Тороидальный баллон¶
Тороидальный баллон — герметичная ёмкость в форме тора (кольца), предназначенная для хранения и транспортировки газов под давлением. Благодаря замкнутой кольцевой геометрии баллон равномерно распределяет внутреннее давление по стенкам, что позволяет снизить толщину металла и массу изделия по сравнению с цилиндрическими сосудами того же объёма. Тороидальные баллоны широко применяются в качестве топливных баков газобаллонного оборудования автомобилей, в аквалангах и подводных аппаратах, в космической технике и промышленности.
¶Устройство и принцип работы
Тор — геометрическая фигура, образованная вращением окружности вокруг оси, лежащей в её плоскости. Тороидальный баллон представляет собой полое кольцо с круглым сечением, сваренное из двух полуторов или отштампованное из листового металла. Внутренняя полость заполняется газом под давлением — как правило, от 150 до 200 бар для бытовых применений и до 300 бар и выше для технических.
Ключевое преимущество кольцевой формы — равномерное распределение напряжений. В цилиндрическом баллоне максимальная нагрузка приходится на боковые стенки, а торцевые днища приходится выполнять толстыми или сферическими. В тороидальной конструкции стенка работает преимущественно на растяжение по всем направлениям, что позволяет уменьшить толщину металла при сохранении прочности.
Герметизация обеспечивается сварными швами по внешнему и внутреннему диаметрам кольца. Заправка и отбор газа производятся через один или несколько вентилей (клапанов), установленных в специальные гнёзда на поверхности тора. В автомобильных баллонах дополнительно монтируются датчики уровня газа, электромагнитные клапаны и предохранительные устройства.
¶Материалы и изготовление
Основные материалы — сталь, алюминиевые сплавы и композитные материалы.
| Материал | Преимущества | Недостатки |
|---|---|---|
| Сталь (хромомолибденовые сплавы) | Прочность, доступная цена, ремонтопригодность | Большой вес, подверженность коррозии |
| Алюминий (сплавы 6061, 7075) | Малый вес, коррозионная стойкость | Высокая цена, сложность сварки |
| Композит (стеклопластик, углепластик) | Минимальная масса, инертность | Хрупкость при ударах, высокая стоимость |
Стальные тороидальные баллоны изготавливают штамповкой из листовой стали с последующей сваркой полуторов. Алюминиевые — методом штамповки или центробежного литья. Композитные баллоны производят намоткой пропитанных смолой волокон на сменный сердечник.
Все изделия подлежат обязательной сертификации и периодическому освидетельствованию: стальные баллоны — как правило, каждые 5 лет, алюминиевые — каждые 10 лет.
¶Применение
¶Автомобильное газобаллонное оборудование
Наиболее массовое применение — тороидальные баллоны ГБО (газобаллонного оборудования) для автомобилей. Кольцевая форма позволяет разместить бак в нише под запасным колесом в багажнике, не занимая полезного объёма. Стандартные объёмы — от 42 до 105 литров; наиболее популярны баллоны 50–70 л. Заправляются сжиженным нефтяным газом (пропан-бутаном) или сжатым природным газом (метаном) — в зависимости от давления и материала баллона.
¶Подводная техника
Тороидальные баллоны используются в аквалангах и подводных аппаратах: кольцевая форма удобна для крепления на спине дайвера и обеспечивает компактность. В спортивном дайвинге применяются стальные и алюминиевые баллоны объёмом 10–30 л.
¶Космос и авиация
В ракетной и космической технике тороидальные баллоны служат резервуарами для хранения компонентов топлива и газов высокого давления. Так, в топливной системе ракеты «Союз» используются тороидальные баки. В авиации кольцевые баки применяются в обводных конструкциях фюзеляжа.
¶Промышленность
Тороидальные резервуары используются для хранение сжатых газов (азота, кислорода, водорода, гелия) на промышленных предприятиях, в медицинских кислородных системах, в газовых накопителях для энергетики.
¶Преимущества и ограничения
К достоинствам тороидальных баллонов относятся:
- компактность при заданном объёме;
- равномерное распределение нагрузки на стенки;
- возможность размещения в нишах и полостях конструкций;
- низкий центр тяжести при размещении кольцом.
Ограничения:
- сложность изготовления и, как следствие, более высокая цена по сравнению с цилиндрическими баллонами;
- затруднённый доступ к вентилю при определённых способах установки;
- сложность внутренней дефектации и очистки;
- необходимость строгого соблюдения допустимых условий эксплуатации — перегрев и превышение давления опасны разрушением.
¶Нормативное регулирование
В России производство и эксплуатация баллонов под давлением регулируются техническими регламентами ТР ТС 032/2013 «О безопасности оборудования, работающего под избыточным давлением» и рядом отраслевых стандартов (ГОСТ). Каждый баллон снабжается клеймением с указанием объёма, рабочего давления, даты изготовления и сроков освидетельствования.
Источники:
- ГОСТ 34347-2017. Сосуды стальные сварные. Общие технические условия
- ТР ТС 032/2013 «О безопасности оборудования, работающего под избыточным давлением»
- Справочник по газобаллонному оборудованию автомобилей
- Материалы производителей тороидальных баллонов («Ликогаз», «Балтэкс», «Незаметный баллон»)