補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動機(jī)啟動特性仿真研究

1、1999年6月推進(jìn)技術(shù)Jun.1999第20卷第3期JOURNAL OF PROPULSION TECHNOLOGY V01.20No.3 -_-_-_-_-_-_-_-_-_i_-_-_補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動機(jī)啟動特性仿真研究+劉紅軍張恩昭董錫鑒(陜西動力機(jī)構(gòu)設(shè)計研究所,西安.710100摘要:在建立動態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,對某型高壓補(bǔ)燃循環(huán)液體火箭發(fā)動機(jī)啟動過程的動態(tài)特性進(jìn)行了計算機(jī)仿真,得到發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑入口壓力變化與閥門開關(guān)時序變化對發(fā)動機(jī)啟動特性影響的規(guī)律。主題詞:液體推進(jìn)劑火箭發(fā)動機(jī),啟動段,動態(tài)模型,性能預(yù)測,系統(tǒng)仿真分類號:V434.1STARTUP SIMULATIoN oF A LIQU

2、ID PRoPELLANTSTAGED COMBUSTIoN RoCKET ENGINELiu Hongjun Zhang Enzhao Dong Xijian(Shaamxi Engine Design Inst.,Xian t710100Abstract:This paper focused oil the simulation of the startup dynamic characteristics for a1iquid propellant staged combustion rocket engine.On the base of the establishment of th

3、e startup dynamic model.a simulation code was developed.and the effects of inlet pressure variation and valvetiroJ.ng oD.the smrt_up dynamic process were simulated.subjen terms:Liquid propellant rocket engine,Starting phaseDynamic model,Performance prediction,sygtems simulation1引言大型液體火箭發(fā)動機(jī)的動態(tài)工作過程中,最

4、關(guān)鍵的是啟動過程,啟動的成功與否直接關(guān)系到航天運(yùn)載器的發(fā)射成敗。在發(fā)動機(jī)的啟動過程中,推進(jìn)劑組元發(fā)生極為復(fù)雜的物理化學(xué)變化口“,發(fā)動機(jī)系統(tǒng)參數(shù)在大范圍內(nèi)迅速地變化,很容易使系統(tǒng)組件承受較惡劣的工況,從而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)故障。本文擬針對某型高壓補(bǔ)燃循環(huán)液體火箭發(fā)動機(jī),在建立動態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,對其動態(tài)啟動過程進(jìn)行仿真研究,以揭示發(fā)動機(jī)輸入條件(發(fā)動機(jī)入口壓力和控制程序(閥門開關(guān)時序變化對發(fā)動機(jī)系統(tǒng)啟動特性的影響。2發(fā)動機(jī)系統(tǒng)啟動過程高壓補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動機(jī)系統(tǒng)(簡圖見文獻(xiàn)63啟動前,氧化劑(液氧已充填至氧化劑主閥,并已充分預(yù)冷,燃料經(jīng)抽真空與排放已充填至燃料主鬩及裝于燃?xì)獍l(fā)生器燃料閥前的點(diǎn)火導(dǎo)管之前。啟動

5、時,先打開氧化劑主閥,氧化劑充填完閥后管道與發(fā)生器頭腔后進(jìn)入發(fā)彗器,經(jīng)過某一時間后再打開發(fā)生器燃料閥并同時擠壓裝于閥前管路上的點(diǎn)火劑,燃料繼點(diǎn)-收稿日期:1998053l,修回日期:199807136推進(jìn)技術(shù)劑之后進(jìn)入發(fā)生器與氧化劑燃燒,產(chǎn)生的富氧燃?xì)怛?qū)動渦輪。進(jìn)入發(fā)生器的燃料流量由調(diào)節(jié)器來控制。在主渦輪泵轉(zhuǎn)速達(dá)到某一值后再打開燃料主閥,燃料充填完推力室冷卻套后進(jìn)入推力室與富氧燃?xì)馊紵Ｔ谌剂弦患壉玫酵屏κ业牧髀飞涎b有混合比調(diào)節(jié)器,開始時混合比調(diào)節(jié)器處于小流量狀態(tài),泵后壓力達(dá)到某一值后自動轉(zhuǎn)為大流量狀態(tài)。3啟動遼程典型組件的動態(tài)數(shù)學(xué)模型(1燃?xì)獍l(fā)生器32作過程的動態(tài)數(shù)學(xué)模型:警一(1+鼠砌缸(

6、fr一K。廊。(一r礦R麗TG百dpG一(一+州+麓警警一訃等RTGf(Pc,K6,麗8RT=_Gf(pc,KG其中發(fā)生器燃?xì)獾腞Tc值及尺7Tc值對混合比的變化率根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)熱力計算程序的計算結(jié)果以表格插值的形式給出。(2渦輪泵轉(zhuǎn)速方程:dn五一.P.一P,J”其中只,尸;分別為渦輪有效功率和渦輪所驅(qū)動的所有泵的總功率。(3氣渦輪動態(tài)數(shù)學(xué)模型:m+只一號.c。.鞏.鞏,c一z乒,_尺咒.c,一(凳爭,鞏一。+p.號一-。(號4麓衙籌焉5一Pti拳佤/71Ll瓦Jl一JPblP“l(fā)口+(1一口壘P,i(南“分【南“R一死一爭熹其中,0為渦輪的反力度,對于沖擊式渦輪,0=0;對于反力式渦輪0為渦輪速

7、度比、壓比及由泵泄入渦輪的流量與渦輪流量之比有關(guān),其關(guān)系式由渦輪吹風(fēng)試驗得出,其形式為:一一一n,(號+nz(號“一鉑(考3一。t(裳+毗(愛】。+甌(%巖液渦輪方程:鬻躇73第期補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動機(jī)啟動特性仿真研究匕一紐虧盟。%w=2紐孫一q+且參一(參2,石。一盧/F_ii;(4泵的揚(yáng)程與功率方程:戶。一戶。+硯.n,z+6。砩廊。一“虎。z+島d面n+f.絮筍戶pp一啦np3+b2np2rhD+c2np鳴2(5液路方程:R警一AA一車m2+P。g(6等截面短管氣路方程采用無慣性穩(wěn)態(tài)液流方程近似計算:戶。一戶。一毛鑫瓦一嘶由上式推出(7推力(8調(diào)節(jié)器方程,穩(wěn)流型流量調(diào)節(jié)器43的動態(tài)數(shù)學(xué)模型:M麗

8、d*xR。.一F0一ezcwd面xJ誓j,c。ls.車。疣z,尺面din一戶。一戶e一(婦+毛癡2其中z和M分別為調(diào)節(jié)器作動筒移動距離和質(zhì)量,m和F。分別為彈簧彈性系數(shù)和預(yù)緊力,(z為節(jié)流窗口流阻系數(shù)與作動套筒移動距離的關(guān)系式,由試驗確定。(9液路充填方程,管路按局部流阻分段(由入口的局部流阻矗和沿程分布流阻鼠組成的動態(tài)數(shù)學(xué)模型為:警一苧二皇孝,五dl一萬子岳,警一贏,一e。一圭磊其中,p.和P。為管路入口壓力和充填面所到處壓力,z和L為液體流徑距離和管路中心線長度,為管路橫截面積。對容腔充填,管路的慣性流阻系數(shù)不變,動態(tài)數(shù)學(xué)模型為:訾一壘二,害=詈,=.+號矗其中,”和礦分別為液體已充填容積

9、和容腔總?cè)莘e。8推進(jìn)技術(shù)4啟動過程仿真計算與結(jié)果分析描述高壓補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動機(jī)啟動動態(tài)過程的數(shù)學(xué)模型可以表示成如下的矢量形式:面dX=f(X,y(1g(X,y=0(2初始條件為x(I,-0一X。其中Xo,戶c,碗為狀態(tài)變量,Y一(RToP,口為中間變量。利用數(shù)值方法,在給定x之值后根據(jù)方程(2可求出y之值。即由方程(2確定了從狀態(tài)變量x到中間變量y的映射關(guān)系:Y一雪(x。則原數(shù)學(xué)模型等效為:蘭菩一凡(x,塵(x竺,二(x,XI江。一X。此為常微分方程的初值問題,可采用四階龍格一庫塔方法求解。對方程(2則采用Broyden 秩1算法?？偟挠嬎憧驁D如圖1所示。仿真精度取1×10,時步步長采用

10、自適應(yīng)變步長處理,最小時間步長1×10S,最大時間步長1×10S,最大仿真時間取2S。仿真計算結(jié)果見圖2圖6。圖2給出了發(fā)動機(jī)主渦輪泵轉(zhuǎn)速的計算結(jié)果與發(fā)動機(jī)實際熱試車測量得到的數(shù)據(jù)。從圖2中可以看出仿真計算結(jié)果與實際熱試車數(shù)據(jù)比較接近。圖3和圖4給出了發(fā)動機(jī)入口壓力變化時,真空推力與主渦輪泵轉(zhuǎn)速隨時間的變化關(guān)系。從中可以看出,發(fā)動機(jī)燃料入口壓力的變化對真空推力與主渦輪泵轉(zhuǎn)速的變化影響很小。這主要是由于流量調(diào)節(jié)器的穩(wěn)流作用使得進(jìn)入燃?xì)獍l(fā)生器的燃料流量未受到發(fā)動機(jī)燃料入口壓力變化的影響,從而使渦輪燃?xì)獾淖鞴δ芰ξ窗l(fā)生變化之故。發(fā)動機(jī)氧化劑入口壓力的變化對真空推力與主渦輪泵轉(zhuǎn)速的

11、變化有較大的影響。降低氧化劑入口壓力使得發(fā)動機(jī)啟動遲緩,而增加氧化劑入口壓力則可加速發(fā)動機(jī)的啟動,但氧化劑入口壓力過高時會使真空推力與主渦輪泵轉(zhuǎn)速變化出現(xiàn)“凸臺”。圖5、圖6給出了推力室燃料主閥打開時間變化對真翻隹力與主渦輪泵轉(zhuǎn)速變化的影響。由圖可知,提前打開推力室燃料主閥對啟動特性影響較小,而過遲打開該閥使發(fā)動機(jī)啟動的中間過程出現(xiàn)振蕩。Fig.1Diagram of the simulation code20l15j105O黛纊 (iI節(jié)睜e Experiment data島n】Llla【ionr【s孕Fig-2Comparison of simulation of turbopump ro

12、tating speed to experimental r'esult第20卷,呈窒|_,一!,.:!筌堡至苧蟄墊星莖竺蘭望蘭耍耋: 1際;石i麗i800 Z60Q 毒t400200A.m一0.2MPaA”06MPa02MPa、,蛞t。一o4MPa.AinO15,0.2.O.3.0.4MPa一;.。一0.3MPaA.=O.gMPalt/s20仄:器1Si。10=50.2MPaA咄一O4MP87舟-=D15,O.2;03,0.4M:血=0.6MPaAp0.2MI、n.=03MPan.=02MPaFig3Effect of inlet pressures on n。t Fig4Effec

13、t of inlet pressures on一tF|g.5Effect oftt on FT-t 5結(jié)論,、15lj lo5O0.51.01.520Fjg r6Effect of r。on n-t本文針對某型高壓補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動機(jī),在建立動態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,對其動態(tài)啟動過程進(jìn)行了仿真研究,得到了發(fā)動機(jī)入口壓力變化和閥門開關(guān)時序變化對發(fā)動機(jī)系統(tǒng)啟動特性的影響規(guī)律硝l據(jù)計算結(jié)果,所提出的仿真計算方法是可行的。所得到的計算結(jié)果對于該類發(fā)動機(jī)的設(shè)計具有參考意義。參考文獻(xiàn)陳啟智.液體火箭發(fā)動機(jī)控制與動態(tài)特性理論.長沙:國防科技大學(xué)出版社,1993.劉紅軍.YF一20發(fā)動機(jī)啟動過渡特性研究:學(xué)位論文.西安

14、:陜西動力機(jī)械設(shè)計研究所,1991.朱寧昌,劉國球.液體火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計(上下冊.北京:宇航出版社,1994.劉紅軍.穩(wěn)流型流量調(diào)節(jié)器動態(tài)響應(yīng)特性研究.推進(jìn)技術(shù),1999,20(2沈赤兵,呂志信,陳啟智.燃燒時滯對小推力高室壓動力系統(tǒng)響應(yīng)特性的影響.航空動力學(xué)報,1997(1劉紅軍,張恩昭,董錫鑒.基于混合遺傳算法的液氧/煤油補(bǔ)燃循環(huán)火箭發(fā)動機(jī)上非線性穩(wěn)態(tài)特性仿真.推進(jìn)技術(shù),1998,19(2補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動機(jī)啟動特性仿真研究 作者： 作者單位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期： 被引用次數(shù)： 劉紅軍， 張恩昭， 董錫鑒， Liu Hongjun， Zhang Enzhao， Dong Xijian

15、 陜西動力機(jī)構(gòu)設(shè)計研究所,西安,710100 推進(jìn)技術(shù) JOURNAL OF PROPULSION TECHNOLOGY 1999，20(3 9次 參考文獻(xiàn)(6條 1.陳啟智 液體火箭發(fā)動機(jī)控制與動態(tài)特性理論 1993 2.劉紅軍 YF-20發(fā)動機(jī)啟動過渡特性研究 1991 3.朱寧昌.劉國球 液體火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計 1994 4.劉紅軍 穩(wěn)流型流量調(diào)節(jié)器動態(tài)響應(yīng)特性研究期刊論文-推進(jìn)技術(shù) 1999(02 5.沈赤兵.呂志信.陳啟智 燃燒時滯對小推力高室壓動力系統(tǒng)響應(yīng)特性的影響期刊論文-航空動力學(xué)報 1997(01 6.劉紅軍.張恩昭.董錫鑒 基于混合遺傳算法的液氧/煤油補(bǔ)燃循環(huán)火箭發(fā)動機(jī)上非線性

16、穩(wěn)態(tài)特性仿真期刊論文推進(jìn)技術(shù) 1998(02 引證文獻(xiàn)(9條 1.尹嘉娃.廖瑛.金廣明.胡小平.張紹勇 低冰點(diǎn)推進(jìn)劑對液體火箭發(fā)動機(jī)性能影響研究期刊論文-彈箭與制導(dǎo)學(xué)報 2009(4 2.汪小衛(wèi).JIN Ping.張國舟.YU Nan-jia.蔡國飆 全流量補(bǔ)燃循環(huán)試驗發(fā)動機(jī)啟動過程期刊論文-推進(jìn)技術(shù) 2008(4 3.張金容.汪亮 液體火箭發(fā)動機(jī)起動過程的動態(tài)仿真計算期刊論文-低溫工程 2008(2 4.汪小衛(wèi).金平.俞南嘉.蔡國飆 富氧預(yù)燃室試驗啟動過程研究期刊論文-航空動力學(xué)報 2007(12 5.肖立明.羅巧軍 膨脹循環(huán)發(fā)動機(jī)起動過程研究期刊論文-火箭推進(jìn) 2007(1 6.馬文通.余南華.蘇明 燃?xì)廨啓C(jī)起動過程研究綜述與展望