АККУМУЛЯТОР ДАВЛЕНИЯ
ACCUMULATOR PRESSURE

Изобретение относится к автономным источникам сжатого газа, а именно к низкотемпературным генераторам чистого азота при сжигании пиротехнических зарядов, и может быть использовано для интенсивного наполнения газом эластичных оболочек, таких как автомобильные подушки безопасности, спасательные плоты и авиатрапы, а также для приведения в работу различных силовых установок, для наддува полостей и агрегатов летательных аппаратов.
Уровень данной области техники характеризует газогенератор, описанный в патенте RU 2459149 С2, 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, и помещенный между распределительными решетками, снабженными изнутри термостойкими сетками.
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.
Выход фильтра-охладителя имеет дросселирующее отверстие.
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.
В этом газогенераторе достигнуто повышение основных показателей назначения: усиление динамики генерирования азота повышенного объема, который при этом более эффективно охлаждается и очищается от примесей, то есть повышается функциональная надежность целевого устройства.
Недостатком описанного газогенератора является технологическая и конструкционная сложность выполнения воспламенительного устройства в виде распределенных вдоль функциональных шашек его автономных структурных элементов, которые предназначены для поворота огневого импульса на разного уровня торцевые поверхности горения функциональных шашек.
Более совершенным является аккумулятор давления генерируемого рабочего газа, описанный в книге О.В. Валеева, С.Д. Вулин и др. «Низкотемпературные твердотопливные газогенераторы. Методы расчета рабочих процессов, экспериментальные исследования», Миасс, изд-во ГРЦ «КБ имени академика В.П. Макеева», 1997, с. 287, рис. 1.38, который по технической сущности и числу совпадающих признаков выбран в качестве наиболее близкого аналога предложенному аккумулятору давления.
Известный аккумулятор давления с азотгенерирующим составом включает сферический корпус, в котором закреплена цилиндрическая гильза в форме стакана, по образующей которой распределены выходные отверстия.
На дне гильзы с кольцевым зазором аксиально установлена азотгенерирующая при горении канальная шашка, закрытая сверху рассекателем - газораспределительной решеткой.
Соосно канальной шашке в крышке установлен пиропатрон, связанный с внешним устройством запуска.
С противной стороны в корпусе установлен фильтр, формирующий ресивер, на выпускном патрубке которого смонтирована мембрана, герметично перекрывающая трубопровод коммуникации с соплом, направленным потребителю.
Работа аккумулятора давления осуществляется следующим образом. При срабатывании пиропатрона, форс пламени которого распределяется на рассекателе, инициируется горение функционального снаряжения по всей поверхности канальной шашки.
При горении пиротехнической шашки, в результате химического взаимодействия азида натрия с оксидом железа, выделяется газообразный азот, который через перфорации гильзы заполняет объем корпуса.
По достижении заданного давления внутри корпуса мембрана открывается и азот через фильтр, сепарирующий несгоревшие твердые частицы, подается через выводящий патрубок в сопло, формирующее струйное течение рабочего газа потребителю
Недостатками известного аккумулятора давления являются следующие.
Прямая связь инициирующего пиропатрона через открытый огнепередаточный канал с функциональным зарядом не исключает несанкционированного запуска в работу аккумулятора давления от случайного импульса системы управления или от силовых наводок в электрических цепях.
Кроме того, известное устройство характеризуется нестабильным воспламенением пиротехнической канальной шашки от локализованного форса пламени сработавшего пиропатрона, который диспергируется рассекателем для распределенной подачи тепловой энергии на всю развитую поверхность функционального заряда, которая при этом не разогревается в достаточной мере.
В результате происходит задержка воспламенения от нестабильного зажжения, запаздывание выхода на заданный режим горения, что неприемлемо для работы в экстремальных условиях и в ответственных изделиях.
Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение функциональной надежности аккумулятора давления и его быстродействие.
Требуемый технический результат достигается тем, что в известном аккумуляторе давления, содержащем сферический корпус, внутри которого на опоре цилиндрической перфорированной гильзы, закрытой запальной крышкой, установлен с гарантированным кольцевым зазором функциональный заряд в форме канальной пиротехнической шашки, соосный инициирующий пиропатрон и выпускное сопло, перекрытое мембраной и фильтром, согласно изобретению инициирующий пиропатрон оснащен предохранителем, выполненным в виде шиберной заслонки, управляемой от электровоспламенителя, и с функциональным зарядом сообщается через пиротехнический затвор.
Другой особенностью аккумулятора давления является то, что запускаемый от внешнего устройства управления электровоспламенитель предохранителя через цепь временной задержки связан с инициирующим пиропатроном, а пиротехническая шашка функционального заряда смонтирована на опоре перфорированной гильзы посредством демпфирующей платформы.
Отличительные признаки предложенного технического решения обеспечили повышение функциональной надежности и быстродействие аккумулятора давления, расширяя область его технического применения в различных силовых установках и спасательных средствах по динамичному наддуву емкостей.
Предохранитель инициирующего пиропатрона гарантированно предотвращает несанкционированный запуск аккумулятора давления от случайного электрического сигнала или наведенного импульса напряжения цепей.
Двухпозиционная шиберная заслонка, приводимая в действие давлением продуктов сгорания электровоспламенителя, является простейшей конструкцией предохранителя, перекрывающего/открывающего огневой канал запуска.
Электрическая связь электровоспламенителя с инициирующим пиропатроном через электрическую цепь временной задержки жестко устанавливает очередность и режим их срабатывания, то есть пиропатрон срабатывает, когда шиберная заслонка предохранителя установлена в открытом положении огневого канала запуска.
Размещение в огневой канале запуска аккумулятора давления пиротехнической таблетки необходимо для передачи и усиления запускающего импульса пиропатрона, при этом тепловой энергии сгоревшей пиротехнической таблетки достаточно для одномоментного поджига функционального заряда по всей развитой поверхности.
Установка пиротехнической шашки на демпфирующей платформе повышает функциональную надежность аккумулятора в целом, предохраняя ее от разрушающего импульсного действия эксплуатационных нагрузок основного изделия, на котором установлен аккумулятор давления, в частности транспортных перегрузок разгона и торможения.
Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность в устойчивой взаимосвязи является достаточной для достижения новизны качества, неприсущей признакам в разобщенности, то есть поставленная в изобретении техническая задача решена 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 силовым установкам, показал, что оно неизвестно, а с учетом возможности промышленного изготовления аккумуляторов давления серийно на действующем производстве можно сделать вывод о соответствии условиям патентоспособности.
Сущность изобретения поясняется чертежом, который имеет чисто иллюстративное назначение и не ограничивает объема притязаний совокупности признаков формулы.
На чертеже изображен в продольном разрезе предложенный аккумулятор давления.
3
Накопитель рабочего газа под давлением для мерной подачи его потребителю выполнен в форме аккумулятора давления, включающего шаровой корпус 1, герметично закрытый запальной крышкой 2 и оснащенный с противной стороны выпускным соплом 3, которое с корпусом 1 сообщается через мембрану 4, рассчитанную на давление 45±10 кг⋅с/см.
В корпусе 1 закреплена цилиндрическая гильза 5, по периметру снабженная выходными отверстиями 6 - перфорациями коммуникации с объемом корпуса 1.
В гильзе 5 на демпфирующей платформе 7 установлена с гарантированным кольцевым зазором канальная пиротехническая шашка 8 (функциональный заряд), закрытая сверху (по чертежу) рассекателем 9, выполненным в виде газораспределительной решетки 1, установленной в корпусе 1 и прижатой крышкой 2.
Демпфирующая платформа 7 посредством направляющих штырей 10 подвижно связана с дном 11 гильзы 5, между которыми размещены компенсирующие пружины 12.
Соосно канальной шашке 8 в кассете 13 крышки 2 установлен пиротехнический затвор 14, выполненный в форме пиротехнической таблетки, перекрывающей центральный огнепередаточный канал 15. Таблетка затвора 14 выполнена из чувствительного к тепловому импульсу пиротехнического состава.
Кассета 13 посредством огнепередаточного канала 15 сообщается с закрепленным на крышке предохранителем 16, в котором установлена с возможностью продольного перемещения шиберная заслонка 17 с коммуникационным окном 18, взаимодействующая с электровоспламенителем 19, выполняющим функции газодинамического привода.
Электровоспламенитель 19 через электрическое устройство временной задержки (условно не показано) связан с пиропатроном 20 - инициатором запуска в работу, установленным на предохранителе 17 соосно огнепередаточному каналу 15.
Мембрана 4 установлена на выходе ресивера 21, сформированного под фильтром 22, содержащим каскад газопроницаемых пластин 23, изолирующих объем корпуса 1.
Функционирует описанный аккумулятор давления следующим образом.
При подаче внешнего управляющего импульса на электровоспламенитель 19 происходит его срабатывание, в результате чего образуется газоаэрозольный факел от сгорания его снаряжения, воздействующий на шиберную заслонку 17, перемещая ее в крайнее левое по чертежу положение, где ее окно 18 совмещается с огнепередаточным каналом 15.
В это время управляющий сигнал после временной задержки поступает на пиропатрон 20, который срабатывает, вырабатывая форс пламени, поступающий по каналу 15 на воспламенение пиротехнической таблетки 14.
При горении пиротехнической таблетки 14 генерируется большое количество газообразных продуктов, которые распределенно через рассекатель 9 поступают в гильзу 5, где поджигают пиротехническую канальную шашку 8 бинарного заряда из смеси азида натрия и оксида железа, которые при химическом взаимодействии генерируют единственный газообразный продукт - азот.
При активном горении пиротехнической шашки 8 образуется рабочий газ - чистый холодный азот, заполняющий через перфорации 6 гильзы 5 объем шарового корпуса 1, где растет давление по мере его наполнения.
3
При достижении в корпусе 1 давления 45±10 кг⋅с/см мембрана 4 прорывается, освобождая проход газа через сопло 3 к потребителю.
Рабочий газ из корпуса 1 просачивается через пластины 23 фильтра 22, в котором оседают твердые несгоревшие частицы пиротехнического состава шашки 8 и конденсированная фаза, а чистый азот поступает в ресивер 21, где перемешивается и накапливается для струйного динамичного выхода через сопло 3, заполняя рабочую емкость - автомобильную подушку безопасности, спасательные плот или авиатрап, для наддува бака с топливной жидкостью, стабилизируя ее зеркало относительно расходных насосов.
Стендовые испытания опытного образца аккумулятора давления по предложенному изобретению подтвердили достижение повышенных показателей назначения в заданном цикле действия структурных элементов, что позволяет рекомендовать конструкцию для серийного изготовления и поставки заказчикам.