CN104483135A - 一种液体火箭发动机故障管路隔离方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液体火箭发动机故障管路隔离方法，包括以下步骤：1)将液体火箭发动机的总管路分为多段子管路，并且在发动机正常运行状态时，计算多次各子管路的压力差与总管路的压力差的标准压差比值，并根据多次标准压差比值统计得到各子管路的标准压差比值阈值；2)在发动机正常运行时，检测各子管路的压力差与总管路的压力差的实际压差比值；3)将实际压差比值与对应的标准压差比值阈值相比较，当实际压差比值超出所述标准压差比值阈值时，则判断对应的子管路存在异常，需进行隔离。本发明的方法具有操作简便、快速有效的优点。

Description

一种液体火箭发动机故障管路隔离方法

技术领域

本发明具体涉及液体火箭发动机故障检测与诊断技术领域，特指一种液体火箭发动机故障管路隔离方法。

背景技术

液体火箭发动机是当今航天系统中最重要的动力装置，恶劣的工作条件使其成为航天系统中故障的敏感多发部位，而且其故障的发生和发展具有快速与破坏性极大的特点。根据统计，在美国，液体火箭发动机故障约占运载器总故障的60％以上。管路作为发动机非常重要的部件，其故障模式主要有泄漏和堵塞两种，在发动机工作过程中，由于强烈的振动、大范围的温度变化以及工作载荷的原因，必然会导致管路不同程度的变形，从而可能导致连接点等处发生泄漏故障。根据美国对SSME等7种泵压式火箭发动机的故障统计分析结果，在危害性大、重复出现、具有代表性的1771次故障中，泄漏作为其中最常见的故障模式，共占到故障发生总次数的3/4以上。液体火箭发动机主管路发生堵塞的可能性极低，堵塞故障多发生于喷嘴、节流圈以及阀门等部位。管路、喷嘴的堵塞故障一般不会造成灾难性的后果，会引起液体火箭发动机性能下降，偏离预定目标任务。在液体火箭发动机发生的故障中，管路发生泄漏或堵塞故障次数名列前茅，是最常见故障之一，由此可见，管路作为液体火箭发动机中的一类重要部件，对其开展故障隔离方法的研究具有十分重要的理论意义和工程实用价值。

当前管路泄漏检测方法主要有试验前的“液体/气泡”试验法和“装袋”试验法；试验中的对氢泄漏检测的基于点式传感器的检漏法和基于红外图像处理的检漏法；这些方法要么费时费力，难以在液体火箭发动机工作时进行，要么需要配置专用的传感器，且只能检测氢泄漏，对其他推进剂泄漏及管路堵塞故障检测与隔离无能为力。因此现有技术存在实现困难、结构复杂、体积庞大等缺陷。

发明内容

为克服现有方法的不足，本发明提供一种操作简便、快速有效的液体火箭发动机故障管路隔离方法。

一种液体火箭发动机故障管路隔离方法，包括以下步骤：

1)将液体火箭发动机的总管路分为多段子管路，并且在发动机正常运行状态时，计算多次各子管路的压力差与总管路的压力差的标准压差比值，并根据多次标准压差比值统计得到各子管路的标准压差比值阈值；

2)在发动机正常运行时，检测各子管路的压力差与总管路的压力差的实际压差比值；

3)将实际压差比值与对应的标准压差比值阈值相比较，当实际压差比值超出所述标准压差比值阈值时，则判断对应的子管路存在异常，需进行隔离。

作为上述技术方案的进一步改进：

在步骤1)中，标准压差比值阈值取为其中，和σ为多次标准压差比值的均值和均方差，其中c为综合系数，n为带宽系数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的方法方便可靠、无需增加额外传感器而只需要测量压力参数，即可初步判断液体火箭发动机管路部件的堵塞或泄漏故障的位置，操作简便、快捷有效。

为了更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明和附图，然而所附图仅提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

图1为管路-管路结构中管路泄漏故障示意图；

图2为管路-喷嘴结构中管路泄漏故障示意图；

图3是管路-管路结构中管路堵塞故障示意图；

图4为管路-喷嘴结构中管路堵塞故障示意图；

图5为管路-喷嘴结构中喷嘴堵塞故障示意图；

图6为节流圈-喷嘴结构示意图；

图7为本实施例的具体实施步骤流程图；

图8本实施例中某次故障的检测结果示意图。

具体实施方式

如图1至图8所示，本实施例的液体火箭发动机故障管路隔离方法，包括以下步骤：

1)将液体火箭发动机的总管路分为多段子管路，并且在发动机正常运行状态时，计算多次各子管路的压力差与总管路的压力差的标准压差比值，并根据多次标准压差比值统计得到各子管路的标准压差比值阈值；

2)在发动机正常运行时，检测各子管路的压力差与总管路的压力差的实际压差比值；

3)将实际压差比值与对应的标准压差比值阈值相比较，当实际压差比值超出标准压差比值阈值时，则判断对应的子管路存在异常，需进行隔离。

本实施例中，在步骤1)中，标准压差比值阈值取为其中，和σ为多次标准压差比值的均值和均方差，其中c为综合系数，n为带宽系数。

图1至图6为本方法所考虑的管路部件及故障情况。其中，在管路—管路构中，压差比值构建为待检部件压差比上其与其后面管路压差之和；在存在喷嘴结构中，气体工质在音速喷嘴情况下，将分母中的出口压力取为0，如果待检部件为喷嘴，则分子为喷嘴入口压力。

图1是管路-管路泄漏故障示意图，表示总管路由管路1、管路2和管路3等3段子管路组成，其中子管路2发生泄漏故障。在图1中，选择管路2与管路3，以管路2压差作为分子，以管路2入口和管路3出口压差作为分母，计算管路2段的压差比值，对管路2段进行检测，即

图2是管路-喷嘴结构中管路泄漏故障示意图，表示管路之后连接喷嘴的结构，其中管路部分发生泄漏故障。对于图2中的结构，管路部分的压差比值为： $\mathrm{\θ}=\frac{P_i-P_{e2}}{P_i-P_e}.$

图3是管路-管路堵塞故障示意图，表示管路由管路1、管路2和管路3等3段子管路组成，其中子管路2发生堵塞故障。对于图3中的管路2部件的压差比值取为： $\mathrm{\θ}=\frac{P_{i2}-P_{e2}}{P_{i2}-P_e}.$

图4是管路-喷嘴结构中管路堵塞故障示意图，表示管路之后连接喷嘴的结构，其中管路部分发生堵塞故障。对于图4中的管路部分的压差比值为： $\mathrm{\θ}=\frac{P_i-P_{e2}}{P_i-P_e}.$

图5是管路-喷嘴结构中喷嘴堵塞故障示意图，表示管路之后连接喷嘴的结构，其中喷嘴部分发生堵塞故障。对于图5中的喷嘴发生堵塞故障，喷嘴的压差比值取为： $\mathrm{\θ}=\frac{P_{e2}-P_{e2}}{P_i-P_e}.$

图6是节流圈-喷嘴结构示意图，表示管路中存在节流圈，管路之后连接喷嘴的结构。对于图6中的节流圈发生堵塞故障，节流圈的压差比值取为：喷嘴发生堵塞故障，喷嘴的压差比值取为：另外，在存在喷嘴结构中，气体工质在音速喷嘴情况下，将分母中的出口压力取为0，如果待检部件为喷嘴，则分子为喷嘴入口压力。这样选择可以使发生故障段压差与整段管路压差比值变大这一结论成立。

图7是本发明具体实施方式及步骤示意图。

参照图7，在步骤S101中，考虑发动机的具体结构，选择图1～图6所示的管路部件，作为故障隔离研究对象。

在步骤S102中，分别计算各个子管路的标准压差比值，其压差比值按照前面所述进行选取。

在实际检测之前，需要先统计得到检测阈值。即先根据多次正常的历史试车数据，按照S102步骤计算正常时各个管路部件的标准压差比值，在S103步骤中统计得到各个子管路部件在不同工况下标准压差比值阈值。标准压差比值阈值可取为其中，和σ为多次标准压差比值的均值和均方差，c为综合系数，n为带宽系数。

在进行实际检测时，待检数据根据S102步骤计算各子管路的实际压差比值，然后按照S104步骤进行子管路部件的检测与隔离。

在步骤S104中，首先分别对各个子管路进行故障检测：将各个子管路的实际压差比值与其对应的标准压差比值阈值相比较，若所有标准压差比值都小于标准压差比值阈值，则检测结果正常，如果存在某个标准压差比值连续多次超出标准压差比值阈值，则认为此子管路部件存在异常；再将各个子管路部件的检测结果综合考虑，进行故障隔离：如果发现某个子管路部件实际压差比值超出标准压差比值阈值，而其余管路部件实际压差比值都小于标准压差比值阈值，则可隔离出故障的子管路部件。

下面结合某型号液体火箭发动机管路系统故障隔离进行说明。

以新一代液氧煤油发动机的燃料主路为例进行说明。取燃料主路的两个压差比值分别为：θ₁＝(P_epf2-P_evfc)/(P_epf2-P_ihfc)；θ₂＝(P_evfc-P_ihfc)/(P_epf2-P_ihfc)，其中P_epf2为燃料二级泵出口压力，P_evfc为推力室燃料主阀出口压力，P_ihfc为推力室燃料喷前压力。

标准压差比值阈值根据4次正常试车数据训练得到：根据4次正常试车的子管路部件的标准压差比值分别统计，得到各个子管路部件的标准压差比值阈值，再进行故障检测与隔离。

图8给出了液氧煤油发动机Test054试车数据燃料主路的故障检测结果。从图中可以看出，燃料主管路前段的实际压差比值在78.72秒时超出标准压差比值阈值，而燃料主管路后段的实际压差比值没有超出标准压差比值阈值，因此可以确定故障位置在燃料二级泵出口压力P_epf2与推力室燃料主阀出口压力P_evfc测量点之间，故障报警时间为78.74秒。实际试车中，由于燃料路主阀异常关闭(相当于燃料主管路发生堵塞故障)导致发动机关机。

本发明的方法主要适用于液体火箭发动机的供应管路系统的故障隔离，也可应用于各类动力的管路系统以及通用供应输送系统的故障隔离。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (2)

1.一种液体火箭发动机故障管路隔离方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将液体火箭发动机的总管路分为多段子管路，并且在发动机正常运行状态时，计算多次各子管路的压力差与总管路的压力差的标准压差比值，并根据多次标准压差比值统计得到各子管路的标准压差比值阈值；

2)在发动机正常运行时，检测各子管路的压力差与总管路的压力差的实际压差比值；

3)将实际压差比值与对应的标准压差比值阈值相比较，当实际压差比值超出所述标准压差比值阈值时，则判断对应的子管路存在异常，需进行隔离。

2.根据权利要求1所述的液体火箭发动机故障管路隔离方法，其特征在于，在步骤1)中，标准压差比值阈值取为其中，和σ为多次标准压差比值的均值和均方差，其中c为综合系数，n为带宽系数。