Газогенерирующее устройство системы пассивной безопасности пользователей транспортным средством Советский патент 1984 года по МПК B60R21/10 F42B3/04 C06D5/00 

химическим топливом и инициатором его горения и часть камеры охлаждения, включающая полость с порошкообразным охладителем, газораспределительным устройством и разрушающейся мембраной, выполнены в виде гаэогенерирующего патрона, размещенного в корпусе, включающем патронник и

рабочую полост-ь камеры охлаждения с активатором.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что, с целью получения дополнительного количества газов, корпус патрона выполнен из материала, разлагающегося под воздействием тепла с вьделением газов.

1. ГАЗОГЕНЕРИРУЩЕЕ УСТРОЙСТВО СИСТЕМЫ ПАССИВНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ .ПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ ТРАНСПОРТНЫМ СРЕДСТВОМ, содержащее корпус с выходными отверстиями, разделенный перегородкой с одним или несколькими отверстиями на камеру сгорания с химическим толливом и инициатором его горения и камеру охлаждения с охладителем и газораспределительным устройством, о тличающееся тем, что, с целью повьшения его эффективности и быстродействия срабатывания путем увеличения поверхности контакта высокотемпературных продуктов сгорания химического топлива с твердым охладителем и интенсификации теплообмена путем увеличения поверхности контакта твердого охладителя с продуктами сгорания химического топлива и задания ему турбулентного движения, камера охлаждения разделена разрушающейся мембраной на полость с охладителем в виде высокодисперсного порошка, прилегающую к камере сгорания и отделенную от перегородки газораспределительным устройством, выполненным в виде диафрагм с отверстиями, суммарная площадь которых d 3f, , где бц - площадь проходного сечения отверстий в перегородке, и рабочую полость, в которой по оси установлен активатор, выполненный в виде полого тела.вращения-переменного сечения, направленного сужающейся частью к разрушающейся мембране, основание которого имеет равньй с рабочей полостью диаметр, при.этом на наружной поверхности указанного тела вр1щения поперек рабочей полости через равные интервалы по высоте концентрически установлены кольцевые перегородки, причем размер перегородок в диаметральной плоскости выполнен меньше диаметра рабочей полос- s ти и увеличивается пропорционально уве- . личению диаметра сечения тела вращения в местах их установки, а в теле вращет ния под перегородками выполнены отвер1 стия. .I 2.Устройство по п. 1, отличаО а ющееся тем, что, с целью .увеличения степени турбулизации пьтегазо vj вой смеси в рабочей полости камеры о соохлаждения, перегородки выполнены либо в виде колец с отверстиями, либо в виде кольцевых сегментов, причем отверстия или зазоры предыдущей перегородки смещены относительно отверстий или зазоров последующей перегородки . 3.Устройство по п. 1, о т л ич ающе вся тем, что, с целью обеспечения удобства его установки и эксплуатации, камера сгорания с

Изобретение относится к конструкции газогенерирующих устройств систе мы пассивной безопасности и предназначено для получения за малое время большого количества газов с умеренной температурой, используемых для приведения в работу различных риловых органов, наполнения газом эластичных оболочек, развертывания надув ных средств аварийного спасения, в частности гибких оградительньпс оболочек (пневмоподушек), защищающих водителей и пассажиров автотран спорта при столкновениях или наездах автотранспортных средств на пррпятствия, и других целей. Известны газогенерирующие устрой ства, используемые в системах пассивной безопасности, в которых снижение температуры горячих газов, образующихся при горении химического топлива, до приемлемого уровня осуществляется за счет отдачи части тепла на эндотермическое разложение твердого охладителя, являющегося одним из элементов снаряжения газогенератора. Устройства содержат корпус с выходным отверстием, разделенный перегородкой с одним или несколькими отверстиями на камеру сгорания с химическим топливом и инициатором его горения и камеру охлаждения с твердым гранулированным охладителем. В камере охлаждения размещены устрой ство для соответствующего распределения газового потока продуктов горения химического топлива по слою охладителя (газораспределительное устройство) в виде, например, перфорированной трубки или других элементов, а также устройство для предотвр щения прорьша высокотемпературных газов из камеры сгорания к выходному отверстию, представляющее собой, например, шнек, установленный в охладителе по оси камеры охлаждения lj . Газогенераторы с твердым охладителем позволяют получать газы с требуемым уровнем температуры, однако при малых временах работы (0,010,05 с) и больших секундных расходах они являются неэффективными. Это обусловлено тем, что степень охлаждения генерируемых газов определяется термохимическими характеристиками применяемого охладителя (температура разложения, эндотермический эффект термического разложения), массой разложившегося охладитедя, скоростью разложения охладителя и поверхностью охладителя,контактирующей с высокотемпературными продуктами сгорания химического топлива, причем скорость разложения и поверхность контакта являются параметрами, определяющими массу разложившегося охладителя. Скорость разложения известных охладителей, полученная экспериментально, не превышает 1 мм/с. Поэтому с увеличением секундного расхода продуктов сгорания химического топлива и уменьшением времени их контакта с поверхностью твердого грйнулированного охладителя для обеспечения требуемой температуры генерируемого газа поверхность контакта должна быть соответственно увеличена. Увеличение поверхности контакта может быть достигнуто или увеличением объема (а соответственно и исходной массы) гранулированного охладителя, или уменьшением размера гранул. 31 При малых временах работы (0,010,05 с), первый путь увеличения поверхности контакта является неприемлемьш, так как не обеспечивает эффек тивного использования охладителя. В этом случае в процессе разложения каждая гранула уменьшается в размере в среднем лишь на 0,02-0,1 мм, т..е. масса остатков охладителя будет тем больше, чем крупнее гранулы. Таким образом, для газогенератора с малыми временами работы целесообра но использовать твердый охпадитель в виде высокодисперсного порошка, об ладающего поверхностью контакта на 2-3 порядка вьш1е, чем гранулированны охладитель. Конструкции газогенераторов не до-пускают использование охладителя в виде высокодисперсного порошка. Это обусловлено особенностями организации течения продуктов сгорания химического топлива в камере охлаждения. Охлаждение высокотемпературных газов осуществляется при пропускании их с достаточно высокой скоростью (50-300 м/с) через неподвижный слой гранулированного охладителя. При этом работоспособность камеры охлаждения определяется размером гранул,которьй не может быть уменьшен произ вольно. Уменьшение размера гранул влечет за собой увеличение сопротивления слоя охладителя и перепада давления. При значительном уменьшении грану охладителя возникающий перепад давле ния может привести к разрушению корпуса газогенератора. Из изложенного следует, что конструкция газогенератора с малыми временами работы (0,01-0,05 с) и большими секундными расходами должна обеспечивать использование твердого охладителя в виде высокодисперсного порошка и соответствующего организа.цию течения высокотемпературных продуктов сгорания химического топлива в камере охлаждения, при котором реализуется эффективный теплообмен между газом и порошком. Наиболее близким к изобретению является газогенерирующее устройство содержащее корпус с выходными отверстиями, разделенный перегородкой с одним или несколькими отверстиями . -на камеру сгорания с химическим топливом и инициатором его горения и 3 камеру охлаждения с газораспределительным устройством. В камере охлаждения размещено газораспределительное устройство для распределения продуктов горения химического топлива по сечению камеры охлаждения, вьтолненное в виде решетки, и устройство для предотвращения прорыва высокотемпературных продуктов горения из камеры сгорания к выходному отверстию, вьтолненное в виде пучка металлических трубок, погруженных в охладитель, которыми решетка разделена на отсеки, причем охладитель имеет твердую гранулированную структуру 2j..: Недостатком известного устройства являет,ся его низкая эффективность при малых временах (0,01-0,05 с) работы и больших удельных расходах. Цель изобретения - повьш1ение эффективности газогенератора и быстро- действия срабатывания путем увеличения поверхности контакта высокотемпературных продуктов сгорания химического топлива с твердым охладителем и интенсификация теплообмена путем увеличения поверхности контакта твердогоохладителя с продуктами сгорания химического топлива и задания ему турбулентного движения. Указанная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем Корпус с выходныь1и отверстиями, разделенный перегородкой с одним или несколькими отверстиями на камеру сгорания с химическим топливом и инициатором его горения и камеру охлаждения с охладителем и газораспределительным устройством, камера охлаждения разделена разрушающейся мембраной на полость с порошкообразным охладителем, прилегающую к камере сгорания и отделенную от перегородки газораспределительным устройством, выполненным в виде диафрагм с отверстиями, суммарная площадь которых ( -f, 3d , гдеС,-- площадь проходного сечения отверстий в перегородке,. и рабочую ПОЛОСТЬ, в которой по оси установлен активатор, выполненный в виде полого перфорированного тела вращения переменного сечения, напримёр конуса, направленного вершиной в сторону разрушающейся мембраны, основание которого имеет равный с корпусом рабочей полости диаметр, и одновременно является выходным диффузором газогенератора, при этом на наружной поверхности указанного тела вращения поперек рабочей полости через равные интервалы по высоте концентрически установлены колрцевые перегородки, причем размер перегородок в диаметральной плоскости выполнен меньше диаметра рабочей полости и увеличивается пропорционально увеличению диаметра сечения тела вращения в местах их установки, а в теле вращения под перегородками вьшолнены отверстия. Разделение камеры охлаждения на две полости, применение порошкообраз- 5 ного охладителя и установка активато ра позволяет обеспечить работоспособ ность и резко повысить зффективность системы ох. ждения и устройства в це лом. Это достигается путем механического и газодинамического воздействия на порошкообразный охладитель, в процессе которого он образует пьшегазовую смесь с продуктами сгорания химического топлива. При этом высокая эффективность охлаждения объясняется созданием большой поверхности контакта охладителя с высокотемпературныйи газами и увеличением длительности контакта частиц охладителя в турбулентном потоке газа. Установка разрушающейся мембраны позволяет обеспечить выброс всей массы охладителя на активатор, чем исключается прорыв высокотемпературных газов из газогенератора в надуваемую полость (газ движется за порошком). Газораспределитель обеспечивает распределение потока продуктов сгорания химического топлива по сечению камеры охлаждения и соотввтствуюп(ий режим выброса охладителя. Для обеспечения эффективной работы газогенератора при малых временах (0,01-0,05 с) необходимо обеспечить наиболее быстрый выброс всей массы порошкообразного охладителя на активатор, для чего отверстия в газораспределителе равномерно распределяются по площади диафрагмы. С увеличением времени работы газогенератора необходимо растянут процесс выброса порошкообразного охладителя по времени, что обеспечивается смещением отверстий к центру диафрагмы. При этом в первом случае разрушающаяся мембрана должна вскрываться по всему сечению камеры охлаждения, 11 36 что достигается подбором соответствующей ее толщины или выполнением . на ней нескольких радиальных насечек, облегчающих ее вскрытие при достижении в полости с охладителем заданного давления. Во втором случае мембрана должна вскрываться только в центральной части, для чего о«а выполняется, например, с утончением в центральной части, Для обеспечения сверхкритического режима истечения из камеры сгорания и исключения тем самым влияния газодинамических процессов в камере охлаждения на режим горения химического топлива суммарная площадь проходных сечений отверстий в газорас- пределителе fjf должна по крайней мере в три раза превосходить площадь проходного сечения отверстия в перегородке (6g.,), Активатор предназначен для разрушения ядра порошка охладителя, выбрасываемого в первьй момент работы газогенератора в рабочую полость, деления массы порошка на ряд дискретных частей и создания таким образом объемной структуры в,рабочей полости, обеспечивающей истечение газа без возникновения существенных перепадов давления в камере охлаждения, а также для турбулизации потока продуктов сгорания химического топлива путем многократного отражения от его поверхности и изменения направления движения, чем обеспечивается процесс образования пьиегазовой смеси. С целью интенсификации процех са образования пыпегазовой смеси перегородки на корпусе активатора выполняются в виде кольцевых сегментом, расположенных по нескольку в каждом сечении с некоторым зазором. Причем зазоры между кольцевыми сегментами в последующих сечениях смещены таким образом, чтобы исключить возможность сквозного проникновения порошка и газов к основанию активатора. С этой же целью перегородки выполняются в виде колец с отверстиями. Перегородки могут быть плоскими или вогнутыми в сторону набегающего газового потока. Для исключения выноса, неразложившегося охладителя в заполняемую емкость выходные отверстия в корпусе активатора выполняются под перегородками, непосредственно у их основания. Для дополнительного охлаждения генерируемого газа активатор может быть выполнен из теплоемкого материала, а на внутренней его поверхности вьшолнены ребра, обеспечивающие эффективный теплоотвод от газа, поступающего в заполняемую емкость. При использовании газогенератора в системах многократного срабатывания, с целью обеспечения удобства его установки и эксплуатации, камера сгорания с химическим топливом и инициатором его горения, а также часть камеры охлаждения, включающая полость с порошкообразным охладителем, выполняются в виде газогенерирующр.го патрона, заключенного в тонкостенную гильзу и размещенного в силовом корпусе газогенератора многократного применения, включающем патронник для размещения газогенерирующего патрона и рабочую полость камеры охлаждения с активатором. Кроме того, с целью получения дополнительного количества газов, корпус патрона выполнен из материала, разлагающегося под воздействием тепла с вьщелением газов. На фиг. 1 схематически изображено предлагаемое устройство, в котором активатор выполнен в виде конуса с отверстиями и с перегородками в виде вогнутых колец, аксонометрическая проекция с частичным вьфывом на фиг. 2 - то же, с перегородками ак тиватора в виде плоских колец с отве стиями,, а камера сгорания с химическим топливом и инициатором его горения и полость с порошкообразным охла дителем заключена в тонкостенную гиль ЗУ, аксонометрическая проекция с час тичным вырывом; на фиг. 3 - рабочая полость камерыохлаждения, первая стадия процесса бхлаждения, разрез; на фиг. 4 - то же, вторая стадия про цесса охлаждения. t. . Устройство .(фиг. 1) содержит кор пус 1, разделенный перегородкой 2 с. одним или несколькими отверстиями на камеру 3 с.горания с химическим топливом. 4 и цилиндром 5 его горени и камеру 6 охлаждения, которая разд лена разрушающейся мембраной 7 на п лость с порошкообразным охладителем 8 отделенную от перегородки 2 газорас пределительным устройством 9, и раб чую полость 10 с установленным по о камеры охлаждения активатором 1-1 , являющимся выходным диффузором. Перегородки 12 активатора 11 могут быть выполнены вогнутыми (фиг. 1) или плоскими с отверстиями (фиг. 2). Камера 3 сгорания с химическим топливом 4 и инициатором 5 его горения и полость с порощкообразным охладителем 8, ограниченная газораспределительным устройством 9 и разрушающейся мембраной 7, могут вьшолняться в тонкостенной гильзе 13 разового пр,, которая помещается в корпус 1, включающий рабочую .полость 10 с активатором 11 (фиг. 2). При срабатывании инициатора 5 горения воспламеняется химическое топливо 4 и высокотемпературные газы че- . рез отверстие в перегородке 2 и отверстия газораспределительного устройства 9 истекают в полость с порошкообразным охладителем 8. При достижении в этой полости заданного давления происходит разрушение мембраны 7, и порошкообразный охладитель 8 давления газов выбрасывается в рабочую полость 10 камеры 6 охлаждения. Движение охладителя происходит .плотным ядром до достижения им активатора; 11.. Затем-ядро, разрушается пере,городками 12 на ряд объемов, образуя объемную структуру. За. ядром движется высокотемпературный .газ. Этим закануивается. первая стадия процесса охлаждения (фиг. 3). Стадия выбрана условно из условия удобства описания. При набегании-на перегородки 12 (фиг. 4) активатора 11 высокоскоростног.э газового потока, следующего- за охладителем 8, происходит разворот :Потока в обратном направлении- и увеличение им порошкообразного охладителя. В результате многократнь х поворотов и отражения потока газов от поверхности активатора происходит его турбулизация и создается пыпегазовая смесь порошкообразного охладителя в потоке продуктов горен}1Я химического топлива, чем обеспечивается развитая поверхность контакта- охладителя с горячими газами, эффективное его разложение и снижение температу- ры генерируемых газов до требуемого уровня. Охлажденные таким образом генерируемые газы истекают через отверстия в активаторе 11 во внутреннюю полость активатора, где происходит перемешивание и окончательное выравнивание температуры по. потоку газа за счет соударения встречных струй. При вьтолнении активатора с перегородками в виде кольцевых сегментов или колец с отверстиями лри течении газа через перегородки создается дополнительное завихрение по тока, улучшающее процесс образовани пьшегазовой смеси и исключакнцее вынос порошкообразного охладителя через отверстия в корпусе активатора в его внутреннюю полость. С Целью проверки эффективности предлагаемого устройства проведены сравнительные испытания с базовым устройством. Базовое устройство (чертеж АП 32 410.200) соедржит корпус, раздеделнный перегородкой с отверстием на камеру сгорания с химическим топ ливом и инициатором его горения и камеру охлаждения с гранулированным твердым охладителем. По оси камеры охлаждения устанавливается газораспределительное устройство, вьшолнен ное в виде перфорированной трубки. Трубка одним концом жестко закрепле на на перегородке соосно с отверсти ем в ней, а другим - на днище камеры охлаждения Камера охлаяо ения имеет перфорацию по боковой поверхности. При этом в процессе работы высокотемпературные продукты горейн химического топлива из камеры сгора ния попадают в газораспределительно устройство, равномерно распределяют по слою гранулированного охладители заключенного между газораспределительным устройством и боковой перфо рированной стенкой камеры охлаждени (чем обеспечивается максимально воз100

Базовое

100

Предлагаемое

Гранулы: диаметр 6 мм высота 4 мм

Порошок с размером частиц 0,1-0,05 мм 3. 10 можная поверхность их контакта с охладителем) и разлагают охладитель. Охлажденные газы через перфорацию в стенке камеры охлаждения попадают в рабочий объем исполнительного органа. Комплектация устройств перед испытаниями и результаты испытаний представлены в табли.це 1. Результаты испытаний,, а именно максимальная температура генерируемого газа и эффективность использования охладителя (по остатку), подтверждают высокую эффективность предлагаемой конструкции устройства. Полученная температура генерируемого газа не превьшает 180 С против 1450 С в базовом устройстве, охладитель 1 азлагается полностью без остатка. Предлагаемое устройство обеспечивает высокую надежность функционирования в течение длительного срока экс- гшуатации, эффективность работы и необходимое быстродействие. Использование в, качестве охладителя высокодисперсного порошка позволяет снизить температуру продуктов разложения химического топлива с 20003000 до 150-200°С за время О,01-0,05с. Габаритно-весовые характеристики предлагаемого гйзогенерирующего устройства снижены на 20% по сравнению с базовым. Изобретение обеспечивает высокую надежность срабатывания устройства (до 0,9999) в широком диапазоне температур эксплуатации (+50 С) и при длительном сроке эксплуатации (не Менее 10 лет).

0,04

2500

Базовое

Предлагаемое 0,04

2500

1А50

85

180

у