Способ контроля характеристик агрегатов жидкостного ракетного двигателя при огневом испытании Российский патент 2021 года по МПК G01M15/14 G05B17/02 F02K9/42 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к ракетно-космической области, в частности жидкостным ракетным двигателям (ЖРД), и предназначено для использования при их экспериментальной доводке, эксплуатации и модернизации.

Уровень техники

Известен способ контроля и диагностирования состояния пневмогидравлического объекта, патент РФ №2018900, МПК G05B 23/00 (1990.01), F15C 5/00 (1990.01) от 30.08.1994, работающего в экстремальных условиях. В этом способе циклически измеряют параметры в контрольных точках объекта, сравнивают их с расчетными пороговыми значениями и при выходе их за пороговые значения измеряют параметры в дополнительных контрольных точках, вычисляют по всем измеренным параметрам обобщенные характеристики пневмогидравлических узлов, составляющих объект, и сравнивают их с пороговыми значениями обобщенных характеристик пневмогидравлических узлов, проводя локализацию отказа. При этом предварительно измеряют параметры в основных и дополнительных контрольных точках, определяют по измеренным значениям параметров реальные пороговые значения обобщенных характеристик пневмогидравлических узлов, составляющих объект, которые используют для локализации отказа.

Этот способ принят за прототип, так как при определении обобщенных характеристик пневмогидравлических узлов в нем используют измеренные значения параметров и функциональные связи между ними, как и в предлагаемом способе.

Однако в прототипе при определении обобщенных характеристик учитывают лишь локальные взаимосвязи между входящими в них параметрами и не учитывают взаимосвязи этих параметров с параметрами агрегатов двигателя, определяемые полноразмерной математической моделью. Поэтому для расчета этих характеристик привлекают дополнительные, не связанные с конкретным экземпляром двигателя и с конкретным огневым испытанием, данные, например, плотности компонентов. Все это снижает достоверность определения обобщенных характеристик.

Раскрытие изобретения

Задача предлагаемого изобретения состояла в разработке способа контроля характеристик агрегатов ЖРД, который заключается в измерении текущих значений параметров двигателя и определении по ним отклонений характеристик агрегатов двигателя, реализовавшиеся на испытании, от их эталонов, вычисленных по математической модели, соответствующей нормально функционирующему двигателю и отличающегося тем, что контроль осуществляют путем сравнения текущих значений характеристик агрегатов и их эталонных значений, вычисленных по математической модели двигателя, адаптированной по результатам измерений и описывающей взаимное влияние всех агрегатов двигателя во время огневого испытания. При появлении значительных, не регламентируемых конструкторской документацией, отклонений текущей характеристики конкретного агрегата двигателя от его эталона фиксируют момент времени возникновения неисправности этого агрегата, испытание ЖРД прекращают или переводят двигатель на безопасный режим работы для предотвращения развития неисправности и возникновения аварийной ситуации.

Технический результат заключается в том, что при контроле характеристик ЖРД на основе адаптированной математической модели достигается уровень точности расчетных оценок, необходимый для достоверной оценки характеристик ЖРД в условиях огневых испытаний, существенно отличающихся от условий проведения автономных испытаний. Контроль характеристик может быть использован для последующей оценки технического состояния агрегатов и, тем самым, локализации неисправности в двигателе.

Для достижения технического результата в способе контроля характеристик жидкостного ракетного двигателя при огневом испытании с использованием математической модели и N измеряемых параметров, включая М параметров на входе в двигатель: положений приводов агрегатов управления тягой и соотношений компонентов топлива, давления и температур компонентов топлива, заключающегося в определении отклонений расчетных по математической модели и измеряемым параметрам двигателя значений характеристик агрегатов от значений, полученных при автономных испытаниях, а также регламентируемых конструкторской документацией, предусмотрена последовательность действий:

1) в математическую модель вводят N-M дополнительные переменные, каждая из которых входит в одно из N-M уравнений, описывающих характеристики двигателя в виде коэффициента пропорциональности,

2) в начале каждого режима испытания определяют расчетные значения этих коэффициентов пропорциональности, умножают их на характеристики, соответствующие автономным испытаниям, и получают характеристики, реализовавшиеся на огневом испытании. Эти характеристики принимают как эталонные на контролируемом режиме.

3) в последующих циклах измерений определяют отклонения текущих значений характеристик агрегатов от эталонных.

Осуществление изобретения

Способ реализуют следующими действиями. Перед началом огневого испытания определяют количество измеряемых параметров, необходимое для контроля состояния двигателя в процессе огневого испытания. Эти параметры вводят в математическую модель нормально функционирующего двигателя как измеряемые. Например, если в качестве параметров математической модели использовать измерения N=25 параметров двигателя, представленных в таблице 1, где первые шесть параметров - параметры на входе в двигатель, т.е. М=6, то в качестве дополнительных контролируемых параметров используют N-6=19 переменных, введенных в уравнения математической модели в виде коэффициентов пропорциональности для характеристик, представленных таблице 2,

Коэффициенты для контроля напорных характеристик насосов вводят в математическую модель следующим образом. Например, для напорных характеристик насосов

где Δр_{н ои} - перепад давления на насосе при огневом испытании;

Δр_{н авт} - перепад давления на насосе, определяемый на огневом испытании в виде:

где a_{1н авт}, a_{2н авт}, …, а_{n н авт} - коэффициенты, полученные при автономном испытании, р_{вх ои}, р_{вых ои} - давление компонента топлива на входе и выходе из насоса, соответственно; n_{т ои} - обороты вала турбонасосного агрегата; G_н - расход через насос; ρ_{н ои} - плотность компонента топлива в насосе, K_{н ои} - параметр для контроля напорной характеристики. Здесь индекс «ои» относится к параметрам, определяемым на огневом испытании. Аналогично вводят параметры для контроля других характеристик двигателя, заданных в виде функциональных зависимостей.

Параметры для контроля, например, гидравлических сопротивлений в уравнениях течения в магистралях вводят следующим образом:

где p_{вх маг ои}, p_{вых маг ои} - давление на входе и выходе магистрали, соответственно, ξ_{маг авт} - коэффициент гидросопротивления, константа, полученная при автономных испытаниях; K_{маг ои} - параметр для контроля коэффициента гидросопротивления.

При этом параметры K вводят математическую модель как новые неизвестные параметры:

х_n+i=K_i, i=1, 2, …, N - 6,

и подставляют в нее все измеренные при огневом испытании значения параметров двигателя. Тогда, например, уравнение напорной характеристики в (1) примет вид:

где индекс «*» относится к измеренным параметрам.

В процессе огневого испытания двигателя в начале каждого режима R рассчитывают эталонное для данного режима значение Δр_{y ои эт} (R), а затем - текущие значения Δр_{н ои}(R, t) и формируют отклонения текущих значений от эталонного:

Для контроля можно применить также относительные отклонения коэффициентов пропорциональности в виде:

где K_э(R) - эталонное для данного режима значение коэффициента, а K(R, t) - текущие значения, и формируют отклонения текущих значений от эталонного. По величине полученных отклонений от регламентированных предельных значений судят о правильности функционирования агрегатов двигателя и принимают решение о необходимости формирования сигнала системе управления двигателем для продолжения испытания или перевода двигателя на безопасный режим работы или выключения.

Промышленная применимость

Заявленный способ контроля характеристик агрегатов ЖРД при огневом испытании обеспечивает достоверность контроля за счет приведения характеристик агрегатов ЖРД, полученных при автономных испытаниях, к условиям огневого испытания и наиболее эффективно может быть применен в системах автоматического контроля и диагностики ЖРД при огневых испытаниях.

Изобретение относится к области жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Технический результат заключается в повышении достоверности оценки параметров ЖРД во время огневых испытаний. Способ контроля заключается в том, что в математическую модель в уравнения, содержащие характеристики автономных испытаний агрегатов, вводят дополнительные параметры - коэффициенты пропорциональности. Параметрам модели присваивают их измеренные значения, определяют расчетные значения коэффициентов пропорциональности, умножают их на расчетные значения характеристик автономных испытаний, реализовавшиеся при огневом испытании, и получают контролируемые значения характеристики агрегатов. В начале каждого режима испытания значения характеристик агрегатов принимают как эталонные, а в последующих циклах измерений определяют отклонения текущих значений характеристик агрегатов от эталонных, тем самым осуществляя контроль их изменения, например, в результате возникновения неисправности. 2 табл.

Способ контроля характеристик агрегатов жидкостного ракетного двигателя при огневом испытании, основанный на использовании математической модели и измерении N параметров, включая М параметров на входе в двигатель: положения приводов агрегатов управления тягой и соотношением компонентов топлива, давления и температуры компонентов топлива, и заключающийся в определении отклонений расчетных значений характеристик агрегатов от значений, полученных при автономных испытаниях, а также от регламентируемых конструкторской документацией, отличающийся тем, что в математическую модель вводят N-M дополнительные переменные в виде коэффициентов пропорциональности, каждый из которых входит в одно из N-M уравнений, описывающих характеристики двигателя, в каждом цикле измерений в процессе огневого испытания, при этом N параметрам модели присваивают их измеренные значения, определяют решения системы уравнений расчетные значения дополнительных переменных, умножают их на расчетные значения характеристик автономных испытаний агрегатов, реализовавшиеся в текущий момент времени огневого испытания, и получают расчетные характеристики агрегатов в текущий момент времени огневого испытания причем в начале каждого режима испытания значения характеристик агрегатов принимают как эталонные, а в последующих циклах измерений определяют отклонения текущих значений характеристик агрегатов от эталонных или отклонения текущих значений коэффициентов пропорциональности от единицы и по величине этих отклонений судят о правильности функционирования агрегатов двигателя для принятия решения о правильности его функционирования с последующим формированием сигнала в системе управления двигателем для продолжения испытания или перевода двигателя на безопасный режим работы или выключения.