Пиротехническое азотгенерирующее устройство

Изобретение относится к области создания автономных источников сжатого газа, а именно низкотемпературных твердотопливных газогенераторов. Пиротехническое азотгенерирующее устройство содержит корпус с крышкой, расположенную внутри корпуса камеру сгорания, заряд твердого источника азота, пиропатрон, воспламенитель заряда твердого источника азота, блок охлаждения, а также перегородку с расходным отверстием. Блок охлаждения состоит из перфорированных днищ, образующих пространство, заполненное охладителем, и установлен между перегородкой с расходным отверстием и камерой сгорания. Заряд твердого источника азота выполнен в виде шашек с центральными отверстиями, установленных соосно корпусу с фиксированными зазорами между собой. Воспламенитель выполнен в виде перфорированного жаропрочного стакана с глухим дном, установленного внутри центральных отверстий азотгенерирующих шашек и заполненного пиротехническими таблетками или твердотопливными шашками, расположенными с зазором между собой. Изобретение позволяет повысить производительность азотгенерирующего устройства. 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области создания автономных источников сжатого газа, а именно низкотемпературных твердотопливных газогенераторов, используемых для приведения в работу различных силовых приводов, наддува полостей и агрегатов летательных аппаратов и для других целей, а также к конструкциям генераторов холодного азота, температура которого не превышает 100°С.

Известен газогенератор холодного чистого азота (пат. №2154769 RU, МКИ 7F23 R 5/00), содержащий корпус с размещенными в нем камерой сгорания с канальным зарядом твердого источника азота и камерой охлаждения, разделенными перегородкой с соплом. Камера охлаждения выполнена в виде отдельного блока, который герметично закреплен в корпусе генератора. Этот блок снабжен подвижными перфорированными днищами с пакетами сеток, величина ячеек которых уменьшается по мере удаления от днищ. Блок охлаждения заполнен нейтральной мелкодисперсной 0,5-1,0 мм двуокисью кремния SiO₂. На перегородке между соплом и передним перфорированным днищем установлен рассекатель газа с боковыми отверстиями. Перегородка с соплом выполнена с возможностью перемещения. Подача холодного чистого азота потребителю осуществляется через выходной штуцер. На переднем днище корпуса размещены пиропатрон и воспламенитель заряда твердого источника азота. Расходные характеристики азота не превышают 0,5 кг/с.

При подаче команды на пиропатрон с помощью воспламенителя загорается заряд твердого источника азота. В результате реакции горения заряда образуется азот с температурой ˜500°С и большое количество конденсированных частиц, которые поступают в блок охлаждения. Проходя через плотно сжатую перфорированными днищами и пакетами сеток мелкодисперсную двуокись кремния, азот фильтруется и охлаждается до требуемой температуры. Конденсированная фаза улавливается в блоке охлаждения, обеспечивая тем самым получение холодного и чистого азота.

Недостаток данной конструкции состоит в том, что для газогенераторов с расходными характеристиками ˜2-5 кг/с, временем работы ˜1-3 с, с конструктивным ограничением наружного диаметра газогенератора и в случае использования состава с температурой азота в камере сгорания более 1000°С, такую конструкцию нельзя использовать.

Задача изобретения - создание газогенератора с температурой азота на выходе не более 100°С.

Целью изобретения является повышение производительности азотгенерирующего устройства при ограниченных габаритах (диаметра корпуса).

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем корпус с крышкой, расположенную внутри корпуса камеру сгорания, заряд твердого источника азота, пиропатрон и воспламенитель заряда твердого источника азота, блок охлаждения, состоящий из перфорированных днищ, образующих пространство, заполненное охладителем, а также перегородку с расходным отверстием, блок охлаждения установлен между перегородкой с расходным отверстием и камерой сгорания, при этом заряд твердого источника азота выполнен в виде шашек с центральными отверстиями, шашки установлены соосно корпусу с фиксированными зазорами между собой, а воспламенитель выполнен в виде перфорированного жаропрочного стакана с глухим дном, установленного внутри центральных отверстий азотгенерирующих шашек и заполненного пиротехническими таблетками или твердотопливными шашками, расположенными с зазором между собой.

Перфорация выполнена в стенке стакана напротив зазоров между торцами азотгенерирующих шашек равномерно по окружности с отверстиями одинакового диаметра в поперечном сечении.

Азотгенерирующие шашки имеют фаску (фаски) со стороны центральных отверстий на пересечении с торцевой поверхностью.

Охладитель представляет собой пакет жаропрочных частиц из чугуна или корунда.

Пиротехнические таблетки, расположенные по оси стакана, заключены в цилиндрическую сгораемую оболочку, например из бумаги.

В воспламенителе дополнительно установлены инертные таблетки, расположенные по обе стороны от поперечного сечения перфорации стакана.

Между пиропатроном и воспламенителем установлена шашка-усилитель, выполненная из твердого топлива или пиротехнического состава, причем на торце, обращенном к пиропатрону, установлена цилиндрическая шайба с коническим каналом, от периферии сужающимся к торцу шашки усилителя.

Жаропрочные частицы охладителя расположены слоями, при этом более крупные фракции расположены ближе к камере сгорания.

Жаропрочные частицы отделены между собой перфорированными плоскими жаростойкими решетками и сетками.

Между перфорированным днищем, обращенным к камере сгорания, образовано свободное цилиндрическое пространство, ограниченное дополнительной перфорированной решеткой, опирающейся через кольцевую проставку по периферии на перфорированное днище.

Расходное отверстие выполнено в виде сопла с конической заглушкой высокого давления, утопленной внутри сопла и скрепленной с ним, например штифтом, причем сопло снабжено ловителем заглушки, выполненным в виде глухого стакана с боковыми окнами и закрепленным, например, с помощью резьбового соединения, по наружной боковой поверхности сопла.

Предложенное пиротехническое азотгенерирующее устройство поясняется чертежом, на котором изображен продольный разрез устройства.

Пиротехническое азотгенерирующее устройство содержит корпус 1 с крышкой 2, расположенную внутри корпуса камеру сгорания 3, заряд твердого источника азота 4, состоящий из канальных шашек всестороннего горения, установленных соосно корпусу 1 с фиксированными зазорами между собой 5 и имеющих фаску (фаски) 6 со стороны канала на пересечении с торцевой поверхностью.

Пиропатрон 7 установлен в гнездо хвостовика 8 корпуса 1. В хвостовик 8 изнутри камеры сгорания 3 установлена втулка 9 (например, с помощью резьбового соединения) с центральным каналом 10 для прохода форса огня от пиропатрона к канальной пиротехнической шашке-усилителю 11, на передней торцевой поверхности, обращенной к пиропатрону, установлена металлическая цилиндрическая шайба 12 с коническим каналом, от периферии сужающимся к торцу шашки-усилителя. Шашка-усилитель 11 другим своим торцом опирается на диафрагму 13, закрепленную внутри втулки 9, например, с помощью резьбового соединения.

Втулка 9 своей наружной боковой поверхностью является центрирующим элементом для перфорированного жаропрочного стакана 14 с глухим дном. В стакане 14 перфорация 15 на боковой поверхности выполнена равномерно по окружности напротив зазора 5. Стакан 14 заполнен пиротехническими таблетками 16 (или твердотопливными шашками, расположенными с осевым зазором между собой) и послойно - инертными таблетками 17 по периферии у внутренней стенки стакана при необходимости заполнения пустот в стакане. Центральный «столб» с пиротехническими таблетками заключен в сгораемую цилиндрическую оболочку 18, например, бумажную. Набор пиротехнических таблеток закрыт сгораемой крышкой 19, например, из ткани.

Пакет из азотгенерирующих шашек (заряд 4) поджимается шайбой 20 посредством гайки 21 к подпятнику 22 (дну перфорированного стакана 14). Фиксированный зазор 5 между шашками обеспечивается столбиками-цилиндрами 23, выполненными из теплостойкого твердого материала, приклеенными, например, к одной из торцевых поверхностей азотгенерирующих шашек и равномерно расположенными по окружности, например, на среднем диаметре шашки.

Пакет из азотгенерирующих шашек, установленных в перфорированном стакане с глухим дном, имеющем на диске-подпятнике 22 (с внешней стороны от перфорированной трубки) отверстия 24 для прохода газа, равномерно расположенные по окружности, поджимается к втулке 9 с помощью кольца 25, опирающегося на решетку-диск 26, далее последовательно поджимается кольцом-проставкой 27, опирающимся на входную решетку 28 корпуса охладителя 29. Промежуточная решетка 30 охладителя 29 ограничивает крупнозернистую структуру слоя 31 передней части охладителя, внутри жаропрочных сеток 32, примыкающих вплотную к решеткам.

Мелкозернистая фракция слоя 33 охладителя 29 заключена между промежуточной решеткой 30 и выходной решеткой 34, изнутри к решеткам примыкают жаропрочные сетки 35.

Корпус охладителя 29 устанавливается в корпус 1 на герметике для исключения перетекания газов по кольцевому зазору. Сборка азотгенерирующих шашек через подпятник поджимается собранным охладителем 29, который в свою очередь поджимается перегородкой 36 с расходным отверстием-соплом 37 (с помощью резьбового соединения с корпусом 1). Сопло 37 закрыто заглушкой 38 высокого давления, сопряжение поверхностей которых происходит по боковой конической поверхности. Заглушка зафиксирована в сопле штифтом 39. На наружный диаметр сопла навинчивается ловитель 40 заглушки, который представляет из себя стакан с боковыми окнами 41 и глухим дном, утопленным на величину высоты заглушки в осевом направлении.

Крышка 2 устанавливается в корпусе 1 на резьбе, одинаковой с наружной резьбой перегородки 36. Газоход 42 на торце имеет заглушку 43, вскрывающуюся при определенном давлении.

Важно отметить, что азотгенерирующие составы имеют прочность на сжатие, превышающую прочность на растяжение в 150-250 раз.

При оценке прочности канальной шашки в радиальном и окружном направлениях были использованы формулы Ляме для расчета главных нормальных напряжений толстостенных цилиндрических оболочек (см. «Справочник машиностроителя», том 3, М., ГН-ТИ машиностроительной литературы, 1962 г., с.211-212).

Наиболее напряженные точки полого цилиндра при любых значениях давления снаружи и изнутри расположены у внутренней поверхности цилиндра.

Для реальной конструкции шашки:

σ_r=-Р; σ_t≈1,3·Р,

где

σ_r - радиальное напряжение во внутренних точках,

σ_t - окружное напряжение в тех же точках,

Р - внутреннее давление (перепад).

При перепаде давления в 1,5-2 атм (что может быть в начальный момент времени воспламенения заряда) запас прочности шашки практически отсутствует.

Для надежного воспламенения высокотемпературного воспламенительного состава (пиротехнических таблеток или твердотопливных шашек) предложено между пиропатроном и воспламенителем установить шашку-усилитель. Это замедляет нестационарную фазу формирования факела от пиропатрона и способствует рассеянию раскаленных частиц по сечению и по скорости.

Особенность воспламенения азотгенерирующих шашек - это необходимость применять высокотемпературные (более 3000°С) пиротехнические составы с большим количеством конденсированной фазы в продуктах сгорания. Это приводит к тому, что конденсированные частицы, попадая в фильтр, охлаждаются и оседают на зернах охладителя, забивая проходы между зернами, перекрывая площадь проходного сечения для азота. Использование в качестве охладителя зерен двуокиси кремния SiO₂ фракционного состава 0,5-1,0 мм вызывает оплавление зерен высокотемпературной к-фазой воспламенительного состава, что приводит к «запиранию» камеры сгорания при высоком давлении.

Использование в качестве охладителя зерен чугуна (дробь чугунная колотая), имеющих в 1,5 раза меньшую теплоемкость, но в 3 раза большую плотность, чем у двуокиси кремния SiO₂, является в 2 раза более эффективным для обеспечения минимального объема охладителя (возможно использование в качестве охладителя зерен корунда, имеющего на 300°С выше температуру плавления, чем чугун или двуокись кремния SiO₂). Но чтобы к-фаза воспламенительного состава не «сваривала» частицы чугуна, предложено в начале фильтра использовать частицы крупного фракционного состава, например, 2-4 мм, а затем частицы 0,5-1,5 мм.

К тому же, для выравнивания потока газа по всему сечению охладителя с зернистым слоем используются перфорированные решетки с сетками перед зернистым слоем (см., например, кн. «Аэродинамика технологических аппаратов (подвод, отвод и распределение потока по сечению аппаратов)», авт. И.Е.Идельчик, М., «Машиностроение», 1983 г., с.271, структура потока внутри насыпного слоя зернистых тел).

Предложено слои зернистого охладителя разделять перфорированными решетками.

Для скапливания шлаков при сгорании азотгенерирующих шашек и выравнивания неоднородности потока продуктов сгорания заряда и воспламенителя предложено образовать свободный объем между перфорированным днищем охладителя, обращенным к камере сгорания, и дополнительной перфорированной решеткой, отстоящей от этого днища на определенном расстоянии в осевом направлении.

Учитывая, что азотгенерирующие шашки нормально воспламеняются при высоком давлении, то в камере сгорания для обеспечения этого условия предложено расходное отверстие-сопло газогенератора снабдить заглушкой высокого давления (на 100-200 ата) с ловителем заглушки.

Следует отметить, что в случае использования таблеток шарообразной формы, по продольной оси перфорированного корпуса устанавливается цилиндр из полностью сгораемого материала, например, из бумаги, который целиком заполняется пиротехническими таблетками. Напротив отверстий (в горизонтальном слое) размещаются активные таблетки и только между отверстиями - инертные. Инертные таблетки используются при подборе навески высокотемпературного состава для обеспечения заданных требований по времени выхода на режим.

Пиротехническое азотгенерирующее устройство работает следующим образом.

При подаче сигнала на пиропатрон 7 форс огня зажигает шашку-усилитель 11, от продуктов сгорания которой сгорает крышка 19 и воспламеняются пиротехнические таблетки (шашки) высокотемпературного воспламенительного состава 16, продукты сгорания которого в свою очередь через боковые отверстия жаропрочного стакана 14 воспламеняют прежде всего торцы азотгенерирующих шашек 4 и их боковые поверхности. Общая смесь газов устремляется к охладителю через отверстия 24 подпятника 22 воспламенительного перфорированного стакана 14.

Поток азота с частицами к-фазы (конденсированной фазы высокотемпературного воспламенительного состава) проходит к охладителю, и частицы к-фазы оседают на крупных зернах охладителя (дробь колотого чугуна или корунда). Далее азот с оставшимися примесями поступает во вторую часть охладителя с мелкими фракциями зерен, а затем поступает к перегородке 36 с расходным отверстием-соплом 37. Заглушка высокого давления 38 вскрывается (срезается штифт, обеспечивающий разброс расчетного давления ±10% от номинала) и попадает в ловитель 40, а газ через боковые окна 41 попадает в пространство между корпусом 1 и крышкой 2 и по газоходу 42, вскрывая заглушку 43, попадает к потребителю.

С указанным устройством проведены экспериментальные работы и получены положительные результаты.

1. Пиротехническое азотгенерирующее устройство, содержащее корпус с крышкой, расположенную внутри корпуса камеру сгорания, заряд твердого источника азота, пиропатрон и воспламенитель заряда твердого источника азота, блок охлаждения, состоящий из перфорированных днищ, образующих пространство, заполненное охладителем, а также перегородку с расходным отверстием, отличающееся тем, что блок охлаждения установлен между перегородкой с расходным отверстием и камерой сгорания, при этом заряд твердого источника азота выполнен в виде шашек с центральными отверстиями, шашки установлены соосно корпусу с фиксированными зазорами между собой, а воспламенитель выполнен в виде перфорированного жаропрочного стакана с глухим дном, установленного внутри центральных отверстий азотгенерирующих шашек и заполненного пиротехническими таблетками или твердотопливными шашками, расположенными с зазором между собой.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что перфорация выполнена в стенке стакана напротив зазоров между торцами азотгенерирующих шашек равномерно по окружности с отверстиями одинакового диаметра в поперечном сечении.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что азотгенерирующие шашки имеют фаску (фаски) со стороны центральных отверстий на пересечении с торцевой поверхностью.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что охладитель представляет собой пакет жаропрочных частиц из чугуна или корунда.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что пиротехнические таблетки, расположенные по оси стакана, заключены в цилиндрическую сгораемую оболочку, например из бумаги.

6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в воспламенителе дополнительно установлены инертные таблетки, расположенные по обе стороны от поперечного сечения перфорации стакана.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно имеет шашку-усилитель, установленную между пиропатроном и воспламенителем и выполненную из твердого топлива или пиротехнического состава, причем на торце, обращенном к пиропатрону, установлена цилиндрическая шайба с коническим каналом от периферии, сужающимся к торцу шашки-усилителя.

8. Устройство по п.4, отличающееся тем, что жаропрочные частицы охладителя расположены слоями, при этом более крупные фракции расположены ближе к камере сгорания.

9. Устройство по п.4, отличающееся тем, что жаропрочные частицы отделены между собой перфорированными плоскими жаростойкими решетками и сетками.

10. Устройство по п.4, отличающееся тем, что между перфорированным днищем, обращенным к камере сгорания, образовано свободное цилиндрическое пространство, ограниченное дополнительной перфорированной решеткой, опирающейся через кольцевую проставку по периферии на перфорированное днище.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расходное отверстие выполнено в виде сопла с конической заглушкой высокого давления, утопленной внутри сопла и скрепленной с ним, например, штифтом, причем сопло снабжено ловителем заглушки, выполненным в виде глухого стакана с боковыми окнами и закрепленным, например, с помощью резьбового соединения, по наружной боковой поверхности сопла.