УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫБРАСЫВАНИЯ ЖИДКОСТИ, СОДЕРЖАЩЕЕ ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР ГАЗА
DEVICE FOR FLUID EJECTION INCORPORATING PYROTECHNICAL GAS GENERATOR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству для выброса жидкости, содержащему пиротехнический газогенератор.
Уровень техники
Устройства для тушения огня (которые являются примером устройств для выброса жидкости) обычно включают в себя контейнер, содержащий огнетушительный агент. Этот агент предназначен для распределения в зоне огня для тушения огня, а также для предотвращения его распространения.
Классические огнетушители с контейнерами находятся под постоянным давлением. Неудобство таких огнетушителей заключается в хранении под постоянным давлением огнетушительного агента или газа-выталкивателя этого огнетушительного агента с сопутствующими требуемыми операциями наблюдения и проверки (такой как периодическое взвешивание). Особенно уязвим процесс хранения огнетушительного агента под давлением (из-за проблемы микроутечек).
В качестве альтернативы этим системам под постоянным давлением были предложены системы с использованием пиротехнического газогенератора, в частности для борьбы с огнем в авиационных двигателях. Такие системы описаны во множестве патентных документов, а именно в ЕР-А-0956883, ЕР-А-1609507, ЕР-А-1552859, US-A-2005/150665 и ВЕ-А-1010421. Более высокая эффективность и компактность пиротехнических газогенераторов позволяет производить выброс жидких агентов с обеспечением повышенного кпд. Основным недостатком этих систем является прямой контакт газов сгорания пиротехнического газогенератора с жидким огнетушительным агентом. Вследствие этого контакта может происходить смешивание газа и жидкого агента (то есть образование эмульсии), что затрудняет управление условиями выпуска и влечет за собой охлаждение газа, причем охлаждение становится все более важным, поскольку данный жидкий агент является жидкостью с высокой теплотой сгорания и препятствует желательному эффекту создания давления.
В патентной заявке WO-A-2006/061539 описано устройство для тушения огня, содержащее контейнер с огнетушительным агентом (жидким) и средствами для создания газа под давлением, причем эти средства могут представлять собой пиротехнический газогенератор. Предусмотрен разделительный элемент, например гибкая мембрана, для отделения газогенератора от огнетушительного агента. При срабатывании газогенератора мембрана расправляется под действием давления газа и выбрасывает огнетушительный агент из контейнера через калиброванную разрывную диафрагму, которая разрывается под действием давления огнетушительного агента. Мембрана в значительной степени ограничивает или даже полностью предотвращает смешивание газа сгорания и огнетушительного агента. Пиротехнический газогенератор снабжен, по меньшей мере, одним выпускным отверстием для выпуска газа. В конкретном описанном примере выполнения он имеет два выпускных отверстия, ориентированных по оси напротив мембраны. Такая конструкция создает очень высокую нагрузку на мембрану в термическом и механическом аспектах, так что присутствует риск ее повреждения вплоть до пробивки. Действительно, в особенности в первые моменты срабатывания газогенератора, он подает на мембрану узко локализованные струи горячих газов.
Жесткие технические условия для таких систем с пиротехническими газогенераторами содержат, в частности, следующие требования.
- Продолжительность подачи жидкого агента в несколько секунд. Для этого требуются генераторы с большей продолжительностью работы, чем те, которые используются в системах безопасности автомобилей (где продолжительность составляет десятки миллисекунд для подушек безопасности). Таким образом, в данной области предпочтительно, чтобы пиротехнические заряды должны быть большего размера с пониженной скоростью сгорания по сравнению с теми, что используются в системах безопасности автомобилей.
- Регулирование функционирования: необходимо обеспечить равномерное рабочее давление в заданном диапазоне температурных условий. Одна из особенностей пиротехнических газогенераторов, используемых в бортовых системах, в особенности авиационных, состоит в том, что они работают в чрезвычайно широком диапазоне температур (эти системы испытывают воздействие местных температур на земле в аэропортах (в пустыне или полярных) и в температурных условиях на высоте во время полета). Специалистам в данной области известно, каким образом скорость сгорания пиротехнических материалов зависит от окружающей температуры (это может приводить к таким колебаниям в работе газогенератора, что он может оказаться не в состоянии удовлетворить функциональные требования к системе при всех температурах использования), а также насколько эта скорость сгорания зависит от давления в камере сгорания, которое регулируется посредством сопла. Для решения этой технической проблемы уже были предложены многочисленные системы регулирования функционирования. Они направлены на то, чтобы обеспечивать равномерное рабочее давление генератора в заданном диапазоне температурных условий.
- Ограничение смешивания выделяемых пиротехническим газогенератором газов и жидкого огнетушительного агента.
- Ограничение термического и механического напряжения подвижного разделительного элемента (например, гибкой мембраны) при его наличии.
Раскрытие изобретения
В данном контексте в соответствии с настоящим изобретением предложено устройство для выброса жидкости, снабженное пиротехническим газогенератором.
Классическим образом данное устройство содержит:
- контейнер для хранения жидкости (и ее газовой подушки: по соображениям безопасности, в отношении возможного расширения жидкости, эту жидкость всегда хранят под газовой подушкой) под давлением ее насыщенного пара, снабженный средством для подачи жидкости под действием давления;
- пиротехнический газогенератор, расположенный внутри контейнера для повышения давления жидкости внутри контейнера и ее выброса из контейнера под действием давления через открытое средство подачи, причем газогенератор содержит корпус цилиндрической формы (предпочтительно корпус имеет правильную цилиндрическую форму, то есть форму тела вращения, однако этот пример выполнения не является ограничивающим), выполненный с возможностью размещения в нем и устойчивого удержания пиротехнического заряда, способного сгорать внутри корпуса, создавая газы сгорания, при этом корпус содержит сопла, из которых, по меньшей мере, некоторые первоначально полностью закрыты закрывающими средствами, выполненными с возможностью разрыва под давлением создаваемых газов сгорания (то есть эти закрывающие средства являются разрывными) для подачи этих газов сгорания под давлением;
- подвижный разделительный элемент, расположенный внутри контейнера для отделения жидкости от генератора и от создаваемых газов сгорания.
Таким образом, газогенератор расположен внутри контейнера для жидкости (предпочтительно жестко соединен со стенкой контейнера) и отделен от жидкости подвижным разделительным элементом. Этот подвижный разделительный элемент способен передавать жидкости давление создаваемых газов сгорания для того, чтобы вызывать выброс жидкости их контейнера.
Отличительным образом в конструкции устройства по изобретению:
- сопла газогенератора расположены радиально на стенке или стенках корпуса газогенератора; и
- газогенератор, расположенный таким образом, что его ось соответствует линии перемещения подвижного разделительного элемента, снабжен дефлектором для отклонения создаваемых газов сгорания в направлении этой линии перемещения подвижного разделительного элемента.
Отличительным образом внутри конструкции устройства по изобретению пиротехнический газогенератор, установленный «на верхней части контейнерам» (обращенной к поверхности жидкости), объединяет в своей конструкции радиальные сопла и дефлектор, так что создаваемые газы выходят перпендикулярно оси генератора (через радиальные сопла) и после удара о дефлектор далее подаются по оси генератора.
Таким образом, генератор установлен устойчиво (сдвигающее воздействие газов снижено до минимума), а непрямое воздействие создаваемых газов на подвижный разделительный элемент оптимизировано: достигается слабое смешивание или полностью предотвращается смешивание газов с жидкостью, механическая и термическая нагрузка на подвижный разделительный элемент снижена до минимума (газы воздействуют на этот подвижный разделительный элемент после торможения и охлаждения на дефлекторе), а отходы сгорания осаждаются на внутренней стенке или стенках дефлектора (отходы сгорания, которые способны вызывать местные повреждения подвижного разделительного элемента и создавать горячие точки).
Для специалиста в данной области будут понятны предпочтительные особенности устройства по изобретению.
Указанный подвижный разделительный элемент внутри контейнера может представлять собой гибкую деформируемую мембрану.
В рамках предпочтительного варианта осуществления дефлектор снабжен на своей стороне или на сторонах, обращенных к (радиальным) соплам, эндотермическим абляционным покрытием. Такое эндотермическое абляционное покрытие (то есть подверженное эрозии, способное сниматься послойно под действием горячих и скоростных газов сгорания) само по себе известно. Оно может, в частности, состоять из тригидрата алюминия или гидроксида магния. Покрытия этого типа описаны, например, в патенте US 5059637. Это покрытие предусмотрено для защиты дефлектора и усиления охлаждения создаваемых газов сгорания (перед их контактом с подвижным разделительным элементом).
Относительно пиротехнического газогенератора, которым оснащено устройство по изобретению, можно дополнительно конкретизировать следующее.
Было указано, что некоторые из сопел генератора первоначально полностью закрыты разрывными закрывающими средствами. Предпочтительно все радиальные сопла корпуса генератора по изобретению первоначально полностью закрыты разрывными закрывающими средствами. Такое полное закрытие обеспечивает полную изоляцию и защиту внутренней полости генератора и позволяет лучше управлять зажиганием пиротехнического заряда.
Такое полное закрытие не всегда абсолютно необходимо, в особенности с учетом наличия подвижного разделительного элемента.
Разрывные закрывающие средства сопел могут представлять собой любые известные средства, подходящие для этой цели. В частности, они могут быть пленками или разрывными диафрагмами, предпочтительно калиброванными. Для закрытия сопла могут использоваться одиночная пленка или, по меньшей мере, две наложенные друг на друга пленки.
Разрывные закрывающие средства сопел могут быть расположены внутри и/или снаружи корпуса генератора. Предпочтительно эти пленки или разрывные диафрагмы расположены внутри корпуса.
По меньшей мере, два радиальных сопла преимущественным образом имеют различный порог открытия под давлением. В этом случае генератор имеет особые преимущества в отношении второго требования упомянутых выше технических условий: регулирование функционирования. Данный генератор становится особенно эффективным генератором с регулированием давления. Для этого он может иметь следующие особенности:
- по меньшей мере, два из указанных сопел имеют различные диаметры отверстий; и/или
- по меньшей мере, два из указанных сопел, первоначально полностью закрыты закрывающими средствами, причем эти закрывающие средства имеют различный порог разрыва под давлением.
Таким образом, регулирование порога разрыва под давлением для сопла может достигаться в основном путем изменения диаметра указанного сопла и/или порога разрыва под давлением закрывающих средств, которые первоначально закрывают это сопло.
В общем случае, по меньшей мере, два сопла, которыми оснащена стенка или стенки корпуса генератора, выполнены различными по своему проходному диаметру и/или порогу разрыва под давлением первоначально полностью закрывающих их закрывающих средств.
В общем случае на стенке или стенках корпуса генератора расположены от двух до двадцати сопел. Очевидно, что их число, по меньшей мере, равно двум. Предпочтительно их число составляет больше двух, чтобы обеспечить возможность наиболее эффективно снизить воздействие температурных условий на работе генератора. Однако число сопел ограничено в разумных пределах, в частности по соображениям размеров генератора.
Согласно предпочтительному варианту осуществления сопла, имеющие одинаковые или по существу одинаковые пороги открытия под давлением и диаметры, расположены группами на одной высоте на стенке или стенках корпуса генератора таким образом, что сумма проекций на контрольную плоскость, перпендикулярную оси симметрии генератора, векторов, ведущих от этой оси симметрии к отверстиям сопел, равна нулю. Таким образом, для корпуса в форме правильного цилиндра предпочтительно имеется n сопел (с одинаковыми порогами открытия под давлением и одинаковыми диаметрами), расположенных в одной плоскости и разнесенных с угловым шагом 360°/n.
Очевидно, что в этом предпочтительном варианте осуществления сопла расположены, как это было указано, в нескольких плоскостях (на различных высотах на стенке или стенках корпуса генератора).
Такое расположение сопел является особенно преимущественным. Оно позволяет снизить до минимума или полностью устранить какое-либо сдвигающее воздействие. Оно обеспечивает устойчивость генератора по изобретению в процессе его работы.
В том случае, когда имеется четное число сопел, которые имеют по существу одинаковые пороги открытия под давлением и диаметры, в идеальном варианте они расположены парами напротив друг друга на одной высоте на стенке или стенках корпуса генератора (на одном диаметре стенки корпуса в форме правильного цилиндра как тела вращения).
Газ, подаваемый через радиальные сопла, создается при сгорании пиротехнического заряда, устойчиво удерживаемого во внутреннем объеме корпуса генератора.
Этот пиротехнический заряд может представлять собой набор пиротехнических таблеток россыпью. Однако предпочтительно, чтобы пиротехнические элементы имели более крупные размеры с более низкой скоростью сгорания. Во вводной части данного описания было указано, что целью изобретения является, в частности, создание генератора с более продолжительным периодом работы.
Для достижения этого результата - замедленной скорости сгорания - в распоряжении специалиста в данной области имеются следующие основные параметры, состав, геометрия и размеры компонентов пиротехнического заряда.
Так, пиротехнический заряд генератора, которым оснащено устройство по изобретению, предпочтительно содержит, по меньшей мере, один монолитный по существу цилиндрический блок (сплошной или с центральным каналом) больших размеров, а именно монолитный, по существу цилиндрический блок, толщина и эквивалентный диаметр (или диаметр в случае правильного цилиндра) которого составляют от 10 до 75 мм.
Предпочтительно этот монолитный блок имеет низкую пористость, особенно предпочтительно пористость от 1 до 8% (этот выраженный в процентах параметр соответствует соотношению между действительной плотностью и теоретической плотностью и отражает отклонение от теоретической плотности).
Предпочтительно пиротехнический заряд получен способом, который содержит следующие последовательные этапы: смешивание порошковых материалов и гранулирование, и калибровка полученных гранул, и формование калиброванных гранул путем прессования.
В отношении состава пиротехнического заряда можно добавить, что указанный состав предпочтительно имеет в качестве основы основный нитрат меди (BCN, basie copper nitrate) и нитрат гуанидина (GN, guanidine nitrate). Выбор этого состава определен параметрами скорости сгорания и другими параметрами. Этот тип заряда (BCN+GN) при сгорании не создает кислотного соединения, которое может вызывать повреждения. Отходы его сгорания, в основном, имеют вид агрегатов, размеры которых намного превышают размеры сопел генератора и легко фильтруются.
Вслед за этим «отступлением», посвященным пиротехническому заряду, который может использоваться в генераторах оснащаемых устройств по изобретению, возвращаясь к внутренней конструкции генераторов, следует уточнить, что логичным и предпочтительным образом внутренний объем корпуса рассчитан для приема и поддержания устойчивым образом, по меньшей мере, одного монолитного, по существу цилиндрического пиротехнического блока, толщина и эквивалентный диаметр которого составляют от 10 до 75 мм.
В более общем виде можно указать, что этот внутренний объем генератора выполнен со средствами для приема и устойчивого удержания пиротехнического заряда, а также со средствами для зажигания этого пиротехнического заряда.
Средства для приема и удержания устойчивым образом пиротехнического заряда предпочтительно представляют собой, по меньшей мере, одну полку или одну корзину. Такая полка или корзина особенно пригодна для приема и устойчивого удержания описанного выше монолитного блока или, по меньшей мере, двух блоков, наложенных друг на друга.
Эти средства повышают стойкость пиротехнического заряда к вибрационным нагрузкам генератора.
Средства, преимущественные для зажигания, могут содержать устройство для приема и удержания промежуточного запального пиротехнического заряда (в общем случае расположенного в центре внутреннего объема генератора) и запальное устройство, связанное с этим промежуточным запальным пиротехническим зарядом. Управление зажиганием может осуществляться дистанционно посредством электро-пиротехнического запала.
Предпочтительно во внутреннем объеме корпуса генератора также может быть предусмотрен фильтр, установленный таким образом, чтобы окружать пиротехнический заряд.
В общем случае этот фильтр образован одним или несколькими слоями металлической решетки. Фильтр предназначен для задержания отходов сгорания (по меньшей мере, наиболее объемных), более конкретно фильтр должен удерживать внутри корпуса генератора твердый остаточный остов пиротехнического заряда, остающийся после сгорания. Общая поверхность ячеек такого фильтра намного превышает суммарную площадь отверстий сопел.
Устройство по изобретению, оснащенное пиротехническим газогенератором с радиальными соплами и дефлектором, предпочтительно с регулируемым по давлению пиротехническим газогенератором, особенно пригодно для выброса жидкого огнетушительного агента при тушении огня. В особенности оно пригодно для этой цели в авиационной области.
Краткое описание чертежей
Далее со ссылками на прилагаемые чертежи будут подробно описаны не являющиеся ограничительными примеры выполнения устройства по изобретению и генератора, которым может быть оснащено данное устройство. На чертежах:
на фиг.1 схематично изображено устройство по изобретению в действии,
на фиг.2 схематично изображен в разрезе пиротехнический газогенератор, которым может быть оснащено устройство по фиг.1,
на фиг.3 изображен в разрезе другой пиротехнический газогенератор, которым может быть оснащено устройство по изобретению.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показано устройство 50 для выбрасывания жидкости L в действии.
Устройство 50 в основном представляет собой контейнер 51, оснащенный пиротехническим газогенератором 1 (в примере выполнения по фиг.2). Запал 12 и крышка генератора 1 находятся снаружи контейнера 51.
Контейнер 51 на фиг.1 заключает в себе жидкость L. Эта жидкость L подается по трубке 54 через открытое средство 53 подачи.
Контейнер 51 на фиг.1 снабжен подвижным разделительным элементом или мембраной 57. Эта мембрана 57 отделяет газ-выталкиватель G от жидкости L.
Плоскость подачи газа (газ подается по радиальным соплам, см. фиг.2) перпендикулярна главной оси генератора 1 для полного устранения сдвигающего воздействия. Однако дефлектор 8 позволяет отклонять потоки газа в направлении линии перемещения подвижного разделительного элемента 57. Как уже указывалось выше, дефлектор 8 выполняет также функцию ограничения термического и механического воздействия, которое оказывают очень горячие и быстрые потоки газов на выходе из сопел при непосредственном контакте с подвижным разделительным элементом 57 в начале работы газогенератора. Кроме того, дефлектор 8 выполняет функцию удержания отходов сгорания (которые смогли пройти через фильтр 7, см. фиг.2). На своей поверхности 8', обращенной к соплам, дефлектор 8 снабжен эндотермическим абляционным покрытием (см. фиг.2).
На фиг.1 ясно видно, что газогенератор 1 расположен таким образом, что его ось соответствует линии перемещения подвижного разделительного элемента 57, а дефлектор 8 способен отклонять газ G с его направлением вдоль линии перемещения подвижного разделительного элемента 57.
Газогенератор 1 на фиг.1 и 2 имеет цилиндрический корпус 2. Сопла 4а, 4а', 4b, 4b' расположены радиально в стенке 3 корпуса 2. Порог открытия под давлением не одинаков для всех сопел 4а, 4а', b, 4b' (вариант осуществления изобретения, обладающий преимуществами).
Порог открытия под давлением сопел, показанных на фиг.2, определяется проходным диаметром сопел и порогом разрыва пленки, которая первоначально закрывает отверстия сопел.
В частности:
- сопла 4а и 4а' пары 4а/4а' имеют одинаковый проходной диаметр, равный da. Сопла 4b и 4b' пары 4b/4b' имеют одинаковый проходной диаметр, равный db. Этот проходной диаметр сопел 4а и 4а" больше проходного диаметра сопел 4b и 4b', то есть da>db.
- пленки 5а, 5b, 5с калиброванной толщины расположены внутри корпуса 2 генератора 1 вдоль стенок 3 и закрывают (первоначально, то есть до срабатывания генератора 1) все сопла 4а, 4а', 4b, 4b'. Сопла 4а и 4а' пары 4а/4а' закрыты пленкой 5а; сопла 4b и 4b' пары 4b/4b' (пары в верхнем положении) также закрыты этой единственной пленкой 5а, в то время как сопла 4b и 4b' двух других пар 4b/4b' (пар в промежуточном положении) закрыты пленкой 5а и пленкой 5b, а сопла 4b и 4b' двух других пар 4b/4b' (пар в нижнем положении) закрыты тремя пленками 5а, 5b и 5с.
Расположение сопел парами напротив друг друга предназначено для снижения до минимума или устранения какого-либо сдвигающего воздействия.
За счет того, что порог открытия под давлением для пар сопел различен, срабатывание генератора мало зависит от температуры функционирования.
В конструкции генератора 1 предусмотрен дефлектор 8 для отклонения газов, подаваемых через сопла 4а, 4а', 4b, 4b' (с подачей из сопел в плоскости, перпендикулярной главной оси генератора 1) Такой дефлектор 8 образован цилиндрическим листом. Исключительно в качестве примера можно указать, что этот лист имеет толщину, равную 2 мм, и расположен на расстоянии в 7 мм от стенок 3 генератора 1. Показано, что внутренняя поверхность дефлектора облицована эндотермическим абляционным покрытием 8'.
Схематично показанный генератор 1 заряжен, то есть снабжен внутренним пиротехническим зарядом, способным к сгоранию и созданию газов сгорания.
Этот пиротехнический заряд состоит из монолитных блоков 10. Блоки расположены на полках 6, предусмотренных внутри корпуса 2 генератора 1.
Фильтр 7 установлен вокруг пиротехнического заряда для удержания отходов сгорания.
Сгорание блоков 10 инициируется основным промежуточным запальным зарядом 11, расположенным в центральной трубке 17, предпочтительно перфорированной во множестве точек для прохода газов сгорания к блокам 10. Этот запальный заряд 11 инициируется запалом 12, встроенным в генератор 1 сверху.
Запал 12 обычно связан электрической связью с пультом управления с помощью уплотненного прохода, способного выдерживать рабочее давление генератора 1.
Газогенератор 21 по фиг.3 также показан заряженным.
Он представляет собой механический узел (цилиндрический корпус 22, ограниченный стенкой 23), содержащий:
- модуль инициирования (инициатор 32);
- запальный пиротехнический заряд 32';
- промежуточный пиротехнический запальный заряд 31;
- основной пиротехнический заряд, состоящий из монолитных блоков 30.
Промежуточный запальный заряд 31 удерживается в центре генератора устройством 37.
Основной заряд (блоки 30) расположен в устойчивой сварной конструкции, установка которой обеспечивается с помощью пружины 36. Эта сварная конструкция образована перфорированными гнутыми листами, которые вначале скручены и затем сварены для образования отделений или корзин 26 для блоков 30 (точнее говоря, колонок таких блоков). Эти перфорированные листы одновременно выполняют роль фильтра для твердых продуктов сгорания.
Стенки 23 корпуса 22 генератора 21 перфорированы двенадцатью отверстиями, каждое из которых закрыто (до срабатывания генератора 21) приваренной разрывной диафрагмой 25а, 25а', 25b, 25b' из нержавеющей стали толщиной 15 мкм. Шесть отверстий 24а, 24а' имеют диаметр 35 мм; шесть отверстий 24b, 24b' имеют диаметр 3 мм. Эти отверстия расположены парами на одном диаметре. Здесь также предусмотрена минимизация, если не полное устранение любого сдвигающего воздействия.
При срабатывании запал 32 зажигает запальный заряд 32', который, в свою очередь, зажигает промежуточный запальный заряд 31. Этот промежуточный запальный заряд 31 зажигает блоки 30, что обеспечивает создание газов внутри корпуса 22, а затем их подачу после вскрытия отверстий разрывных диафрагм. Число открытых отверстий зависит от температурных условий работы газогенератора 21.
Предохранительная разрывная система 41 позволяет опорожнять газогенератор 21 в случае нештатного срабатывания пиротехнического состава (комплекта блоков 30) при работе. Эта система 41 помещена в алюминиевой крышке корпуса 22 генератора 21 и образована завинченным в крышку вкладышем из нержавеющей стали, к которому приварена фольга 42 толщиной 100 мкм. Таким образом, давление опорожнения генератора 21 может быть установлено на 230 бар.
Указанные выше конкретные данные, - числовые параметры, виды материалов, - приведены исключительно для иллюстрации.