埋頭彈火炮活動藥室密封裝置的研究

黃 嵐,韓曉明，李 強，賈彥飛

(中北大學 機電工程學院，山西 太原 030051)

埋頭彈火炮所發射的彈是一種縮短彈丸長度，即將彈頭埋于藥筒內的彈，從而使得彈的外形呈圓筒狀且簡單齊整，便于運輸，簡化了供彈機設計。該火炮采用旋轉藥室來完成閉鎖動作，以此來縮小火炮系統的總體尺寸。由于炮身和藥室分體設計且需要頻繁開閉，加上膛壓和燃氣溫度都比較高，故兩者接觸處不宜采用太過復雜的密封結構[1-2]。

雒智林等人[3]對高膛壓楔式炮閂閉氣方式進行了分析；張浩等人[4]設計了一種高壓自緊密封裝置用于解決埋頭彈火炮的密封問題，但連發時的效果有待考證；張訊[5-6]等對新型組合式炮膛密封進行了結構分析；陳偉等人[7]設計了一種新型試驗裝置密封結構，對新型火炮的密封結構具有一定參考價值。總之，對于埋頭彈火炮密封性方面的研究太少，筆者以內能源導氣式埋頭彈火炮為研究對象，針對其旋轉藥室與炮身結合處的火藥燃氣泄漏問題，設計了一種帶梯形槽的閉氣裝置，來減少火藥燃氣的泄漏量，保證有足夠的氣體可以通過身管的導氣孔進入到導氣管內，用以推動藥室旋轉。

筆者提出的閉氣環結構是一種圓筒形狀的結構，并在其內壁端開若干圈的梯形槽；然后將其帶銷軸的一端固定在炮身上，當藥室旋轉后，推入到閉氣環中與炮身結合，以此來解決結合縫隙處的密封問題。

1 數學模型

1.1 質量守恒方程

基于質量守恒定律，單位時間內流出控制體的流體凈質量總和等于相同時間間隔下控制體內密度的變化而減小的質量，由此可以導出流體流動連續性方程如下：

(1)

式中：V表示流場的控制體；A表示流場的控制面。

1.2 動量守恒方程

動量方程也稱納維葉-斯托克斯(Navier-Stokes)方程，簡稱N-S方程，它的微分表達式如下：

(2)

式中：Fx、Fy、Fz分別為單位質量流體的質量力在3個坐標上的分量；pxx、pyy、pzz、pyx、pzx、pyz分別為流體內部的應力分量。

1.3 能量守恒方程

根據能量守恒定律，微元體中能量的增加率等于進入微元體的凈熱流量加上體積力與表面力對微元體所做的功。

(3)

式中：T為溫度;K為傳熱系數;Sw為流體的內熱源。

1.4 標準k-ε兩方程

標準k-ε模型是以k方程為基礎，在結合湍流動能耗散率ε方程，則可得到標準的k-ε兩方程控制方程為：

Gk+Gb-ρε-YM+φk

(4)

(5)

2 計算模型

圖1所示的左邊是埋頭彈火炮旋轉藥室與炮身結合處的三維半剖視圖，梯形槽閉氣環裝配在兩者縫隙的出口處。右邊則為所設計閉氣環的三維示意圖，在閉氣環的內部加工數個梯形狀的溝槽，以達到閉氣的效果。

藥室與炮身相結合縫隙處的梯形槽閉氣原理如圖2所示，為了降低火藥氣體的泄漏速度及質量，在旋轉藥室與炮身結合處套上一個閉氣環，并在閉氣環的內壁處開梯形溝槽。由于筆者主要是對兩者狹縫處流出的火藥氣體進行泄漏質量、速度及壓力等研究，故對該部分的結構進行簡化，又因為炮身、藥室和閉氣環都屬于軸對稱結構，所以建立二維軸對稱模型就可以反映整體結構的情況，分別建立有梯形槽的閉氣環結構和無槽閉氣環結構的二維模型，并進行網格劃分。對于進口狹縫段和梯形槽段來說，由于存在斜邊和弧邊，為了方便計算，故采用三角形網格；而上端出口縫隙段形狀為長方形，所以采用四邊形網格便能保證計算結果。同時考慮到縫隙處的尺寸相對較小，為了保證計算精度和收斂性，同時也為了加快計算步伐，對縫隙處的網格進行局部加密處理，即增加局部網格的單元數量。

針對以上的計算模型，分別采用壓力進口、壓力出口以及固壁作為邊界條件。壁面設定為絕熱，

操作壓力設為0，入口處的壓力與溫度隨時間變化曲線如圖3所示。

3 計算結果與分析

圖4～7為壓力云圖和速度矢量圖，均是通過FLUENT軟件進行仿真計算得到的。 圖4為不同時刻無槽閉氣環結構的壓力云圖分布情況。由圖可知t=0.2 ms時氣體開始進入環內，出口處壓力無明顯變化。當t=0.9 ms時，火藥燃氣部分進入了環內，入口至縫隙出口處的壓力逐漸增大，縫隙出口至左右兩端出口的壓力逐漸降低。當t=2 ms時火藥已經充分燃燒了，入口處的壓力達到最高。總的來說，無槽閉氣環結構在整個閉氣過程中的壓力變化趨勢基本相同，氣體從縫隙進入后，由于氣壓較高，會迅速地沖向出口，撞擊閉氣環內部，使壓力在一定程度上降低了。氣體從入口至縫隙出口部分的壓力要遠高于縫隙出口至閉氣環出口部分的壓力，故會加速氣體向出口流去。

圖5為梯形槽閉氣環結構的不同時刻的壓力云圖分布情況，由圖分析可知，當t=0.2 ms時火藥燃氣開始慢慢由縫隙進入到梯形槽內，入口至梯形槽段壓力很大，梯形槽到出口端壓力無明顯變化。當t=0.9 ms時，火藥燃氣部分進入了梯形槽內，入口至梯形槽處的壓力逐漸增大，梯形槽至左右兩端出口的壓力逐漸降低。當t=2 ms時火藥已經充分燃燒了，并全部進入到4個梯形槽內，入口至梯形槽的壓力繼續增大，每個梯形槽的壓力較前期都有所提高，氣體從第2個槽向兩端出口流去時，每經過一個槽壓力就降低一次。

圖6、7分別為無槽和有槽閉氣環氣體運動的速度矢量圖。如圖6所示，無槽閉氣環結構在整個氣體流動的過程都比較穩定，從縫隙中流出的高速氣體，僅由氣體與閉氣環內壁之間的摩擦阻減了一下氣體流動的速度，便向兩端出口分別流去。再由圖7可看出，泄漏的氣體從縫隙中直接沖入到梯形槽內，并迅速膨脹形成了兩個方向的渦流，從而增加了氣體阻力，減小氣體的流動速度，由于氣體每經過一個梯形槽就膨脹形成一次渦流，所以氣體往出口方向流去的速度越來越小，也就是在一定時間內減少了火藥燃氣的泄漏量。 圖8表示的是入口質量流率隨時間變化的曲線圖。

由圖8可以看出，無槽閉氣環結構的入口質量流率在前期與梯形槽閉氣環結構基本相同，后期無槽閉氣環結構的入口質量流率要更高些。這是由于梯形槽閉氣環結構控制住了氣體的流動速度，減小縫隙前后端的壓差，使得火藥燃氣通過縫隙泄漏的質量減小。

圖9～11表示的是左、右兩個出口的質量流率隨時間變化的曲線圖。通過圖9～11則可以看出梯形槽閉氣環結構相對于無槽閉氣環結構出口質量流率有較明顯的降低，而且右端出口要比左端出口低些，說明梯形槽能夠讓流動的氣體降低流速，從而起到了阻礙氣體質量泄漏的作用。

4 結論

筆者運用流體力學理論，利用FLUENT軟件對埋頭彈火炮發射過程中炮身與旋轉藥室結合處閉氣環內部流場進行計算研究分析，并對比無槽閉氣環與梯形槽閉氣環這兩種結構的壓力云圖、流速和質量流率的情況。通過結果可以看出，梯形槽閉氣環結構可以讓氣體在槽內形成渦流，從而減小氣體流出的速度，再結合整個過程中的壓力及泄漏氣體的質量流率對比結果，說明該梯形槽閉氣環結構可以有效地減少埋頭彈火炮發射過程中火藥燃氣的泄漏，起到了密封的作用，保證了發射性能。結構改進后有效地減小了活動藥室和身管結合處的氣體泄漏量，保證了內彈道的一致性，提高了射擊的精度。該密封方法簡便實用，無需復雜的結構。為今后埋頭彈火炮旋轉藥室處的密封裝置研究提供一種理論的指導。

References)

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[2]張浩，陸欣，余永剛，等.某口徑埋頭彈火炮的密封與裝藥設計[J].兵工學報，2006,27(4)：630-634. ZHANG Hao,LU Xin,YU Yonggang,et al.Design for the seal system and charge of a CTA gun[J].Acta Armamen-tarii,2006,27(4):630-634.(in Chinese)

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