一種新型氣體發(fā)生器的過濾冷卻設計

陳 雨，楊正才，仵和平，楊 旗，藺美君，何鋒彥

（特種能源集團西安慶華公司，陜西 西安，710025）

煙火型氣體發(fā)生器是一種快速的產(chǎn)氣裝置，具有體積小、充氣快、靈活方便、不受環(huán)境條件影響等優(yōu)點，已廣泛用于汽車安全氣囊、救生筏、救生服、飛機緊急救生充氣滑梯和救生裝置、巡飛彈翼展、軍用偽裝充氣假目標等[1]。煙火型氣體發(fā)生器的應用領域一般分為兩大類：一類是做功類，另一類是充氣類。做功類氣體發(fā)生器一般對燃氣出口溫度要求不嚴，但為了提高做功一致性，也希望能有潔凈低溫的氣體做功；而充氣類氣體發(fā)生器因受氣囊材料、線纜接頭等外界環(huán)境的限制，燃氣出口溫度會被限制在120℃以下，并且不允許有固體殘渣噴出損壞氣囊，影響絕緣性等，所以氣體發(fā)生器的設計關鍵是過濾冷卻機構。本文介紹一種迷宮式過濾冷卻氣體發(fā)生器，通過采用迷宮式過濾冷卻方式增大氣體發(fā)生器燃氣的流通路徑和散熱面積，從而降低氣體的溫度，提高氣體的潔凈度。

1 迷宮式氣體發(fā)生器結構

煙火型氣體發(fā)生器的結構通常由點火機構、產(chǎn)氣機構、過濾冷卻機構組成。燃氣的流動方式一般有直排式和側排式。直排式是產(chǎn)氣藥燃燒產(chǎn)生的燃氣直接通過過濾機構排入到指定的容腔內；側排式是產(chǎn)氣藥裝在燃燒室內，燃燒室側壁上端開孔，產(chǎn)氣藥燃燒后燃氣從燃燒室排氣孔排入外殼后再經(jīng)過濾排入指定容腔內。

本文研究的氣體發(fā)生器采用側排式，燃氣通過迷宮式過濾冷卻機構，經(jīng)金屬網(wǎng)層的層層過濾，并強制經(jīng)過迷宮式氣體通道冷卻及過濾后得到低溫、無殘渣、純凈的氮氣。該氣體發(fā)生器由點火機構、產(chǎn)氣機構和迷宮式過濾冷卻機構組成，結構示意圖見圖1。點火機構由電爆管、輸入端蓋、點火藥盒組成。產(chǎn)氣機構由產(chǎn)氣藥室、墊片、藥室過濾器組成。迷宮式過濾冷卻機構由殼體、金屬網(wǎng)層、上吸熱片、下吸熱片組成。

圖1 氣體發(fā)生器示意圖Fig.1 Schematic of gas generator

2 迷宮式過濾冷卻設計

目前氣體發(fā)生器大多采用金屬絲網(wǎng)、吸附殘渣的氈墊、石英砂[2]等來過濾固體殘渣，這要求氣體發(fā)生器的軸向高度較高，才能起到過濾殘渣、阻隔火焰的作用，這種過濾方式在氣體發(fā)生器高度不足時受到了限制。

本氣體發(fā)生器高度42mm（不含電爆管），純藥劑的高度就占去了25mm（藥量80g），如單純地采用金屬網(wǎng)、氈等來過濾冷卻，無法完全過濾殘渣，同時由于軸向過濾太短，火焰及殘渣會沖破過濾結構噴出，因此需要新的過濾方式來實現(xiàn)過濾。本氣體發(fā)生器設計了迷宮式過濾冷卻，采用金屬絲網(wǎng)和迷宮式吸熱片的組合過濾方式，集過濾、降溫于一體，其結構見圖2。

圖2 迷宮式過濾冷卻機構Fig.2 Schematic of labyrinth filter and cooling equipment

迷宮式過濾冷卻機構由殼體、過濾網(wǎng)組件、上吸熱片和下吸熱片組成。多層金屬絲方孔網(wǎng)組成過濾網(wǎng)組件；上吸熱片上表面設計有迷宮式溝槽，中間開排氣孔；下吸熱片側面開槽，上表面同樣設計有迷宮式溝槽，見圖3～4。上吸熱片和下吸熱片重合形成迷宮式氣體通道，再結合過濾網(wǎng)形成集過濾、降溫于一體的過濾冷卻機構。

圖3 上吸熱片外形圖Fig.3 Schematic of upper absorbing thermal pieces

圖4 下吸熱片外形圖Fig.4 Schematic of down absorbing thermal pieces

氣體發(fā)生器作用后產(chǎn)生的高溫燃氣、火焰和殘渣從燃燒室排出后，先經(jīng)過多層金屬絲網(wǎng)的粗過濾，過濾完較大的固體殘渣后，氣體再沿上吸熱片的端面前進，經(jīng)過一次過濾降溫后到達中間的排氣孔，氣體通過中間的排氣孔后進入上、下吸熱片之間，經(jīng)過兩吸熱片配合形成的迷宮式吸熱、降溫和附著殘渣后，通過下吸熱片的側面槽排入外殼底面的出氣口。在整個過程中氣體通過多次的反復轉折，熱量和殘渣不斷地被金屬絲網(wǎng)和吸熱片吸收和吸附，幾乎所有的殘渣均被阻隔在吸熱片內，干凈的氣體最后再經(jīng)過殼體的吸熱降溫后，達到了排出低溫、無殘渣的氣體要求。同時根據(jù)氣體的溫度需要，可以增加吸熱片的數(shù)量，調整氣體的溫度。

3 迷宮式過濾冷卻與傳統(tǒng)冷卻對比

迷宮式過濾冷卻機構就像迷宮一樣，氣體只能通過預設的通道通過，迫使氣體在有限高度條件下經(jīng)過多次轉折流動，這極強地增長了氣體的流通距離，達到過濾降溫、阻隔火焰的作用，氣體流通路徑見圖5。如氣體發(fā)生器輸入端蓋距殼體底面距離35mm，產(chǎn)氣藥室高25mm，殼體內徑為φ75.5mm，產(chǎn)氣藥室采用側排式排氣（藥室排氣孔位于藥室殼體側壁上端），采用迷宮式過濾冷卻機構，氣體流通路徑為L1=25+25+37.75+6+34+5+34=166.75mm；若按照傳統(tǒng)的直排式過濾方式，氣體流通路徑約為L2=25+37.75/2=43.75mm，L1/L2=3.81。迷宮式過濾冷卻機構的氣體流通路徑是傳統(tǒng)氣體發(fā)生器的3.81倍，氣體流通路徑增加了280%。

圖5 氣體流通路徑圖Fig.5 Schematic of gas channel

迷宮式過濾冷卻機構氣體流動過程中，氣體在一個預設的迷宮通道里，氣體與幾個吸熱片上、下表面全部充分接觸，氣體在吸熱片的有效吸熱下得到了充分的降溫，大大提高了氣體的降溫效果。吸熱片的有效接觸散熱面積為：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。而傳統(tǒng)過濾冷卻方式是側面開槽，氣體直接從側面槽穿過，氣體與吸熱器接觸面積只有側面槽的表面積，吸熱器沒有被利用上，這使得吸熱器的吸熱效果受到影響。若傳統(tǒng)吸熱器側面槽12個，槽寬12mm、槽深3.5mm、吸熱器高9mm、外徑φ75mm，氣體與傳統(tǒng)吸熱器接觸面積為：S2=（12×9+3.5×9×2）×12+342×3.14=5 681.84mm2。顯然，S1/S2=3，即迷宮式過濾降溫的散熱面積是傳統(tǒng)過濾方式的3倍，氣體散熱面積增加了200%。同時氣體的流通路徑增加了280%，使得氣體的殘渣和溫度得到了充分的吸附和降低，大大提高了氣體的過濾降溫效果。

4 對比驗證試驗

對采用迷宮式過濾冷卻方式的氣體發(fā)生器與傳統(tǒng)過濾方式的氣體發(fā)生器進行驗證。在迷宮式氣體發(fā)生器排氣口10mm處放一張白紙并采用高速攝像進行采樣，通電產(chǎn)生氣體后，白紙無燒蝕、熏黑現(xiàn)象。通過高速攝像判定氣體發(fā)生器作用后無殘渣、無漏煙漏火，使用安全。迷宮式過濾冷卻應用在大裝藥量氣體發(fā)生器上有明顯的降溫效果。某子彈艙建壓用氣體發(fā)生器采用這種新型冷卻過濾機構，與傳統(tǒng)的氣體發(fā)生器在同樣藥量狀態(tài)下，在密閉爆發(fā)器內進行輸出性能試驗[3]，測試燃氣溫度，試驗結果見表1。

表1 溫度對比Tab.1 The contrast of temperature

由表1可見，使用迷宮式比傳統(tǒng)的氣體發(fā)生器在排氣孔50mm處溫度降低206℃，密閉爆發(fā)器內溫升降低100℃，而且沒有殘渣噴出，氣體的潔凈度較高；同時燃氣的溫度降幅較大，降低了對周圍環(huán)境影響，增大了氣體發(fā)生器的使用范圍。

5 結論

采用迷宮式過濾冷卻方式的氣體發(fā)生器比傳統(tǒng)過濾的氣體發(fā)生器在同樣裝填條件下的流通路徑增加了2.8倍，散熱面積增加了2倍，該設計降低了氣體的溫度，而且沒有殘渣噴出，不會影響外部環(huán)境清潔度、絕緣性等，提高了氣體發(fā)生器的安全性，增大了氣體發(fā)生器的使用范圍。

[1]潘功配,楊碩.煙火學[M].北京:北京理工大學出版社,1997.

[2]成一，李艷春.一種低溫無煙的氣體發(fā)生器的研究[J].火工品,2009(4):1-4.

[3]王凱民，張學舜.火工品工程設計與試驗[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010.