Генератор холодного чистого азота

 

Полезная модель 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 и т.п. Газогенератор на твердом источнике азота содержит корпус, внутри которого продольно установлены разделенные сопловым блоком камера сгорания канального пиротехнического заряда, инициируемого от пиропатрона через воспламенитель, и фильтрующий блок охлаждения, выполненный в виде насыпного теплоемкого материала с дисперсностью 0,5-1 мм, размещенного между газораспределительными решетками, оснащенными изнутри термостойкими сетками, закрытый крышкой с выходным дросселирующим отверстием коммуникации с наддуваемой рабочей емкостью. Новым является то, что пиротехнический заряд выполнен в форме распределенных вдоль камеры сгорания канальных шашек, между которыми расположены таблетки воспламенителя, эквидистантно которым смонтированы передаточные воспламенительные заряды соосно фокусирующей втулке пиропатрона, а в качестве насыпного материала фильтрующего блока охлаждения использована чугунная дробь, верхний слой которой имеет фракционность 2-3 мм, при этом в дроссельном отверстии установлен клапан, а перегородка соплового блока жестко связано с корпусом, причем сопло перекрыто мембраной. Предложенное техническое решение направлено 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 азота простой технологичной конструкции.

Предложенная полезная модель 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 и т.п.

Уровень данной области техники характеризует конструкция газогенератора, описанная в изобретении SU 1087749, F23R 5/00; F02K 9/08, 1984 г.

Генератор содержит корпус, где размещены инициирующий элемент и камера сгорания с канальным зарядом твердого топлива (твердый источник азота), внутри которого подвижно смонтирован газораспределитель, жестко связанный с продольно подвижной поперечной перегородкой.

В перегородке выполнен осевой канал сообщения с камерой охлаждения, которая наполнена твердым сублимирующим охладителем, размещенным в эластичной оболочке, примыкающей к распределительной решетке ресивера, снабженного выходным патрубком.

Особенностью описанного генератора является использование эластичной оболочки для размещения насыпного твердого охладителя, сублимационно возгоняющегося при взаимодействии с горячими продуктами горения твердотопливной шашки, что сопровождается большим потреблением тепловой энергии газообразных продуктов горения.

Эластичная оболочка предотвращает механические разрушения газогенерирующего наполнения при вибрационных и ударных нагрузках, возникающих при эксплуатации и транспортировании основного изделия. Это технологически упрощает снаряжение газогенератора и повышает эффективность его работы по назначению.

Недостатком описанного газогенератора является то, что эффективно охлажденный рабочий газ включает большое количество агрессивных продуктов сублимационного превращения твердого охладителя, что резко ограничивает область его возможного практического применения.

Более совершенным является генератор 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 аналогам предложенному генератору.

Известный генератор холодного (до 60°С) чистого (99,9% в газовом составе) азота, содержит корпус, в котором продольно смонтированы сообщающиеся камера сгорания и фильтрующий блок охлаждения (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 сосно функциональной азотгенерирующей шашке установлен воспламенительный заряд, сообщающийся с пиропатроном - инициирующим работу генератора элементом.

Функциональная канальная шашка установлена на поперечной газопроницаемой перемычке, в которую упирается цилиндрическая пружина, силами упругости нагружающая продольно подвижную каретку, снабженную центральным сопловым отверстием с щелевым рассекателем на выходе.

Насыпной наполнитель заполняет объем фильтра-охладителя между газораспределительными решетками, изнутри покрытыми термостойкими сетками с мелкими ячейками из легированной проволоки, где оседает основная масса раскаленных твердых частиц газообразных продуктов горения, температура которых при этом резко падает.

Блок охлаждения в корпусе установлен через уплотнители, предотвращающие прорыв на выход горячего азота, минуя наполнение фильтра-охладителя.

Генерируемые горячие газы через сопло, рассекатель и распределительную решетку поступают в блок охлаждения, где в насыпном наполнении оседают остатки конденсированной фазы, а азот эффективно охлаждается за счет конвективной теплопередачи и аэродинамического торможения тонких распределенных его струй в лабиринтных каналах теплоемкого наполнения.

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 SiО2.

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.

Неизбежно высокая жесткость приводной пружины исключает необходимую плавность осадки наполнения по мере его нагрева. Принудительно переуплотненный мелкодисперсный наполнитель теряет необходимую пористость, представляя собой большое аэродинамическое сопротивление, что нарушает расчетный режим работы и может послужить причиной разрушения камеры сгорания, то есть выходу из строя генератора в целом, что недопустимо в ответственных изделиях.

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.

Задачей, на решение которой направлено настоящая полезная модель, является повышение функциональной надежности компактного газогенератора на твердом источнике азота, генерируемого более динамично.

Требуемый технический результат достигается тем, что в известном генераторе холодного чистого азота, содержащем корпус, внутри которого продольно установлены разделенные сопловым блоком камера сгорания канального пиротехнического заряда, инициируемого от пиропатрона через воспламенитель, и фильтрующий блок охлаждения, выполненный в виде насыпного теплоемкого материала с дисперсностью 0,5-1 мм, размещенного между газораспределительными решетками, оснащенными изнутри термостойкими сетками, закрытый крышкой с выходным дросселирующим отверстием коммуникации с надуваемой рабочей емкостью, по предложению авторов, пиротехнический заряд выполнен в форме распределенных вдоль камеры сгорания канальных шашек, между которыми расположены таблетки воспламенителя, сообщающиеся с эквидистантно смонтированными передаточными воспламенительными зарядами, соосными фокусирующей втулке пиропатрона, а в качестве насыпного материала фильтрующего блока охлаждения использована чугунная дробь, верхний слой которой имеет фракционность 2-3 мм, при этом в дросселирующем отверстии установлен клапан, а перегородка соплового блока жестко связано с корпусом, причем сопло перекрыто мембраной.

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 обеспечивается повышение функциональной надежности генератора простой технологичной конструкции.

Выполнение канального заряда твердого источника азота в виде набора локализованных пиротехнических шашек, горящих одновременно с обоих торцов каждая, кратно повышает удельный газоприход, что необходимо для заданного быстродействия устройства по назначению.

При параллельном горении азотгенерирующих шашек на выходе устройства формируется устойчивый импульс давления азота, обеспечивающего динамичный наддув рабочей емкости.

Размещение таблетированного воспламенителя непосредственно на торцах функциональных пиротехнических шашек обеспечивает надежное воспламенение всей поверхности горения с образованием многочисленных сводов стабильного горения функционального заряда в целом, что интенсифицирует образование азота.

Воспламенительные таблетки приклеены к торцам соседних функциональных шашек, формируя монолитную сборочную единицу азотгенерирующего заряда, который приготавливается на спецпроизводстве и технологично единым блоком устанавливается в корпус при сборке генератора.

Локализованный тепловой импульс воспламенительных таблеток, распределенных в зазоре между соседними функциональными шашками, активизирует их воспламенение с образованием свода горения на обоих примыкающих торцах.

Эквидистантное расположение передаточных воспламенительных зарядов в канале основного заряда, на уровнях зазоров между его локальными шашкими, где распределено размещены воспламенительные таблетки, позволяет без тепловых потерь передать общий инициирующий импульс от осевого пиропатрона в радиальном направлении к периферии функционального заряда по каждому торцевому зазору.

При этом центральные передаточные воспламенительные заряды выполняют роль усилителей инициирующего импульса от пиропатрона, выравнивая его тепловую энергию вдоль всего функционального заряда.

Фокусирующая втулка на входе центрального канала камеры сгорания формирует при срабатывании примыкающего пиропатрона остро направленный форс пламени, который равномерно распространяется на все распределенные продольно шашки передаточного воспламенительного заряда.

Расположение передаточных воспламенительных шашек в центральном канале камеры сгорания на уровнях торцевых зазоров между локальными азотгенерирующими зарядами обеспечивает радиальное распространение инициирующего теплового импульса для формирования усиления при горении каждой из них к воспламенительным таблеткам.

Жесткая связь поперечной перегородки, ограничивающей снизу камеру сгорания, с корпусом стабилизирует рабочий объем камеры сгорания и газодинамический режим горения в ней функционального заряда.

Установленная в выходном сопле из камеры сгорания мембрана перекрывает его 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 фильтрующеего блока охлаждения (фильтра-охладителя) обеспечивает возможность регулирования его технологических возможностей для преобладания разных качеств.

Вверху фильтра-охладителя, где размер частиц составляет 2-3 мм, при относительно более спокойном течении азота, практически полностью оседает конденсированная фаза, образовавшаяся при химической реакции горения функционального состава, которая адгезионно связывается с развитой поверхностью чугунной дроби.

Внизу фильтра-охладителя, где размер частиц составляет 0,5-1 мм, активизируется теплопередача от тонких струй 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.

В результате стабилизации динамичных режимов горения шашек и зарядов, охлаждения и очистки газообразных продуктов горения азот на выходе генератора, как показали испытания опытного образца, составляет 99,9% в рабочем теле, температура которого не превышает 50°С.

Оснащение выходного дросселирующего отверстия клапаном обеспечивает автоматическое регулирование его проходного сечения в зависимости от изменения давления генерируемого азота, чем стабилизируется расход рабочего тела.

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, где схематично изображен предложенный газогенератор, продольный разрез.

В цилиндрическом термозащищенном корпусе 1 сосно установлены камера сгорания 2 и фильтрующий блок охлаждения 3 (фильтр-охладитель).

На входе корпуса 1 смонтирован пиропатрон 4, примыкающий к фокусирующей втулке 5, фланцем опирающейся на функциональный азотгенерирующий заряд, который выполнен из канальных пиротехнических шашек 6, продольно распределенных в камере сгорания 2 через торцевые зазоры 7, где размещены воспламенительные таблетки 8.

Воспламенительные таблетки 8 приклеены к торцам примыкающих соседних функциональных шашек 6, формируя монолитное наполнение камеры сгорания 2 в виде автономной сборочной единицы.

По оси камеры сгорания 2, на уровне воспламенительных таблеток 8, размещенных в зазорах 7, смонтированы локальные передаточные воспламенительные шашки 9.

Функциональный заряд из шашек 6 опирается на неподвижно установленную перегородку 10, формообразующую дно камеры сгорания 2.

В центре перегородки 10 выполнено сопло 11, перекрытое мембраной 12, образующие сопловой блок.

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 противном 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 резьбовой крышки 17, вкрученной в корпус 1.

Под нижней решеткой 14 выполнен ресивер 18, связанный с дроссельным клапаном 19, смонтированным в резьбовой крышке 17.

Корпус 1 снизу закрыт ввинтным дном 20, имеющим 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 сгорания 2.

При этом воспламеняются шашки 9, передающие тепловой инициирующий импульс от пиропатрона 4 на воспламенительные таблетки 8 - усилители тепловой энергии, которую локально распределяют в радиальном направлении, воспламеняя примыкающие торцы обеих шашек 6, при горении которых химически генерируется большой объем азота.

В результате реакции горения функциональных пиротехнических шашек 6 образуется азот и большое количество конденсированных частиц с температурой до 1000°С, которые поступают в фильтр-охладитель 3.

Размещение между торцами пиротехнических 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 шашек 6.

При наполнении камеры сгорания 2 азотом растет избыточное давление, которым прорывается мембрана 12 и азот динамично истекает через открытое сопло 11 в ресивер 13, где происходит расширение газа и выравнивание давления.

Затем азот через распределительную решетку 14 и термостойкую металлическую сетку 15 тонкими 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 полное осаждение конденсированных раскаленных частиц химической реакции горения функциональных шашек 6 и эффективное охлаждение тонких струй азота при многократном их торможении и разворотах в лабиринтных каналах газопроницаемого насыпного наполнителя 16.

Экспериментально выбранная дисперсность наполнителя 16 в оптимизированном диапазоне обеспечивает газопрогницаемость слоя чугунной дроби без критического торможения потока азота, с одной стороны, и максимальную теплопередачу, с другой стороны.

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, объему генерирования азота.

Положительные результаты испытаний опытного образца генератора по полезной модели, 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, импульсно подаваемого в рабочий объем.

Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого полезная модель явным образом не следует для специалиста по пиротехнике, показал, что она неизвестна, а с учетом возможности промышленного серийного изготовления генератора холодного чистого азота, можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.

1. Генератор холодного чистого азота, содержащий корпус, внутри которого продольно установлены разделенные сопловым блоком камера сгорания канального пиротехнического заряда, инициируемого от пиропатрона через воспламенитель, и фильтрующий блок охлаждения, выполненный в виде насыпного теплоемкого материала, размещенного между газораспределительными решетками, оснащенными изнутри термостойкими сетками, закрытый крышкой с выходным дросселирующим отверстием коммуникации с наддуваемой рабочей емкостью, отличающийся тем, что пиротехнический заряд выполнен в форме распределенных вдоль камеры сгорания канальных шашек, между которыми расположены таблетки воспламенителя, сообщающиеся с эквидистантно смонтированными передаточными воспламенительными зарядами, соосными фокусирующей втулке пиропатрона, а в качестве насыпного материала фильтрующего блока охлаждения использована чугунная дробь, при этом в дросселирующем выходном отверстии установлен клапан, а перегородка соплового блока жестко связана с корпусом.

2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что верхний слой чугунной дроби наполнения фильтрующего блока охлаждения имеет размер частиц 2-3 мм, а нижний слой чугунной дроби наполнения фильтрующего блока охлаждения имеет размер частиц 0,5-1 мм.

3. Генератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что сопло в камере сгорания перекрыто мембраной.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а конкретно к пороховым генераторам давления и может быть использовано для интенсификации добычи нефти и газа, вызванной механическим, тепловым и физико-химическим воздействием на нефтегазоносные пласты продуктов сгорания твердого топлива

Изобретение относится к области пожаротушения, а более конкретно, к устройствам, генерирующим газоаэрозольные ингибиторы горения, образующиеся при сгорании пиротехнического состава и организованно направляемые в защищаемый объем

Кабель (провод) электрический, пожаростойкий, негорючий относится к области электротехники, именно к конструкциям электрических кабелей, которые предназначены для передачи и распределения энергии в стационарных установках на номинальное переменное напряжение 0,66 и 1 кВ.
Наверх