弹底火药气体的间隙密封结构性能分析

马慧明, 张 亚, 李世中

(1. 中北大学 机电工程学院,太原 030051；2. 中北大学 信息与通信工程学院,太原 030051)

弹底火药气体的间隙密封结构性能分析

马慧明1, 2, 张 亚1, 李世中1

(1. 中北大学 机电工程学院,太原 030051；2. 中北大学 信息与通信工程学院,太原 030051)

针对弹射式侵彻数据回收装置在弹底开孔后，其弹射通道的间隙需要密封的要求。设计了8种间隙密封结构，计算了最大膛压时及整个内弹道时期的火药气体状态参数，并应用FLUENT软件对这些密封结构间隙通道中火药气体的压强变化情况进行了仿真分析，从而对比其密封性能，确定最佳密封结构，根据仿真结果选取3种典型结构进行了试验验证；结果表明，在这些弹底火药密封结构中，密封檐、迷宫和凹槽形状等结构因素对火药气体的密封作用不同，其中檐式直角矩形凹槽型密封结构的密封效果最好，增加密封圈后密封效果更佳。研究结果可以为高温高压火药气体密封相关研究提供参考。

间隙密封；火药气体；弹底；迷宫密封；FLUENT软件

目前侵彻数据硬回收方法面临找弹困难、回收成功率低的问题，因此，本文进行了基于有线传输的弹底开孔式弹射装置数据回收方法的研究，即在弹底开孔来安装用于存储数据的弹射装置，在弹丸发射出炮膛后，弹射装置从弹体中弹出，通过导线连接实现弹体中测试装置与弹体外弹射装置之间的数据传输，试验后回收弹射装置即可读取其中存储的数据，避免了寻找弹体的工作。但是，弹底开孔安装弹射装置后弹射通道中存在间隙，为了避免膛内发射时高温高压火药气体对弹体内测试装置的冲击和破坏，就需要考虑火药气体密封的问题。有关膛内火药气体的密封，已有相关文献进行了研究[1-6]，这些研究主要针对药室和炮膛密封，对弹体的密封未见报道。由于空间尺寸的限制，本文研究的密封结构不能太大，也不能太复杂，因此结构中尝试引入迷宫密封，验证其是否可以提高密封性能。关于间隙和迷宫密封已有大量的文献进行了研究[7-12]，但基本上都是有关低压条件下的活塞和旋转机械的密封，而关于火药气体的迷宫密封和弹底密封的报道比较少，还有待于进一步研究。本文设计了8种密封结构，计算了火药气体初始参数，确定其初始状态，并应用FLUENT软件对其进行了气体动力学仿真分析，对比研究了这几种结构的密封性能和效果，并试验测试了3种典型结构的密封效果，最终确定一种密封效果最好的结构用于以后的试验测试中。

1 间隙密封结构设计

为了保证火药气体的可靠密封，需要对密封盖的厚度进行强度校核，使其能承受火药气体的高压作用，这里为了减小密封盖的质量，采用了铝合金材料，厚度设计为10 mm，经过验算满足强度要求；同时为了避免火药气体直通密封腔并增加其流动的阻力，就需要增加火药气体流经路径的长度，而在有限的空间结构中，可以通过将平直路径改为曲折路径来达到这种目的，本文所设计的密封结构，如图1所示。图1(a)和图1(b)为普通扣盖式密封，图1(c)和图1(d)的结构分别是在图1(a)和图1(b)的基础上增加了密封檐，其中图1(b)和图1(d)又采用了迷宫密封。图1(e)和图1(f)是将图1(a)和图1(b)中的矩形直角凹槽改为楔形凹槽，在火药的压力作用下可以增加密封盖和凹槽的贴合度，增强了密封作用；图1(g)和图1(h)的结构分别是在图1(e)和图1(f)的基础上增加了密封檐，其中图1(f)和图1(h)也采用了迷宫密封。这里，由于密封结构的尺寸限制同时为了保证较好的密封效果，迷宫密封设计为5个密封空腔，空腔宽度为1.7 mm，深度为0.5 mm，齿厚为0.8 mm。同时，这些结构都可以根据需要在密封盖下部的凹槽处设置密封环，以增强密封性能。

图1 密封结构Fig.1 Clearance seal structure

2 火药气体状态参数确定

由于对火药气体进行动力学分析和仿真时，其参数的准确性会影响到分析结果的正确性，也会影响到密封结构的设计和密封装置材料的选用，所以有必要对火药燃烧所产生气体的参数进行准确计算。

2.1 最大膛压时状态参数计算

主装药采用以含氮量为13.45%的硝化纤维素(NC)为主要成分的火药；火药的初始反应温度T0=298 K，爆热[13]Qv=-2 429.1 kJ/kg，负号表示放热；爆温TB=2 313.2 K；火药的绝热指数γ=1.25[14]；计算得火药气体产物[15]各参数最大值为：速度u=734.7 m/s，密度ρ0=360 kg/m3，压强p=242.9 MPa，声速C=918.4 m/s，则其马赫数Ma=u/C=0.8，属于亚声速流动，即密封间隙入口火药气体的流动状态为亚声速流动。同时，由于Ma= 0.8>0.3，所以需要考虑其压缩性[16]。

气体温度根据A Я.AПИH经验公式来计算：

(1)

式中：Mr为火药气体产物的平均相对分子质量；Mr=25.95 kg/kmol。解得T=2 166.5 K。

由于密封间隙气体压强变化大于106Pa，所以需要考虑压强对动力黏性系数μ的影响[17]，而Sutherland公式只适用于压强不太高的场合[18]，所以不能用其计算动力黏性系数，计算膛内火药爆炸各气体产物在最大压强和最大温度为(p，T)=(242.9 MPa，2 166.5 K)时的动力黏性系数，然后再计算混合气体的动力黏性系数，火药生成气体成分主要包括CO2，CO和N2，其动力黏性系数分别为μCO2=8.63×10-5Pa·s；μCO=84×10-6Pa·s，μN2=9.23×10-5Pa·s，则混合气体动力黏性系数

(2)

式中，αi为i组分气体所占体积百分数，Mi为混合气体i组分气体分子量，μi为混合气体i组分气体动力黏性系数。

参数αCO2=0.239，αCO=0.575，αN2=0.187，MCO2=44，MCO=28，MN2=28，同时将各气体动力黏性系数μ值代入式(2)，求得混合气体动力黏性系数μmix=8.61×10-5Pa·s，则其运动黏性系数υ=μmix/ρ0=0.24×10-6m2/s。

2.2 内弹道时期状态参数计算

内弹道膛压作为火药气体主要瞬态参数计算为：装药质量ω1=3.2 kg，火药密度ρ1=1.56 kg/dm3，火炮药室初始容积W1=0.016 m3，根据计算方程组[20]得到内弹道膛压曲线，如图2所示。其他参数由仿真模型根据以上参数进行动态计算。

图2 理论计算的膛压-时间曲线Fig.2 Theoretical curve of p-t

3 密封性能仿真对比分析

本文采用ANSYS中的FLUENT软件对8种结构间隙中火药气体的流动进行了气体动力学仿真，主要考察气体压强的变化，从而对比这几种结构的密封性能。哪种结构间隙内和密封腔内的压强小，说明哪种结构气体泄漏少，密封效果好。

3.1 间隙中火药气体的建模及网格划分

由于主要分析间隙中火药气体的压强状态，所以将密封结构的外形忽略，只对间隙通道中的火药气体进行建模，并采用四面体网格划分方法[21]，所生成的网格质量较高，网格精度能够达到计算要求。这里只给出最复杂的檐式-楔形-迷宫型密封结构的火药气体建模及网格划分结果进行示意，其半剖图如图3所示。其他结构的建模与网格划分效果与此类似。

图3 间隙火药气体模型Fig.3 Model of gunpowder gas in clearance

3.2 边界条件设置

由于密封间隙为细长的弯曲通道，长径比较大，因此采用双精度进行计算。由于所仿真的火药气体为高速可压气体，因此采用耦合式求解器的基于密度求解器，并采用隐式求解方法，以便加快得到收敛解的速度；由于为湍流流动状态，所以采用RNGk-ε湍流模型和能量方程，同时由于膛内发射时间很短，所以不考虑与外界之间的热传递，壁面条件为固定壁面，以出口为参考点，固体材料为铝合金，选用材料库中的默认参数。以理论计算的内弹道膛压数据作为入口压强条件，进行瞬态仿真，边界条件，如表1所示。气体参数，如表2所示。

表1 仿真边界条件Tab.1 Boundary conditions for simulation

表2 气体材料参数Tab.2 Parameter of gas material

3.3 仿真结果及分析

3.3.1 瞬态仿真结果

根据建立的模型、选定的方法和设置的参数，以及内弹道膛压变化数据，采用Hybrid Initialization法对流场进行初始化，对6 ms的膛压作用时间内，密封腔内压强的变化进行瞬态仿真，所得各结构密封腔压强，如图4所示。

图4 各结构密封腔压强仿真曲线Fig.4 Simulation curve of seal cavity pressure for different structure

由图4可知，密封腔内压强平均值由小到大对应的结构依次为：檐式，檐式-楔形，檐式-迷宫，檐式-楔形-迷宫，直通-迷宫，直通-楔形-迷宫，直通，直通-楔形；其最大压强依次为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，有檐的结构比没有檐的结构密封效果好，直角凹槽结构比楔形凹槽结构的密封效果好，在没有檐的情况下，有迷宫的结构比没有迷宫结构的密封效果好。

3.3.2 最大膛压时仿真结果

由于最大膛压时，密封结构所受的冲击最大，因此，有必要考察最大膛压时各结构的气体压强状态。以表1，表2和“2.1”中计算所得气体参数作为初始条件进行仿真，得到典型的檐式-楔形-迷宫密封结构间隙中火药气体的压强云图，如图5所示。其他结构的压强云图与图5类似，只是压强分布不同，各结构从起始间隙通道到密封空腔内的压强分布，如表3所示。密封空腔横截面压强云图，如图6所示。

图5 最大膛压的间隙通道的气体压强分布典型云图Fig.5 Typical pressure nephogram of clearance channel at maximum chamber pressure表3 各结构间隙通道气体压强分布Tab.3 Distribution of pressure in clearance channel of each seal structure

结构压强/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-迷宫;(c)檐式;(d)檐式-迷宫;(e)直通-楔形;(f)直通-楔形-迷宫;(g)檐式-楔形;(h)檐式-楔形-迷宫

由表3可知，火药气体压强由初始的242.9 MPa降低到起始间隙通道内的221.8～233.5 MPa，并在通过密封结构后续间隙通道的过程中进一步降低，说明密封结构起到了密封作用。由表3“结构”的(a)、(c)、(e)、(g)与表3“结构”的(b)、(d)、(f)、(h)的比较可以看出，采用迷宫间隙密封结构的压强都稍高于相应的光滑间隙密封结构的压强，这是由于迷宫密封结构对火药气体的湍流增阻作用，使间隙通道的有效流通面积减小，其局部压强增大，说明迷宫结构起到了密封作用。由表3“结构”的(a)和(c)、(b)和(d)、(e)和(g)、(f)和(h)的比较可以看出，在起始间隙通道内，采用密封檐结构的压强都高于相应直通结构的压强，这是由于密封檐的弯曲间隙比直通间隙的阻滞作用强，气体积聚，因而使压强增大，说明檐式结构较直通结构密封效果好。由图5对应表3“结构”的(a)和(e)、(b)和(f)、(c)和(g)、(d)和(h)相应位置压强的比较可以看出，在间隙通道内，楔形凹槽结构处的压强稍高于相应的直角凹槽结构处的压强，由于凹槽处为光滑通道，因此，不是迷宫结构的湍流增阻作用使该处压强增大，而是过多的气体泄漏增大了气体流量，从而使压强增大，说明楔形结构气体泄漏较多，因此其密封效果比直角凹槽结构的差。综合图5和表3的分析可知，有檐结构密封比没有檐的结构密封效果好，直角凹槽结构比楔形凹槽结构密封效果好，迷宫结构起到了密封作用。

由图6可以看出，在密封腔上部横截面处，最大压强由小到大对应的结构依次为：檐式，檐式-楔形，檐式-迷宫，檐式-楔形-迷宫，直通-迷宫，直通-楔形-迷宫，直通，直通-楔形；对应的压强值依次为0.212 MPa，0.215 MPa，0.234 MPa，0.298 MPa，0.326 MPa，0.362 MPa，0.397 MPa，0.468 MPa，该结果与瞬态仿真密封腔最大压强结果(见图4)基本一致。同时，由图6(a)和图6(c)，图6(b)和图6(d)，图6(e)和图6(g)，图6(f)和图6(h)的比较可知，檐式结构密封效果优于无檐结构；由图6(a)和图6(e)，图6(b)和图6(f)，图6(c)和图6(g)，图6(d)和图6(h)的比较可知，直角凹槽结构密封效果优于楔形凹槽结构；由图6(a)和图6(b)，图6(c)和图6(d)，图6(e)和图6(f)，图6(g)和图6(h)的比较可知，在没有檐的情况下，迷宫结构的密封效果更好，即设置迷宫的结构密封效果优于没有迷宫的结构。

综合瞬态仿真结果图4和最大膛压时的结果图5、表3和图6的分析可知，檐式结构的密封效果最好，直通-楔形结构的密封效果最差，但从其图4和图6的压强云图分析可知，檐式结构密封腔内的最大压强仍然为约0.212 MPa，因此需要在直角凹槽处加工放置金属密封圈的环形槽，通过设置密封圈来进一步降低流入密封腔的气体压强，从而达到更好的密封效果。

图6 密封腔横截面的气体压强分布云图Fig.6 Pressure nephogram in cross section of seal cavity

4 密封性能试验对比分析

为了验证仿真分析结果的正确性，选取了3种典型密封结构进行试验，这3种结构包含了8种结构中影响密封效果的5种因素，即檐、直角凹槽、楔形凹槽、光滑壁和迷宫密封壁。同时，为了保证密封效果，在这3种试验密封结构中都设置了钢密封环。装药量和火

药密度按“2”理论计算所得结果配置，试验采用电子测压器来测量密封腔内的压强，以验证密封结构的密封效果，其结构示意图，如图7所示。膛压测试由炮膛内测压装置完成。本文采用电阻应变式电子测压器，测量范围为0～600 MPa。3种结构试验装置，如图8所示，膛压测试曲线如图9所示，密封腔内压强测试曲线，如图10所示。

图7 密封腔压强测试结构示意图Fig.7 Structure of pressure test for seal cavity

图8 试验装置Fig.8 Experimental device

图9 膛压试验测试曲线Fig.9 Test curve of chamber pressure

图10 3种结构的密封腔压强试验测试曲线Fig.10 Test curve of seal cavity pressure for three structure

由图9可知，试验所得最大膛压为241.8 MPa，与理论计算所得的最大膛压242.9 MPa相差不大。由图10可知，3种密封结构中密封腔内的最大压强分别为0.139 MPa，0.175 MPa，0.291 MPa，可以满足限定的密封压强要求，其中檐式结构压强最小，说明其密封效果最好。同时，由图10(a)和图10(b)可知，檐式结构和檐式-楔形-迷宫结构的密封效果差不多，由图10(c)可知，直通结构的密封效果较前两种结构稍差，主要是由于没有密封檐的阻挡，火药气体直接进入间隙而造成的。对比图4和图10可知，密封腔压强变化趋势与仿真结果一致，而且加入密封圈后密封效果更好。

5 结 论

本文设计了8种侵彻数据回收时用到的弹底弹射装置间隙密封结构，并根据计算得出的火药气体状态对其密封性能进行了仿真对比研究。仿真主要对火药气体在密封间隙流动过程中的压强变化情况进行了对比分析，根据其压强的下降程度来考察密封结构的性能。通过仿真分析，确定檐式直角凹槽密封结构的密封性能最好，但需要增加金属密封圈以使密封效果最佳。选取了包含檐、壁面形式和凹槽形式等影响密封效果因素的3种典型结构进行了试验，试验结果与仿真结果一致。本文的研究结果，可以为相关高压密封提供参考。如果空间尺寸比较大，可以研究增加密封檐的高度和长度以及增加迷宫密封槽个数后的密封性能。

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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

总装预研基金项目资助

2016-07-20 修改稿收到日期： 2016-09-09

马慧明 男，博士生，讲师，1978年生

张亚 男，教授，博士生导师，1964年生

TJ430.6+6

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.12.023