МОРТИРА ПЫЛЕМЕТНАЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКАЯ
DUST-THROWING GAS-DYNAMIC MORTAR

Изобретение относится к области средств, обеспечивающих повышение безопасности горных выработок, газоотводящих магистралей и/или их разгрузочных вертикально ориентированному ответвлений. Мортира пылеметная газодинамическая (МПГ) автоматически осуществляет функции гашения взрывного горения и предотвращает распространение пламени в контролируемом пространстве при возгорании метано- и/или пылевоздушной смеси любой концентрации. МПГ предотвращает распространение разрушающих нагрузок (ударной волны) и огневое воздействие на персонал и оборудование, реализует поршневой принцип вытеснения огнетушащего порошка.
Известно устройство локализации взрыва метановоздушной смеси и угольной пыли по патенту РФ №2244833 (опубл. 20.01.2005 г.), содержащее корпус, контейнер, наполненный огнетушащим порошком и на выходе перекрытый легко разрушаемой диафрагмой, поршень, камеру с заданным давлением находящегося в ней газа, средство, обеспечивающее генерирование газа.
Снаряженное, заправленное и находящееся в режиме ожидания устройство имеет баллон с газом высокого давления (15 МПа и более), что является потенциальным источником опасности для персонала и оборудования, требует соответствующих регламентных работ. Состав конструктивных элементов устройства, их компоновка находятся в привязке к используемому типу датчика, а именно датчику ударной волны, который является составной частью устройства, что снижает эксплуатационные возможности и удобства. Использование выносной штанги длиной 2-6 м, обеспечивающей передачу механического импульса ударной волны, воспринимаемой приемным диском, на скользящую муфту механизма инициации может привести к перекосу в связи со случайным силовым воздействием, последующему возрастанию уровня избыточного давления, необходимого для запуска устройства, и, соответственно, к ухудшению временных параметров устройства и даже отказу. Конусообразная форма корпуса (бункера), из которого производится выброс порошка, препятствует эффективному формированию пылевого облака из огнетушащего порошка, поскольку давление газа, уже сниженное при подходе к расширяющемуся сечению, резко падает при выходе в большой объем защищаемого пространства, что приводит также к резкому снижению скорости и дальности выброса. Большое число сборочных единиц устройства снижают надежность его функционирования. Кроме того, конструкция устройства предопределяет необходимость формирования многоэшелонной системы таких устройств, чтобы добиться приемлемого результата по локализации лавинных процессов взрывов и горения. При срабатывании газообразующего химического состава давление выделенных при этом газов преодолевает сопротивление сферических подвижных опор, массу выносной штанги с приемным диском и расходуется на смещение скользящей муфты справа налево. Это приводит к нежелательному увеличению инерционности срабатывания системы. Наличие в известном устройстве срабатывающих механизмов, действия которых направлены друг против друга, при возникновении ситуации равенства сил воздействия, приведет к тому, что устройство не сработает, что снижает надежность выполнения им своих функций.
Из уровня техники известно устройство локализации взрывов метановоздушной смеси и (или) угольной пыли (вариант 1), принятое за прототип, по патенту №2342535 (опубл. 27.12.2008 г.), содержащее корпус, контейнер, наполненный огнетушащим порошком и на выходе перекрытый легко разрушаемой диафрагмой, поршень, камеру с заданным давлением находящегося в ней газа, средство, обеспечивающее генерирование газа, снабженное электровоспламенителем.
Известное устройство, хотя частично и уменьшает некоторые недостатки вышеприведенного аналога, такие как инерционность, но тем не менее не исключает ее. Устройство громоздко, имеет большое число сборочных единиц, подвижные элементы (поршень, шток-поршень и др.) представляют собой достаточно массивную сборку, что обусловливает сравнительно низкую эффективность использования потенциальной энергии сжатого газа. Конструкция устройства разработана с учетом необходимости дублирования процесса формирования первичного взрыволокализующего заслона и взаимодействия с процессами формирования дополнительных взрыволокализующих заслонов, предполагает разрушение первого устройства на пути взрывной волны, что характеризует низкую эффективность конструкции и нестабильность воспроизведения функционального результата, а также снижает экономическую привлекательность устройства. Конусообразная форма корпуса (бункера), из которого производится выброс порошка, препятствует эффективному формированию пылевого облака из огнетушащего порошка, поскольку давление газа, уже сниженное при подходе к расширяющемуся сечению, резко падает при выходе в большой объем защищаемого пространства, что приводит также к резкому снижению скорости и дальности выброса. Наличие во внутреннем объеме бункера распылителя для диспергирования огнетушащего порошка, частично перекрывающего выходное отверстие устройства, создает дополнительное сопротивление и снижает энергию газа - рабочего тела, выбрасывающего порошок, а также приводит к неравномерности распределения порошка по сечению выбрасываемой газопорошковой смеси, к уменьшению дальности действия, нестабильности и неполноте выброса и, соответственно, к снижению эффективности функционирования устройства. Заполнение рабочей камеры сжатым газом высокого давления (15 МПа и более) отрицательно сказывается на безопасности. Конструктивные особенности устройства предопределены типом используемого датчика, а именно датчика ударной волны, который при этом является составной частью устройства, что снижает эксплуатационные возможности и удобства, не позволяет устройству сработать на упреждение, до прихода ударной волны, не исключает взрыв метана в контролируемой зоне, а только ограничивает распространение огня на смежный участок. В соответствии с горно-геологическими факторами, когда исключена возможность монтажа выносной штанги в прямолинейном направлении, устройство требует доработки.
Кроме того, в силу конструктивных особенностей как аналога, так и прототипа известные устройства невозможно эффективно использовать в наклонном положении.
Задачей настоящего технического решения является разработка мортиры пылеметной газодинамической, универсальной по типу используемого датчика, позволяющей расширить диапазон областей применения, повысить безопасность, надежность и эффективность дистанционной защиты контролируемого пространства от огня и взрывов, локализовать эти факторы на дальних подступах от устройства, расширить эксплуатационные возможности и удобства за счет создания условий по увеличению импульсности и дальности выброса гармонично организованного компактного и равномерно распределенного по сечению потока газопорошковой смеси, позволяющего создать встречную ударную волну, независимо от расположения мортиры в пространстве.
Поставленная задача решается заявляемой конструкцией мортиры пылеметной газодинамической, содержащей корпус, контейнер, наполненный огнетушащим порошком и на выходе перекрытый легко разрушаемой диафрагмой, поршень, камеру с заданным давлением находящегося в ней газа, средство, обеспечивающее генерирование газа, снабженное электровоспламенителем. Особенность заключается в том, что корпус выполнен цилиндрическим, со стороны контейнера оснащен фланцем, внутренний диаметр которого меньше диаметра поршня, средство, обеспечивающее генерирование газа представляет собой газогенератор, закрепленный в горловине корпуса соосно и размещенный в полости, образованной корпусом и поршнем, выполненным с постоянной толщиной, камера с заданным давлением находящегося в ней газа, через, по меньшей мере, одно сквозное отверстие в поршне сообщена с полостью, в которой размещен газогенератор, отделена от контейнера с огнетушащим порошком вскрываемой мембраной, в контейнере, с зазором от вскрываемой мембраны расположена первая перегородка, а со стороны выпуска газопорошковой смеси вплотную к диафрагме - вторая перегородка, причем перегородки выполнены подвижными, а первая перегородка в нижней части имеет сквозную выборку по хорде.
В частности, легко разрушаемая диафрагма выполнена из прессованного картона с насечками или из полимерной пленки.
В частности, поршень оснащен элементом, обеспечивающим радиальное вскрытие мембраны, ширина которого меньше внутреннего диаметра фланца, а высота выбрана из условия исключения его взаимодействия с первой перегородкой.
В частности, во фланце корпуса со стороны мембраны выполнена кольцевая с фигурным профилем выборка с образованием заостренного контура внутреннего диаметра фланца.
В частности, вскрываемая мембрана снабжена радиальными насечками.
В частности, вскрываемая мембрана выполнена из металла или из комзиционного полимерного материала.
В частности, перегородки выполнены из пенопласта или войлока.
В частности, первая перегородка со стороны вскрываемой мембраны совмещена с прокладкой, выполненной из резины или полимерной пленки.
В частности, камера с заданным давлением сообщена со средством его поддержания в виде баллона со сжатым или сжиженным газом или компрессора.
В частности, корпус оснащен элементами, обеспечивающими крепление мортиры на лафете или к газоотводящей магистрали или к ее разгрузочному вертикально ориентированному ответвлению.
Отличительными признаками предлагаемой конструкции мортиры от прототипа являются: отсутствие взаимосвязи выполнения конструктивных элементов и их компоновки от типа используемого датчика; минимизация числа сборочных элементов; компактность устройства в целом; наличие цельного поршня (в прототипе - полый поршень со множеством элементов во внутреннем объеме); иным средством, обеспечивающим генерирование газа, - газогенератор, как отдельная сборочная единица (в прототипе - на шток-поршне, расположенном в цилиндрической полости полого поршня, предусмотрена газогенерирующая камера с размещенным в ней газообразующим химическим составом с электровоспламенителем); приданием иной функции поршню при его перемещении - сжатие газа в камере с первоначально заданным давлением (в прототипе - движение поршня служит для организации пропуска газа из камеры с первоначально заданным высоким давлением через отверстия в его стенках к разрушаемой диафрагме); отсутствием препятствий на пути газопорошковой смеси, только легко разрушаемая диафрагма (в прототипе, кроме диафрагмы установлен распылитель); иным уровнем заданного давления в камере с газом; иной формой корпуса - цилиндр (в прототипе имеется конусообразная часть); возможностью реализации функционального результата при установке на газоотводящих магистралях и ее разгрузочных вертикально ориентированных ответвлениях; минометный принцип выброса газопорошковой пылеобразной смеси, причем время от момента подачи сигнала до окончания выброса газопорошковой смеси составляет не более 13 миллисекунд при дальности 45 м (в прототипе 18-20 миллисекунд при дальности 30 м); возможностью любой ориентации мортиры в пространстве при монтаже (в прототипе только горизонтально); отсутствием необходимости постоянного контроля за уровнем заданного давления (достаточно раз в год, т.к. заданное давление составляет 0,4-0,6 МПа, а давление, необходимое для вскрытия мембраны и метания газопорошковой смеси, создается при работе поршня).
Известно устройство формирования пылевого облака для локализации взрывов по патенту РФ №2335633 (опубл. 10.10.2008 г.), в котором заявлен принцип минометного выброса порошка, при котором используют подвижные перегородки, действующие как пыж, запирающие порошок в корпусе с двух сторон без доступа газа для того, чтобы в начальный момент выброса вся эта сборка вылетала, как пробка. Но есть все разумные основания полагать, что слежавшийся порошок не позволит достичь заявленного результата, плотность порошка неравномерна по сечению, кроме того, на выходе из устройства стоит рассекатель.
В заявляемой конструкции мортиры на пути летящей сборки только легко разрушаемая диафрагма, а сам порошок, за счет первоначального поступления газа в нижнюю самую уплотненную часть порошка через сквозную выборку в первой подвижной перегородке, уже аэрирован и подготовлен к метанию.
Предложенная совокупность существенных признаков неизвестна из уровня техники. Но именно такое сочетание признаков позволило путем конструктивного обеспечения стабильно воспроизводить эффективный функциональный результат работы заявляемой мортиры и решить поставленную задачу.
Предлагаемая мортира пылеметная газодинамическая иллюстрируется графическими изображениями:
Фиг.1 - продольный разрез мортиры с поршнем, оснащенным элементом вскрытия мембраны;
Фиг.2 - узел А на фиг.1 при выполнении кольцевой выборки во фланце корпуса;
Фиг.3 - общий вид мортиры, закрепленной на лафете;
Фиг.4 - общий вид мортиры с фланцевым креплением на газоотводящей магистрали;
Фиг.5 - общий вид мортиры с фланцевым креплением к разгрузочному ответвлению газоотводящей магистрали;
Фиг.6 - фото факела распыла огнетушащего порошка при срабатывании мортиры в неограниченное пространство.
Мортира (Фиг.1) содержит корпус 1, контейнер 2 с огнетушащим порошком 3, перекрытый диафрагмой 4, поршень 5, камеру 6 с заданным давлением находящегося в ней газа (любой инертный, например углекислый газ, или воздух). В горловине корпуса 1 закреплен газогенератор 7. Корпус 1 со стороны контейнера 2 оснащен фланцем 8. Генерируемые газы поступают в полость 9, образованную корпусом 1 и поршнем 5. Камера 6 сообщена с полостью 9 через, по меньшей мере, одно отверстие 10, отделена от контейнера 2 вскрываемой мембраной 11 (например, из нержавеющей стали или оцинкованного железа или стекло- или углепластика). В контейнере 2 размещены первая перегородка 12, которая может быть упрочнена прокладкой 13, вторая перегородка 14. Камера 6 может быть сообщена со средством поддержания давления 15. Корпус оснащен элементами 16 (например, серьга) и/или 17 (например, фланец), обеспечивающими крепление мортиры соответственно на лафете или к газоотводящей магистрали или к ее ответвлению (Фиг.3 и Фиг.4). Газогенератор 7 через клеммную коробку 18 и кабель 19 соединен с датчиком 20 с малым временем выдачи управляющего импульса (может быть оптическим, ударной волны, тепловым и т.д.). Поршень 5 может быть в необходимых случаях практической реализации конструкции мортиры оснащен элементом 21 для гарантированного вскрытия мембраны 11. Для обеспечения радиального вскрытия мембраны элемент 21 может быть выполнен, например, из, по меньшей мере, двух металлических пластин в виде прямоугольных трапеций с заточенными ребрами, соединенных между собой большими основаниями, а с поршнем соединенных по стороне, являющейся высотой трапеции. При креплении мортиры, например, к магистрали поджатие диафрагмы 4 осуществляют ответным фланцем, которым оснащена магистраль. При креплении мортиры на лафете диафрагму 4 поджимают, например, кольцом, скрепленным с фланцем 17.
Мортира работает следующим образом. При вспышке, дефлограционном или взрывном горении метано- и/или пылевоздушной смеси или смеси углеводородов (пропан, метан, этан, этилен и т.п.) с воздухом датчик 20 слежения за обстановкой, установленный на расстоянии 100-150 м от мортиры в контролируемом пространстве, передает электрический импульс по кабелю 19, соединенному в клеммной коробке 18 с выводами электровоспламенителя (условно не показан) газогенератора 7. Происходит воспламенение пиротехнического состава (например, навеска дымного охотничьего пороха марки ДРП-3 по ГОСТ 1028) газогенератора 7. Давление, создающееся в полости 9 генерируемым газом, приводит в движение поршень 5, который сжимает газ в камере 6. Вначале сжатый газ после вскрытия мембраны 11 поступает через сквозную выборку в перегородке 12 в нижнюю уплотненную часть порошка 3 и аэрирует его. Практически одновременно перегородки 12, 14 и порошок 3 начинают совместный вылет из мортиры, вскрывая легко разрушаемую диафрагму 4, и гармонично организованный поток газопорошковой смеси поступает в защищаемое пространство.
Навеску пороха в газогенераторе выбирают обусловленной исчерпанием кинетической энергии поршня в момент вскрытия мембраны.
Конструктивные параметры мортиры, условия нагружения и вес метаемого заряда огнетушащего порошка связаны соотношениями:
;
,
где G - вес метаемого заряда огнетушащего порошка, кг;
3
- объем камеры 6 между мембраной 11 и поршнем 5 в исходном перед выстрелом положении, м, фиг.1;
k
D - внутренний диаметр камеры 6, фиг.1;
н
P - давление наддува в камере 6, МПа;
- длина камеры 6 между мембраной 11 и поршнем 5 при вскрытии мембраны 11, м;
k
L - длина камеры 6 между мембраной 11 и поршнем 5 в исходном перед выстрелом положении, м.
Пример 1.
k
k
н
Примем: D=0,204 м; L=1,05 м; P=0,6 МПа.
По формулам получим: G≤25 кг.
Пример 2.
н
Примем: G=25 кг; P=0,4 МПа.
k
3
По формулам получим: V≥0,051 м;
k
k
если D=0,1 м, то L=6,5 м;
k
k
D=0,2 м, то L=1,6 м;
k
k
D=0,3 м, то L=0,72 м.
Пример 3.
k
k
Примем: D=0,3 м; L=1,5 м; G=25 кг.
н
По формулам получим: P≥0,2 МПа.
Мортира, снаряженная огнетушащим порошком "Феникс" в количестве 30 кг, успешно испытана в ОАО УК "Южкузбассуголь" в условиях его филиалов "Шахта Есаульская", "Шахта Абашевская", "Шахта Осинники", "Шахта Ульяновская". При этом навеска пороха марки ДРП-3 составляла 150 г, а заданное давление 0,6 МПа.
При срабатывании мортиры конфигурация распыла порошка 3 представляет собой результат сложного двухфазного истечения высокотурбулентной газопорошковой смеси из контейнера 2. При выходе из мортиры газопорошковая смесь формирует угол раствора струи распыления, который составляет 12-15°. Далее за счет сопротивления окружающего воздуха факел распыла резко увеличивается в поперечном сечении. Дальность выстрела (шлейф распыления порошка) составляет не менее 45 м (Фиг.4).
Мортира как изделие отвечает требованиям стандартов пожаровзрывобезопасности, не является источником образования пожаро- и взрывоопасной среды, источником зажигания и инициирования взрыва в условиях атмосферы горных выработок или транзита по магистралям газа любой концентрации, снижает физические и нервнопсихологические нагрузки на персонал.
Таким образом, заявляемая конструкция мортиры пылеметной газодинамической практически реализуема и позволяет удовлетворить давно существующую потребность в решении поставленной задачи.