Наствольное газодинамическое устройство

Полезная модель относится к области стрелково-пушечного вооружения, в частности к танковым и самоходным орудиям, казенная часть которых размещена в ограниченно пространстве боевого отделения башни. Такое размещение приводит к загазованности боевого отделения в периоде последействия газов при открывании затвора и образованию обратного пламени.
Известны наствольные газодинамические устройства (эжекторы - разновидность струйных насосов) [1], обеспечивающие направленный поток газов в сторону дульного среза орудия при открывании затвора, предназначенные для снижения загазованности боевого отделения и предотвращения обратного пламени.
Известно наствольное газодинамическое устройство (эжектор) [1, с. 51], содержащее ресивер, закрепленный на стволе и образующий совместно со стволом и устройствами крепления некоторый объем для заполнения пороховыми газами через клапаны и сопла, выполненные в теле ствола. Процесс функционирования эжектора (фиг.1) согласуют с динамикой отката, наката ствола и открывания затвора. Считается, что эжектор работает в двух режимах:
- в режиме наполнения объема эжектора пороховыми газами - до момента выравнивания давлений в его полости и канале ствола;
- в режиме истечения из полости эжектора - после падения давления газов в канале ствола.
Основными недостатками этого устройства являются малая функциональная эффективность при стрельбе на уменьшенных зарядах и относительная сложность конструкции. Лежащие в основе объяснения работы эжектора положения не учитывают реального взаимодействия объемов пороховых газов в канале ствола и ресивере, а также волновой природы движения газов в канале ствола. Расчетами установлено, что пороховые газы на разных временных отрезках демонстрируют три варианта функционирования: благополучно заполняют полость ресивера и столь же благополучно извлекаются из него основным потоком газов, перемещающихся в канале ствола (фиг. 2); работают действительно как в классическом [2] эжекторе (фиг. 3); не обладают требуемой энергетикой и не участвуют во взаимодействии с основным потоком газов для организации его направленного перемещения к дульному срезу (фиг. 4). Такое разделение процесса функционирования на указанные варианты обусловлено волновой природой распространения пороховых газов в канале ствола (фиг. 5). Моделирование проведено в среде инженерного анализа SolidWorks Flow Simulation [3] с использованием ЗБ-модели эжектора для орудия 2А31 на четвертом заряде: число сопел - 12; диаметр сопла - 3 мм; уширение сопла - 10; угол наклона сопел - 20°. Характеристики потока пороховых газов регистрировались в точках, расположенных на оси сопла (фиг. 6). Фрагмент регистрации радиальной и продольной составляющих скоростей потока в момент открывания клина затвора показан на фиг. 7.
Результаты моделирования свидетельствуют о наличии направленного потока газов из полости эжектора в канал ствола сразу за открыванием затвора. При этом за потоком не создается разрежения газов, а общая направленность газов к дульному срезу обусловлена эжектирующим свойством основного потока газов за счет их большей скорости в момент открывания затвора. Природа такого явления связана с наличием и образованием дополнительного волнового сопротивления в районе размещения сопел эжектора. Об этом же свидетельствует характер распределения давления газов в канале ствола и полости эжектора в диапазоне 2000-2500 итераций расчета (фиг. 8). Таким образом, эжектор для исследуемых условий моделирования работает не как струйный насос, а как источник волнового сопротивления движению пороховых газов. Изменение скоростей потока в контрольных точках связано не с организацией направленного движения газов за счет энергетического потенциала эжектора, а с их извлечением из полости эжектора за счет разрежения вслед за волной высокого давления основного потока в дульной части канале ствола при открывании затвора.
Целью заявляемой полезной модели является упрощение конструкции наствольного газодинамического устройства и уменьшение его длины при обеспечении функциональности по исключению загазованности боевого отделения танков и самоходных орудий башенного типа и образования обратного пламени во время выстрела при открывании затвора посредством формирования волнового движения газов в канале ствола. Эта цель достигается тем, что в известной конструкции эжектора исключены клапаны и соответствующие для прохождения через них пороховых газов отверстия в теле ствола, исключены сопла, отверстия в теле ствола для сообщения полости ствола с полостью ресивера выполнены радиально, круглого сечения и с большим диаметром.
Устройство содержит (фиг. 9) ствол 1, соосно размещенный на стволе корпус ресивера 2, элементы крепления ресивера к стволу (известны, не показаны), радиальные отверстия 3 в теле ствола.
Работа устройства.
При выстреле после прохождения снарядом в стволе 1 радиальных отверстий 3 пороховые газы заполняют объем 4 ресивера и задерживаются в нем или истекают из него в зависимости от давления газов основного потока в полости ствола в области радиальных отверстий. При этом в разной последовательности формируются три указанных выше режима течения газов из ресивера. Разнонаправленный во времени поток газов ресивера создает сопротивление движению основного потока, который сам характеризуется волновым движением газов из-за нестационарности процесса течения в длинном узком канале. Вследствие этого перед открыванием затвора создается существенный перепад давления газов основного потока вдоль канала ствола по разные стороны от сечения с радиальными отверстиями в его теле - малое давление и скорость газов со стороны казенной части канала, существенное разрежение газов и высокая скорость их течения между сечением радиальных отверстий и волной уплотнения перед дульным срезом ствола, перемещающейся с большой скоростью в направлении выстрела. В первый момент открывания затвора газы ускоряются от казенной части полости канала ствола к дульной, газы из ресивера форсировано истекают в полость канала ствола, но не обеспечивают разрежение со стороны казенной части канала, а создают сопротивление потоку этой части газов, что приводит к формированию в ней волны уплотнения и дополнительному разрежению газов основного потока в области от сечения с радиальными отверстиями до движущейся в сторону дульного среза ствола волы уплотненных газов. Далее, по мере открывания затвора, сопротивление потока газов из ресивера нивелируется общим перепадом давления газов в канале ствола, что приводит к резкому ускорению всего потока газов в направлении выстрела, и как следствие, очистке канала ствола и предотвращению обратного пламени.
Моделирование процесса функционирования заявляемой модели проведено в тех же условиях, что и прототипа.
В заявляемой модели отверстия выполнены с равномерным распределением в одном вертикальном сечении тела ствола, при этом диаметр отверстий 0.0656 калибра ствола, причем общая площадь отверстий составляет 0.0516 площади сечения канала ствола, а длина ресивера составляет 0.75 калибра ствола.
Полученные результаты практически совпадают с результатами моделирования процесса функционирования прототипа (фиг. 9). Исключение составляет радиальная скорость газа в пограничных точках 1 и 7. При этом продольная составляющая скорости потока из ресивера в момент открывания затвора у заявляемой полезной модели (фиг. 10) даже несколько меньше, чем у прототипа (фиг. 7).
Эффект от использования полезной модели заключается в упрощении конструкции наствольного газодинамического устройства и уменьшении его длины при обеспечении функциональности по исключению загазованности боевого отделения танков и самоходных орудий башенного типа и образования обратного пламени посредством формирования волнового движения газов в канале ствола.
Источники
1. Орлов Ю.В., Ларман Э.К., Маликов В.Г. Устройство и проектирование стволов артиллерийских орудий. М.: Машиностроение, 1976. - 432 с.
2. Соколов Е. Я., Зингер Н. М. Струйные аппараты. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 352 с.
3. Алямовский, А.А. SolidWorks 2007/2008. Компьютерное моделирование в инженерной практике / А.А. Алямовский. Учебно-методическое пособие. - СПб.: БХВ-Петербург, 2008. - 1040 с.