ГАЗОГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к автономным источникам сжатого газа, а именно, к низкотемпературным генераторам смешанного газа 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 газогенератора по патенту RU 2459657 C2, B01J 7/00, F23R 5/00, 2010 г., который содержит инициирующий элемент, помещенный в осевой втулке, совмещенной с крышкой, оснащенной каналами сообщения с замедлителем, в оболочке которого последовательно размещены пиротехнические шашки замедленного горения, и с двумя функциональными зарядами, помещенными в корпусе, который оснащен газовыводами.
Особенностью описанного газогенератора является то, что функциональные заряды установлены в корпусе коаксиально, выполнены канальными разновысокими, разделены воспламенительными таблетками, распределенными в зазоре между ними, и опираются на пакет металлических сеток, примыкающий к газовыводам.
Ячейки соседних сеток в пакете имеют разный периметр и относительно смещены, а осевая втулка размещена внутри канальных газогенерирующих зарядов, инициирующий элемент которой отделен от замедлителя диафрагмой с мерным проходным отверстием, которая закреплена на уступе его оболочки, где установлен усилительный воспламенительный заряд, взаимодействующий с инициирующим элементом.
Резьбовая крышка опирается на газогенерирующие заряды через упругий элемент, при этом на входе осевого канала крышки выполнен эксцентричный выступ, газовыводы снаружи корпуса закрыты уплотнительной прокладкой, а усилительный воспламенительный заряд выполнен в форме канальных пороховых шашек.
Это газогенерирующее устройство характеризуется компактной конструкцией с точным раздельным выполнением разных функциональных технологических и управляющих действий, а также дополнительным охлаждением и очисткой генерируемого газа.
Кроме того, описанный газогенератор является многофункциональным: кроме генерирования холодного чистого азота, который под давлением заполняет рабочую емкость, он служит устройством инициирования, передающим управляющий огневой импульс на удаленный исполнительный механизм через заданное время задержки.
Однако это уникальное устройство выполнено с прецизионной точностью, определяющей технологическую сложность сборки и настройки исполнительных механизмов и узлов, что ограничивает практическое применение.
По технической сущности и числу совпадающих признаков в качестве наиболее близкого аналога предложенному газогенератору выбран описанный в патенте RU 2459149 C2, F23R 5/00, 2010 г., который содержит смонтированные в корпусе пиропатрон, закрепленный в фокусирующей втулке, соосной воспламенительному заряду, функциональный 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, который помещен между распределительными решетками, снабженными изнутри термостойкими сетками.
Канальные шашки азотгенерирующего пиротехнического состава скреплены по торцам посредством дополнительно приклеенных 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.
Выход фильтра-охладителя имеет дросселирующее отверстие.
Связь канальных шашек азотгенерирующего пиротехнического состава посредством дополнительных воспламенительных таблеток формирует моноблочную 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 заряда, тепловой импульс которых локализован форсом из соосных перфораций прослойки 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 функционального 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 (камере 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 содержание азота, как показали испытания его опытного образца, 99,9% в рабочем теле, температура которого не превышает 50°C.
В известном газогенераторе достигнуто повышение основных показателей назначения: повышение массового секундного расхода газа, который при этом более эффективно охлаждается и очищается от примесей, то есть повышается функциональная надежность целевого устройства.
Недостатком известного газогенератора является технологическая и конструкционная сложность выполнения его воспламенительного устройства в виде распределенных вдоль функциональных шашек автономных структурных элементов, которые предназначены для поворота огневого импульса на разного уровня торцевые поверхности горения функциональных шашек.
Объединение в общем корпусе собственно газогенератора и фильтрующего устройства охлаждения представляет собой прогрессивное техническое решение, практическое использование которого сильно ограничено из-за большого гидродинамического сопротивления, создаваемого капиллярно проницаемым слоем теплоемкой чугунной дроби.
При этом замедленный выход из фильтра-охладителя чистого холодного азота позволяет непосредственно дросселировать поток перед подачей в отводящий трубопровод.
Но для создания рабочего избыточного давления вынужденно увеличена масса функционального заряда и заметно усилен корпус, что небезопасно в эксплуатации.
Технической задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является повышение удельного газорасхода при упрощении конструкции газогенератора.
Требуемый технический результат достигается тем, что в известном газогенераторе, содержащем воспламенительное устройство, инициируемое от внешнего пиропатрона и помещенное в осевом канале функциональных шашек пиротехнического состава, установленных в цилиндрическом термоизолированном корпусе, а также газораспределительную решетку, образующую с днищем ресивер, сообщающийся с дросселем отводящего трубопровода генерируемого газа, при этом воспламенительное устройство включает последовательно расположенные фокусирующую втулку, канальную шашку и усилительный заряд, по предложению авторов, структурные элементы воспламенительного устройства смонтированы в общей оболочке, оснащенной распределенными по периметру дюзами, направленными нормально на поверхность канала функциональной шашки, а дроссель смонтирован в отводящем трубопроводе, тангенциально расположенном вверху ресивера, сформированного выпуклым днищем корпуса.
Другой особенностью газогенератора является то, что механизм инициирования включает два сдублированных пиропатрона.
Отличительные признаки предложенного технического решения обеспечили повышение функциональной надежности и массового секундного газорасхода компактного газогенератора сжатого газа с параметрами на уровне прототипа, без повышения рабочего давления в устройстве.
Выполнение комплексного воспламенительного устройства в форме автономного комплектующего изделия, на выходе которого распределенными по периметру дюзами формируются остронаправленные по нормали струйные форсы пламени на примыкающую газогенерирующую поверхность, упрощает конструкцию и сборку газогенератора, в котором гарантированно автоматически инициируется воспламенение функциональных шашек и стабилизируется их горение в щелевом кольцевом зазоре при локально повышенном давлении.
Установка дросселя в отводящем трубопроводе, сообщающемся с накопительным ресивером, позволяет снизить механическую нагрузку на конструкцию и соединения, чем обеспечивается функциональность газогенератора.
При торможении и повороте газового потока из ресивера в отводящий трубопровод происходит значительный отбор тепловой энергии, при этом дополнительное охлаждение генерируемого аэрозоля обеспечивается адгезионным сепарированием конденсированной фазы и несгоревших частиц на вогнутом днище, по которому они гравитационно накопленной массой сползают вниз, где догорают.
Отвод смешанного сжатого газа происходит из верхней части ресивера.
Дублирование параллельно действующих пиропатронов по инициированию воспламенительного устройства гарантированно обеспечивает запуск газогенератора, функционирующего в ответственных изделиях.
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.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, который имеет чисто иллюстративное назначение и не ограничивает объема притязаний совокупности существенных признаков формулы.
На чертеже изображены:
на фиг.1 - общий вид газогенератора;
на фиг.2 - вид по стрелке А на фиг.1.
Предложенный газогенератор содержит цилиндрический корпус 1 с выпуклым днищем 2 и закрытый в силовом замыкании герметичной крышкой 3, термоизолированные примыкающими прослойками 4 из теплоемкого материала.
В крышке 3 смонтирован узел 5 инициирования с двумя сблокированными пиропатронами 6.
Изнутри в крышке 3 смонтирована трубка 7 воспламенительного устройства, соосная узлу 5 инициирования.
В трубке 7 последовательно с открытого торца, обращенного к узлу 5, установлены фокусирующая втулка 8, воспламенительная канальная шашка 9 и усилительный заряд 10, примыкающий к радиальным сквозным отверстиям (дюзам) 11 трубки 7, направленным по нормали.
В корпусе 1 продольно установлены канальные шашки 12 функционального пиротехнического состава (газогенерирущие при горении), которые опираются на газораспределительную решетку 13 и зафиксированы установленной в упор с противной стороны крышкой 3.
Перфорированная трубка 7 воспламенительного устройства расположена в осевом канале функциональной шашки 12 с минимальным зазором.
Свободный объем корпуса 1 между газораспределительной решеткой 13 и выпуклым днищем 3 образует ресивер 14, который в верхней части сообщается с отводящим трубопроводом 15, оснащенным дросселирующим соплом 16, коммутирующимся посредством накидной гайки 17 с исполнительным устройством (условно не показано).
Функционирует газогенератор следующим образом.
По управляющему внешнему сигналу параллельно срабатывают оба пиропатрона 6, огневым импульсом которых, обжатым в фокусирующей втулке 8, воспламеняется шашка 9, которая горит по развитой поверхности и поджигает термочувствительный состав усилительного заряда 10.
Газообразные продукты горения заряда 10 остро направленными факелами из отверстий 11 трубки 7 выбрасываются в осевой канал шашек 12 и активно поджигают их поверхности горения, так как при этом формируется газодинамический затвор в зазоре и резко увеличивается давление.
Генерируемые при горении функциональных шашек 12 газообразные продукты истекают через распределительную решетку 13, где фильтруются и конвективно охлаждаются, в ресивер 14.
В ресивере 14 газообразные продукты накапливаются и перемешиваются, при этом конденсированная фаза и твердые несгоревшие частички налипают на конгруэнтное покрытие 4 днища 2, сползая по нему вниз, где накапливаются, догорая.
Из верхней части ресивера 14 очищенный газ по отводящему трубопроводу 15 поступает в сопло 16, где ускоряется в направлении исполнительного устройства.
Положительные результаты испытаний опытного образца предложенного газогенератора, имеющего сопоставимые с прототипом габариты, при использовании пиротехнического состава функциональных шашек, горящего с температурой 1350°C, имеющего газоприход 0,3-0,6 кг/ с при времени работы 3-5 с, обеспечивает на выходе охлаждение практически чистого азота до температуры 500°C, позволяют рекомендовать его заказчику на перевооружение спецтехники и широкому потребителю в качестве автономного энергосодержащего силового привода, аккумулятора нейтрального газа под давлением.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого полезная модель явным образом не следует для специалиста по сосудам давления, показал, что оно неизвестно, а с учетом возможности промышленного серийного изготовления генератора охлажденного сжатого газа, можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности