ГАЗОГЕНЕРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2003 года по МПК A62C13/22 

Изобретение относится к устройствам для получения низкотемпературного газа при сгорании твердого химического вещества и может быть использовано для изготовления изделий, предназначенных для вытеснения из закрытых объемов сыпучих веществ, например огнетушащего порошка из порошковых огнетушителей, для наддува различных эластичных емкостей, средств спасения, пневмодомкратов, спасательных жилетов и т.п., для создания давления в замкнутых системах, приводящих в действие подвижные части механизмов, такие как мембранные узлы, поршни, поворотные рычаги и др.

Известен газогенератор, содержащий корпус с крышкой и выходным отверстием, размещенный в корпусе воспламенитель, заряд твердого химического топлива, блок фильтра-охладителя, опорную перфорированную решетку и устройство для предохранения от несанкционированного прорыва горячих газов к выходному отверстию, имеющее пластичное бронепокрытие, нанесенное на боковые поверхности заряда и охладителя, и эластичную оболочку, нанесенную на бронепокрытие и опорную решетку, имеющую цилиндрическую отбортовку, соединенную с корпусом в районе выходного отверстия (RU 2023956 С1, 30.11.1994).

Конструкция данного газогенератора сложна, недостаточна надежна и эффективна из-за бронировки заряда.

Известны также конструкции газогенерирующих устройств, корпус которых выполнен в виде рукавной оболочки из термоусаживающегося материала, а в крышках имеются проточки, в которых размещены эластичные уплотняющие элементы, при этом корпус выполнен из материалов, которые теряют свою форму при температурах 200-250^oС и тем самым накладываются существенные, практически невыполнимые ограничительные требования на используемые в таких конструкциях твердые химические вещества для изготовления зарядов, поскольку температура горения таких веществ превышает, как правило, 500-900^oС (RU 8088 U1, 16.10.1998 и RU 7902 U1, 16.10.1998).

Известно устройство для получения инертного газа, содержащее цилиндрический корпус с крышкой с одной стороны и с закрытым мембраной отверстием для выхода газов с другой стороны, размещенные внутри корпуса капсюль-воспламенитель, монолитный заряд газопроницаемого твердого химического топлива, газоохладитель-фильтр, опорную перфорированную решетку, при этом заряд размещен в корпусе без технологического зазора, корпус воспламенителя изготовлен из эластичного материала и состоит из выполненных заодно стакана для воспламенительного состава, обращенного открытым концом к капсюлю, и центрирующего элемента, причем цилиндрический корпус устройства выполнен цельнотянутым, крышка герметично скреплена с корпусом, а мембрана выполнена в виде утонения в цельнотянутом корпусе в области отверстия для выхода газов (RU 2069091 С1, 20.11.1996).

Несмотря на то, что данное устройство генерирует газ с хорошими потребительскими свойствами, имеется ряд недостатков, усложняющих его изготовление и эксплуатацию:
- учитывая фактические характеристики пористости заряда и механизм газообразования, давление у его переднего торца (со стороны воспламенителя) в процессе эксплуатации достигает 8 МПа и более, поэтому при применении таких устройств необходимо дополнительно использовать несущий контейнер с присоединительными элементами, так как цельнотянутый тонкостенный цилиндрический корпус разрушается в процессе горения заряда, то есть появляется необходимость комплектации изделия дополнительной несущей конструкцией со всеми вытекающими отсюда отрицательными последствиями;
- невозможно обеспечить гарантированное отсутствие технологического зазора из-за различия коэффициентов температурного расширения материалов корпуса и заряда и, следовательно, не исключается несанкционированный прорыв горячих газов к выходному отверстию, что приводит к нестабильности работы газогенерирующего устройства;
- как показали испытания, наличие газоохладителя-фильтра из мелкодисперсного инертного материала может приводить к проникновению этого материала вверх в область заряда и далее в зазор между корпусом и зарядом, что изменяет характер течения газа и дестабилизирует работу газогенератора;
- поскольку шлак, остающийся после срабатывания заряда азида натрия, содержит металлический натрий, несанкционированное вскрытие корпуса газогенерирующего устройства во влажной атмосфере может привести к саморазогреву и воспламенению шлака.

Наиболее близким аналогом является газогенерирующее устройство, содержащее цилиндрический цельнотянутый корпус из стали с герметично скрепленной с ним закаткой капсюлированной крышкой с одной стороны и отверстием для выхода газов с другой стороны, размещенный внутри корпуса воспламенитель и монолитный заряд твердого химического вещества, размещенный в корпусе с боковым зазором, при этом крышка имеет центрально расположенный штуцер с наружной резьбой и расположенным соосно капсюлю отверстием (WO 95/32761 А1, 07/12/1995).

В данном устройстве торцевая закатка крышки с корпусом из стали приводит к необходимости применения опоры и выполнения сложной конфигурации крышки, выполнение воспламенителя в виде традиционно отдельным конструктивным элементом и с утолщенным дном усложняет конструкцию, уменьшена роль бокового зазора, поскольку наличие осевого канала приводит к снижению величины давления в переднем объеме газогенератора, штуцер не служит целям размещения генератора в объекте потребителя. Кроме того, образующийся в начальный момент тепловой импульс распространяется по пути наименьшего сопротивления вниз по направлению к свободной области опоры, что может привести к нестабильности работы газогенератора.

Задачей изобретения является создание газогенерирующего устройства, обеспечивающего получение технического результата, состоящего в более полном обеспечении удобства эксплуатации газогенератора за счет совмещения функций в одном устройстве и в повышении безопасности эксплуатации за счет повышения стабильности характеристик газогенератора и надежности его работы.

Этот технический результат в газогенерирующем устройстве, содержащем цилиндрический цельнотянутый корпус из стали с герметично скрепленной с ним закаткой капсюлированной крышкой с одной стороны и отверстием для выхода газов с другой стороны, размещенный внутри корпуса воспламенитель и монолитный заряд твердого химического вещества, размещенный в корпусе с боковым зазором, при этом крышка имеет центрально расположенный штуцер с наружной резьбой и расположенным соосно капсюлю отверстием, достигается тем, что оно содержит расположенный в корпусе фильтр-охладитель, при этом соосное с капсюлем отверстие в штуцере выполнено конусным и в нем установлена с натягом до упора в капсюль втулка с боковой поверхностью в виде конуса Морзе и с центральным сквозным отверстием, а навеска воспламеняющего состава размещена в глухом канале в торце заряда, обращенном к крышке, причем между крышкой и торцем заряда помещен плоский эластичный элемент, другим торцем заряд опирается на фильтр-охладитель, представляющий собой газопроницаемый моноблок из инертного материала, а в отверстии для выхода газов установлена коническая втулка с внутренней резьбой.

Заряд выполнен из безазидного газогенерирующего состава.

Корпус устройства выполнен в виде цельнотянутой цилиндрической обечайки, в нижнем донце которой по центру выполнено отверстие для истечения газов с установленной в нем конической втулкой с внутренней резьбой. С открытой стороны обечайки герметично скреплена методом закатки копсюлированная крышка, на верхнем торце которой имеется штуцер с наружной резьбой и с центральным конусным отверстием, в которое запрессована до упора в капсюль втулка с боковой поверхностью в форме конуса Морзе и с центральным каналом для бойка ударного устройства объекта потребителя. В корпусе после крышки последовательно расположены: плоский эластичный элемент, заряд из безазидного газогенерирующего состава, например на основе калиевой селитры, имеющий на переднем торце центральное глухое цилиндрическое отверстие для размещения воспламенительной навески, например дымного ружейного пороха, а между боковой поверхностью заряда и корпусом имеется технологический зазор; монолитный газопроницаемый фильтр-охладитель из инертного материала.

Сравнение предложенной конструкции с известными из уровня техники аналогами показало следующее.

В технике известны газогенерирующие устройства в виде тонкостенных обечаек (корпусов) с размещенными в них воспламенителем, зарядом, фильтром. Но, как правило, при эксплуатации таких устройств необходимо дополнительно использовать несущий контейнер, выполняющий для известных конструкций роль прочных стенок, т.к. из-за высоких значений внутрикамерных давлений в процессе горения твердотопливного заряда происходит разрушение цельнотянутых тонкостенных цилиндрических корпусов. Кроме того, этот контейнер выполняет функции устройства, обеспечивающего работу газогенератора в объекте потребителя, а именно подсоединение контейнера с газогенератором к механизму задействования капсюля и подачу генерируемого газа в магистраль транспортирования его к месту нахождения рабочих органов. Изобретением предлагается ряд конструктивных особенностей, которые в комплексе позволяют повысить удобство и безопасность эксплуатации за счет совмещения функций и повышения стабильности характеристик и надежности работы газогенератора:
- изготовление корпуса из стали и установка крышки методом закатки;
- введение технологического зазора между зарядом и внутренним диаметром корпуса и наличие в заряде глухого канала с навеской воспламеняющего состава;
- выполнение заряда из безазидного газогенерирующего состава;
- размещение между крышкой и торцем заряда плоского эластичного элемента;
- наличие штуцера с наружной резьбой и соосным с капсюлем конусным отверстием, в которое с натягом до упора в капсюль установлена втулка с боковой поверхностью в виде конуса Морзе, и с центральным сквозным отверстием;
- выполнение фильтра-охладителя в виде газопроницаемого моноблока из инертного материала;
- наличие конической втулки с внутренней резьбой в отверстии для выхода газов.

Изготовление корпуса из стали позволило применить для скрепления крышки с корпусом метод закатки, что дало возможность убрать из конструкции корпуса и крышки отбортовку, применяемую в прототипе для сваривания деталей, и увеличить внутренний диаметр корпуса без увеличения его габаритных размеров (наружного диаметра газогенерирующего устройства), что привело к увеличению полезного свободного объема под размещение заряда и уменьшению его длины при той же массе, а следовательно, к уменьшению общего сопротивления заряда движению образующихся газов, т.е. к уменьшению величины давления внутри корпуса устройства и, в конечном итоге, к повышению безопасности.

Введение технологического зазора между боковой поверхностью заряда и внутренним диаметром корпуса газогенератора приводит к существенному повышению надежности и стабильности в работе газогенерирующего устройства. Технология изготовления газогенерирующих устройств с технологическими зазорами между зарядом и корпусом позволяет стабильно воспроизводить одни и те же геометрические, массовые и прочностные параметры зарядов, что обеспечивает снижение внутрикамерного давления при горении заряда до величин, позволяющих применить в объекте потребителя газогенерирующее устройство с корпусом из стальной цельнотянутой тонкостенной цилиндрической обечайки без использования дополнительного несущего контейнера, выполняющего функцию прочных стенок. Исключение контейнера ведет к повышению надежности в работе конструкции потребителя, понижению уровня давления, увеличивает безопасность при работе устройства. Кроме того, так как в предлагаемой конструкции течение газа происходит, в основном, по фиксированному зазору, то исчезает потребность в применении мер для исключения преждевременного прорыва продуктов сгорания в область размещения фильтра-охладителя. Таким образом, введение технологического зазора приводит к уменьшению числа деталей, снижению уровня внутрикамерного давления при работе газогенератора, и, в конечном итоге, к повышению надежности и стабильности работы объекта потребителя в целом.

В предлагаемой конструкции воспламенительная навеска в виде дымного ружейного пороха размещена в глухом канале, выполненном по центру в торце заряда, обращенном к капсюлированной крышке. Для раскрепления заряда в продольном направлении и для предотвращения высыпания навески воспламенительного состава между крышкой и торцем заряда размещается плоский эластичный элемент, который при сборке упруго деформируется в продольном (осевом) направлении. Такое исполнение узлов фиксации перемещения заряда и воспламенителя привело к снижению навески дымного ружейного пороха и позволило существенно понизить, вплоть до исключения, пиковое давление на начальном участке работы заряда, что повысило стабильность и надежность работы газогенерирующего устройства. В свою очередь такое исполнение воспламенителя стало возможным благодаря тому, что для заряда используется безазидный состав, т.к. исключается необходимость разделения полостей для размещения заряда и капсюля из цветного металла, что необходимо делать из соображений безопасности, если заряд изготавливается на основе азидного состава.

Использование для изготовления зарядов безазидных составов на основе калиевой селитры позволило кроме отмеченного факта уменьшения пикового давления за счет предложенного исполнения воспламенительного узла перейти от механизма пористого горения с необходимостью гарантированного повышенного перепада по длине газообразующего элемента к процессу газификации по всей открытой поверхности шашки твердого газогенерирующего химического вещества, что привело к возможности выполнения технологического зазора между зарядом и корпусом, к существенному (в несколько раз) уменьшению внутрикамерного давления и к обеспечению устойчивой работы газогенератора со стальным тонкостенным корпусом без использования дополнительного несущего контейнера и, следовательно, к отмеченному выше факту улучшения условий работы конструкции в целом. Кроме того, используемый для изготовления зарядов газогенерирующих устройств твердый химический состав на основе калиевой селитры является безопасным для производства и эксплуатации и взрывобезопасен при изготовлении и обращении. Заряды, изготовленные из вышеназванного состава, при работе в предлагаемом газогенерирующем устройстве вырабатывают газ с температурой и в количестве, которые обеспечивают работоспособность конструкций потребителя, а реализуемые внутрикамерные давления не вызывают разрушений стальных цельнотянутых тонкостенных корпусов.

Существенное уменьшение внутрикамерного давления за счет упомянутых конструктивных особенностей и соединение крышки с обечайкой методом закатки позволило выполнить на внешнем торце крышки по центру штуцер с внешней резьбой, который обеспечивает установку газогенерирующего устройства в объект потребителя, причем в крышке центрально, соосно со штуцером изготавливается сквозное двухступенчатое отверстие для запрессовки капсюля-воспламенителя, а в штуцере - коническое отверстие, в которое устанавливается с натягом втулка с боковой поверхностью в виде конуса Морзе, закрепляющая капсюль и имеющая центральное сквозное цилиндрическое отверстие для бойка ударного устройства объекта потребителя.

Такое исполнение крышки позволяет обеспечить установку газогенератора в объект потребителя без дополнительного контейнера в этой части конструкции и заменить необходимые для функционирования детали прототипа (капсюлированная крышка, верхняя резьбовая часть контейнера и ответная резьба крышки контейнера) на одну многофункциональную, а именно крышку, обеспечивающую:
- соединение корпуса газогенерирующего устройства с крышкой с одновременной герметизацией места стыковки;
- установку капсюля-воспламенителя;
- размещение газогенерирующего устройства в объекте потребителя.

Изготовление газоохладителя-фильтра в виде газопроницаемого моноблока из инертного материала позволяет исключить из работы газогенератора неприятные последствия проникновения мелкодисперсного материала в полость заряда с последующими изменениями характера течения газа и дестабилизацией работы устройства. Кроме того, применение фильтра-охладителя в виде газопроницаемого моноблока способствует повышению надежности предохранения заряда от перемещений в продольном направлении. Таким образом, выполнение фильтра-охладителя в виде газопроницаемого моноблока из инертного материала также способствует решению поставленной задачи.

И наконец на повышение удобства эксплуатации и безопасности работы газогенерирующего устройства направлена установка в отверстии для выхода газов с натягом конусной втулки с внутренней резьбой. Такое исполнение выходной части газогенератора позволяет окончательно осуществлять применение заявляемого изделия в объекте потребителя без использования дополнительного контейнера, так как состыковка газогенератора с отводящей магистралью, подающей генерируемый газ в область, где он должен производить работу в объекте, для которого он предназначен, осуществляется посредством внутренней резьбы конусной втулки. Исключение дополнительных устройств и приспособлений увеличивает стабильность и надежность работы конструкции.

Таким образом, предлагаемое газогенерирующее устройство по сравнению с прототипом позволяет:
- генерировать газ химического состава, допускающего его применение на объектах народного хозяйства, с температурой не превышающей 130-160^oС, с удельной газопроизводительностью 360-390 нл/кг, с отсутствием твердых частиц;
- исключить из объекта потребителя дополнительное устройство - несущий контейнер;
- упростить технологию изготовления газогенерирующего состава, зарядов из него и газогенератора в целом;
- обеспечить безопасное обращение с газогенератором и его шлаками после срабатывания по прямому назначению;
- обеспечить стабильную работоспособность цельнотянутого стального тонкостенного цилиндрического корпуса.

То есть без изменения положительных свойств прототипа удалось повысить надежность и стабильность работы газогенерирующего устройства, совместить в одном устройстве функции газогенератора и несущего контейнера и улучшить тем самым потребительские качества изделия.

Таким образом, предлагаемое техническое решение, направленное на улучшение потребительских свойств товара, поставленную задачу выполняет: благодаря совокупности вышеперечисленных свойств создано газогенерирующее устройство, которому при эксплуатации не требуется дополнительный несущий контейнер, т.к. оно совмещает в себе эти функции и ко всему прочему предлагаемая конструкция обладает повышенной безопасностью за счет повышения стабильности характеристик газогенератора и надежности его работы.

Сравнение заявляемой конструкции с прототипом и другими решениями показало, что неизвестен газогенератор, в котором имело бы место предложенное сочетание конструктивных элементов. Непосредственно из уровня техники такое конструктивное решение не вытекает, но именно благодаря всей совокупности конструктивных особенностей, благодаря их единству стало возможным обеспечение более высокого уровня стабильности и надежности работы, получение нового уровня эксплуатационных характеристик. Это дает основание считать предложенное техническое решение обладающим изобретательским уровнем.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлен общий вид конструкции в разрезе. Газогенератор содержит корпус 1, соединенный методом закатки по поверхности А с крышкой 2, у которой имеется штуцер 3 с наружной резьбой 4 и центральным сквозным отверстием 5, в которое запрессован капсюль 6, фиксируемый втулкой 7 с наружной поверхностью в виде конуса Морзе, которая установлена в центральное конусное отверстие штуцера 3 до упора в капсюль 6. После крышки 2 в корпусе 1 расположен плоский эластичный элемент 8, заряд 9 безазидного газогенерирующего состава на основе калиевой селитры с центральным глухим цилиндрическим каналом 10, выполненным со стороны торца, обращенного к крышке 2, в котором помещена навеска воспламенительного состава. Другим торцем заряд опирается на фильтр-охладитель 11, представляющий собой газопроницаемый моноблок из инертного материала. В отверстие нижнего донца тонкостенного корпуса 1 установлена с натягом конусная втулка 12 с внутренней резьбой М.

Заявляемая конструкция работает следующим образом. К устройству по резьбе М втулки 12 подстыковывается газовод исполнительного органа объекта потребителя. С помощью резьбы 4 штуцера 3 газогенератор устанавливается в устройство запуска изделия, работу которого он должен обеспечить. Задействование устройства запуска приводит к накалыванию капсюля 6, он срабатывает с выработкой форса пламени, поджигающего воспламенительную навеску дымного ружейного пороха, расположенного против капсюля 6 в центральном глухом канале 10. Происходит зажжение поверхности канала заряда 9 с образованием газа, обеспечивающего прогрев омываемых им слоев состава заряда 9 до температур, которые позволяют протекать самоподдерживающейся реакции горения. Образующийся при горении воспламенившейся части заряда газ, воздействуя на плоский эластичный элемент 8, отжимает его, освобождая проходы в зазор между боковой поверхностью заряда 9 и внутренним диаметром корпуса 1, обеспечивая при этом всестороннее равномерное горение и воспламеняя заряд 9 по всей поверхности горения. Генерируемый газ по зазору и имеющимся порам заряда 9 течет к фильтру-охладителю 11, представляющему собой газопроницаемый моноблок, сформированный из инертных материалов. Проходя по порам фильтра 11, газ нагревает его, отдавая ему тепло и охлаждаясь, при этом твердые частицы, которые могут находиться в газообразных продуктах, оседают в микропорах за счет процессов столкновений, механических взаимодействий и отфильтровывания по размерам. Газ, проходя через фильтр-охладитель 11, к выходному отверстию 12 подходит охлажденным и очищенным, имея параметры, указанные выше. Далее по магистралям, подсоединенньм через резьбу М в конусной втулке 12, газ поступает к исполнительным органам объекта потребителя.

Предлагаемая конструкция газогенерирующего устройства прошла все этапы в процессе всесторонней отработки с проведением комплекса огневых, эксплуатационных и специальных испытаний с наработкой необходимого статистического материала, позволяющего гарантировать высокие стабильность и надежность работоспособности изделия как в автономном режиме, так и в составе объекта потребителя. Предложенный газогенератор не вызывает затруднений при его изготовлении. Все узлы, детали, материалы производятся серийно промышленностью. Необходимость такого газогенерирующего устройства для промышленности не вызывает сомнений в силу его высоких потребительских свойств, обеспеченных высокими стабильностью и надежностью работы и удобством эксплуатации, что выражается в достаточной простоте конструкции, высокой воспроизводимости параметров, во взрывобезопасности и химической стабильности при эксплуатации, хранении и транспортировке. Газогенерирующее устройство по изобретению не требует специальных мер в плане обеспечения пожаробезопасности и не оказывает отрицательного воздействия на окружающую среду. Газогенерирующее устройство предлагаемой конструкции внедрено в производство и активно потребляется на рынке. Таким образом, предложение обладает промышленной применимостью.

Газогенерирующее устройство может быть использовано для получения низкотемпературного газа при сгорании твердого химического вещества и позволяет получить технический результат, состоящий в более полном обеспечении удобства эксплуатации газогенератора за счет совмещения функций в одном устройстве и в повышении безопасности эксплуатации за счет повышения стабильности характеристик газогенератора и надежности его работы. Газогенерирующее устройство содержит цилиндрический цельнотянутый корпус из стали с герметично скрепленной с ним закаткой капсюлированной крышкой с одной стороны и отверстием для выхода газов с другой стороны, размещенный внутри корпуса воспламенитель и монолитный заряд твердого химического вещества, размещенный в корпусе с боковым зазором. Крышка имеет центрально расположенный штуцер с наружной резьбой и расположенным соосно капсюлю отверстием и расположенный в корпусе фильтр-охладитель. Соосное с капсюлем отверстие в штуцере выполнено конусным и в нем установлена с натягом до упора в капсюль втулка с боковой поверхностью в виде конуса Морзе и с центральным сквозным отверстием. Навеска воспламеняющего состава размещена в глухом канале в торце заряда, обращенном к крышке. Между крышкой и торцем заряда помещен плоский эластичный элемент, другим торцем заряд опирается на фильтр-охладитель, представляющий собой газопроницаемый моноблок из инертного материала. В отверстии для выхода газов установлена коническая втулка с внутренней резьбой. Заряд выполнен из безазидного газогенерирующего состава. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Газогенерирующее устройство, содержащее цилиндрический цельнотянутый корпус из стали с герметично скрепленной с ним закаткой капсюлированной крышкой с одной стороны и отверстием для выхода газов с другой стороны, размещенный внутри корпуса воспламенитель и монолитный заряд твердого химического вещества, размещенный в корпусе с боковым зазором, при этом крышка имеет центрально расположенный штуцер с наружной резьбой и расположенным соосно капсюлю отверстием, отличающееся тем, что оно содержит расположенный в корпусе фильтр-охладитель, при этом соосное с капсюлем отверстие в штуцере выполнено конусным и в нем установлена с натягом до упора в капсюль втулка с боковой поверхностью в виде конуса Морзе и с центральным сквозным отверстием, а навеска воспламеняющего состава размещена в глухом канале в торце заряда, обращенном к крышке, причем между крышкой и торцем заряда помещен плоский эластичный элемент, другим торцем заряд опирается на фильтр-охладитель, представляющий собой газопроницаемый моноблок из инертного материала, а в отверстии для выхода газов установлена коническая втулка с внутренней резьбой. 2. Газогенерирующее устройство по п. 1, отличающееся тем, что заряд выполнен из безазидного газогенерирующего состава.