[發(fā)明專利]一種補(bǔ)燃循環(huán)火箭發(fā)動機(jī)故障仿真分析方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310048531.3
• 申請日: 2013-02-06
• 公開（公告）號: CN103116705A
• 公開（公告）日: 2013-05-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉站國;徐浩海;馬紅宇;黨鋒剛;楊永強(qiáng);王海燕;宋春
• 申請（專利權(quán)）人: 中國航天科技集團(tuán)公司第六研究院第十一研究所
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 西安智邦專利商標(biāo)代理有限公司 61211
• 代理人: 張倩

1.一種補(bǔ)燃循環(huán)火箭發(fā)動機(jī)故障仿真分析方法，其特征在于包括下列步驟：

1】針對補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動機(jī)系統(tǒng)組成及其組件特性，運(yùn)用流體力學(xué)、氣體動力學(xué)、熱力學(xué)理論建立以下模型：

A泵靜態(tài)數(shù)學(xué)模型：

（1）揚(yáng)程

Δp=a·n2·ρ+b·n·qm+c·qm2ρ---(1)]]>

式中：Δp-揚(yáng)程；

a、b、c-通過水力試驗(yàn)獲得的揚(yáng)程特性參數(shù)；

n、q_m、ρ-轉(zhuǎn)速、介質(zhì)流量和密度；

（2）功率

P=A·n3·ρ+B·n2·qm+C·n·qm2ρ---(2)]]>

式中：P-功率；

A、B、C-功率特性參數(shù)；

B渦輪靜態(tài)數(shù)學(xué)模型：

（1）氣渦輪

a渦輪絕熱速度

Cad=2kk-1·Ri·Ti·[1-(pepi)k-1k]---(3)]]>

式中：C_ad-渦輪絕熱速度；

T_i、p_i、p_e-渦輪入口的溫度、壓力和出口壓力；

R_i、k-氣體常數(shù)、絕熱指數(shù)；

b渦輪功率

P=ηt·qm·kk-1·Ri·Ti·[1-(pepi)k-1k]---(4)]]>

式中：P-渦輪功率；

T_i、p_i、p_e-渦輪入口的溫度、壓力和出口壓力；

R_i、k-氣體常數(shù)、絕熱指數(shù)；

η_t、q_m-渦輪效率、燃?xì)饬髁浚?/p>

c渦輪出口溫度

Te=Ti-Ti·ηt·[1-(pepi)k-1k]---(5)]]>

式中：T_i、p_i、p_e-渦輪入口的溫度、壓力和出口壓力；

k、T_e-氣體絕熱指數(shù)、渦輪出口溫度；

η_t、q_m-渦輪效率、燃?xì)饬髁浚?/p>

d渦輪流量

當(dāng)流動狀態(tài)為臨界或超臨界狀態(tài)時，

即pepi≤(2k+1)k/(k-1)]]>時，

qm=μA·piRi·Ti·k·(2k+1)(k+1)/(k-1)---(6a)]]>

當(dāng)流動狀態(tài)為亞臨界時，即pepi>(2k+1)k/(k-1)]]>時，

qm=μA·piRi·Ti·2kk-1[(pepi)2/k-(pepi)(k+1)/k---(6b)]]>

式中：T_i、p_i、p_e-渦輪入口的溫度、壓力和出口壓力；

k、R_i-氣體絕熱指數(shù)、氣體常數(shù)；

q_m-燃?xì)饬髁浚?/p>

μA-渦輪最小流通面積，可通過渦輪吹風(fēng)試驗(yàn)獲得；

e渦輪效率

ηt=a2·(nCad)2+a1·(nCad)+a0---(7)]]>

式中：η_t、C_ad-渦輪效率、絕熱速度；

a₂,a₁,a₀,n-渦輪的效率特性系數(shù)和轉(zhuǎn)速；

（2）液渦輪

a靜葉噴嘴出口速度

C=2·(pi-pe)ρi---(8)]]>

式中：C-靜葉噴嘴出口速度；

p_i、ρ_i-噴嘴入口壓力和密度；

p_e-噴嘴出口靜壓，在數(shù)值上等于沖擊式渦輪的出口壓力，近似等于泵出口壓力；

b渦輪流量

????q_m=C·ρ_i·μA??????????(9)

式中：C-靜葉噴嘴出口速度；

ρ_i、μA-流體密度、渦輪靜葉噴嘴流通面積；

c渦輪功率

???P＝η_t·q_m·(p_i-p_e)/ρ_i???????(10)

式中：P、η_t、p_i、p_e-渦輪功率、效率、入口壓力、出口壓力；

ρ_i-流體密度；

C供應(yīng)管路靜態(tài)數(shù)學(xué)模型，包括管道、過濾器、孔板及閥門：

（1）液路元件流阻方程

Δp=ξ·qm2ρi---(11)]]>

式中：Δp、ρ_i、q_m、ξ-液路元件壓降、平均密度、流量和流阻系數(shù)；

（2）氣路元件流阻方程

pi2-pe2=Cg·RT·qm2---(12)]]>

式中：Cg-氣路元件流阻系數(shù)；

p_i、p_e、q_m-氣路元件入口、出口壓力和流量；

R、T-氣體介質(zhì)的氣體常數(shù)和溫度；

D發(fā)生器靜態(tài)數(shù)學(xué)模型

（1）理論熱力特性

根據(jù)已有的熱力計(jì)算軟件計(jì)算出理論數(shù)據(jù)表，再使用最近點(diǎn)線性插值法計(jì)算實(shí)際數(shù)據(jù)點(diǎn)上的發(fā)生器燃?xì)鉄崃μ匦詤?shù)；

[T,k,R,Cp]=[T,k,R,Cp]fore+[T,k,R,Cp]back-[T,k,R,Cp]foreKback-Kfore·(K-Kfore)---(13)]]>

式中：T、k、R、Cp-燃?xì)鉁囟取⒔^熱指數(shù)、氣體常數(shù)、定壓比熱容；

[?]_fore、[?]_back-插值前點(diǎn)、插值后點(diǎn)數(shù)值；

（2）考慮流體焓值對發(fā)生器溫度影響

a流體在泵中的溫升

ΔT=Δpρ·Cp(1-ηη-Tρ·∂ρ∂T)---(14)]]>

式中：ΔT、Δp-流體溫升、壓降；

T、ρ、η、Cp-流體溫度、密度、泵效率、流體定壓比熱容；

-流體密度對溫度的偏導(dǎo)數(shù)；

b預(yù)壓泵后流體混合溫度

T=q1·T1+q2·T2q1+q2---(15)]]>

式中：T、T₁、T₂、q₁、q₂-流體混合后溫度、流體溫度1、溫度2、流量1、流量2；

c流體焓值對發(fā)生器溫度的影響

Tgg=Tggth+Kgg·Cpo·(To-To0)+Cpf·(Tf-Tf0)(Kgg+1)·Cpgg---(16)]]>

式中：T_o0、T_f0、T_ggth-理論熱力計(jì)算時流體溫度和對應(yīng)的發(fā)生器理論溫度；

Cp_o、Cp_f、T_o、T_f-氧化劑和燃料的定壓比熱和實(shí)際溫度；

K_gg、T_gg-發(fā)生器混合比、溫度；

E推力室靜態(tài)數(shù)學(xué)模型

（1）基本方程

a流量

qm=qmo+qmf=pc·AtC*---(17)]]>

式中：q_m、q_mo、q_mf-推力室燃?xì)饬髁俊⒀趸瘎┝髁俊⑷剂狭髁浚?/p>

p_c、A_t、C^*-推力室壓力、喉部流通面積、特征速度；

b混合比

Kc=qmoqmf---(18)]]>

式中：K_c、q_mo、q_mf-推力室混合比、氧化劑流量、燃料流量；

c真空推力

????F_sv＝η_c·η_n·q_m·I_sv??????（19）

式中：q_m、F_sv、η_c、I_sv、η_n-推力室燃?xì)饬髁俊⒄婵胀屏Α⑷紵省⒄婵毡葲_、噴管效率；

d地面推力

?????F=F_sv-p_a·A_e???????（20）

式中：p_a、A_e-環(huán)境壓力和推力室噴口面積；

F、F_sv-推力室地面推力、真空推力；

（2）熱力數(shù)據(jù)處理

根據(jù)已有的熱力計(jì)算軟件計(jì)算出理論數(shù)據(jù)表，再使用最近點(diǎn)線性插值法計(jì)算實(shí)際數(shù)據(jù)點(diǎn)上的推力室燃?xì)鉄崃μ匦詤?shù)；

T(Kc,Pc)=T(Tc0,Pc0)+ΔTPcΔPc·(Pc-Pc0)+ΔTKcΔKc·(Kc-Kc0)---(21)]]>

式中：Kc0、Pc0、Kc、Pc-插值前點(diǎn)與后點(diǎn)的混合比、室壓；

-線性插值斜率，由插值前后點(diǎn)數(shù)值決定；

F節(jié)流組件靜態(tài)數(shù)學(xué)模型

（1）節(jié)流閥

???Δp=a₀'+a₁'·α+a₂'·α²?????????（22）

式中：Δp、α-節(jié)流閥壓降、轉(zhuǎn)角；

a0′、a1′、a2′-特性系數(shù)，通過液流試驗(yàn)獲得；

（2）流量調(diào)節(jié)器

qm=ρ·(b0+b1·α)---(23)]]>

式中：q_m、ρ、α-調(diào)節(jié)器流量、介質(zhì)密度、流量調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)角；

b0、b1-特性系數(shù)，通過液流試驗(yàn)獲得；

G平衡方程式

（1）流量平衡方程

????∑q_mi=∑q_me????????（24）

式中：q_mi、q_me-入口流量、出口流量；

（2）功率平衡方程

P_t=∑P_p????????????（25）

式中：P_t、P_p-渦輪功率、泵功率；

（3）壓力平衡方程

????p_in＝p_out+Δp?????????（26）

式中：p_in、p_out、Δp-入口壓力、出口壓力、壓降；

H推進(jìn)劑物理性質(zhì)

（1）密度

ρ＝(a₀₀+a₀₁·T+a₀₂·T²)+(a₁₀+a₁₁·T+a₁₂·T²)·p+(a₂₀+a₂₁·T+a₂₂·T²)·p²?????????（27）

式中：ρ、p、T-密度、壓力、溫度；

a₀₀、a₀₁、a₀₂、a₁₀、a₁₁、a₁₂、a₂₀、a₂₁、a₂₂-密度擬合系數(shù)；

（2）動力粘度

μ=(b₀₀+b₀₁·T+b₀₂·T²)+(b₁₀+b₁₁·T+b₁₂·T²)·p?????（28）

式中：μ、p、T-動力粘度、壓力、溫度；

b₀₀、b₀₁、b₀₂、b₁₀、b₁₁、b₁₂-粘度擬合系數(shù)；

（3）定壓比熱

Cp=c₀+c₁·T+c₂·T²?????????（29）

式中：Cp、T-定壓比熱、溫度；

c₀、c₁、c₂-溫度擬合系數(shù)；

2】嵌入故障特征方程：

所述故障特性方程如下：

A液體或氣體泄漏故障

當(dāng)發(fā)動機(jī)某個組件出現(xiàn)液體或氣體泄漏時，在相應(yīng)組件模型中補(bǔ)充流量方程；

m·=m·xl+m·out---(30)]]>

式中：-入口流量、出口流量、泄漏流量；

B管道、過濾器與孔板堵塞故障

在供應(yīng)管路模型中增加下述方程，可改變供應(yīng)管路流阻系數(shù)；

ξ’＝c·ξ????????（31）

式中：ξ′、ξ、c-故障狀態(tài)流阻系數(shù)、正常狀態(tài)流阻系數(shù)、常數(shù)大于1；

C閥門故障

在供應(yīng)管路模型中增加下述方程，可改變供應(yīng)管路流阻系數(shù)；

ξ’=e^α·ξ或ξ,=f(1sin4α)·ξ---(32)]]>

式中：ξ′、ξ、α-故障狀態(tài)流阻系數(shù)、正常狀態(tài)流阻系數(shù)、閥門打開角度；

D渦輪故障

渦輪故障包括噴嘴燒蝕和效率下降，可在渦輪模型中增加下述方程進(jìn)行模擬：

噴嘴燒蝕：

?????A’=c·A?????（33）

式中：A′、A、c-故障狀態(tài)流通面積、正常狀態(tài)流通面積、常數(shù)大于1，效率下降：

?????η’＝c·η???????（34）

式中：η′、η、c-故障狀態(tài)效率、正常狀態(tài)效率、常數(shù)大于0且小于1；

E燃?xì)獍l(fā)生器、推力室故障，包括噴嘴堵塞與燒蝕；

通過下述兩個方程進(jìn)行模擬：

噴嘴燒蝕：

????A’=c·A???????（35）

式中：A′、A、c-分別為故障狀態(tài)流通面積、正常狀態(tài)流通面積、常數(shù)大于1；

噴嘴堵塞：

???ξ’＝c·ξ?????????（36）

式中：ξ′、ξ、c-分別為故障狀態(tài)流阻系數(shù)、正常狀態(tài)流阻系數(shù)、常數(shù)大于1；

F泵故障

泵故障主要包括轉(zhuǎn)子損壞、碰磨、汽蝕或泵葉片斷裂，均通過改變揚(yáng)程或效率來模擬；

????η’＝c·η或ΔP’=c·ΔP?????????（37）

式中：η′、η、ΔP′、ΔP、c-分別為故障狀態(tài)效率、正常狀態(tài)效率、故障狀態(tài)揚(yáng)程、正常狀態(tài)揚(yáng)程、常數(shù)大于0且小于1；

3】采用線性化的牛頓迭代法求解上述步驟所生成的方程組，得出仿真結(jié)果；所述仿真結(jié)果為發(fā)動機(jī)在不同故障模式下的熱力參數(shù)特征；

4】根據(jù)上述熱力參數(shù)特征，通過事先獲得的統(tǒng)計(jì)參數(shù)對發(fā)動機(jī)熱試車或飛行狀態(tài)可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行試前故障預(yù)判，或者通過與發(fā)動機(jī)試車或飛行后實(shí)際測量參數(shù)變化趨勢進(jìn)行比對，進(jìn)行試后故障定位。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的補(bǔ)燃循環(huán)火箭發(fā)動機(jī)故障仿真分析方法，其特征在于：所述步驟4】的具體實(shí)現(xiàn)方式為：統(tǒng)計(jì)實(shí)際測量參數(shù)變化，后與故障模式效應(yīng)表進(jìn)行比對，進(jìn)行試前故障預(yù)判或試后故障定位。