Газогенерирующее устройство системы пассивной безопасности пользователей транспортным средством

 

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

09) (И) СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

С

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

"" " 1@0 Ыял

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

llO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3501470/27-11 (22) 18. 10. 82 (46) 07. 08.84. Бюл. № 29 (72) Ю.Е. Орионов. М.А. Архангельский, В.А. Куцый, Е.А. Раздобарин, Н.А. Макаровец. Я.Ф. Савченко, В.В. Вахтин, Ю.В. Филиппов, С.И. Матвейкин, И.С. Знльберман, В.Н. Луканин, Л.Д. Долгова, В.А. Вознюк и В.Ф. Кутенев (53) 629. 113. 014-662. 76 (088.8) (56) 1. Патент Франции №- 2274015, кл. Р 42 В 3/04, опублик. 1976.

2. Патент ФРГ ¹ 2252741, кл. С 06 D 5/00, опублик. 1980 (прототип). (54)(57) 1. ГАЗОГЕНЕРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО СИСТЕМЫ ПАССИВНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ . ПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ TPAHCIIOPTHbM 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 тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения 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

3(50 В 60 R "-1/10; F 42 В 3/04;

С 06 D 5/00 высокодисперсного порошка, причегающую к камере сгорания и отделенную от перегородки газораспределительным устройством, выполненным в виде диафрагм с отверстиями, суммарная площадь которых (г > 3, где 6 — 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 равный с рабочей полостью диаметр, при этом на наружной поверхности указанного тела вращения.поперек рабочей полосе ти через равные интервалы по высоте концентрически установлены кольцевые перегородки, причем размер перегородок в диаметральной плоскости выполнен меньше диаметра рабочей полос- ти и увеличивается пропорционально уве- . личению диаметра сечения тела вращения в местах их установки, а в теле враще ния под перегородками выполнены отвер стия, 2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью .увеличения степени турбулизации пылегазовой смеси в рабочей полости камеры охлаждения, 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 а ю щ е е с я тем, что, с целью обеспечения удобства его установки и эксплуатации, камера сгорания с

1106703 химическим топливом и инициатором его горения и часть камеры охлаждения, включающая полость с порошкообраз>а охладителем, газораспределительным устройством и разрушающейся мембраной, выполнены в виде гаэогенерирующего патрона, размещенного в корпусе, включающем патронник и

Изобретение относится к конструкции газогенерирующих устройств системы пассивной безопасности и предназначено для получения за малое время большого количества газов с умеренной температурой, используемых для приведения в работу различных диловых органов, наполнения газом эластичных оболочек, развертывания надув" ных средств аварийного спасения, 10 в частности гибких оградительных оболочек (пневмоподушек), защищающих водителей и пассажиров автотранспорта при столкновениях или наездах автотранспортных средств на препят- 15 ствия, и других целей.

Известны газогенерирующие устройства, 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 охпадителем.

В камере охлаждения размещены устрой-З5 ство для соответствующего распределения газового потока продуктов горения химического топлива по слою охладителя (газораспределительное устройство) в виде, например, перфо- 40 рированной трубки или других элементов, а также устройство для предотврарабочую полость камеры охлаждения с активатором.

4. Устройство по п. 3, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью получения дополнительного количества газов, корпус патрона выполнен из материала, разлагающегося под воздействием тепла с выделением газов. щения прорыва высокотемпературных газов из камеры сгорания к выходному отверстию, представляющее собой, например, шнек, установленный в охладителе по оси камеры охлаждения (1) .

Газогенераторы с твердым охлади, телем 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 охладителя, 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 гранулированного охпадителя для обеспечения требуемой температуры генерируемого газа поверхность контакта должна быть соответственно увеличена. Увеличение поверхности контакта может быть достигнуто нли увеличением объема . (а соответственно и исходной массы) гранулированного охладителя, или уменьшением размера гранул.

1106703

При малых временах работы (0,010 05 с). первый путь увеличения поверхности контакта является неприемлемым, так как не обеспечивает эффективного использования охладителя. 5

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 целесообразно использовать твердый охладитель в виде высокодисперсного порошка, об- 15 ладающего поверхностью контакта на

2-3 порядка выше, чем гранулированный охладитель.

Конструкции газогенераторов не допускают использование охладителя в виде высокодисперсного порошка. Это обусловлено особенностями организации течения" продуктов сгорання 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,который не может быть уменьшен произвольно. Уменьшение размера гранул влечет за собой увеличение сопротивления слоя охладителя и перепада

35 давления.

При значительном уменьшении гранул

„o охладителя возникающий перепад давления 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 организацию течения высокотемпературных продуктов сгорания химического топлива в камере охлаждения, при кото50 ром реализуется эффективный теплообмен между газом и порошком.

Наиболее близким к изобретению является газогенерирующве устройство, содержащее корпус с выходными отверстиями, разделенный перегородкой

55 с одним или несколькими отверстиями .-на камеру сгорания с химическим топливом и инициатором его горения и камеру охлаждения с газораспределительным устройством. В камере охлаждения размещено газораспределительное устройство для распределения продуктов горения химического топлива по сечению камеры охлаждения, выполненное в виде решетки, и устройство для предотвращения прорыва высокотемпературных продуктов горения из камеры сгорания к выходному отверстию, выполненное в виде пучка металлических трубок, погруженных в охладитель, которыми решетка разделена на отсеки, причем охладитель имеет твердую гранулированную структуру (2j .

Недостатком известного устройства является его низкая эффективность при малых временах (0,01-0,05 с) работы и больших удельных расходах. .Цель изобретения — повышение эффективности газогенератора и быстродействия срабатывания путем увеличения поверхности контакта высокотемпературных продуктов сгорания химического топлива с твердым охладителем и интенсификация теппообмеиа путем увеличения поверхности контакта твердого охладителя с продуктами сгорания химического топлива и задания ему турбулентного движения.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем корпус с выходными отверстиями, разделенный перегородкой с одним или несколькими отверстиями на камеру сгорания с химическим топливом и инициатором его горения и камеру охлажде- ния 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

6g Зб, где п — площадь проходного сечения отверстий в перегородке,. и рабочую полость, в которой по оси установлен активатор, выполненный в виде полого перфорированного тела вращения переменного сечения, например конуса, направленного вершиной в сторону разрушающейся мембраны, основание которого имеет равный с корпусом рабочей полости диаметр, и одновременно является выходным д фр

При этом в первом случае разрушающаяся мембрана должна вскрываться по всему сечению камеры охлаждения, S 11067 диффузором газогенератора, при этом на наружной поверхности указанного тела вращения поперек рабочей полости через равные интервалы по высоте концентрически установлены колюцевые 5 перегородки, причем размер перегоро- док 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 выполненыотверстия.

Разделение камеры охлаждения на две полости, применение порошкообраз — 15 ного охладителя и установка активатора позволяет обеспечить работоспособность и резко повысить эффективность системы охаждения и устройства в целом. Это достигается путем механи- 20 ческого и гаэодинамического воздействия на порошкообразный охладитель, в процессе которого он образует пыле- газовую смесь с продуктами сгорания химического топлива. При этом высокая 25 эффективность охлаждения объясняется созданием большой поверхности контакта охладителя с высокотемпературными газами и увеличением длительности контакта частиц охладителя в турбу-. 3п лентном потоке газа.

Установка разрушающейся мембраны позволяет обеспечить выброс всей массы охладителя на активатор, чем ис-- ключается прорыв высокотемпературных газов из газогенератора в надуваемую полость (газ движется за порошком).

Гаэораспределитель обеспечивает распределение потока продуктов сгорания химического топлива по сечению 4О камеры охлаждения и соответствующий режим выброса охладителя. Для обеспечения эффективной работы газогенератора при малых временах (0,01-0,05 с) необходимо обеспечить наиболее быст- 4

45 рый выброс всей массы порошкообразного охладителя на активатор, для чего отверстия в газораспределителе равномерно распределяются по площади диафрагмы. С увеличением времени работы газогенератора необходимо растянуть процесс выброса порошкообразного охладителя по времени, что обеспечивается смещением отверстий к центру иа агмы.

03 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 она выполняется, например, с утончением в центральной части.

Для обеспечения сверхкритического режима истечения иэ камеры сгорания и исключения тем самым влияния газодинамических процессов в камере ох— лаждения на режим горения химического топлива суммарная площадь проходных сечений .отверстий в гаэораспределителе dg должна по крайней мере в три раза превосходить площадь проходного сечения отверстия в перегородке (б г ) 36„).

Актйватор предназначен для разрушения ядра порошка охладителя, выбрасываемого в первый 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 беэ возникновения существенных перепадов давления в камере охлаждения, а также для турбулиэации потока продуктов сгорания химического топлива путем многократного отражения от его поверхности и изменения направления движения, чем обеспечивается процесс обра- зования пыпегаэовой смеси.

С целью интенсификации процесса образования пылегазовой 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.

7 11067

Для дополнительного охлаждения генерируемого газа активатор может быть выполнен иэ теплоемкого материала, а на внутренней его поверхности выполнены ребра, обеспечивающие эффективный теплоотвод от газа, поступающего в заполняемую емкость.

При использовании газогенератора в системах многократного срабатывания, с целью обеспечения удобства 10

его установки и эксплуатации, камера сгорания с химическим топливом и инициатором его горения, а также часть камеры охлаждения, включающая полость с порошкообраэным охладителем, выполняются в виде гаэогенерирующего патрона, заключенного в тонкостенную гильзу и размещенного в силовом корпусе газогенератора многократного применения, включающем 2п патронник для размещения газогенерирующего патрона и рабочую полость камеры охлаждения с активатором.

Кроме того, с целью получения

25 дополнительного количества газов, корпус патрона выпол не н из мат ер иала, разлагающегося под воздействием тепла с выделением 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 вырывом; на фиг. 2 - то же, с перегородками ак- З тиватора в виде плоских колец с отверстиями,,а камера сгорания с химическим топливом и инициатором его горе- . ния и полость с порошкообразным охладителем заключена в тонкостенную гиль- 40 эу, аксонометрическая проекция с частичным вырывом; на фиг. 3 — рабочая полость камеры охлаждения, первая стадия процесса дхлаждения, разрез; на фиг. 4 — то же, вторая стадия про-45 цесса охлаждения.

Устройство (фиг. 1) содержит корпус 1, разделенный перегородкой 2 с одним или несколькими отверстиями О на камеру 3 сгорания с .химическим топливом,4 и цилиндром 5 его -горения и камеру 6 охлаждения, которая разделена разрушающейся мембраной 7 на полость с порошкообразным охладителем 8,55 отделенную от перегородки 2 газораспределительным устройством 9, и рабочую полость 10 с установленным по оси

03 8 камеры охлаждения активатором 1.1, являющимся выходным диффуэором.

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 порошкообразным охладителем 8, ограниченная газораспределительным устройством 9 и разрушающейся мембраной 7, могут выполнять- ся в тонкостенной гильзе 13 разового применения, которая помещается в корпус 1, включающий рабочую полость

10 с активатором 11 (фиг . 2).

При срабатывании инициатора 5 го- рения воспламеняется химическое топливо 4 и высокотемпературные газы че- . рез отверстие в перегородке 2 и отверстия гаэораспределитепьного 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 перегородками

12 на ряд объемов, образуя объемную структуру. 3a:ядром движется высокотемпературный .газ. Этим закан ивается первая стадия процесса охлаждения (фиг. 3). Стадия выбрана условно из условия удобства описания., При набегании на перегородки 12 (фиг. 4) активатора 11 высокоскоростного газового потока, следующего- эа охладителем 8, происходит разворот потока в обратном направлении и увеличение им порошкообразного охладйтеля. В результате многократных поворотов и отражения потока газов от поверхности активатора происходит его турбулизация и создается пыпегаэовая смесь порошкообразного охладителя в потоке продуктов горения химичес кого 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

1106

Масса охладителя, r

Температура разложения охладителя, о, Масса химического топлива, г

Дисперсность охладителя

Устройство

100

200

140

Гранулы: диаметр 6 мм высота 4 мм

Базовое

100

140

200

Предлагаемое

Порошок с размером частиц

0,1-0 05 мм выравнивание температуры по. потоку газа эа счет соударения встречных струй. При выполнении активатора с перегородками в виде кольцевых сегментов или колец с отверстиями жри течении газа через перегородки созе дается дополнительное завихрение потока, улучшающее процесс образования пыпегазовой смеси и исключающее вынос порошкообраэного охладителя че- 1р рез отверстия в корпусе активатора в его внутреннюю полость.

С целью проверки эффективности предлагаемого устройства проведены сравнительные испытания с базовым 15 устройством.

Базовое устройство (чертеж АП

32 410.200) соедржнт корпус, раздеделнный перегородкой с отверстием на камеру сгорания с химическим топ- ур ливом и инициатором его горения и камеру охлаждения с гранулированным твердым охладителем. По оси камеры охлаждения устанавливается газораспределительное устройство, выполненное в виде перфорированной трубки.

Трубка одним концом жестко закреплена на перегородке соосно с отверстием в ней, а другим — на днище каме" ры охлаждения. Камера охлаждения Зр имеет перфорацию по боковой поверхности. При этом в процессе работы высокотемпературные продукты горения химического топлива из камеры сгорания попадают в газораспределительное

35 устройство, равномерно распределяются по слою гранулированного охладителя, заключенного между газораспределительным устройством и боковой перфорированной стенкой камеры охлаждения 40 (чем обеспечивается максимально воэ703 10 можная поверхность их контакта с охладитепем) и разлагают охладитель.

Охлажденные газы через перфорацию в стенке камеры охлаждения попадают в рабочий объем исполнительного органа. (Комплектация устройств перед испытаниями и результаты испытаний пред» ставлены в таблице

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 превышает 180 С против о

1450 С в базовом устройстве, охладитель разлагаЕтся полностью без остатка.

Предлагаемое устройство обеспечивает высокую надежность функционирования в течение длительного срока эксплуатации, 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 0 01-0,05 с.

Габаритно-весовые характеристики предлагаемого газогенерирующего устройства снижены на 20Х 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).

12

Продолжение таблицы

1106703

Устройство

1450

0,04

2500

Базовое

180

2500

Время работы устройства, с

Предлагаемое 0,04

Температура продуктов о горения, С

Максимальная температура генерируемого а газа, .С

Остаток охладит еля, r

1106703

Составитель Л. Смольская

Редактор О. Юрковецкая Техред А.Бабинец.

Корректор С.Черни

Подпис ное

Филиал IIIIII "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 5710/13 Тираж 657

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5