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.
1. Нарушение герметичности жидкостных магистралей
Причины нарушения герметичности жидкостных магистралей могут быть разнообразные. В основном герметичность наруша ется из-за дефектов конструкции и производства, вибраций н высокочастотных колебаний. В трубопроводах вначале возника ют макроскопические отверстия, площадь которых в результате механического п эрозионно-коррозионного воздействия жидко сти растет во времени. При возникновении негерметпчностн компонент топлива из-за перепада давлений с большой скоро стью выбрасывается в двигательный отсек. Величину утечки компонента приближенно можно оценить по зависимости
|
GyT—- pF | 2рд/;, |
где |
F — площадь отверстия; |
|
р. — коэффициент расхода; |
|
Ар— ру: — Рот — перепад давлений; |
|
Рм— давление в трубопроводе (магистрали); |
|
Рот — давление в отсеке. |
В зависимости от перепада давлений Ар, который может со ставлять в трубопроводах двигателя 10—40 МПа, утечка компо нента даже при отверстии диаметром 1 мм может достигать 250—800 г/с. В виду того, что двигательный отсек ракеты может быть загазован парами одного компонента, то при утечке дру гого компонента, даже небольшая негерметнчность может при вести к взрыву пли пожару. При нарушении герметичности вследствие утечки изменяются соотношения компонентов топли ва и все параметры рабочего процесса. Если нарушится герме тичность магистрали окислителя газогенератора ЖРД, то из-за уменьшения коэффициента соотношения компонентов топлива увеличится температура газа, что может привести к разрушению газогенератора, оплавлению лопаток турбины ТНА и прогару газоводов. При нарушении герметичности магистрали горючего из-за увеличения коэффициента соотношения компонентов топли ва происходит дросселирование газогенератора и двигателя.
2, Нарушение герметичности газовых емкостей
Нарушение герметичности газовых емкостен (камера, газоге нератор, газовод) может произойти из-за термического и эрози онного воздействия продуктов сгорания, неравномерности поля температур, конструктивно-технологических дефектов системы, вибраций и пульсаций.
При нарушении герметичности газовых полостей происходит выброс продуктов сгорания в двигательный отсек, а это уже опасно для элементов конструкции двигателя и ракеты. Кроме того, при выбросе продуктов сгорания нарушается энергетическое равновесие рабочего процесса, режим работы двигателя форси
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
боты. Кроме того, при возникновении кавитации |
уменьшается |
производительность и напор насоса п вследствие |
этого нару |
шается равновесие мощностей турбины и насосов, |
в результате |
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
тельно большое время. Поэтому |
можно считать, что все рас |
смотренные аварийные состояния |
являются контролируемыми, |
л отказы — прогнозируемыми. |
|
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
|
наблюдается. |
|
|
|
|
Разрушение происходит из-за |
|
превышения амплитудой |
колебаний |
|
предельного значения! Характерным |
|
случаем |
развития |
высокочастотных |
|
колебаний можно считать такой, |
|
ксгда вначале имеет место мягкое |
|
возбуждение колебании с регулярной |
|
частотой |
и небольшой амплитудой, |
|
а в последующем |
амплитуда |
коле |
|
баний резко растет (рис. |
6.2) [47]. |
Рис. 6. 2. Изменение амплитуды |
Определение количественных па |
высокочастотных колебаний вс |
раметров |
аварийных |
состояний |
времени |
(тэ, и) является необходимым для |
|
создания систем контроля. Теорети |
чески с достаточной точностью найти значения т0 и а |
не |
пред |
ставляется возможным. Поэтому единственным путем |
их |
опре |
деления является статистическая обработка результатов |
испы |
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.
Рис. 6.3. Изменение контроль ного параметра во времени
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
