1、1999年6月推進技術Jun.1999補燃循環發動機啟動特性仿真研究+劉紅軍張恩昭董錫鑒(陜西動力機構設計研究所,西安.710100摘要:在建立動態數學模型的基礎上,對某型高壓補燃循環液體火箭發動機啟動過程的動態特性進行了計算機仿真,得到發動機推進劑入口壓力變化與閥門開關時序變化對發動機啟動特性影響的規律。主題詞:液體推進劑火箭發動機,啟動段,動態模型,性能預測,系統仿真分類號:V434.1STARTUP SIMULATIoN oF A LIQUID PRoPELLANTSTAGED COMBUSTIoN RoCKET ENGINELiu Hongjun Zhang Enzhao Dong X

2、ijian(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 the startup dynamic model.a simulation code was developed.and the effects of

3、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動機的動態工作過程中,最關鍵的是啟動過程,啟動的成功與否直接關系到航天運載器的發射成敗。在發動機的啟動過程中,推進劑組元發生極為復雜的物理化學變化口“,發動機系統參數在大范圍

4、內迅速地變化,很容易使系統組件承受較惡劣的工況,從而導致發動機故障。本文擬針對某型高壓補燃循環液體火箭發動機,在建立動態數學模型的基礎上,對其動態啟動過程進行仿真研究,以揭示發動機輸入條件(發動機入口壓力和控制程序(閥門開關時序變化對發動機系統啟動特性的影響。2發動機系統啟動過程高壓補燃循環發動機系統(簡圖見文獻63啟動前,氧化劑(液氧已充填至氧化劑主閥,并已充分預冷,燃料經抽真空與排放已充填至燃料主鬩及裝于燃氣發生器燃料閥前的點火導管之前。啟動時,先打開氧化劑主閥,氧化劑充填完閥后管道與發生器頭腔后進入發彗器,經過某一時間后再打開發生器燃料閥并同時擠壓裝于閥前管路上的點火劑,燃料繼點-收稿日

5、期:1998053l,修回日期:199807136推進技術劑之后進入發生器與氧化劑燃燒,產生的富氧燃氣驅動渦輪。進入發生器的燃料流量由調節器來控制。在主渦輪泵轉速達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入推力室與富氧燃氣燃燒。在燃料一級泵到推力室的流路上裝有混合比調節器,開始時混合比調節器處于小流量狀態,泵后壓力達到某一值后自動轉為大流量狀態。3啟動遼程典型組件的動態數學模型(1燃氣發生器32作過程的動態數學模型:警一(1+鼠砌缸(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其中發生器燃氣的RTc值及尺7Tc值對

6、混合比的變化率根據標準熱力計算程序的計算結果以表格插值的形式給出。(2渦輪泵轉速方程:dnJ”其中只,尸;分別為渦輪有效功率和渦輪所驅動的所有泵的總功率。(3氣渦輪動態數學模型: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為渦輪速度比、壓比及由泵泄入渦輪的流量與渦輪流量之比有關,其關系式由渦輪吹風試驗得出,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

7、:鬻躇73第期補燃循環發動機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態液流方程近似計算:戶。一戶。一毛鑫瓦一嘶由上式推出(7推力(8調節器方程,穩流型流量調節器43的動態數學模型:M麗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分別為調節器作動筒移動距離和質量,m和F。分別為彈簧彈性系

8、數和預緊力,(z為節流窗口流阻系數與作動套筒移動距離的關系式,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數學模型為: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不變,動態數學模型為:訾一壘二,害=詈,=.+號矗其中,”和礦分別為液體已充填容積和容腔總容積。8推進技術4啟動過程仿真計算與結果分析描述高壓補燃循環發動機啟動動態過程的數學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

9、條件為x(I,-0一X。其中Xo,戶c,碗為狀態變量,Y一(RToP,口為中間變量。利用數值方法,在給定x之值后根據方程(2可求出y之值。即由方程(2確定了從狀態變量x到中間變量y的映射關系:Y一雪(x。則原數學模型等效為: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。總的計算框圖如圖1所示。仿真精度取110,時步步長采用自適應變步長處理,最小時間步長110S,最大時間步長110S,最大仿真時間取2S。仿真計算結果見圖2圖6。圖2給出了發動機主渦輪泵轉速的計算結果與發動機實際熱試車測量得到的數據。

10、從圖2中可以看出仿真計算結果與實際熱試車數據比較接近。圖3和圖4給出了發動機入口壓力變化時,真空推力與主渦輪泵轉速隨時間的變化關系。從中可以看出,發動機燃料入口壓力的變化對真空推力與主渦輪泵轉速的變化影響很小。這主要是由于流量調節器的穩流作用使得進入燃氣發生器的燃料流量未受到發動機燃料入口壓力變化的影響,從而使渦輪燃氣的作功能力未發生變化之故。發動機氧化劑入口壓力的變化對真空推力與主渦輪泵轉速的變化有較大的影響。降低氧化劑入口壓力使得發動機啟動遲緩,而增加氧化劑入口壓力則可加速發動機的啟動,但氧化劑入口壓力過高時會使真空推力與主渦輪泵轉速變化出現“凸臺”。圖5、圖6給出了推力室燃料主閥打開時間

11、變化對真翻隹力與主渦輪泵轉速變化的影響。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動機啟動的中間過程出現振蕩。Fig.1Diagram of the simulation code20l15j105O黛纊 (iI節睜e Experiment data島n】Llla【ionr【s孕Fig-2Comparison of simulation of turbopump rotating speed to experimental result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t400A”06MPa02MPa、,蛞t。一o4MPa.AinO15,0.2.一;.。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 Fig4Effect of inlet pressures on一tF|g.5Effect oftt on FT-t 5結論,、15lj lo5OFjg r6Effect of r。on n-t本文針對某型高壓補燃循環發動機,在建立動態數學模型的基礎