一种基于modelica语言的涡轮泵频域仿真模型建模方法与流程

本发明涉及仿真模型建模方法，具体涉及一种基于modelica语言的涡轮泵频域仿真模型建模方法。

背景技术：

1、液体火箭发动机结构复杂，研制成本高，开展发动机数值仿真研究对于正确分析和评估发动机动特性，降低研制成本和研制周期具有重要作用，其中频率特性分析作为发动机动特性的重要组成，在发动机研制过程中具有重要工程意义。由于液体火箭发动机结构复杂，各组件间存在复杂的反馈与耦合关系，其中涡轮泵作为发动机组件中一个重要的转动装置，上游管路中的震荡通过转速传递导致整机参数均有所体现。液体火箭发动机中涡轮与泵作为两个相对独立的组件，通过转轴连接，同轴转动，转速脉动相互影响，耦合作用明显。现有技术无法保证涡轮与泵组件模型相对独立，导致涡轮与泵组件模型的可读性与重用性较差，难以确保涡轮与泵组件模型的准确性。

技术实现思路

1、本发明目的是提供一种基于modelica语言的涡轮泵频域仿真模型建模方法，以解决现有技术无法保证涡轮与泵组件模型相对独立，导致涡轮与泵组件模型的可读性与重用性较差，难以确保涡轮与泵组件模型的准确性的技术问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于modelica语言的涡轮泵频域仿真模型建模方法，用于连接在同一转轴上的涡轮组件与泵组件，所述涡轮组件与泵组件分别对应设有涡轮组件模型与泵组件模型，其特殊之处在于，包括以下步骤：

4、步骤1、通过laplace变换方法将涡轮组件与泵组件的控制方程分别转化为以laplace变量s为自变量的方程组，转化后的状态变量均为无量纲脉动量；其中，与泵组件对应的方程组包括压力方程、流量方程以及泵功率方程；与涡轮组件对应的方程组包括压力方程、流量方程、能量方程以及涡轮功率方程；

5、步骤2、基于步骤1变换后的方程组分别建立涡轮组件与泵组件的数学模型，并通过功率平衡方程将两个数学模型耦合在一起；

6、步骤3、基于模块化建模的原则，确定组件接口的传递变量；所述组件接口包括液体接口、燃气接口以及机械接口；

7、步骤4、通过步骤3确定的传递变量将步骤2耦合后的数学模型分别分装于所述涡轮组件模型与泵组件模型，得到基于modelica语言的涡轮泵频域仿真模型。

8、进一步地，步骤4具体为：

9、通过涡轮组件与泵组件的机械接口将其他组件的无量纲转速脉动和功率脉动分别引入涡轮组件与泵组件内，然后基于步骤3确定的传递变量使步骤2耦合后数学模型中的功率平衡方程被分割为涡轮组件的功率平衡方程和泵组件的功率平衡方程，从而保持涡轮组件模型与泵组件模型中方程与变量平衡，得到基于modelica语言的涡轮泵频域仿真模型。

10、进一步地，步骤3具体为：

11、基于模块化建模的原则，通过液体接口确定有液体传递的组件接口的无量纲压力波动和无量纲质量流量波动，通过燃气接口确定有燃气传递的组件接口的无量纲压力波动、无量纲质量流量波动、无量纲温度波动和无量纲混合比波动，通过机械接口确定有动力传递的组件接口的无量纲转速波动和接口功率脉动量，从而确定组件接口的传递变量。

12、进一步地，步骤1中，与泵组件对应的压力方程为：

13、

14、其中，δpp、qmp、n分别为泵扬程、质量流量和转速，δδpp、δqmp、δn分别表示无量纲的泵扬程脉动、质量流量脉动和转速脉动；分别表示泵的扬程与流量及转速的关系曲线的斜率；分别表示由于相对运动和牵连运动造成的液体惯性时间常数；其中，系数ag、an由扬程特性方程确定，表示稳态工况下泵的扬程，t为时间，n为转速。

15、进一步地，步骤1中，与泵组件对应的流量方程为：

16、

17、其中，δqmp,in、δqmp,out分别为无量纲的泵入口和出口质量流量脉动；cb、mb分别为泵的气蚀柔性和质量流量增益系数；δpp,in为无量纲的泵入口压力脉动。

18、进一步地，步骤1中，所述泵功率方程为：

19、当泵的效率未知时，

20、

21、其中，pp为泵功率，δpp为泵的无量纲功率脉动量，分别为泵功率与流量及转速关系曲线的斜率；

22、当泵的效率已知时，

23、

24、其中，分别为泵效率与流量及转速关系曲线的斜率；ηp为泵的效率。

25、进一步地，步骤1中，与涡轮组件对应的压力方程为：

26、

27、其中，δpt,in，δpt,out分别表示无量纲的涡轮入口和出口压力脉动；δqmt表示无量纲的涡轮质量流量脉动；和分别表示稳态的涡轮入口和出口温度；δtt,in表示无量纲的涡轮入口温度脉动；δloag为涡轮绝热功脉动量；δηt为无量纲的涡轮效率脉动；其中p1表示涡轮喷嘴切口处压力，p00表示涡轮总压，κ表示燃气绝热指数。

28、进一步地，步骤1中，与涡轮组件对应的流量方程为：

29、δqmt,in＝δqmt,out

30、其中，δqmt,in，δqmt,out分别表示无量纲的涡轮入口和出口质量流量脉动。

31、进一步地，步骤1中，与涡轮组件对应的能量方程为：

32、δloag＝δtt,in-βt(δpt,out-δpt,in)

33、其中，p2表示涡轮出口静压。

34、进一步地，步骤1中，所述涡轮功率方程为：

35、

36、其中，δpt表示涡轮功率脉动；表示涡轮效率对变量的斜率；涡轮效率对涡轮压比的斜率；tt表示涡轮温度；ηt表示涡轮效率。

37、本发明的有益效果：

38、1、本发明以laplace算子s作为自变量，通过laplace变换方法将涡轮组件与泵组件的控制方程进行转化，能够使得动力学模型转化为复数运算的频域仿真模型。采用模块化建模方式，将涡轮与泵的频域仿真模型分别封装在涡轮组件和泵组件的组件模块中，组件模块间通过机械接口传递无量纲脉动数据。通过组件接口的传递变量实现涡轮与泵多个组件间功率方程的平衡。在保证各组件间相对独立的基础上，又可以基于接口数据实现不同组件间的相互耦合。

39、2、本发明提出通过机械接口传递组件间的无量纲转速脉动以及功率脉动量，将涡轮泵的功率模型拆分到每个组件中实现多个组件的耦合计算，同时保留了不同组件间的相对独立性，提高了模型的重用性。

技术特征：

1.一种基于modelica语言的涡轮泵频域仿真模型建模方法，用于连接在同一转轴上的涡轮组件与泵组件，所述涡轮组件与泵组件分别对应设有涡轮组件模型与泵组件模型，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于modelica语言的涡轮泵频域仿真模型建模方法，其特征在于，步骤4具体为：

3.根据权利要求1或2所述的基于modelica语言的涡轮泵频域仿真模型建模方法，其特征在于，步骤3具体为：

4.根据权利要求3所述的基于modelica语言的涡轮泵频域仿真模型建模方法，其特征在于，步骤1中，与泵组件对应的压力方程为：

5.根据权利要求4所述的基于modelica语言的涡轮泵频域仿真模型建模方法，其特征在于，步骤1中，与泵组件对应的流量方程为：

6.根据权利要求5所述的基于modelica语言的涡轮泵频域仿真模型建模方法，其特征在于，步骤1中，所述泵功率方程为：

7.根据权利要求6所述的基于modelica语言的涡轮泵频域仿真模型建模方法，其特征在于，步骤1中，与涡轮组件对应的压力方程为：

8.根据权利要求7所述的基于modelica语言的涡轮泵频域仿真模型建模方法，其特征在于，步骤1中，与涡轮组件对应的流量方程为：

9.根据权利要求8所述的基于modelica语言的涡轮泵频域仿真模型建模方法，其特征在于，步骤1中，与涡轮组件对应的能量方程为：

10.根据权利要求9所述的基于modelica语言的涡轮泵频域仿真模型建模方法，其特征在于，步骤1中，所述涡轮功率方程为：

技术总结本发明公开了一种基于modelica语言的涡轮泵频域仿真模型建模方法，解决了现有技术无法保证涡轮与泵组件模型相对独立，导致涡轮与泵组件模型的可读性与重用性较差，难以确保涡轮与泵组件模型的准确性的问题，具体包括：步骤1、通过Laplace变换方法将涡轮组件与泵组件的控制方程分别转化为以Laplace变量s为自变量的方程组；步骤2、基于方程组分别建立涡轮组件与泵组件的数学模型，并通过功率平衡方程将两个数学模型耦合在一起；步骤3、基于模块化建模的原则，确定组件接口的传递变量；步骤4、通过确定的传递变量将耦合后的数学模型分别分装于涡轮组件模型与泵组件模型，得到基于modelica语言的涡轮泵频域仿真模型。技术研发人员：李晨沛,胡海峰,周晨初,冀鹏,刘占一,李舒欣,陈嘉智受保护的技术使用者：西安航天动力研究所技术研发日：技术公布日：2024/10/17