[发明专利]一种补燃循环火箭发动机故障仿真分析方法

摘要

本发明涉及一种补燃循环火箭发动机故障仿真分析方法，包括以下步骤：1】针对补燃循环发动机系统组成及其组件特性，运用流体力学、气体动力学、热力学理论建立模型；2】在模型中嵌入故障特征方程；3】采用线性化的牛顿迭代法求解上述步骤所生成的方程组，得出仿真结果；4】根据上述热力参数特征，通过事先获得的统计参数对发动机热试车或飞行状态可能出现的故障进行试前故障预判，或者通过与发动机试车或飞行后实际测量参数变化趋势进行比对，进行试后故障定位。本发明克服现有技术的不足之处，本发明方法使故障分析的效率、准确性大大提高。

主权项

1.一种补燃循环火箭发动机故障仿真分析方法，其特征在于包括下列步骤：1】针对补燃循环发动机系统组成及其组件特性，运用流体力学、气体动力学、热力学理论建立以下模型：A泵静态数学模型：（1）扬程Δp=a·n2·ρ+b·n·qm+c·qm2ρ---(1)]]>式中：Δp-扬程；a、b、c-通过水力试验获得的扬程特性参数；n、q_m、ρ-转速、介质流量和密度；（2）功率P=A·n3·ρ+B·n2·qm+C·n·qm2ρ---(2)]]>式中：P-功率；A、B、C-功率特性参数；B涡轮静态数学模型：（1）气涡轮a涡轮绝热速度Cad=2kk-1·Ri·Ti·[1-(pepi)k-1k]---(3)]]>式中：C_ad-涡轮绝热速度；T_i、p_i、p_e-涡轮入口的温度、压力和出口压力；R_i、k-气体常数、绝热指数；b涡轮功率P=ηt·qm·kk-1·Ri·Ti·[1-(pepi)k-1k]---(4)]]>式中：P-涡轮功率；T_i、p_i、p_e-涡轮入口的温度、压力和出口压力；R_i、k-气体常数、绝热指数；η_t、q_m-涡轮效率、燃气流量；c涡轮出口温度Te=Ti-Ti·ηt·[1-(pepi)k-1k]---(5)]]>式中：T_i、p_i、p_e-涡轮入口的温度、压力和出口压力；k、T_e-气体绝热指数、涡轮出口温度；η_t、q_m-涡轮效率、燃气流量；d涡轮流量当流动状态为临界或超临界状态时，即pepi≤(2k+1)k/(k-1)]]>时，qm=μA·piRi·Ti·k·(2k+1)(k+1)/(k-1)---(6a)]]>当流动状态为亚临界时，即pepi>(2k+1)k/(k-1)]]>时，qm=μA·piRi·Ti·2kk-1[(pepi)2/k-(pepi)(k+1)/k---(6b)]]>式中：T_i、p_i、p_e-涡轮入口的温度、压力和出口压力；k、R_i-气体绝热指数、气体常数；q_m-燃气流量；μA-涡轮最小流通面积，可通过涡轮吹风试验获得；e涡轮效率ηt=a2·(nCad)2+a1·(nCad)+a0---(7)]]>式中：η_t、C_ad-涡轮效率、绝热速度；a₂,a₁,a₀,n-涡轮的效率特性系数和转速；（2）液涡轮a静叶喷嘴出口速度C=2·(pi-pe)ρi---(8)]]>式中：C-静叶喷嘴出口速度；p_i、ρ_i-喷嘴入口压力和密度；p_e-喷嘴出口静压，在数值上等于冲击式涡轮的出口压力，近似等于泵出口压力；b涡轮流量    q_m=C·ρ_i·μA          (9)式中：C-静叶喷嘴出口速度；ρ_i、μA-流体密度、涡轮静叶喷嘴流通面积；c涡轮功率   P＝η_t·q_m·(p_i-p_e)/ρ_i       (10)式中：P、η_t、p_i、p_e-涡轮功率、效率、入口压力、出口压力；ρ_i-流体密度；C供应管路静态数学模型，包括管道、过滤器、孔板及阀门：（1）液路元件流阻方程Δp=ξ·qm2ρi---(11)]]>式中：Δp、ρ_i、q_m、ξ-液路元件压降、平均密度、流量和流阻系数；（2）气路元件流阻方程pi2-pe2=Cg·RT·qm2---(12)]]>式中：Cg-气路元件流阻系数；p_i、p_e、q_m-气路元件入口、出口压力和流量；R、T-气体介质的气体常数和温度；D发生器静态数学模型（1）理论热力特性根据已有的热力计算软件计算出理论数据表，再使用最近点线性插值法计算实际数据点上的发生器燃气热力特性参数；[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-燃气温度、绝热指数、气体常数、定压比热容；[ ]_fore、[ ]_back-插值前点、插值后点数值；（2）考虑流体焓值对发生器温度影响a流体在泵中的温升ΔT=Δpρ·Cp(1-ηη-Tρ·∂ρ∂T)---(14)]]>式中：ΔT、Δp-流体温升、压降；T、ρ、η、Cp-流体温度、密度、泵效率、流体定压比热容；-流体密度对温度的偏导数；b预压泵后流体混合温度T=q1·T1+q2·T2q1+q2---(15)]]>式中：T、T₁、T₂、q₁、q₂-流体混合后温度、流体温度1、温度2、流量1、流量2；c流体焓值对发生器温度的影响Tgg=Tggth+Kgg·Cpo·(To-To0)+Cpf·(Tf-Tf0)(Kgg+1)·Cpgg---(16)]]>式中：T_o0、T_f0、T_ggth-理论热力计算时流体温度和对应的发生器理论温度；Cp_o、Cp_f、T_o、T_f-氧化剂和燃料的定压比热和实际温度；K_gg、T_gg-发生器混合比、温度；E推力室静态数学模型（1）基本方程a流量qm=qmo+qmf=pc·AtC*---(17)]]>式中：q_m、q_mo、q_mf-推力室燃气流量、氧化剂流量、燃料流量；p_c、A_t、C^*-推力室压力、喉部流通面积、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、氧化剂流量、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-推力室燃气流量、真空推力、燃烧效率、真空比冲、喷管效率；d地面推力     F=F_sv-p_a·A_e       （20）式中：p_a、A_e-环境压力和推力室喷口面积；F、F_sv-推力室地面推力、真空推力；（2）热力数据处理根据已有的热力计算软件计算出理论数据表，再使用最近点线性插值法计算实际数据点上的推力室燃气热力特性参数；T(Kc,Pc)=T(Tc0,Pc0)+ΔTPcΔPc·(Pc-Pc0)+ΔTKcΔKc·(Kc-Kc0)---(21)]]>式中：Kc0、Pc0、Kc、Pc-插值前点与后点的混合比、室压；-线性插值斜率，由插值前后点数值决定；F节流组件静态数学模型（1）节流阀   Δp=a₀'+a₁'·α+a₂'·α²         （22）式中：Δp、α-节流阀压降、转角；a0′、a1′、a2′-特性系数，通过液流试验获得；（2）流量调节器qm=ρ·(b0+b1·α)---(23)]]>式中：q_m、ρ、α-调节器流量、介质密度、流量调节器转角；b0、b1-特性系数，通过液流试验获得；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-涡轮功率、泵功率；（3）压力平衡方程    p_in＝p_out+Δp         （26）式中：p_in、p_out、Δp-入口压力、出口压力、压降；H推进剂物理性质（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、压力、温度；a₀₀、a₀₁、a₀₂、a₁₀、a₁₁、a₁₂、a₂₀、a₂₁、a₂₂-密度拟合系数；（2）动力粘度μ=(b₀₀+b₀₁·T+b₀₂·T²)+(b₁₀+b₁₁·T+b₁₂·T²)·p     （28）式中：μ、p、T-动力粘度、压力、温度；b₀₀、b₀₁、b₀₂、b₁₀、b₁₁、b₁₂-粘度拟合系数；（3）定压比热Cp=c₀+c₁·T+c₂·T²         （29）式中：Cp、T-定压比热、温度；c₀、c₁、c₂-温度拟合系数；2】嵌入故障特征方程：所述故障特性方程如下：A液体或气体泄漏故障当发动机某个组件出现液体或气体泄漏时，在相应组件模型中补充流量方程；m·=m·xl+m·out---(30)]]>式中：-入口流量、出口流量、泄漏流量；B管道、过滤器与孔板堵塞故障在供应管路模型中增加下述方程，可改变供应管路流阻系数；ξ’＝c·ξ        （31）式中：ξ′、ξ、c-故障状态流阻系数、正常状态流阻系数、常数大于1；C阀门故障在供应管路模型中增加下述方程，可改变供应管路流阻系数；ξ’=e^α·ξ或ξ,=f(1sin4α)·ξ---(32)]]>式中：ξ′、ξ、α-故障状态流阻系数、正常状态流阻系数、阀门打开角度；D涡轮故障涡轮故障包括喷嘴烧蚀和效率下降，可在涡轮模型中增加下述方程进行模拟：喷嘴烧蚀：     A’=c·A     （33）式中：A′、A、c-故障状态流通面积、正常状态流通面积、常数大于1，效率下降：     η’＝c·η       （34）式中：η′、η、c-故障状态效率、正常状态效率、常数大于0且小于1；E燃气发生器、推力室故障，包括喷嘴堵塞与烧蚀；通过下述两个方程进行模拟：喷嘴烧蚀：    A’=c·A       （35）式中：A′、A、c-分别为故障状态流通面积、正常状态流通面积、常数大于1；喷嘴堵塞：   ξ’＝c·ξ         （36）式中：ξ′、ξ、c-分别为故障状态流阻系数、正常状态流阻系数、常数大于1；F泵故障泵故障主要包括转子损坏、碰磨、汽蚀或泵叶片断裂，均通过改变扬程或效率来模拟；    η’＝c·η或ΔP’=c·ΔP         （37）式中：η′、η、ΔP′、ΔP、c-分别为故障状态效率、正常状态效率、故障状态扬程、正常状态扬程、常数大于0且小于1；3】采用线性化的牛顿迭代法求解上述步骤所生成的方程组，得出仿真结果；所述仿真结果为发动机在不同故障模式下的热力参数特征；4】根据上述热力参数特征，通过事先获得的统计参数对发动机热试车或飞行状态可能出现的故障进行试前故障预判，或者通过与发动机试车或飞行后实际测量参数变化趋势进行比对，进行试后故障定位。