie tutaj poruszany. Rys.1. Połączenie króćca ze zbiornikiem wg koncepcji nr 1 Fig.1. The combination of nozzle to the tank by the concept of No 1

4 Analiza konstrukcji króćca wyjściowego Rys.2. Połączenie króćca ze zbiornikiem wg koncepcji nr 2 Fig.2. The combination of nozzle to the tank by the concept of No 2 Rys.3. Połączenie króćca ze zbiornikiem wg koncepcji nr 3 Fig.3. The combination of nozzle to the tank by the concept of No 3 Na całym obwodzie tarczy zapraski zaprojektowano otwory o średnicy ok. 6 mm, przy czym ich rozmieszczenie jest tak zaprojektowane, aby pokrywały całą powierzchnię króćca. Powstaje coś w rodzaju połączenia nitowego. Kolejnym charakterystycznym elementem w konstrukcji króćca są specjalnie wykonane obwodowo podcięcia. Ich zadaniem jest dobre zespolenie króćca z linerem w czasie pracy zbiornika. Dzięki zastosowanym podcięciom oba elementy będą mogły pracować razem. Występujący skurcz materiału termoplastycznego powoduje zaciśniecie się na materiale zapraski i uszczelnienie. Przygotowanie powierzchni zapraski w celu połączenia metal-termoplast to dalsze rozwiązanie technologiczne. Zapraska może byś wstępnie przygotowana przy wykorzystaniu np. metody fluidyzacji.

5 38 W. Błażejewski, P. Krysiak, R. Rybczyński 2.2. Koncepcja nr 2 W rozwiązaniu drugim zamodelowano króciec jako jednoczęściowy, połączony z linerem rozłącznie poprzez połączenie gwintowe (rys. 2). W tym rozwiązaniu podobnie jak w poprzednim dennica wytwarzana jest za pomocą wtrysku a następnie zgrzewania, klejenia, itp., chyba że znajdzie się inny sposób włożenia od środka króćca wyjściowego z kołnierzem. Pomiędzy elementami zastosowano również uszczelnienie typu o-ring. W ten sposób powstaje trwałe i szczelne połączenie obu współpracujących elementów. Na części walcowej króćca wykonano rowki pod uszczelnienie. Na powierzchni zewnętrznej oraz wewnętrznej wykonano gwint. Gwint zewnętrzny służy do połączenia z nakrętką a następnie zaciśnięcia króćca w linerze termoplastycznym. Tu należy także przewidzieć zaczepy zabezpieczające króciec przed obróceniem się w czasie dokręcania zaworu. Gwint wewnętrzny służy do połączenia z elementami instalacji zbiornika Koncepcja nr 3 Zamodelowano króciec jako dwuczęściowy (rys. 3). Wewnętrzna część króćca, w której umieszczono uszczelnienie typu ring. W tym rozwiązaniu liner może być wykonany jako bryła jednoczęściowa np. metodą formowania (spiekania) rotacyjnego, rozdmuchu itp. Druga część króćca (zewnętrzna), której zadaniem jest dociśnięcie i utrzymywanie w stałej pozycji części wewnętrznej, jest bezpośrednio połączona z gwintem naciętym na szyjce linera. Element ten posiada również wywinięty kołnierz z wybraniami, uniemożliwiającymi wzajemny obrót w czasie dokręcania zaworu. Element ten dociska oplot kompozytowy naniesiony techniką nawijania. 3. DYSKUSJA PROPONOWANYCH KONSTRUKCJI 3.1 Rozwiązanie pierwsze cechuje się konstrukcją złożoną z linera, jednoczęściowego króćca oraz warstwy kompozytowej. W tym rozwiązaniu dennica linera jest połączona nierozłącznie z króćcem podczas procesu wtrysku. Do zalet takiego rozwiązania można zaliczyć prostotę konstrukcji oraz możliwość połączenia współpracujących elementów w jednej operacji, jednak tu występuje jeszcze łączenie dwóch części linera otrzymanych metodą wtrysku. Można doszukiwać się również pewnych wad np. możliwość rozwarstwiania się linera, pod wpływem dużego obciążenia na styku tych materiałów. Jest to szczególnie ważne przy wykonywaniu wtrysku, ponieważ tworzywo termoplastyczne charakteryzuje się znacznym skurczem termicznym, który może przyczynić

6 Analiza konstrukcji króćca wyjściowego się do powstawania pęknięć oraz lokalnych naprężeń własnych materiału. W celu minimalizacji tego efektu należy zoptymalizować konstrukcję zapraski w celu minimalizacji konsekwencji wynikających ze skurczu materiału termoplastycznego. Wykonane otwory w zaprasce powinny być mocno fazowane a ogólna konstrukcja zapraski nie może sprzyjać powstawaniu koncentracji naprężeń w materiale linera. W tego typu konstrukcjach dobrze sprawdzają się połączenia z uszczelnieniami typu o-ring. Są one podatne na wszelkiego typu zmiany termiczne i wynikające z nich niedokładności i przemieszczenia. Dokładnej oceny można dokonać w czasie badań np. cyklicznego obciążenia w niskich i wysokich temperaturach według np. [4, 5]. 3.2 Rozwiązanie drugie cechuje się konstrukcją złożoną z linera, jednoczęściowego króćca oraz warstwy kompozytowej. W tym rozwiązaniu dennica linera połączona jest z króćcem rozłącznie połączeniem śrubowym. W rozwiązaniu tym może wystąpić rozszczelnienie przy dużych odkształceniach linera. Newralgicznym punktem jest również powierzchnia styku króćca z kołnierzem linera. Mogą tam wystąpić bardzo duże naciski powierzchniowe po przyłożeniu znacznego ciśnienia. Innym ważnym elementem konstrukcyjnym jest możliwość uchwycenia zapraski kluczem płaskim zwykłym. Z tym jest też związana wytrzymałość zamocowania zapraski określona dopuszczalnym momentem dokręcania zaworu. Jest to wymóg określony w przedmiotowych standardach np. [4, 5]. Inny wymóg to odporność na zrzuty z wysokości 2m na króciec wyjściowy. Rozwiązanie zawiera także zbyt dużo materiału linera przy króćcu, w którym mogą powstawać znaczne naprężenia własne. 3.3 Rozwiązanie trzecie cechuje się konstrukcją złożoną z linera, dwuczęściowego króćca oraz warstwy kompozytowej. W tym rozwiązaniu liner wykonany jest w całości np. metodą formowania rotacyjnego, rozdmuchu, itp., natomiast króciec zakładany jest z zewnątrz na szyjkę linera a następnie dociskany warstwą kompozytu. Niewątpliwą zaletą w tym rozwiązaniu jest możliwość wykonania jednoczęściowego linera i montaż układu od zewnątrz. Natomiast wątpliwości może budzić dobre utrzymanie zewnętrznej części króćca przez warstwę kompozytu nośnego. Sugeruje się także połączenie tzw. zamkowe pomiędzy częściami metalowymi, ze względu na lepsze możliwości uszczelnienia zaworu z zapraską wewnętrzną. We wszystkich trzech propozycjach nie uwzględniono na króćcu wyjściowym naddatku niezbędnego w celu przyłożenia klucza płaskiego przy wkręcaniu zaworu. Ważnym aspektem jest występowanie znacznej masy kompozytu przy króćcu. Wynika to ze względów technologicznych nanoszenia oplotu techniką nawijania. Wiele firm stosuje kołnierze ograniczające w czasie nawijania, jednak praca mocno upakowanych

7 40 W. Błażejewski, P. Krysiak, R. Rybczyński (sprasowanych) włókien na dennicy powoduje powstawanie w materiale kompozytowym znacznej liczby rozwijających się pęknięć. 4. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Przedstawione w pracy aspekty konstrukcyjne mogą być przydatne także w innych elementach, w których występuje konieczność współpracy trzech zupełnie innych materiałów w ekstremalnych warunkach, np. aparatura chemiczna, elementy silników spalinowych, chłodnictwo, itp. W czasie projektowania rozwiązania konstrukcyjnego króćca muszą być prowadzone równolegle badania doświadczalne. Ta praktyczna weryfikacja jest najważniejszym kryterium wyboru rozwiązania. Należy dodać, że w czasie ubiegania się o zaliczenie badań tzw. homologacyjnych, czyli ubieganie się producenta butli o certyfikaty i pozwolenia na użytkowanie konstrukcji, przeprowadzone symulacje i obliczenia nie są honorowane. Jedyne znaczenie mają wyniki forsownych badań laboratoryjnych. Omówione propozycje konstrukcji po obszernej analizie mogą wnieść istotny wkład do próby wykonania modelu wysokociśnieniowego zbiornika na paliwa gazowe. BIBLIOGRAFIA 1. Kaleta J., Błażejewski W., Gąsior P., Metodyka i przykłady badań zmęczeniowych wysokociśnieniowych butli kompozytowych na paliwa gazowe, Wrocław, Błażejewski W., Gąsior P., Kaleta J., Rybczyński R., Wyznaczanie odkształcenia resztkowego oraz próba karbu w kompozytowych zbiornikach wysokociśnieniowych, Mechanika czasopismo techniczne, Wydawnictwo PK, Zeszyt 3, Kraków, Przeanalizowane zgłoszenia patentowe: US , US , US , US , US , US , US , US , US , US , US , US , US , US , US , US , US , US , US , US , US , US PN-EN ISO 11439:2003 Wysokociśnieniowe butle do gazu ziemnego stosowane jako zbiorniki paliwa pojazdów samochodowych Draft ECE Compressed Gaseous Hydrogen Regulation, Revision 12b.