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CN114777009B - 一种真空双层液氢球罐内外支柱活连接的支撑结构 - Google Patents

一种真空双层液氢球罐内外支柱活连接的支撑结构 Download PDF

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Abstract

一种大型真空双层液氢球罐内外支柱活连接的支撑结构，包括内支柱和外支撑结构组成的支撑结构，球状内罐通过内支柱支撑悬空于外罐空腔，内支柱连接在外支撑结构上，外支撑结构支撑外罐及球状内罐，相邻的外支撑结构之间连接拉杆；在球状内罐、外罐上设置有若干组支撑结构，每组支撑结构由一个内支柱和一个外支撑结构构成，内支柱包括半圆顶盖、内上支柱、内下支柱及上下连接结构，半圆顶盖连接在内上支柱顶部，内上支柱和内下支柱通过上下连接结构连接；内下支柱采用双套管结构，内下支柱内管、内下支柱外管和外支撑结构通过连接轴连接；本发明增加了支撑结构的自由度，提高了大型液氢球罐的绝热性能和热胀冷缩变形的抵抗力。

Description

一种真空双层液氢球罐内外支柱活连接的支撑结构
技术领域
本发明涉及大规模液氢储存技术领域，具体涉及一种真空双层液氢球罐内外支柱活连接的支撑结构。
背景技术
对于我国而言，大型液氢真空多层绝热球罐研制仍处于探索阶段，与常规液体单球罐相比，液氢双层球罐具有大温差保温隔热的显著要求，因此为了降低液氢蒸发率，液氢球罐通常采用带隔热材料的真空双层球罐结构，双层球罐与地面之间的连接即成为最核心的关键技术之一。
对于大型液氢球罐而言，支撑结构不仅需要具有高稳定性，且尚需具有良好的绝热性能,具体的支撑结构形式鲜有公开报道。先设定支撑结构由内支柱和外支柱组成，其中内支柱起支撑内罐的作用，外支柱起支撑外罐的作用。通过理论计算分析，外界通过内支柱的漏热量往往会超过液氢储罐罐体总体漏热量的30％，所以如何有效降低支撑结构的漏热量是真空双层液氢球罐研制过程中亟待解决的关键问题之一。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种真空双层液氢球罐内外支柱活连接的支撑结构，增加了支撑结构的自由度，提高了抗外载荷的能力；显著降低从支撑结构漏入球罐内的热量，从而极大提高了大型液氢球罐的绝热性能。
为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种大型真空双层液氢球罐内外支柱活连接的的支撑结构，包括内支柱3、外支撑结构4组成的支撑结构，球状内罐1通过内支柱3支撑悬空于外罐2空腔中，内支柱3连接在外支撑结构4上，外支撑结构4支撑外罐2及球状内罐1，相邻的外支撑结构4之间连接有拉杆5；内罐1和外罐2夹层之间填充隔热材料并抽真空进行绝热；
在球状内罐1、外罐2上设置有若干组支撑结构，每组支撑结构由一个内支柱3和一个外支撑结构4构成，内支柱3包括半圆顶盖31、内上支柱32、内下支柱33及上下连接结构，半圆顶盖31连接在内上支柱32顶部，内上支柱32和内下支柱33通过上下连接结构连接。
所述的外支撑结构4包括外支柱42和外壁托板41，在外支柱42顶部设置有与外罐2的外壁轮廓匹配的外壁托板41，外支柱42顶部通过外壁托板41固定连接于外罐2的外壁上。
所述的内下支柱33采用双套管结构，由内到外依次为内下支柱内管332和内下支柱外管331，内上支柱32下部通过上下连接结构与内下支柱外管331连接，上下连接结构中间安装隔热材料7进行绝热，并通过法兰8将内上支柱32和内下支柱外管331连接；内下支柱内管332、内下支柱外管331上部和下部均有圆形贯穿孔，外支柱42在同一高度处也设计有上部贯穿孔，内下支柱内管332与外支柱42通过横贯上部贯穿孔的上连接轴9连接，内下支柱外管331与内下支柱内管332通过横贯下部贯穿孔的下连接轴10连接。
所述的内下支柱33不限于双套管结构，视具体的实际工况而定，采用更多套管组合形式。
相邻两个外支撑结构4之间错位交叉布置两根拉杆5，两根拉杆5无相交部位，拉杆5两端与耳板52连接，耳板52与外支柱42连接。
所述的外支柱42与球罐底座12连接，球罐底座12与硬化地面固定。
所述的外支柱42、外壁托板41、拉杆5、耳板52与外罐2采用强度高的低合金钢；内上支柱32采用与球状内罐1相同的材料，选用奥氏体不锈钢；内下支柱33及上连接轴9、下连接轴10具有高的强度，内下支柱内管332、内下支柱外管331均选用强度高的低合金钢；上下连接结构中的隔热材料7选用导热系数低的复合材料。
所述的内上支柱32上部与球状内罐1采用赤道正切直接连接的方式，采用直接连接、托板连接和直圆柱型连接。
多组支撑结构相对于球状内罐1的竖向中心轴线呈旋转对称分布。
穿过内支柱3半圆顶盖31底部的水平面与穿过球状内罐1中心的水平面均处于同一水平面上。
本发明的有益效果：
本发明在确保球罐结构强度、稳定性与实施操作简单性的前提条件下，将内支柱设计为半圆顶盖、内上支柱、内下支柱及上下连接结构四部分组件，内下支柱由传统单管结构创新的设计为双套管结构，并将支撑点设计在外支柱上；通过内下支柱双套管结构和上下支柱隔热连接结构共同作用，极大延长了支撑结构的导热路径，增加了支撑结构的导热热阻，显著降低了通过支撑结构进入内罐的导热量，从而提高了液氢球罐整体的绝热性能；同时，内支柱支撑点设置在外支柱上并以轴连接，增加了内罐的自由度，提高了液氢球罐整体抗外载荷的能力和热胀冷缩造成的变形抵消能力。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明外支柱及拉杆的局部示意图。
图3为本发明内、外支撑结构的局部示意图。
图4为图3中A处放大图。
图5为图3中B处放大图。
图6为图3中C处放大图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细描述。
参照图1、图2所示，一种大型真空双层液氢球罐内外支柱活连接的支撑结构，包括由内支柱3和外支撑结构4组成的支撑结构，球状内罐1通过内支柱3支撑悬空于外罐2空腔中，球状内罐1和外罐2之间填充绝热材料并抽成真空状态以起绝热作用；绝热材料采用多层隔热材料或珠光砂；内支柱3连接在外支撑结构4上，外支撑结构4支撑外罐2及球状内罐1，相邻的外支撑结构4之间连接有拉杆5；
在球状内罐1、外罐2上设置有若干组支撑结构，每组支撑结构由一个内支柱3和一个外支撑结构4构成，参照图3、图4、图5，内支柱3包括半圆顶盖31、内上支柱32、内下支柱33及上下连接结构，半圆顶盖31连接在内上支柱32顶部，内上支柱32和内下支柱33通过上下连接结构连接。
参照图4，所述的外支撑结构4包括外支柱42和外壁托板41，外支柱42起支撑外罐2及球状内罐1的作用，在外支柱42顶部设置有与外罐2的外壁轮廓匹配的外壁托板41，外支柱42顶部通过外壁托板41固定连接于外罐2的外壁上，外壁托板41与外罐2、外支柱42均通过焊接方式固定在一起。
如图3、图4、图5、图6所示，所述的内下支柱33采用双套管结构，由内到外依次为内下支柱内管332和内下支柱外管331，内上支柱32下部通过上下连接结构与内下支柱外管331连接，上下连接结构中间安装隔热材料7进行绝热，并通过法兰8、第一螺栓6将内上支柱32和内下支柱外管331连接；内下支柱内管332、内下支柱外管331上部和下部均有圆形贯穿孔，外支柱42在同一高度处也设计有上部贯穿孔，内下支柱内管332与外支柱42通过横贯上部贯穿孔的上连接轴9连接，内下支柱外管331与内下支柱内管332通过横贯下部贯穿孔的下连接轴10连接。
如图2及图4所示，相邻两个外支撑结构4之间错位交叉布置两根拉杆5，两根拉杆5无相交部位，拉杆5两端通过第二螺栓51与耳板52连接，耳板52与外支柱42采用焊接方式连接。
参照图6，所述的外支柱42通过焊接或螺栓连接的方式与球罐底座12连接，球罐底座12通过第三螺栓11与硬化地面固定。
所述的外支柱42、外壁托板41、拉杆5、第二螺栓51、耳板52与外罐2采用强度高的低合金钢；内上支柱32采用与球状内罐1相同的材料，要求耐低温，选用奥氏体不锈钢；内下支柱33及上连接轴9、下连接轴10主要起支撑作用，要求具有高的强度，内下支柱内管332、内下支柱外管331均选用强度高的低合金钢；上下连接结构中的隔热材料7选用导热系数低的复合材料，如玻璃钢等。
如图1及图4所示，所述的内上支柱32上部与球状内罐1采用赤道正切直接连接的方式，采用直接连接、托板连接和直圆柱型连接，直接连接和直圆柱连接受力情况较好，以上几种连接方式均采用焊接完成。
多组支撑结构相对于球状内罐1的竖向中心轴线呈旋转对称分布，支撑结构设置的数量越多，球状内罐1会越稳定，抵抗极端气候条件的能力越强，但也会导致从外界漏入球状内罐1的热量增多，计算表明选用多根支柱能满足球状内罐1的稳定性要求。
如图1及图2所示，穿过内支柱3半圆顶盖31底部的水平面与穿过球状内罐1中心的水平面均处于同一水平面上。
首先在确保结构强度、稳定性与实施操作简单性的前提条件下，内下支柱33设计成双套管结构，该种结构极大延长了支撑结构的导热路径，增加了支撑结构的导热热阻，显著降低了通过支撑结构进入球状内罐1的导热量；同时，内支柱3处于多层绝热高真空环境内，有效降低了支撑结构的对流传热和辐射传热，从而提高了液氢球罐整体的绝热性能，这种结构支撑点设计在外支柱上并通过轴连接，增加了球状内罐1的自由度，更容易适应球状内罐1热胀冷缩效应以及外载荷的抵抗能力。
以上实施事例只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述事例限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种大型真空双层液氢球罐内外支柱活连接的支撑结构，包括由内支柱(3)和外支撑结构(4)组成的支撑结构，其特征在于：球状内罐(1)通过内支柱(3)支撑悬空于外罐(2)空腔中，内支柱(3)连接在外支撑结构(4)上，外支撑结构(4)支撑外罐(2)及球状内罐(1)，球状内罐(1)和外罐(2)夹层之间填充隔热材料并抽真空进行绝热；相邻的外支撑结构(4)之间连接有拉杆(5)；
在球状内罐(1)、外罐(2)上设置有若干组支撑结构，每组支撑结构由一个内支柱(3)和一个外支撑结构(4)构成，内支柱(3)包括半圆顶盖(31)、内上支柱(32)、内下支柱(33)及上下连接结构，半圆顶盖(31)连接在内上支柱(32)顶部，内上支柱(32)和内下支柱(33)通过上下连接结构连接；
所述的外支撑结构(4)包括外支柱(42)和外壁托板(41)，在外支柱(42)顶部设置有与外罐(2)的外壁轮廓匹配的外壁托板(41)，外支柱(42)顶部通过外壁托板(41)固定连接于外罐(2)的外壁上；
所述的内下支柱(33)采用双套管结构，由内到外依次为内下支柱内管(332)和内下支柱外管(331)，内上支柱(32)下部通过上下连接结构与内下支柱外管(331)连接，上下连接结构中间安装隔热材料(7)进行绝热，并通过法兰(8)将内上支柱(32)和内下支柱外管(331)连接；内下支柱内管(332)、内下支柱外管(331)上部和下部均有圆形贯穿孔，外支柱(42)在同一高度处也设计有上部贯穿孔，内下支柱内管(332)与外支柱(42)通过横贯上部贯穿孔的上连接轴(9)连接，内下支柱外管(331)与内下支柱内管(332)通过横贯下部贯穿孔的下连接轴(10)连接。
2.根据权利要求1所述的一种大型真空双层液氢球罐内外支柱活连接的支撑结构，其特征在于：内下支柱(33)不限于两根套管，内上支柱(32)也不限于单根套管，套管数量视具体工况而定。
3.根据权利要求1所述的一种大型真空双层液氢球罐内外支柱活连接的支撑结构，其特征在于：相邻两个外支撑结构(4)之间错位交叉布置两根拉杆(5)，两根拉杆(5)无相交部位，拉杆(5)两端与耳板(52)连接，耳板(52)与外支柱(42)连接。
4.根据权利要求1所述的一种大型真空双层液氢球罐内外支柱活连接的支撑结构，其特征在于：所述的外支柱(42)与球罐底座(12)连接，球罐底座(12)与硬化地面固定。
5.根据权利要求3所述的一种大型真空双层液氢球罐内外支柱活连接的支撑结构，其特征在于：所述的外支柱(42)、外壁托板(41)、拉杆(5)、耳板(52)与外罐(2)采用强度高的低合金钢；内上支柱(32)采用与球状内罐(1)相同的材料，选用奥氏体不锈钢；内下支柱(33)及上连接轴(9)、下连接轴(10)具有高的强度，内下支柱内管(332)、内下支柱外管(331)均选用强度高的低合金钢；上下连接结构中的隔热材料(7)选用导热系数低的复合材料。
6.根据权利要求1所述的一种大型真空双层液氢球罐内外支柱活连接的支撑结构，其特征在于：所述的内上支柱(32)上部与球状内罐(1)采用赤道正切直接连接的方式，采用直接连接、托板连接或直圆柱型连接。
7.根据权利要求1所述的一种大型真空双层液氢球罐内外支柱活连接的支撑结构，其特征在于：多组支撑结构相对于球状内罐(1)的竖向中心轴线呈旋转对称分布。
8.根据权利要求1所述的一种大型真空双层液氢球罐内外支柱活连接的支撑结构，其特征在于：穿过内支柱(3)半圆顶盖(31)底部的水平面与穿过球状内罐(1)中心的水平面均处于同一水平面上。
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