книги из ГПНТБ / Волков Е.Б. Основы теории надежности ракетных двигателей

Р а з д е л 3

МЕТОДЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ И ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ^ДВИГАТЕЛЕЙ

Глава VI

АВАРИЙНЫЕ СОСТОЯНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ

ИМЕТОДЫ ИХ КОНТРОЛЯ

6.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ АВАРИЙНЫХ СОСТОЯНИЙ

6.1. 1. Состояния двигателя

Ракетные двигатели являются сложными динамическими си­ стемами, состоящими из большого количества взаимосвязанных агрегатов и элементов, в которых происходят неоднородные про­ цессы. Параметры рабочего процесса в двигателях непрерывно

в широком диапазоне температур, в вакууме, в условиях неве­ сомости, под воздействием агрессивных сред и вибраций с боль­ шой амплитудой и широким спектром частот и др.

Все это привело к тому, что на конструкцию двигателя воз­ действуют большие статические и динамические нагрузки и эле­ менты двигателя эксплуатируются на пределе работоспособно­ сти. Так как двигатели выполняют ответственные функции, то отказ в их работе приводит к большим экономическим, техниче­ ским и моральным потерям. Например, отказ элемента двига­ теля стоимостью в 5 дол. в США вызвал неудачу в запуске спутника стоимостью 8-10® дол. [9]. Поэтому чрезвычайно важно уметь определять состояние двигателя и принимать своевремен­ ные меры по недопущению отказа или по локализации его дей­ ствия.

Совокупность внутренних свойств двигателя, определяемых взаимосвязью процессов, происходящих в агрегатах в некото­

230

рый момент времени т, называется с о с т о я н и е м . В общем случае двигатель может находиться в одном из трех состояний: исправном, аварийном н отказа.

Исправное состояние двигателя характеризуется совокупно­ стью свойств, определяющих его пригодность к эксплуатации, т. е. когда он удовлетворяет всем требованиям, установленным на основные и второстепенные параметры.

Состояние отказа — это состояние двигателя, когда он ие удовлетворяет требованиям, установленным на его основные и второстепенные параметры, или он

в состояние отказа. Последовательность перехода двигателя из одного состояния в другое показана на рис. 6. 1, где у — параметры рабочего процесса;

И — период исправного состояния; АС — период.аварийного состояния; А — состояние отказа (аварии);

уПр— предельные значения параметров рабочего процесса, при которых наступает отказ.

В некоторый момент времени То из-за каких-то причин кон­ структивного, технологического или эксплуатационного харак­ тера возникла первичная неисправность (неисправность маги­ стралей, дефект конструкции и др.), в результате чего начали изменяться параметры рабочего процесса. Если не принять спе­ циальных мер, то параметры достигнут своих предельных зна­ чений г/пр, определяемых условиями работоспособности, и дви­ гатель перейдет в состояние отказа. Отказ может проявляться в различных видах. Основные из них следующие: разрушение агрегатов, самопроизвольное выключение, выход параметров рабочего процесса за допустимые пределы, разрушение самого двигателя.

Аварийные состояния можно классифицировать по следую­ щим признакам: время экспозиции, коэффициент охвата, вид пер­ вичной неисправности или отказа.

231

роль при выборе мероприятий, обеспечивающих предупреждение отказа или его локализацию.

Для контроля состояний двигателя может применяться спе­ циальная система, которая с помощью датчиков получает ин­ формацию об изменении параметров рабочего процесса и в слу­ чае приближения их значений к предельным осуществляет с помощью автоматики перевод двигателя на безопасный режим работы или выключает его до момента наступления отказа. Оче­ видно, процесс контроля и реализации решения является инер­ ционным и для осуществления его с помощью некоторой систе­ мы необходимо время тс.

Соотношение между тс и т0 определяет эффективность кон­ троля аварийных состояний. В зависимости от соотношения ве­ личин тс и та все аварийные состояния можно разделить на две группы: контролируемые и неконтролируемые и соответственна отказы — на прогнозируемые и непрогнозируемые.

Если Тс<тэ, то аварийное состояние является контролируе­ мым. В этом случае специальной системой можно установить факт наступления аварийного состояния и предсказать отказ. Если Тс>та, то аварийное состояние неконтролируемое, а отказ не прогнозируется. В данном случае двигатель находится также в аварийном состоянии, но первичная неисправность переходит

вотказ за очень малое время, и техническая система с конеч­ ным временем быстродействия не успевает зафиксировать изме­ нение параметров. В этом случае нет оснований применять спе­ циальные системы предотвращения отказов.

Рассмотренные две группы аварийных состояний и соответ­ ствующие нм отказы подобны принятой классификации отказов

втеории надежности: постепенные и внезапные.

Коэффициент охвата аварийных состояний

Для практических целей создания систем контроля состоя­ ний двигателя необходимо знать соотношение между контроли­ руемыми и неконтролируемыми аварийными состояниями, что характеризуется к о э ф ф и ц и е н т о м о х в а т а аварийных со­ стояний.

Пусть Р,- —вероятность того, что /-ое аварийное состояние кон­ тролируется системой,тогда

Вероятность того, что все аварийные состояния контролиру­ ются в предположении их статистической независимости опреде­ лится так:

232

где т — количество аварийных состояний.

Так как контролируемые и неконтролируемые аварийные со­ стояния при заданном тс являются событиями независимыми, то

р х р _ 1

где Р„к — вероятность неконтролируемых аварийных состояний

т

Р.мс = П Р ^ э / —

1 -1

Коэффициент охвата аварийных состояний численно равен веро­ ятности прогнозируемых отказов, т, е.

Теоретически с достаточной степенью точности а определить сложно; его можно лишь приближенно оценить по результатам обработки данных испытаний двигателей, при которых имели место аварийные состояния. Исходными данными для получения коэффициента а должны быть тэ, тс и «к — количество прогно­ зируемых и п — общее количество аварийных состояний. Тогда

■частость контролируемых аварийных состояний a — njn.

Например, в двигателях ракеты-носителя «Сатурн» могут иметь место 229 аварийных состоянии. Если предположить, что быстродействие системы контроля составляет то=0,О5 с, то оказывается, что в Л98 случаях аварийные состояния можно контролировать и эффективно воздействовать на двига­ тель [9].

Тогда коэффициент охвата аварийных состояний

198

— = 0, 86.

229

6. 1.2. Некоторые типовые аварийные состояния двигателей

При эксплуатации двигателей принципиально может иметь место бесконечное множество аварийных состояний. Однако из всей совокупности аварийных состояний можно выбрать основ­ ные, наиболее вероятные. Характер проявления аварийных со­ стояний и отказов при одних и тех же первичных неисправно­ стях определяется прежде всего схемой двигательной установки и величиной параметров рабочего процесса. В качестве примера рассмотрим аварийные состояния двигателей с дожиганием окис­ лительного генераторного газа.

233

руется или дросселируется в зависимости от места утечки газа. При нарушении герметичности газогенератора происходит утеч­ ка генераторного газа и уменьшается перепад давления па тур­ бине. Но вследствие стабилизирующего воздействия обратной связи, между ТНА и газогенератором произойдет форсирование параметров и разрушение турбонасосного агрегата.

При нарушении герметичности камеры двигателя уменьшает­ ся противодавление, что приводит к форсированию режима ра­ боты турбонасосного агрегата и его разрушению.

3. Неисправности элементов автоматики

Первичными неисправностями элементов автоматики могут явиться: неполное открытие или самопроизвольное срабатывание клапанов, поломки и заедание подвижных частей и др.

Неисправности элементов автоматики в зависимости от их назначения и места установки приводят к двум видам аварий­ ных состояний:

—к разрушению агрегатов двигателя из-за форсирования режима работы;

—к дросселированию режима работы и самопроизвольно­ му выключению двигателя.

4. Кавитация насосов

Кавитация в насосах вызывается следующими первичными причинами: нарушение герметичности подводящих магистра­ лей, неполное срабатывание клапанов пуска, неисправности си­ стемы наддува, загазованность компонентов топлива и др.

Кавитация в насосах приводит к неустойчивым режимам ра­

чего увеличивается их частота вращения. Это приводит к росту температуры газогенераторного газа и разрушению газогенера­ тора и турбины. Все рассмотренные аварийные состояния име­ ют достаточно большое время экспозиции.

Длительность экспозиции зависит от вида первичной неис­ правности, места ее возникновения и размерности двигателя. Это объясняется тем, что при указанных первичных неисправ­ ностях происходит форсирование или дросселирование режима работы из-за изменения гидравлических характеристик магист­ ралей. Так как агрегаты двигателя являются инерционными си­ стемами, то изменение режима работы происходит за сравни­

235

5. Неисправности насосов и турбин

Неисправности насосов и турбин являются следствием кон­ структорско-технологических недоработок и дефектов материа­ лов. К неисправностям насосов и турбин можно отнести:

•— нарушение герметичности уплотнений; —• поломка рессор;

—заедание подшипников;

—обрывы отдельных крепежных деталей н др.

Все указанные первичные неисправности приводят, как пра­ вило, к быстрому разрушению турбонасосного агрегата и носят характер разрушений от нагрузок. Время экспозиции таких аварийных состояний очень мало, поэтому их можно считать неконтролируемыми, а отказы — непрогнозируемыми.

6. Высокочастотные колебания

Возникновение высокочастотных колебаний давления в ка­ мере или газогенераторе двигателя вызывает вибрации элемен­

тов конструкции.

Если в двигателе происходят колебания с регулярной часто­ той и малой амплитудой, не превышающей предельного значе­ ния, то разрушений конструкции не

таний. Так как первичные неисправности и соответствующие им аварийные состояния мало зависят от условий испытаний и раз­ мерности двигателя, а в основном зависят от его схемы и отра­ ботанности, то для получения статистических данных можно использовать все испытания двигателей как в стендовых, так и в летных условиях.

236

6.2.ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЙ

6.2. 1. Методы прогнозирования

Создание методов и средств контроля состояний двигателя является частью общетехнической проблемы повышения надеж­

ности.

Двигатель состоит из большого количества взаимосвязанных агрегатов и элементов. Непосредственно контролировать состоя­ ния агрегатов и двигателя в целом не представляется возмож­ ным. В то же время для каждого состояния характерны опреде­ ленные признаки, выражающиеся в соответствующем изменении параметров рабочего процесса. Регистрация их и априорные знания зависимости параметров ра­ бочего процесса от состояния дви­ гателя позволяют установить при­ чины их изменения и, следователь­ но, прогнозировать работоспособ­ ность двигателя.

Следует отметить, что пара­ метры рабочего процесса коррелированьг, поэтому однозначное опре­ деление состояния двигателя яв­ ляется чрезвычайно сложной зада­ чей. Для увеличения достоверности прогноза необходимо в характере

изменения параметров выявить такие признаки, по которым можно было бы отличить одно аварийное состояние двигателя от другого. Следовательно, каждому классу состояний должен быть поставлен в соответствие определенный сигнал в виде изменения некоторой совокупности параметров рабочего процесса, отлич­ ный от сигналов других состояний. Определение такой совокуп­ ности параметров, характеризующей аварийное состояние, яв­ ляется исходным моментом прогнозирования.

Пусть каждое аварийное состояние контролируется некото­ рой совокупностью параметров рабочего процесса. Тогда, рас­ сматривая контролируемые параметры как функции времени, можно, привлекая тот пли иной математический аппарат, ре­ шить задачу прогнозирования состояний и предсказать момент наступления отказа.

Математический аппарат прогнозирования включает элемен­ ты численного анализа и теории случайных функций. Пусть кон­ тролируемый параметр г/Дт) в области 0 — тп* принимает зна­ чения у(то), у (xi),. . ., у{т„), которые зафиксированы контроли­ рующей аппаратурой (рис. 6.3). Необходимо по известным зна­ чениям //,(т) контролируемой функции в прошлом (цет*) пред­ сказать значения величин //(т„+,...... «/„+,„), где т„+,-ет>т*. Сформулированный таким образом принцип прогнозирования

237

где у(т„+{)—значение контролируемой функции в моменты вре­ мени T,i+t^T>T*;

Уп(т) — требуемое изменение функции при исправном со­ стоянии.

Такое решение задачи прогнозирования называется в е р о я т ­ ност ны м.

Аналитическое прогнозирование

Если контролируемая функция изменяется монотонно и про­ изводная не изменяет знака, то можно применять аналитиче­ ское прогнозирование, когда определяется аналитическое выра­ жение, которое намлучшнм образом описывает контролируемую функцию, на участке прогнозирования, т. е. при т>т*.

Пусть имеется функция у(т), заданная дискретными значе­ ниями у{то),..., у{т). Необходимо подобрать такое аналитиче­ ское выражение У(т), чтобы в моменты времени т,ет* соблю­ дались условия

П т 0) = «/1Т0);

K(T,) = ytT 1);

(6.4)

У(*„' = '/( тД

При этом ei=(e;)minИз последней системы уравнений опреде­ ляются

У(Т/Н-1)— 11ян) + £х!

(6.6)

Величины Ei могут быть определены экспериментальным путем для конкретных реализаций у(т).

238

Пусть в качестве прогнозирующей функции выбран много­

могут быть вычислены на участке Т[2К Тогда значения весовых

Таким образом, прогнозирующий многочлен (6.7) определяется решением системы (6. 10).

239