彈底火藥氣體的間隙密封結構性能分析

馬慧明, 張 亞, 李世中

(1. 中北大學 機電工程學院,太原 030051；2. 中北大學 信息與通信工程學院,太原 030051)

彈底火藥氣體的間隙密封結構性能分析

馬慧明1, 2, 張 亞1, 李世中1

(1. 中北大學 機電工程學院,太原 030051；2. 中北大學 信息與通信工程學院,太原 030051)

針對彈射式侵徹數據回收裝置在彈底開孔后，其彈射通道的間隙需要密封的要求。設計了8種間隙密封結構，計算了最大膛壓時及整個內彈道時期的火藥氣體狀態參數，并應用FLUENT軟件對這些密封結構間隙通道中火藥氣體的壓強變化情況進行了仿真分析，從而對比其密封性能，確定最佳密封結構，根據仿真結果選取3種典型結構進行了試驗驗證；結果表明，在這些彈底火藥密封結構中，密封檐、迷宮和凹槽形狀等結構因素對火藥氣體的密封作用不同，其中檐式直角矩形凹槽型密封結構的密封效果最好，增加密封圈后密封效果更佳。研究結果可以為高溫高壓火藥氣體密封相關研究提供參考。

間隙密封；火藥氣體；彈底；迷宮密封；FLUENT軟件

目前侵徹數據硬回收方法面臨找彈困難、回收成功率低的問題，因此，本文進行了基于有線傳輸的彈底開孔式彈射裝置數據回收方法的研究，即在彈底開孔來安裝用于存儲數據的彈射裝置，在彈丸發射出炮膛后，彈射裝置從彈體中彈出，通過導線連接實現彈體中測試裝置與彈體外彈射裝置之間的數據傳輸，試驗后回收彈射裝置即可讀取其中存儲的數據，避免了尋找彈體的工作。但是，彈底開孔安裝彈射裝置后彈射通道中存在間隙，為了避免膛內發射時高溫高壓火藥氣體對彈體內測試裝置的沖擊和破壞，就需要考慮火藥氣體密封的問題。有關膛內火藥氣體的密封，已有相關文獻進行了研究[1-6]，這些研究主要針對藥室和炮膛密封，對彈體的密封未見報道。由于空間尺寸的限制，本文研究的密封結構不能太大，也不能太復雜，因此結構中嘗試引入迷宮密封，驗證其是否可以提高密封性能。關于間隙和迷宮密封已有大量的文獻進行了研究[7-12]，但基本上都是有關低壓條件下的活塞和旋轉機械的密封，而關于火藥氣體的迷宮密封和彈底密封的報道比較少，還有待于進一步研究。本文設計了8種密封結構，計算了火藥氣體初始參數，確定其初始狀態，并應用FLUENT軟件對其進行了氣體動力學仿真分析，對比研究了這幾種結構的密封性能和效果，并試驗測試了3種典型結構的密封效果，最終確定一種密封效果最好的結構用于以后的試驗測試中。

1 間隙密封結構設計

為了保證火藥氣體的可靠密封，需要對密封蓋的厚度進行強度校核，使其能承受火藥氣體的高壓作用，這里為了減小密封蓋的質量，采用了鋁合金材料，厚度設計為10 mm，經過驗算滿足強度要求；同時為了避免火藥氣體直通密封腔并增加其流動的阻力，就需要增加火藥氣體流經路徑的長度，而在有限的空間結構中，可以通過將平直路徑改為曲折路徑來達到這種目的，本文所設計的密封結構，如圖1所示。圖1(a)和圖1(b)為普通扣蓋式密封，圖1(c)和圖1(d)的結構分別是在圖1(a)和圖1(b)的基礎上增加了密封檐，其中圖1(b)和圖1(d)又采用了迷宮密封。圖1(e)和圖1(f)是將圖1(a)和圖1(b)中的矩形直角凹槽改為楔形凹槽，在火藥的壓力作用下可以增加密封蓋和凹槽的貼合度，增強了密封作用；圖1(g)和圖1(h)的結構分別是在圖1(e)和圖1(f)的基礎上增加了密封檐，其中圖1(f)和圖1(h)也采用了迷宮密封。這里，由于密封結構的尺寸限制同時為了保證較好的密封效果，迷宮密封設計為5個密封空腔，空腔寬度為1.7 mm，深度為0.5 mm，齒厚為0.8 mm。同時，這些結構都可以根據需要在密封蓋下部的凹槽處設置密封環，以增強密封性能。

圖1 密封結構Fig.1 Clearance seal structure

2 火藥氣體狀態參數確定

由于對火藥氣體進行動力學分析和仿真時，其參數的準確性會影響到分析結果的正確性，也會影響到密封結構的設計和密封裝置材料的選用，所以有必要對火藥燃燒所產生氣體的參數進行準確計算。

2.1 最大膛壓時狀態參數計算

主裝藥采用以含氮量為13.45%的硝化纖維素(NC)為主要成分的火藥；火藥的初始反應溫度T0=298 K，爆熱[13]Qv=-2 429.1 kJ/kg，負號表示放熱；爆溫TB=2 313.2 K；火藥的絕熱指數γ=1.25[14]；計算得火藥氣體產物[15]各參數最大值為：速度u=734.7 m/s，密度ρ0=360 kg/m3，壓強p=242.9 MPa，聲速C=918.4 m/s，則其馬赫數Ma=u/C=0.8，屬于亞聲速流動，即密封間隙入口火藥氣體的流動狀態為亞聲速流動。同時，由于Ma= 0.8>0.3，所以需要考慮其壓縮性[16]。

氣體溫度根據A Я.AПИH經驗公式來計算：

(1)

式中：Mr為火藥氣體產物的平均相對分子質量；Mr=25.95 kg/kmol。解得T=2 166.5 K。

由于密封間隙氣體壓強變化大于106Pa，所以需要考慮壓強對動力黏性系數μ的影響[17]，而Sutherland公式只適用于壓強不太高的場合[18]，所以不能用其計算動力黏性系數，計算膛內火藥爆炸各氣體產物在最大壓強和最大溫度為(p，T)=(242.9 MPa，2 166.5 K)時的動力黏性系數，然后再計算混合氣體的動力黏性系數，火藥生成氣體成分主要包括CO2，CO和N2，其動力黏性系數分別為μCO2=8.63×10-5Pa·s；μCO=84×10-6Pa·s，μN2=9.23×10-5Pa·s，則混合氣體動力黏性系數

(2)

式中，αi為i組分氣體所占體積百分數，Mi為混合氣體i組分氣體分子量，μi為混合氣體i組分氣體動力黏性系數。

參數αCO2=0.239，αCO=0.575，αN2=0.187，MCO2=44，MCO=28，MN2=28，同時將各氣體動力黏性系數μ值代入式(2)，求得混合氣體動力黏性系數μmix=8.61×10-5Pa·s，則其運動黏性系數υ=μmix/ρ0=0.24×10-6m2/s。

2.2 內彈道時期狀態參數計算

內彈道膛壓作為火藥氣體主要瞬態參數計算為：裝藥質量ω1=3.2 kg，火藥密度ρ1=1.56 kg/dm3，火炮藥室初始容積W1=0.016 m3，根據計算方程組[20]得到內彈道膛壓曲線，如圖2所示。其他參數由仿真模型根據以上參數進行動態計算。

圖2 理論計算的膛壓-時間曲線Fig.2 Theoretical curve of p-t

3 密封性能仿真對比分析

本文采用ANSYS中的FLUENT軟件對8種結構間隙中火藥氣體的流動進行了氣體動力學仿真，主要考察氣體壓強的變化，從而對比這幾種結構的密封性能。哪種結構間隙內和密封腔內的壓強小，說明哪種結構氣體泄漏少，密封效果好。

3.1 間隙中火藥氣體的建模及網格劃分

由于主要分析間隙中火藥氣體的壓強狀態，所以將密封結構的外形忽略，只對間隙通道中的火藥氣體進行建模，并采用四面體網格劃分方法[21]，所生成的網格質量較高，網格精度能夠達到計算要求。這里只給出最復雜的檐式-楔形-迷宮型密封結構的火藥氣體建模及網格劃分結果進行示意，其半剖圖如圖3所示。其他結構的建模與網格劃分效果與此類似。

圖3 間隙火藥氣體模型Fig.3 Model of gunpowder gas in clearance

3.2 邊界條件設置

由于密封間隙為細長的彎曲通道，長徑比較大，因此采用雙精度進行計算。由于所仿真的火藥氣體為高速可壓氣體，因此采用耦合式求解器的基于密度求解器，并采用隱式求解方法，以便加快得到收斂解的速度；由于為湍流流動狀態，所以采用RNGk-ε湍流模型和能量方程，同時由于膛內發射時間很短，所以不考慮與外界之間的熱傳遞，壁面條件為固定壁面，以出口為參考點，固體材料為鋁合金，選用材料庫中的默認參數。以理論計算的內彈道膛壓數據作為入口壓強條件，進行瞬態仿真，邊界條件，如表1所示。氣體參數，如表2所示。

表1 仿真邊界條件Tab.1 Boundary conditions for simulation

表2 氣體材料參數Tab.2 Parameter of gas material

3.3 仿真結果及分析

3.3.1 瞬態仿真結果

根據建立的模型、選定的方法和設置的參數，以及內彈道膛壓變化數據，采用Hybrid Initialization法對流場進行初始化，對6 ms的膛壓作用時間內，密封腔內壓強的變化進行瞬態仿真，所得各結構密封腔壓強，如圖4所示。

圖4 各結構密封腔壓強仿真曲線Fig.4 Simulation curve of seal cavity pressure for different structure

由圖4可知，密封腔內壓強平均值由小到大對應的結構依次為：檐式，檐式-楔形，檐式-迷宮，檐式-楔形-迷宮，直通-迷宮，直通-楔形-迷宮，直通，直通-楔形；其最大壓強依次為0.225 MPa，0.229 MPa，0.246 MPa，0.305 MPa，0.342 MPa，0.374 MPa，0.399 MPa，0.467 MPa。由此，可知，有檐的結構比沒有檐的結構密封效果好，直角凹槽結構比楔形凹槽結構的密封效果好，在沒有檐的情況下，有迷宮的結構比沒有迷宮結構的密封效果好。

3.3.2 最大膛壓時仿真結果

由于最大膛壓時，密封結構所受的沖擊最大，因此，有必要考察最大膛壓時各結構的氣體壓強狀態。以表1，表2和“2.1”中計算所得氣體參數作為初始條件進行仿真，得到典型的檐式-楔形-迷宮密封結構間隙中火藥氣體的壓強云圖，如圖5所示。其他結構的壓強云圖與圖5類似，只是壓強分布不同，各結構從起始間隙通道到密封空腔內的壓強分布，如表3所示。密封空腔橫截面壓強云圖，如圖6所示。

圖5 最大膛壓的間隙通道的氣體壓強分布典型云圖Fig.5 Typical pressure nephogram of clearance channel at maximum chamber pressure表3 各結構間隙通道氣體壓強分布Tab.3 Distribution of pressure in clearance channel of each seal structure

結構壓強/MPa(a)221.83194.10166.37138.64110.9283.1955.4627.730.0042(b)221.88194.14166.41138.68110.9483.2155.4727.740.0054(c)232.71203.63174.53145.45116.3687.2758.1829.090.0034(d)233.51204.33175.14145.95116.7687.5758.3829.190.0052(e)223.10195.21167.33139.44111.5583.6755.7827.890.0064(f)223.14195.25167.36139.47111.5883.6958.8027.910.0178(g)232.72203.64174.54145.46116.3787.2858.1929.100.0056(h)233.34204.17175.01145.84116.6887.5158.3429.180.0119注:(a)直通;(b)直通-迷宮;(c)檐式;(d)檐式-迷宮;(e)直通-楔形;(f)直通-楔形-迷宮;(g)檐式-楔形;(h)檐式-楔形-迷宮

由表3可知，火藥氣體壓強由初始的242.9 MPa降低到起始間隙通道內的221.8～233.5 MPa，并在通過密封結構后續間隙通道的過程中進一步降低，說明密封結構起到了密封作用。由表3“結構”的(a)、(c)、(e)、(g)與表3“結構”的(b)、(d)、(f)、(h)的比較可以看出，采用迷宮間隙密封結構的壓強都稍高于相應的光滑間隙密封結構的壓強，這是由于迷宮密封結構對火藥氣體的湍流增阻作用，使間隙通道的有效流通面積減小，其局部壓強增大，說明迷宮結構起到了密封作用。由表3“結構”的(a)和(c)、(b)和(d)、(e)和(g)、(f)和(h)的比較可以看出，在起始間隙通道內，采用密封檐結構的壓強都高于相應直通結構的壓強，這是由于密封檐的彎曲間隙比直通間隙的阻滯作用強，氣體積聚，因而使壓強增大，說明檐式結構較直通結構密封效果好。由圖5對應表3“結構”的(a)和(e)、(b)和(f)、(c)和(g)、(d)和(h)相應位置壓強的比較可以看出，在間隙通道內，楔形凹槽結構處的壓強稍高于相應的直角凹槽結構處的壓強，由于凹槽處為光滑通道，因此，不是迷宮結構的湍流增阻作用使該處壓強增大，而是過多的氣體泄漏增大了氣體流量，從而使壓強增大，說明楔形結構氣體泄漏較多，因此其密封效果比直角凹槽結構的差。綜合圖5和表3的分析可知，有檐結構密封比沒有檐的結構密封效果好，直角凹槽結構比楔形凹槽結構密封效果好，迷宮結構起到了密封作用。

由圖6可以看出，在密封腔上部橫截面處，最大壓強由小到大對應的結構依次為：檐式，檐式-楔形，檐式-迷宮，檐式-楔形-迷宮，直通-迷宮，直通-楔形-迷宮，直通，直通-楔形；對應的壓強值依次為0.212 MPa，0.215 MPa，0.234 MPa，0.298 MPa，0.326 MPa，0.362 MPa，0.397 MPa，0.468 MPa，該結果與瞬態仿真密封腔最大壓強結果(見圖4)基本一致。同時，由圖6(a)和圖6(c)，圖6(b)和圖6(d)，圖6(e)和圖6(g)，圖6(f)和圖6(h)的比較可知，檐式結構密封效果優于無檐結構；由圖6(a)和圖6(e)，圖6(b)和圖6(f)，圖6(c)和圖6(g)，圖6(d)和圖6(h)的比較可知，直角凹槽結構密封效果優于楔形凹槽結構；由圖6(a)和圖6(b)，圖6(c)和圖6(d)，圖6(e)和圖6(f)，圖6(g)和圖6(h)的比較可知，在沒有檐的情況下，迷宮結構的密封效果更好，即設置迷宮的結構密封效果優于沒有迷宮的結構。

綜合瞬態仿真結果圖4和最大膛壓時的結果圖5、表3和圖6的分析可知，檐式結構的密封效果最好，直通-楔形結構的密封效果最差，但從其圖4和圖6的壓強云圖分析可知，檐式結構密封腔內的最大壓強仍然為約0.212 MPa，因此需要在直角凹槽處加工放置金屬密封圈的環形槽，通過設置密封圈來進一步降低流入密封腔的氣體壓強，從而達到更好的密封效果。

圖6 密封腔橫截面的氣體壓強分布云圖Fig.6 Pressure nephogram in cross section of seal cavity

4 密封性能試驗對比分析

為了驗證仿真分析結果的正確性，選取了3種典型密封結構進行試驗，這3種結構包含了8種結構中影響密封效果的5種因素，即檐、直角凹槽、楔形凹槽、光滑壁和迷宮密封壁。同時，為了保證密封效果，在這3種試驗密封結構中都設置了鋼密封環。裝藥量和火

藥密度按“2”理論計算所得結果配置，試驗采用電子測壓器來測量密封腔內的壓強，以驗證密封結構的密封效果，其結構示意圖，如圖7所示。膛壓測試由炮膛內測壓裝置完成。本文采用電阻應變式電子測壓器，測量范圍為0～600 MPa。3種結構試驗裝置，如圖8所示，膛壓測試曲線如圖9所示，密封腔內壓強測試曲線，如圖10所示。

圖7 密封腔壓強測試結構示意圖Fig.7 Structure of pressure test for seal cavity

圖8 試驗裝置Fig.8 Experimental device

圖9 膛壓試驗測試曲線Fig.9 Test curve of chamber pressure

圖10 3種結構的密封腔壓強試驗測試曲線Fig.10 Test curve of seal cavity pressure for three structure

由圖9可知，試驗所得最大膛壓為241.8 MPa，與理論計算所得的最大膛壓242.9 MPa相差不大。由圖10可知，3種密封結構中密封腔內的最大壓強分別為0.139 MPa，0.175 MPa，0.291 MPa，可以滿足限定的密封壓強要求，其中檐式結構壓強最小，說明其密封效果最好。同時，由圖10(a)和圖10(b)可知，檐式結構和檐式-楔形-迷宮結構的密封效果差不多，由圖10(c)可知，直通結構的密封效果較前兩種結構稍差，主要是由于沒有密封檐的阻擋，火藥氣體直接進入間隙而造成的。對比圖4和圖10可知，密封腔壓強變化趨勢與仿真結果一致，而且加入密封圈后密封效果更好。

5 結 論

本文設計了8種侵徹數據回收時用到的彈底彈射裝置間隙密封結構，并根據計算得出的火藥氣體狀態對其密封性能進行了仿真對比研究。仿真主要對火藥氣體在密封間隙流動過程中的壓強變化情況進行了對比分析，根據其壓強的下降程度來考察密封結構的性能。通過仿真分析，確定檐式直角凹槽密封結構的密封性能最好，但需要增加金屬密封圈以使密封效果最佳。選取了包含檐、壁面形式和凹槽形式等影響密封效果因素的3種典型結構進行了試驗，試驗結果與仿真結果一致。本文的研究結果，可以為相關高壓密封提供參考。如果空間尺寸比較大，可以研究增加密封檐的高度和長度以及增加迷宮密封槽個數后的密封性能。

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An analysis on the performance of a clearance seal structure applied to gunpowder gas of a projection base

MA Huiming1, 2，ZHANG Ya1，LI Shizhong1

(1. School of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China; 2. School of Information and Communication Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

The clearance of ejection channel needs to be sealed when the projection base was bored a hole to eject the recovery device of penetration data, so eight kinds of clearance seal structures were designed. The state parameters of gunpowder gas were calculated in the course of maximum chamber pressure and the whole interior ballistics for simulation. The pressure change of gunpowder gas in the clearance of these seal structures was simulated and analyzed by FLUENT software, and the analysis results were applied to compare and determine the optimum seal structure with the best seal performance. Three typical structures were selected based on the simulation results, and were applied to verify the seal performance. The results show that in these seal structures of gunpowder gas at projection base, the factors of seal eaves, labyrinth and groove play different roles in clearance seal for gunpowder gas, and the seal effect of rectangular groove structure with seal eaves is the best in those seal structures, and the seal performance is better by setting a seal ring.

clearance seal; gunpowder gas; projection base; labyrinth seal; FLUENT software

總裝預研基金項目資助

2016-07-20 修改稿收到日期： 2016-09-09

馬慧明 男，博士生，講師，1978年生

張亞 男，教授，博士生導師，1964年生

TJ430.6+6

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.12.023