一种新型气体发生器的过滤冷却设计

2013-10-16杨正才仵和平蔺美君何锋彦

火工品 2013年2期

陈雨，杨正才，仵和平，杨旗，蔺美君，何锋彦

（特种能源集团西安庆华公司，陕西西安，710025）

烟火型气体发生器是一种快速的产气装置，具有体积小、充气快、灵活方便、不受环境条件影响等优点，已广泛用于汽车安全气囊、救生筏、救生服、飞机紧急救生充气滑梯和救生装置、巡飞弹翼展、军用伪装充气假目标等[1]。烟火型气体发生器的应用领域一般分为两大类：一类是做功类，另一类是充气类。做功类气体发生器一般对燃气出口温度要求不严，但为了提高做功一致性，也希望能有洁净低温的气体做功；而充气类气体发生器因受气囊材料、线缆接头等外界环境的限制，燃气出口温度会被限制在120℃以下，并且不允许有固体残渣喷出损坏气囊，影响绝缘性等，所以气体发生器的设计关键是过滤冷却机构。本文介绍一种迷宫式过滤冷却气体发生器，通过采用迷宫式过滤冷却方式增大气体发生器燃气的流通路径和散热面积，从而降低气体的温度，提高气体的洁净度。

1 迷宫式气体发生器结构

烟火型气体发生器的结构通常由点火机构、产气机构、过滤冷却机构组成。燃气的流动方式一般有直排式和侧排式。直排式是产气药燃烧产生的燃气直接通过过滤机构排入到指定的容腔内；侧排式是产气药装在燃烧室内，燃烧室侧壁上端开孔，产气药燃烧后燃气从燃烧室排气孔排入外壳后再经过滤排入指定容腔内。

本文研究的气体发生器采用侧排式，燃气通过迷宫式过滤冷却机构，经金属网层的层层过滤，并强制经过迷宫式气体通道冷却及过滤后得到低温、无残渣、纯净的氮气。该气体发生器由点火机构、产气机构和迷宫式过滤冷却机构组成，结构示意图见图1。点火机构由电爆管、输入端盖、点火药盒组成。产气机构由产气药室、垫片、药室过滤器组成。迷宫式过滤冷却机构由壳体、金属网层、上吸热片、下吸热片组成。

图1 气体发生器示意图Fig.1 Schematic of gas generator

2 迷宫式过滤冷却设计

目前气体发生器大多采用金属丝网、吸附残渣的毡垫、石英砂[2]等来过滤固体残渣，这要求气体发生器的轴向高度较高，才能起到过滤残渣、阻隔火焰的作用，这种过滤方式在气体发生器高度不足时受到了限制。

本气体发生器高度42mm（不含电爆管），纯药剂的高度就占去了25mm（药量80g），如单纯地采用金属网、毡等来过滤冷却，无法完全过滤残渣，同时由于轴向过滤太短，火焰及残渣会冲破过滤结构喷出，因此需要新的过滤方式来实现过滤。本气体发生器设计了迷宫式过滤冷却，采用金属丝网和迷宫式吸热片的组合过滤方式，集过滤、降温于一体，其结构见图2。

图2 迷宫式过滤冷却机构Fig.2 Schematic of labyrinth filter and cooling equipment

迷宫式过滤冷却机构由壳体、过滤网组件、上吸热片和下吸热片组成。多层金属丝方孔网组成过滤网组件；上吸热片上表面设计有迷宫式沟槽，中间开排气孔；下吸热片侧面开槽，上表面同样设计有迷宫式沟槽，见图3～4。上吸热片和下吸热片重合形成迷宫式气体通道，再结合过滤网形成集过滤、降温于一体的过滤冷却机构。

图3 上吸热片外形图Fig.3 Schematic of upper absorbing thermal pieces

图4 下吸热片外形图Fig.4 Schematic of down absorbing thermal pieces

气体发生器作用后产生的高温燃气、火焰和残渣从燃烧室排出后，先经过多层金属丝网的粗过滤，过滤完较大的固体残渣后，气体再沿上吸热片的端面前进，经过一次过滤降温后到达中间的排气孔，气体通过中间的排气孔后进入上、下吸热片之间，经过两吸热片配合形成的迷宫式吸热、降温和附着残渣后，通过下吸热片的侧面槽排入外壳底面的出气口。在整个过程中气体通过多次的反复转折，热量和残渣不断地被金属丝网和吸热片吸收和吸附，几乎所有的残渣均被阻隔在吸热片内，干净的气体最后再经过壳体的吸热降温后，达到了排出低温、无残渣的气体要求。同时根据气体的温度需要，可以增加吸热片的数量，调整气体的温度。

3 迷宫式过滤冷却与传统冷却对比

迷宫式过滤冷却机构就像迷宫一样，气体只能通过预设的通道通过，迫使气体在有限高度条件下经过多次转折流动，这极强地增长了气体的流通距离，达到过滤降温、阻隔火焰的作用，气体流通路径见图5。如气体发生器输入端盖距壳体底面距离35mm，产气药室高25mm，壳体内径为φ75.5mm，产气药室采用侧排式排气（药室排气孔位于药室壳体侧壁上端），采用迷宫式过滤冷却机构，气体流通路径为L1=25+25+37.75+6+34+5+34=166.75mm；若按照传统的直排式过滤方式，气体流通路径约为L2=25+37.75/2=43.75mm，L1/L2=3.81。迷宫式过滤冷却机构的气体流通路径是传统气体发生器的3.81倍，气体流通路径增加了280%。

图5 气体流通路径图Fig.5 Schematic of gas channel

迷宫式过滤冷却机构气体流动过程中，气体在一个预设的迷宫通道里，气体与几个吸热片上、下表面全部充分接触，气体在吸热片的有效吸热下得到了充分的降温，大大提高了气体的降温效果。吸热片的有效接触散热面积为：S1=37.752×3.14×2+4.5×3.14×3×17+（12×3+3.5×3×2）×12+342×3.14×2=17 613.7mm2。而传统过滤冷却方式是侧面开槽，气体直接从侧面槽穿过，气体与吸热器接触面积只有侧面槽的表面积，吸热器没有被利用上，这使得吸热器的吸热效果受到影响。若传统吸热器侧面槽12个，槽宽12mm、槽深3.5mm、吸热器高9mm、外径φ75mm，气体与传统吸热器接触面积为：S2=（12×9+3.5×9×2）×12+342×3.14=5 681.84mm2。显然，S1/S2=3，即迷宫式过滤降温的散热面积是传统过滤方式的3倍，气体散热面积增加了200%。同时气体的流通路径增加了280%，使得气体的残渣和温度得到了充分的吸附和降低，大大提高了气体的过滤降温效果。

4 对比验证试验

对采用迷宫式过滤冷却方式的气体发生器与传统过滤方式的气体发生器进行验证。在迷宫式气体发生器排气口10mm处放一张白纸并采用高速摄像进行采样，通电产生气体后，白纸无烧蚀、熏黑现象。通过高速摄像判定气体发生器作用后无残渣、无漏烟漏火，使用安全。迷宫式过滤冷却应用在大装药量气体发生器上有明显的降温效果。某子弹舱建压用气体发生器采用这种新型冷却过滤机构，与传统的气体发生器在同样药量状态下，在密闭爆发器内进行输出性能试验[3]，测试燃气温度，试验结果见表1。