СПОСОБ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ НАСОСОВ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
LIQUID ROCKET ENGINES PUMP SERVICEABILITY ISSUES DIAGNOSING METHOD

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:
вх
вых
где  - объемный расход компонента топлива, обороты вала насоса, ρ, ρ - 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:
1Э
2Э
1
2
Эталонные значения С, С характеристик насоса С, С 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
1
2
На фиг. 1 на отрезке времени с 34 по 78 секунды стационарного режима стендового огневого испытания ЖРД показано изменение диагностических признаков (3): ΔС (…), ΔС (- - -) 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.
1Э
2Э
1
2
1. Эталонные значения С, С характеристик С, С 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:
вх
вых
2.1 Измеряют текущие значения следующих параметров:  - объемные расходы компонентов топлива на входе в двигатель; ρ и ρ - давления на входе и выходе каждого насоса; n - обороты вала каждого насоса (бустерного и основного).
1
2
1Э
2Э
1
2
2.2 По полученным в момент контроля измерениям для каждого насоса по формулам (1), (2) рассчитывают текущие значения характеристик насоса С, С и результаты сравнивают с соответствующими эталонными значениями С, С, используя, например, относительные невязки ΔС, ΔС - диагностические признаки вида (3).
1
2
2.3 По отклонениям диагностических признаков ΔС, ΔС 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.
1
2
Изменение диагностических признаков состояния насоса окислителя ΔC (…), ΔС (- - -) 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.
1
2
На фиг. 2 для сравнения приводится поведение диагностических признаков ΔC (…), ΔС (- - -) 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.