ГЕНЕРАТОР ХОЛОДНОГО ЧИСТОГО АЗОТА
COLD PURE NITROGEN GENERATOR

Изобретение относится к автономным источникам сжатого газа, а именно к низкотемпературным генераторам чистого азота при сжигании пиротехнических зарядов, используемым для приведения в работу различных силовых приводов, для наддува полостей и агрегатов летательных аппаратов, силового автоматического привода шиберных заглушек в магистральных трубопроводах, наполнения газом эластичных оболочек (например, спасательных трапов, автомобильных подушек безопасности и т.п.).
Уровень данной области техники характеризует конструкция генератора холодного чистого азота по патенту RU 2154769 C1, F23R 5/00, 2000 г., который по технической сущности, назначению и числу совпадающий признаков является наиболее близким аналогом предложенному генератору.
Известный генератор холодного (до 60°С) чистого (99,9%) азота, основного составляющего газа атмосферного воздуха, содержит корпус, в котором продольно смонтированы сообщающиеся камера сгорания и фильтр-охладитель, наполненный мелкодисперсным (0,5-1,0 мм) теплоемким материалом - кварцевым песком.
В качестве твердого источника азота использована канальная пиротехническая шашка, летучим компонентом при горении которой является азот.
В корпусе соосно функциональной азотгенерирующей шашке установлен воспламенительный заряд, сообщающийся с пиропатроном.
Функциональная канальная шашка установлена на газопроницаемой перемычке, в которую упирается цилиндрическая пружина, силами упругости нагружающая продольно подвижную каретку, снабженную центральным сопловым отверстием с щелевым рассекателем.
Насыпной наполнитель заполняет объем фильтра-охладителя между газораспределительными решетками, изнутри покрытыми термостойкими сетками. Блок охлаждения в корпусе установлен через уплотнители, предотвращающие прорыв на выход горячего азота, минуя фильтр-охладитель.
Генерируемый при горении пиротехнической шашки азот последовательно через сопло, рассекатель и верхнюю распределительную решетку с сеткой поступает в блок охлаждения, где в насыпном наполнении оседает конденсированная фаза частиц химической реакции горения, а азот эффективно охлаждается за счет конвективной теплопередачи и аэродинамического торможения тонких его струй в лабиринтных каналах наполнения.
2
Однако недостатком известного генератора является то, что при больших расходах генерируемого азота выделяемый из азида натрий (металлический, в форме паров, конденсированной фазы) выносится в объем наполняющего охладитель песка, где происходит стеклование SiO. Сформированные стеклянные конгломераты резко ухудшают расчетную аэродинамику, в результате чего показатели очистки и охлаждения заметно снижаются, ограничивая потребительские качества генератора.
Кроме того, для гарантированного уплотнения спекающегося наполнения продольное перемещение каретки под действием нагружающей пружины должно происходить без перекосов, исключая заклинивание, что достигается специальными направляющими средствами, прецизионным изготовлением сопрягаемых деталей. Все перечисленное усложняет конструкцию и технологию изготовления генератора, что неприемлемо в серийном производстве из-за возросшей потребительской стоимости.
Отмеченные недостатки в большей степени скажутся при использовании высокотемпературной пиротехнической смеси в качестве твердого источника азота повышенного объема генерирования, используемого для получения кратно увеличенных расходных характеристик генератора в течение сокращенного промежутка времени импульсной его работы.
По технической сущности, числу совпадающих существенных признаков предложенный генератор холодного чистого азота по патенту RU 2347979 С2, F23R 5/00, 2006 г. выбран в качестве наиболее близкого аналога предложенному.
Известный генератор холодного чистого азота содержит смонтированные в корпусе пиропатрон, закрепленный в фокусирующей втулке, соосной воспламенительному заряду, азотгенерирующий заряд, выполненный в виде канальных шашек азотгенерирующего пиротехнического состава (функциональных) и установленный на поперечной перегородке камеры сгорания, и фильтр-охладитель, включающий насыпной наполнитель, представляющий собой чугунную дробь и помещенный между распределительными решетками, снабженными изнутри термостойкими сетками.
Особенностью известного генератора является то, что воспламенительный заряд выполнен в виде набора пиротехнических таблеток, чередующихся с инертными таблетками, заполняющего центральный перфорированный стакан, помещенный внутри каналов функциональных шашек и закрытый сгорающей крышкой, размещенной под фокусирующей шайбой соосного пиропатрона.
Пиротехнические таблетки воспламенительного заряда установлены на уровне перфораций центрального жаропрочного стакана, расположенных между торцами функциональных шашек, на уровне зазоров, сформированных разделительными «столбиками-цилиндрами» из твердого теплостойкого материала.
Между перфорированным стаканом воспламенителя и набором из чередующихся пиротехнических и инертных таблеток установлена сгорающая оболочка.
Расположенный коаксиально в корпусе столб функциональных шашек, на торцах которых установлены разделительные столбики-цилиндры, сверху, через шайбу посредством резьбовой гайки на хвостовике, прижат к подпятнику - поперечной перегородке, служащей дном центрального перфорированного стакана.
Для воспламенения азотгенерирующих шашек используются высокотемпературные (более 3000°С) пиротехнические составы воспламенительных таблеток, при сгорании которых образуется большое количество конденсированной фазы, переносимой газообразными продуктами горения к открытой поверхности функциональных шашек, инициируя их воспламенение.
Для улавливания в фильтре-охладителе налипающей на чугунные зерна высокотемпературной конденсированной фазы продуктов из газообразных продуктов сгорания, без заметного повышения при этом газодинамического сопротивления насыпного наполнителя, фильтрующий слой охладителя выполнен из крупных (2-4 мм) зерен чугунной дроби, ниже которого расположен плотный слой дроби охладителя фракционностью 0,5-1,5 мм.
Фильтр-охладитель ограничен по торцам газораспределительными решетками, снабженными изнутри термостойкими сетками, которые формируют распределенные струйные газовые потоки для эффективного их охлаждения и задерживают высокотемпературные конденсированные частички.
Недостатком известного генератора холодного чистого азота является его невысокая функциональная надежность из-за возможного и вероятного разрушения азотгенерирующих шашек при нерегулируемом их сжатии в сборке, когда твердые столбики-цилиндры неизбежно вдавливаются встречно с обоих торцов шашек, а также от перекрытия расчетного проходного сечения перфораций стакана продуктами термодинамической эрозии инертных шашек, затрудняющего доставку высокотемпературной конденсированной фазы к воспламеняемым поверхностям азотгенерирующих шашек.
На динамику воспламенения азотгенерирующих шашек негативно влияет время задержки в передаче термического импульса, затрачиваемое на сгорание крышки и оболочки воспламенителя, что ограничивает область использования генератора, в частности, в качестве источника рабочего тела подушек безопасности автомобилей.
Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является устранение отмеченных недостатков прототипа для повышения функциональной надежности и расширения области применения генератора холодного чистого азота.
Требуемый технический результат достигается тем, что в известном генераторе холодного чистого азота, содержащем смонтированные в корпусе пиропатрон, закрепленный в фокусирующей втулке, соосной воспламенительному заряду, азотгенерирующий заряд, выполненный в виде канальных шашек азотгенерирующего состава и установленный на поперечной перегородке камеры сгорания, и фильтр-охладитель, включающий насыпной наполнитель, представляющий собой чугунную дробь и помещенный между распределительными решетками, снабженными изнутри термостойкими сетками, согласно изобретению канальные шашки азотгенерирующего пиротехнического состава скреплены по торцам посредством дополнительных воспламенительных таблеток, воспламенительный заряд выполнен в виде шашек, продольно распределенных в центральном канале камеры сгорания и смонтированных на уровнях торцевых зазоров между канальными шашками азотгенерирующего пиротехнического состава, при этом поперечная перегородка камеры сгорания жестко связана с корпусом и оснащена соплом, перекрытым тарированной мембраной, а выход фильтра-охладителя имеет дросселирующее отверстие.
Отличительные признаки направлены на повышение основных показателей назначения генератора: усиление динамики генерирования азота повышенного объема, который при этом более эффективно охлаждается и очищается от примесей, то есть повышается функциональная надежность генератора простой технологичной конструкции.
Связь канальных шашек азотгенерирующего пиротехнического состава посредством дополнительных воспламенительных таблеток формирует блочную несущую конструкцию с автономным дублированным инициированием воспламенения и стабильного горения структурных элементов и азотгенерирующего заряда в целом, что обеспечивает функциональную надежность генератора при использовании по назначению.
Дополнительные воспламенительные таблетки приклеены к торцам примыкающих функциональных шашек, формируя монолитную сборочную единицу азотгенерирующего заряда, который приготавливается на пиротехническом производстве и технологично единым блоком устанавливается в корпус при серийной безопасной сборке генератора.
Дополнительные воспламенительные таблетки выполняют роль усилительного воспламенительного заряда, тепловой импульс которых локализован форсом из соосных перфораций стакана в торцевых зазорах между каждой парой примыкающих канальных шашек, что способствует активизации их воспламенения с образованием свода горения на обоих торцах.
При этом дополнительные воспламенительные заряды выполняют роль усилителей инициирующего импульса, выравнивая его тепловую энергию вдоль всего функционального заряда.
Выполнение азотгенерирующего заряда в виде набора канальных шашек азотгенерирующего пиротехнического состава, горящих одновременно с обоих торцов каждая, кратно повышает удельный газоприход, что необходимо для заданного быстродействия устройства по назначению.
Продольное распределение шашек воспламенительного заряда в центральном канале камеры сгорания обеспечивает параллельное воспламенение и горение структурных составляющих азотгенерирующего заряда, что формирует на выходе устройства устойчивый импульс давления азота, для динамичного наддува рабочей емкости.
Расположение воспламенительных шашек в центральном канале камеры сгорания на уровнях торцевых зазоров между канальными шашками азотгенерирующего пиротехнического состава обеспечивает радиальное распространение теплового импульса, формируемого при горении каждой из них, по щелевому направлению соосного зазора, где помещены дополнительные воспламенительные таблетки, чувствительные к тепловой энергии.
Жесткая связь с корпусом оснащенной соплом поперечной перегородки камеры сгорания стабилизирует рабочий объем последней и газодинамический режим горения функционального заряда.
Установленная в выходном сопле камеры сгорания мембрана перекрывает ее проходное сечение, что необходимо для выхода на расчетный газодинамический режим горения азотгенерирующего заряда и создания начального импульса давления рабочего тела, подаваемого на охлаждение, очистку и выход в наддуваемую емкость.
Чугунная дробь в качестве насыпного наполнителя фильтра-охладителя используется как конструкционный теплоемкий материал, который сохраняет исходную геометрию пространственной взаимосвязи упакованных частиц при нагреве до температуры реакционного азота и динамическом воздействии импульса давления газового потока из камеры сгорания.
Переменная фракционность чугунной дроби по высоте фильтра-охладителя обеспечивает возможность регулирования его технологических возможностей для преобладания разных качеств.
Вверху фильтра-охладителя, где размер частиц составляет 2-3 мм, при более спокойном течении азота, практически полностью оседает конденсированная фаза, которая адгезионно связывается с развитой поверхностью чугунной дроби.
Оснащение выхода фильтра-охладителя дросселирующим отверстием и перекрытие сопла камеры сгорания тарированной мембраной обеспечивают автоматическое регулирование расхода генерируемого азота в зависимости от изменения давления, чем стабилизируется газодинамический режим генератора и параметры наддува технологической емкости.
В результате стабилизации термодинамических режимов горения воспламенительного и азотгенерирующего зарядов, охлаждения и очистки газообразных продуктов горения на выходе генератора получают азот, как показали испытания его опытного образца, составляет 99,9% в рабочем теле, температура которого не превышает 50°С.
Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность в устойчивой взаимосвязи являются достаточными для достижения новизны качества, неприсущего признакам в разобщенности, то есть требуемый технический результат достигается не суммой эффектов, а новым сверхэффектом суммы признаков.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого изобретение явным образом не следует для специалиста по пиротехнике, показал, что оно неизвестно, а с учетом возможности промышленного серийного изготовления генератора холодного чистого азота можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематично изображен предложенный генератор холодного чистого азота, продольный разрез.
В цилиндрическом термозащищенном корпусе 1 соосно установлены камера 2 сгорания и фильтр-охладитель 3.
На входе корпуса 1 смонтирован пиропатрон 4, примыкающий к фокусирующей втулке 5, фланцем опирающейся на функциональный азотгенерирующий заряд, который выполнен из канальных шашек 6 азотгенерирующего пиротехнического состава, продольно распределенных в камере 2 сгорания через торцевые зазоры 7, где размещены воспламенительные таблетки 8.
Воспламенительные таблетки 8 приклеены к торцам примыкающих соседних функциональных шашек 6, формируя монолитное наполнение камеры 2 сгорания в виде автономной сборочной единицы.
По оси камеры 2 сгорания (в центральном канале) на уровне воспламенительных таблеток 8, размещенных в зазорах 7, смонтированы воспламенительные шашки 9, совокупно составляющие воспламенительный заряд генератора.
Функциональный азотгенерирующий заряд из канальных шашек 6 опирается на неподвижно установленную перегородку 10, формообразующую дно камеры 2 сгорания.
В центре перегородки 10 выполнено сопло 11, перекрытое тарированной мембраной 12.
Перегородка 10 ресивером 13 примыкает к газораспределительной решетке 14, снизу которой закреплена термостойкая металлическая сетка 15, ограничивая объем фильтра-охладителя 3 совместно с подобными сеткой 15 и решеткой 14 на его противоположном торце.
Объем фильтра-охладителя 3 заполнен чугунной дробью 16 переменной фракционности: вверху слой с размером частиц 2-3 мм, внизу слой частиц размером 0,5-1 мм.
Фильтр-охладитель 3 к перегородке 10 прижат посредством резьбового дна 17, вкрученного в корпус 1.
Под нижней решеткой 14 выполнен ресивер 18, оснащенный дроссельным клапаном 19, смонтированным в резьбовом дне 17, обеспечивая тем самым связь выхода фильтра-охладителя 3 с дросселирующим отверстием клапана 19.
Корпус 1 снизу закрыт ввинтной крышкой 20, имеющей выходной патрубок 21 для коммуникации с трубопроводом подачи холодного чистого азота в емкость наддува.
Работает генератор следующим образом.
От внешней команды срабатывает пиропатрон 4, формирующий энергетический импульс, который уплотняется фокусирующей втулкой 5 в остро направленный протяженный форс пламени, передающий тепловую энергию на всю протяженность камеры 2 сгорания.
Фокусирующая втулка 5 на входе центрального канала камеры 2 сгорания формирует при срабатывании примыкающего пиропатрона 4 остро направленный форс пламени, который распространяется на все распределенные продольно шашки 9 воспламенительного заряда.
При этом инициируется горение воспламенительных шашек 9, передающих тепловой импульс от пиропатрона 4 на воспламенительные таблетки 8 - усилители тепловой энергии, которую локально распределяют в радиальном направлении, воспламеняя примыкающие торцы соседних канальных шашек 6 азотгенерирующего пиротехнического состава, при горении которых в структуре азотгенерирующего заряда образуется большой объем азота.
В результате реакции горения канальных шашек 6 азотгенерирующего пиротехнического состава образуется азот с температурой до 1000°С и большое количество конденсированных частиц, которые поступают в фильтр-охладитель 3.
Размещение между торцами шашек 6 в пакете функционального заряда воспламенительных таблеток 8 из чувствительного к тепловому импульсу состава обеспечивает практически одномоментное их воспламенение с обоих торцов, что интенсифицирует генерирование азота по многочисленным поперечным сводам азотгенерирующего заряда, составленного из шашек 6.
При наполнении камеры 2 сгорания азотом растет избыточное давление, которым прорывается мембрана 12, и азот динамично истекает в ресивер 13, где происходит его расширение и выравнивание давления.
Затем азот через распределительную решетку 14 и термостойкую металлическую сетку 15 тонкими распределенными струями, которые конвективно охлаждаются, подается в фильтр-охладитель 3, запускаемый в работу при стационарном режиме и необходимом расходе чистого азота в ресивер 14 на выходе.
Насыпное наполнение 16 фильтра-охладителя 3 теплоемкой чугунной дробью, которое представляет собой большое аэродинамическое сопротивление, обеспечивает осаждение конденсированных раскаленных частиц химической реакции горения функциональных шашек 6 и эффективное охлаждение тонких распределенных струй азота при многократном их торможении и разворотах в лабиринтных каналах газопроницаемого насыпного наполнителя 16.
Экспериментально выбранная дисперсность наполнителя 16 в оптимизированном диапазоне обеспечивает газопроницаемость слоя чугунной дроби без критического торможения потока азота, с одной стороны, и максимальную теплопередачу, с другой стороны.
Чугунная дробь в качестве насыпного наполнения 16 фильтра-охладителя 3 используется как конструкционный теплоемкий материал, который сохраняет исходную геометрию пространственной взаимосвязи упакованных частиц при нагреве до температуры реакционного азота и динамическом воздействии импульса давления газового потока из камеры 2 сгорания.
Переменная фракционность чугунной дроби по высоте фильтра-охладителя 3 обеспечивает возможность регулирования его технологических возможностей для преобладания разных качеств.
Вверху фильтра-охладителя 3, где размер частиц составляет 2-3 мм, при более спокойном течении азота, практически полностью оседает конденсированная фаза, образовавшаяся при химической реакции горения в камере 2 сгорания, которая адгезионно связывается с развитой поверхностью чугунной дроби.
Внизу фильтра-охладителя 3, где размер частиц составляет 0,5-1 мм, активизируется теплопередача от тонких струи азота теплоемкому чугуну большей массы, при этом поверхность контакта кратно увеличена в более протяженных лабиринтных каналах меньшего проходного сечения, что обеспечивает дополнительный отбор тепловой энергии.
Чугунная дробь наполнителя 16 является естественным фильтрующим средством, в котором задерживается конденсированная фаза продуктов горения, адгезионно налипающая на дробинки чугуна, чем обеспечивается требуемая чистота азота на выходе генератора.
Чугунная дробь в качестве наполнителя 16 фильтра-охладителя 3 является наиболее теплоемким материалом, с учетом его доступности и цены.
При прохождении чистого азота через дросселирующий клапан 19 с резко увеличивающейся скоростью происходит расширение потока, что служит заметному снижению температуры до 50°С, с которой азот через патрубок 21 выводится из генератора.
Клапан дросселя 19 автоматически регулирует расход азота адекватно его давлению в ресивере 18.
Положительные результаты испытаний опытного образца генератора по изобретению, имеющего сопоставимые с прототипом габариты, при использовании пиротехнического состава функциональных шашек, горящего с температурой 1000°С, имеющего газоприход 1-5 кг/с при времени работы 1-2 с, обеспечившего на выходе охлаждение практически чистого азота до температуры 50°С, позволяют рекомендовать его заказчику на перевооружение спецтехники и широкому потребителю в качестве автономного энергосодержащего силового привода, аккумулятора нейтрального газа.