СПОСОБ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ НАСОСОВ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2023 года по МПК G01M15/04 G05B17/02 

Область техники, к которой относится изобретение

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

Уровень техники

Известен способ контроля характеристик агрегатов жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) при огневом испытании по патенту № RU 2750874, МПК G01M 15/14 (2006.01), G02B 17/02 (2006.01), F02K (2006.01) от 24.07.2020, основанный на использовании математической модели ЖРД для контроля отклонений значений характеристик агрегатов, реализовавшихся при огневом стендовом испытания двигателя, от их эталонных значений. Контроль осуществляют на каждом стационарном режиме испытания и значения характеристик агрегатов определяют расчетным путем по математической модели двигателя, скорректированной по результатам текущих измерений параметров двигателя.

Этот способ принят за прототип, так как для контроля технического состояния агрегатов, включая насосы, в нем используют диагностические признаки, представляющие собой отклонения напорных и мощностных характеристик насосов от их эталонных значений.

Недостатком прототипа является привлечение для реализации процедуры диагностирования математической модели двигателя большой размерности. Так, например, математическая модель стационарных процессов современного мощного ЖРД насчитывает до 300 нелинейных алгебраических уравнений и решение таких больших систем уравнений требует привлечения специалистов высокой квалификации.

Раскрытие изобретения

Задача предлагаемого изобретения состоит в разработке способа, который позволяет устранить недостатки прототипа и предназначен для диагностирования технического состояния насосов в реальном масштабе времени при эксплуатации двигателя.

Технический результат заключается в расширении средств диагностирования технического состояния насосов ЖРД, выявлении неисправности насосов и выключении двигателя до начала развития катастрофических последствий.

Принимается, что на контролируемом стационарном режиме огневого испытания двигателя при исправном состоянии насоса сохраняется его подобие [Теория и расчет агрегатов питания ЖРД, Овсянников Б.В., Боровский Б.И., М.: Машиностроение, 1979, С. 98-99; Проектирование лопастных насосов, Еникеев Г.Г., Уфа: Изд. УГАТУ, 2005, С. 24], которое отражается в инвариантности значений характеристик насоса, а нарушение инвариантности рассматривается как неисправность.

На стационарном режиме работы двигателя при исправной работе насосов изменениями плотности компонентов топлива, а также объемного, гидравлического и механического КПД насосов можно пренебречь. Поэтому, сохранение подобия в этом случае подтверждается постоянством текущих значений следующих характеристик насоса:

где - объемный расход компонента топлива, обороты вала насоса, ρ_вх, ρ_вых - давления на входе и выходе насос, соответственно; n - обороты вала насоса.

В каждый момент контроля для принятия решения о текущем состоянии насосов работающего двигателя используют диагностические признаки - отклонения текущих значений характеристик насоса (1), (2) от их эталонных значений, например:

Эталонные значения С_1Э, С_2Э характеристик насоса С₁, С₂ определяют заранее также по формулам (1), (2) с использованием измеряемых параметров двигателя, полученных на контролируемом стационарном режиме по серии огневых испытаний двигателей с исправными насосами.

Перечень фигур

На фиг. 1 на отрезке времени с 34 по 78 секунды стационарного режима стендового огневого испытания ЖРД показано изменение диагностических признаков (3): ΔС₁ (…), ΔС₂ (- - -) состояния насоса окислителя при возникновении в нем неисправности, а на фиг. 2 на том же отрезке времени - изменение диагностических признаков состояния нормально работающего насоса горючего этого же двигателя.

Осуществление изобретения

Предлагаемый способ может быть осуществлен следующей последовательностью действий.

1. Эталонные значения С_1Э, С_2Э характеристик С₁, С₂ определяют по формулам (1), (2) с использованием измеряемых параметров двигателя, полученных на контролируемом стационарном режиме при огневых испытаниях двигателей с исправными насосами.

2. В процессе огневого испытания двигатель выводят на стационарный режим работы, на котором периодически:

2.1 Измеряют текущие значения следующих параметров: - объемные расходы компонентов топлива на входе в двигатель; ρ_вх и ρ_вых - давления на входе и выходе каждого насоса; n - обороты вала каждого насоса (бустерного и основного).

2.2 По полученным в момент контроля измерениям для каждого насоса по формулам (1), (2) рассчитывают текущие значения характеристик насоса С₁, С₂ и результаты сравнивают с соответствующими эталонными значениями С_1Э, С_2Э, используя, например, относительные невязки ΔС₁, ΔС₂ - диагностические признаки вида (3).

2.3 По отклонениям диагностических признаков ΔС₁, ΔС₂ от допустимых значений принимают решение о текущем состоянии насосов.

3. При недопустимых отклонениях текущих значений диагностических признаков (3) фиксируют неисправность контролируемого насоса, и прекращают эксплуатацию двигателя.

Изменение диагностических признаков состояния насоса окислителя ΔC₁ (…), ΔС₂ (- - -) на отрезке времени с 34 по 78 секунды стационарного режима стендового огневого испытания ЖРД приводится на фиг. 1.

Появление значительных трендов отклонений в значениях невязок для насоса окислителя совпадает с появлением и развитием неисправности насоса, которая привела к выходу за границу допуска диагностических признаков (3) на 58 секунде. При этом стендовая система аварийной защиты, настроенная на предельные значения других параметров, сформировала команду на выключение двигателя только на 78 секунде.

На фиг. 2 для сравнения приводится поведение диагностических признаков ΔC₁ (…), ΔС₂ (- - -) нормально работающего насоса горючего этого же двигателя на том же отрезке времени огневого испытания. Показано, что эти признаки находятся в пределах допуска даже при неисправном состоянии насоса окислителя. То есть, диагностические признаки (3), сформированные по характеристикам насоса (1), (2), локально чувствительны к неисправности конкретного насоса, работающего в составе двигателя.

Границы допуска значений диагностических признаков, приведенных на фиг. 1 и 2, приняты равными ±1%.

Промышленная применимость

Заявленный способ диагностирования технического состояния насосов ЖРД обеспечивает достоверность результатов контроля и может быть эффективно применен в системах автоматического контроля и диагностики при стендовых и летных испытаниях ЖРД.

Изобретение относится к ракетно-космической области, в частности к жидкостным ракетным двигателям (ЖРД) с насосной подачей компонентов топлива, и предназначено для использования при их экспериментальной доводке, эксплуатации и модернизации. На стационарном режиме работы двигателя, учитывая постоянство значений плотности компонента топлива, а также объемного, гидравлического и механического кпд конкретного насоса, сохранение подобия подтверждается постоянством текущих значений следующих характеристик насоса:

где - объемный расход компонента топлива; ρ_вх, ρ_вых - давления на входе и выходе насоса, соответственно; n - обороты вала насоса. В качестве диагностических признаков приняты отклонения этих характеристик насоса от эталонных, определенных заранее. При недопустимых отклонениях текущих значений таких диагностических признаков фиксируют неисправность насоса и прекращают эксплуатацию двигателя. Технический результат - расширение средств диагностирования технического состояния насосов ЖРД, выявление неисправности насосов и выключение двигателя до начала развития катастрофических последствий. 2 ил.

Способ диагностирования технического состояния насосов жидкостного ракетного двигателя, включающий вывод двигателя на стационарный режим работы и измерение текущих значений его параметров, определение отклонений значений характеристик насосов от их эталонных значений, отличающийся тем, что периодически измеряют объемный расход компонента топлива на входе в двигатель давления на входе ρ_вх и выходе насоса ρ_вых, обороты вала насоса n, определяют текущие значения его характеристик:

определяют их отклонения ΔС_{1, 2} от эталонных значений С_{1Э, 2Э}, полученных заранее по результатам огневых испытаний двигателей с исправными насосами:

,

и, в случае выхода этих отклонений за границы регламентированных допусков, фиксируют неисправность соответствующего насоса и переводят двигатель на режим останова или безопасной работы.