Регулирование расходных характеристик газогенераторов установок пожаротушения

Ю.М. Милехин, В.М. Меркулов, Б.В. Кононов

Применяемая противопожарная техника не обеспечивает быстрое обнаружение и эффективное тушение пожаров в начальной стадии их развития. Сложные стационарные системы требуют постоянного обслуживания, проведения регламентных работ, однако выход насосов подачи огнетушащей жидкости на расчетный режим осуществляется лишь за несколько минут, в течение которых пожар, как правило, распространяется на значительную площадь.

Современные средства пожаротушения должны обладать быстродействием, малой инертностью систем подачи огнетушащей жидкости, большим ее расходом, простотой эксплуатации и обслуживания.

В основу созданных в ФГУП «ФЦДТ «Союз» установок пожаротушения автономных твердотопливных (УПАТ) положен принцип вытеснения огнетушащей жидкости, размещаемой в емкости из композитного материала, с помощью твердотопливного газогенератора.

Отличительные особенности УПАТ: постоянная готовность к срабатыванию; быстродействие; высокая надежность, безопасность и простота эксплуатации; автономность по огнетушащей жидкости и средствам запуска от стационарных сетей; отсутствие в дежурном режиме давления и электрического напряжения; многократность использования. Технические характеристики УПАТ приведены в таблице.

Характеристики	УПАТ-10	УПАТ-60	УПАТ-800	УПАТ-2000	УПАТ-7500
Объем огнетушащей жидкости, л	10	60	800	2000	7500
Время выхода на рабочий режим, с	0,5…1,0	0,5…1,0	0,5…2,0	0,5…3,0	0,5…3,5
Расход жидкости, л/с	0,02…1,0	0,02…20	10…50	10…100	50…300
Давление вытеснения, МПа	0,2…4,0	0,2…6,0	0,2…5,0	0,2…3,0	0,2…3,0
Занимаемая площадь, м2	0,1	0,2	1,0	1,3	5,4
Срок эксплуатации, годы	10	10	10	10	10

Разработанный типоряд установок объемом от 10 до 7500 л дает возможность подобрать требуемый по проекту расход жидкости в интервале от 0,02 до 300 л/с. Этим обеспечивается решение задач пожарозащиты широкого класса объектов с применением воды и растворов пенообразователей и смачивателей.

На базе УПАТ разработано и испытано принципиально новое оборудование – напорные сливные устройства (НСУ) для локализации и тушения лесных пожаров с вертолетов путем прокладки перед фронтом пожара смоченных водой, пеной или растворами ретарданта заградительных полос. Причем, в отличие от свободного слива, слив огнетушащего раствора под давлением обеспечивает интенсивное смачивание не только крон деревьев, но и подстилающей поверхности леса, предотвращая дальнейшее распространение как верховых, так и низовых пожаров. Кроме того, на базе НСУ создано устройство подачи огенетушащей жидкости с вертолета Ка-32А1 для тушения пожаров в высотных зданиях.

Как правило, в указанных устройствах требуется равномерная подача огнетушащей жидкости в течение всего времени работы установки.

В газогенераторах для УПАТ, созданных на начальном этапе разработки, применялись штатные баллиститные топлива и воспроизводились режимы подачи жидкости, аналогичные быстродействующим автоматическим пожаротушащим системам (БАПС) с воздушным баком. В начале работы БАПС обеспечивает максимальный расход жидкости при давлении до 16 атм, далее расход и давление снижаются, что уменьшает эффективность пожаротушения.

К твердым топливам, предназначенным для установок и устройств пожаротушения, предъявляется ряд специфических требований, отличающихся от требований к составам топлив для ракетных двигателей и газогенераторов. Так, они должны обеспечивать высокую газопроизводительность, которая тем выше, чем больше в продуктах сгорания легких газов; иметь возможно более низкую скорость горения, а также температуру горения для снижения температурного воздействия на корпус газогенератора и герметизирующее покрытие внутренней части корпуса при их многократном применении; пониженную зависимость скорости горения от давления в интервале рабочих давлений газогенератора; обеспечивать полноту горения при давлениях ниже 3 МПа. Кроме того, состав должен быть недетонационноспособным.

На первом этапе разработки УПАТ и НСУ применялось штатное низкотемпературное газогенерирующее топливо НДТОМК, которое не в полной мере соответствовало предъявляемым требованиям.

Дальнейшие разработки позволили создать специальные газогенерирующие топлива с категорией безопасности класса 4-1, обеспечивающие стабильную и надежную работу зарядов в интервале давлений 0,1…10 МПа в газогенераторах установок пожаротушения.

Конструкция зарядов для газогенераторов УПАТ должна выбираться из условий обеспечения следующих требований:

необходимость интенсивного заполнения свободного объема емкости над огнетушащей жидкостью до необходимого давления подачи, что требует значительно большего газоприхода в начальной стадии горения заряда, а в дальнейшем – поддержания этого давления в течение всего времени работы установки;

простота конструкции и технологичность изготовления газогенерирующих элементов при минимальной стоимости;

возможность регулирования в широких пределах расходных характеристик подачи огнетушащей жидкости за счет изменения конструкции заряда при обеспечении требуемых пределов по рабочему давлению в газогенераторе и емкости;

обеспечение минимального времени выхода установки пожаротушения на рабочий режим;

унификация элементов заряда;

обеспечение возможности многократного переснаряжения газогенератора после срабатывания установки;

низкая стоимость заряда;

максимально возможный срок хранения и эксплуатации.

Характеристики известных баллиститных и смесевых топлив и конструкции вкладных зарядов не позволяют обеспечить необходимый постоянный газоприход в течение всего времени работы установки и, следовательно, требуемые давление подачи и расход жидкости при заданных габаритах газогенератора. Для обеспечения длительного времени работы заряда следует увеличивать свод горения. В процессе отработки установлено, что для стационарных установок пожаротушения по комплексу параметров наиболее оптимальна конструкция трех-семишашечного заряда из бесканальных шашек, обеспечивающих наибольший свод горения, однако она дает дегрессивный характер горения, а следовательно, снижает интенсивность подачи огнетушащей жидкости и давление ее подачи.

На рисунке 1 приведена осциллограмма кривой давления в газогенераторе УПАТ-60 с небронированным зарядом. Такая кривая не обеспечивает равномерное вытеснение жидкости с требуемым расходом. Большую часть времени давление вытеснения составляет менее 2 кг/см², что не дает возможность интенсивно распылять жидкость на очаг пожара.


Рисунок 1

Очевидно, что по мере вытеснения жидкости свободный объем емкости увеличивается, что требует для поддержания постоянства давления дополнительного количества газов – продуктов горения заряда.

Как показывает опыт проектирования систем пожаротушения, привязка УПАТ к конкретным объектам защиты требует практически индивидуального подбора расходно-временных характеристик газогенератора для выполнения требований по расходу жидкости, исходя из горючей нагрузки, протяженности подающих трубопроводов и т.п.

Разработан и реализован способ обеспечения равномерности подачи жидкости из установки комплектованием многошашечного заряда однокамерного газогенератора из различных по конструкции шашек. Например, трехшашечный заряд может состоять из одной небронированной шашки, шашки, забронированной по одному торцу и боковой поверхности, и шашки, забронированной со всех сторон. В качестве бронирующего покрытия применяется специальная герметизирующая лента, наносимая на цилиндрическую и (или) торцевые поверхности шашки. Характеристики покрытия подобраны таким образом, что защищают шашку от прогрева и воспламенения в течение нескольких десятков секунд и таким образом полностью забронированная шашка включается в работу после сгорания первой и второй шашек. После подачи сигнала на включение газогенератора происходит всестороннее горение забронированной шашки с интенсивным газоприходом, что обеспечивает быстрое заполнение свободного объема над зеркалом жидкости в установке, одновременно происходит горение шашки с одним открытым торцем, имеющей увеличенный свод горения. Время сгорания первой и второй шашек составляет 30…35 с. По истечении этого времени происходит прогрев и зажжение полностью забронированной шашки. Такое последовательное горение шашек дает возможность обеспечивать практически постоянное давление в газогенераторе и емкости. На рисунке 2 приведена одна из осциллограмм, записанных при испытании установки УПАТ-2000 с зарядом описанной конструкции. Увеличением толщины бронирующего покрытия можно уменьшать интенсивность прогрева и увеличивать время задержки зажжения полностью забронированных шашек. Аналогичным образом регулируется поверхность горения и газоприход в четырех-, пяти-, шести-, семишашечном заряде.

Таким образом, изменением количества и вариантов бронирования поверхности шашек можно в широких пределах изменять характер кривой давления в газогенераторе и интенсивность вытеснения огнетушащей жидкости на объект пожара.

Разработанная конструкция многошашечных зарядов для газогенераторов используется в установках пожаротушения, серийно поставляемых заказчикам.

На конструкцию заряда, забронированного герметизирующей лентой, получен патент РФ.

Yu.M. Milechin, V.M. Merculov, B.V. Kononov,

Solid propellant gas generators find increasingly wide application in plants and equipment of civil function.

Gas generators, meant to be used in stationary and mobile powder and liquid fire-fighting plants, fill a special place among dozens of such types of equipment.

The currently available fire-fighting equipment does not provide quick detection and effective fire extinguishing on its starting stage. During this time the fire generally spreads on vast area.

Complicated stationary systems require constant service, routine maintenance work, however they provide appearance of fire-extinguishing liquid supply pump at design conditions in several minutes.

Modern fire-fighting devices must have such qualities as fast response, small inertness feed system of fire-fighting liquid with its great consumption, simple use and service.

Developed in FSUE FCDT «Souyz» autonomous solid propellant systems of fire-fighting (ASPSFF) are based on the principle of extinguishing fire liquid forcing out from the tank made of composite material with the use of solid propellant gas-generator.

The equipment distinctive features are:

• 
  constant readiness to operation;
  
• 
  fast response;
  
• 
  high reliability, safety and exploitation simplicity;
  
• 
  autonomy on fire-fighting liquid and launch devices from stationary network;
  
• 
  absence of pressure and electric voltage in duty mode;
  
• 
  multiple usage.
  

Fundamentally new equipment was developed and tested on the basis of ASPSFF – a downstream-decanted unit (DDU) for forest fire localization and extinguishing from helicopters by laying water wetted, foam or growth retardant solutions control lines. The discharging of fire-fighting liquid under pressure, unlike the free discharging, provides the intensive wetting not only the crowns of the trees, but also the underlying terrain, preventing further spreading of crowning as well as ground fires.

The fire extinguishing liquid feeding unit (FELFU) installed on a helicopter Ka-32A1 was developed in FSUE «FCDT «Souyz» on the basis of DDU to extinguish fires in high-rise buildings.

As a rule, the mentioned devices require proportional fire-fighting liquid feed during device operating time.

Issued ballistite propellants were used in GAS-generators for ASPSFF created at the prime development stage, and liquid modes similar to Fast Response Automatic Fire Extinguishing Systems (FRAFES) with a water-air tank were reproduced.

At the beginning of work FRAFES provides maximum fluid consumption at 16 atm pressure, further on consumption and pressure decrease which lessens the effectiveness of fire extinguishing.

There are special requirements for solid propellants designed for fire-fighting systems and devices that are different from requirements for propulsion and other gas generator propellant compositions:

• 
  necessity to provide high gas capacity, the more light gas in combustion materials, the higher the gas capacity;
  
• 
  lower propellant combustion rate;
  
• 
  ensuring lower propellant combustion temperature for decreasing temperature influence on a fire extinguishing gas generator case and tank case inner sealing layer at their multiple use.
  
• 
  reduced dependence of combustion rate from pressure in the range of gas generator working pressure;
  
• 
  combustion efficiency at pressure lower than 3 MPa
  
• 
  absence of detonation ability of a composition.
  

Further development allowed creating special gas generating propellants with a 4-1 safety class providing a stable and safe performance of a charge in the pressure interval of 0.1.-.10 MPa in fire-fighting system gas generators.

Charge construction for ASPSFF gas generators must be chosen according to the following requirements:

• 
  the necessity of intense filling of free tank volume above the extinguishing liquid to the necessary delivery pressure which requires much bigger gas intake at the initial stage of charge combustion and later on – keeping of this pressure during the whole operating time of the system;
  
• 
  construction simplicity and technological effectiveness of gas generating elements with minimal production cost;
  
• 
  possibility to adjust flow characteristics of extinguishing liquid delivery in wide-ranging by charge construction change with ensuring the required limits of working pressure in a gas generator and a tank;
  
• 
  ensuring the minimal fighting system warm-up period;
  
• 
  unification of charge elements;
  
• 
  multiple gas generator recharge after system operation;
  
• 
  low cost of charge;
  
• 
  maximum possible shelf and service life.
  

To provide the long-term charge operation it is necessary to increase a combustion arch.

In the workout process it was determined that considering complex parameter the most optimal for stationary fire-extinguishing systems is the structure of 3-7 grain charge with channel-free grains providing the biggest combustion arch, however it shows digressive pattern of combustion, so hence the decrease of the fire extinguishing liquid flow rate and pressure.

In the picture 1 pressure curve oscillogram in an ASPSFF-60 gas generator with an uninhibited charge is shown.

Such curve does not provide evenly displacement of liquid with the required consumption. Most of the time pressurization pressure is less than 2kg/cm² and does not provide the intensity of liquid atomization on seat of fire.

It is obvious that while liquid is being pressurized unconfined tank space increases which requires the additional quantity of gases – charge combustion product – to keep the pressure permanent.

It is important to note that binding of ASPSFF to specific protection objects requires, as the experience of Fire Extinguishing System engineering shows, ensuring of almost individual breeding of gas generator consumption and time characteristics to meet the requirements concerning fluid consumption (depending on combustion demand), flow pipe length and so on.

A method of providing fluid supply evenness from a system by means of gathering of multigrain charge of a unilocular gas generator from various structures of a grain was developed and realized. For example, 3-grain charge can consist of one uninhibited grain, a grain inhibited at one end surface and a side face, and a grain inhibited at every side.

A special sealing tape is used as an inhibiting covering that is applied on a cylindrical and (or) end surface of a charge. Covering characteristics are chosen in such a way that they provide protection for a grain from heating and ignition within a few tens of seconds, and thus the fully inhibited grain starts to operate after the first and the second grains have burnt down.

After gas generator activation signal injection all-round combustion of the inhibited grain starts with intensive gas intake which provides fast filling of empty volume above the water table in a system, simultaneously grain combustion with one open end surface and increased combustion arch takes place.

Combustion period of the first and the second grain is 30-35 seconds. When the time expires the fully inhibited grain warms-up and ignites. That is how sequential grain combustion and the possibility to provide almost permanent pressure in a gas generator and a tank are provided.

One of the oscillograms taken during the ASPSFF-2000 tests with a charge of above-mentioned construction is shown in picture 2. Increasing the thickness of the inhibiting covering it is possible to lessen the intensity of heating and increase the ignition delay period of fully inhibited grains. Similarly combustion surface and gas intake in a 4-, 5-. 6-. 7-grain charges are adjusted.

Thus, altering the quantity and variants of grain surface inhibiting it is possible to change the pressure curve pattern in a gas generator and the intensity of pressurization of fire-extinguishing liquid onto the exposure fire.

The developed construction of multigrain charges for gas generators is used in fire-extinguishing systems serially delivered to customers.

Russian Federation patent was received to construct the charge armored with a sealing tape.

А.С. Жарков, Б.В. Певченко, Р.Г. Никитин, Л.А. Пилюгин

Область применения таких генераторов весьма обширна. В 2009 г. на конференции НЕМs-2009 (Франция) был представлен детальный обзор возможных областей применения твердотопливных генераторов «холодных» газов. Ниже приведены лишь основные из них (рисунок 1).

Рисунок 1 – Области применения низкотемпературных газогенераторов
ФГУП «ФНПЦ «Алтай» в течение нескольких десятилетий разрабатывает элементы снаряжения НТГГ. Некоторые разработки находятся в серийном производстве. Созданы и внедрены в промышленность как «комбинированные» (твердое топливо + химический охладитель) НТГГ, так и «унитарные», с большим (до 30...40 %) содержанием крупных гранул эндотермически разлагающихся веществ в составе. Практическая реализация этих идей позволила получать газообразные продукты горения с температурой 420 ... 650 К в зависимости от химического состава элементов снаряжения и их компоновки в НТГГ.

В последние годы в ФНПЦ «Алтай» созданы композиции и конструкции НТГГ для получения индивидуальных газов: кислорода и азота с высокой (до 99 % об.) чистотой и низкой температурой (менее 373 К (100 С)). Если с генераторами кислорода практически нет проблем, и мы готовы при получении конкретных заданий начать их производство и поставку заинтересованным компаниям, то с азотгенераторами возникли некоторые трудности. Главная из них связана с применением в качестве исходного компонента весьма токсичного азида натрия, использование которого за рубежом категорически запрещено. Поэтому было решено начать разработку низкотемпературного состава и зарядов на основе других компонентов. При этом одной из приоритетных задач являлось получение при сжигании таких продуктов сгорания, в которых бы отсутствовали токсичные и пожаровзрывоопасные газы.

Созданная ранее теория и практика получения холодных газов дали основание для разработки так называемых «безазидных» составов.

Схема сжигания подобных зарядов не отличается от схемы генераторов на основе азида натрия, т.е. формируется пористый заряд, воспламеняется с переднего торца, продукты сгорания истекают через пористое тело и благодаря этому охлаждаются (рисунки 2, 3).

Рисунок 2 – Схема типового «комбинированного» ГГ: 1- камера сгорания; 2 - заряд; 3 - блок охлаждения; 4 - гранулы охладителя; 5, 8 – сопла; 6 - охлажденный газ; 7 - решетка

Первое базируется на разработке составов, основными компонентами которых являются: нитрат калия, гуанилмочевиновая соль динитрамида (ГМДНА), натрий двууглекислый, магний углекислый основной, меламин и некоторые связующие добавки.

Как известно из опыта экспериментальной отработки, для получения режима фильтрационного горения необходимо, чтобы температура газов в камере сгорания не превышала 1200 К.

Результаты анализа продуктов сгорания дали следующие результаты: N₂ 34...35 %; CO₂ 15...16 %; H₂O 3134 %; O₂ 17...18 %. Газопроизводительность состава находится на уровне азотгенерирующего топлива на основе азида натрия и составляет 380...400 нл/кг.

Для обеспечения режима фильтрационного горения разработана технология получения гранул из мелкодисперсных охладителей. Для этого подобрана необходимая концентрация инертного связующего, представляющего собой водный раствор смеси Na₂SiO₃ и K₂SiO₃. Разработанная технология позволила изготовить образцы с необходимой пористостью.

Испытания, проведённые в модельной камере, показали, что в камере реализуется процесс фильтрационного горения. Зависимость давления от времени, зафиксированная как в модельной камере, так и в наддуваемой ёмкости, практически идентична такой же зависимости при горении азотгенерирующего образца на основе азида натрия. Скорость распространения фронта пламени по заряду составляет около 20 мм/с. Температура генерируемого газа в наддуваемой ёмкости находится на уровне 40...60 С.

Полученные результаты позволили перейти к разработке промышленного образца газогенератора на основе «безазидного» состава, что в дальнейшем должно позволить заменить существующие изделия на изготовленные по менее вредной для здоровья технологии и снизить стоимость изготовления газогенераторов.

Второе направление базируется на разработке составов, основными компонентами которых являются соли ДНА (калиевая, гуанилмочевиновая), углерод, производные тетразола (связующие добавки), бикарбонаты натрия, аммония и др. (добавки – охладители).

В результате расчетно-экспериментальной компоновки составов, отвечающих поставленным целям, удалось создать два типа композиций со следующими характеристиками (см. таблицу).

Характеристики и размерность	1	2
Тг, К (эксп.) U, мм/с Vуд,нл/кг Состав газов, % об.: N2 CO2 H2O Примеси	370...420 10...20 390...450 28...32 62...64 4...6 2...4	330...370 25...30 640...680 40...43 20...22 28...34 2...4