CN112377333A - 大推力液体火箭发动机涡轮泵实时故障监控方法 - Google Patents

大推力液体火箭发动机涡轮泵实时故障监控方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种大推力液体火箭发动机涡轮泵实时故障监控方法。该方法包括：1)多路位移信号采集；2)对于每一路位移检测信号，根据该路位移检测信号的特征门限，单独判断其是否发生突变；在发生突变时，实时输出当前时刻突变幅值；3)若当前时刻至少有两路位移检测信号发生突变，则认为涡轮泵位移参数突变；4)根据当前所处的运行时段以及预设的突变幅值门限，当判定涡轮泵位移参数突变时，任一路连续多次采样的位移检测信号突变幅值均大于预设的突变幅值门限时，判定涡轮泵故障。本发明融合突变状态和突变幅值判断涡轮泵工作状态，实现了对大推力液体火箭发动机涡轮泵故障的提前、准确检测。

Description

大推力液体火箭发动机涡轮泵实时故障监控方法
技术领域
本发明涉及一种大推力液体火箭发动机涡轮泵实时故障监控方法，特别适用于发动机研制过程中涡轮泵严重破坏性故障的实时监控。
背景技术
大推力液体火箭发动机压力和温度等参数大幅提高，发动机工作条件更加恶劣，研制过程易于发生各种故障，造成极大损失。涡轮泵是液体火箭发动机故障易发部件，其故障发生发展极为迅速，常规的转速、压力和温度参数在破坏性故障发生前基本无异常变化，因此基于上述参数的故障监控系统无法在爆炸前判断发动机故障，实施故障减损控制。
位移参数对涡轮泵故障响应最迅速，对破坏性故障响应较常规参数提前，是涡轮泵故障特征参数，基于位移监控有望实现涡轮泵故障的提前准确检测。但大推力液体火箭发动机轴向力平衡系统影响因素众多、特性复杂，轴向力和位移特性难以准确评估；同时由于工作环境恶劣，位移传感器易发生故障，导致难以建立基于上下限监控的涡轮泵位移故障监控方案。
发明内容
本发明的技术解决问题是：解决现有方案无法提前、准确检测涡轮泵故障的不足，建立一种新型准确可靠的基于位移检测的涡轮泵故障监控方案。
本发明的技术解决方案是：
大推力液体火箭发动机涡轮泵实时故障监控方法，包括：
1)多路位移信号采集
采样多路位移检测信号，所述多路位移检测信号分别来自不同的传感器，所述传感器实时测量涡轮泵轴系移动状态；
2)位移信号突变检测
对于每一路位移检测信号，根据该路位移检测信号的特征门限，单独判断其是否发生突变；在发生突变时，实时输出当前时刻突变幅值；如果否，可以不输出数据，可仅作记录；
3)涡轮泵位移参数突变总体判断
若当前时刻至少有两路位移检测信号发生突变，则认为涡轮泵位移参数突变；
4)涡轮泵故障判断
根据当前所处的运行时段以及预设的突变幅值门限，当步骤3)判定涡轮泵位移参数突变时，任一路连续多次采样的位移检测信号突变幅值均大于预设的突变幅值门限时，判定涡轮泵故障。
可选地，所述传感器采用电涡流位移传感器。
优选地，步骤2)中，记录每一次采样的位移检测信号；根据每一路位移检测信号当前时刻点ti的前n个采样时刻(ti-n,ti-n+1,…,ti-2,ti-1)的值学习得到的数据规律，形成所述该路位移检测信号的特征门限。进一步地，当前时刻的突变幅值较佳的计算方式为：每一路位移检测信号当前时刻的值与此前n个采样时刻的均值作差，取差值的绝对值作为该路位移检测信号当前时刻的突变幅值。
可选地，所述多路位移检测信号共为三路或四路位移检测信号，步骤3)中相应采用“四选二”或“四选三”的方式判定是否涡轮泵位移参数突变。
可选地，由用户定义发动机故障严格时间段和发动机故障宽松时间段，以及预设的突变幅值较小门限和较大门限；步骤4)中，若当前所处的运行时段为发动机故障严格时间段，则任一路位移检测信号的突变幅值连续m次均大于预设的较小门限时，判定涡轮泵故障；若当前所处的运行时段为发动机故障宽松时间段，则任一路位移检测信号的突变幅值连续m次均大于预设的较大门限时，判定涡轮泵故障。
可选地，所述预设的突变幅值门限的设定考虑因素包括涡轮泵关键间隙控制、轴承游隙和故障判断严格程度。
可选地，n＝30；m＝3。
相应的，本发明还提供一种计算机设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有若干程序，其特征在于，所述程序被处理器加载运行时实现上述的大推力液体火箭发动机涡轮泵实时故障监控方法。
相应的，本发明还提供一种计算机可读存储介质，存储有若干程序，其特征在于，所述程序被处理器加载运行时实现上述的大推力液体火箭发动机涡轮泵实时故障监控方法。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种新的涡轮泵位移故障监控方案，融合突变状态和突变幅值判断涡轮泵工作状态，实现了对大推力液体火箭发动机涡轮泵故障的提前、准确检测。
附图说明
图1为基于位移突变状态检测的涡轮泵故障监控系统组成图。
图2为基于位移突变状态检测的涡轮泵故障监控方案原理图。
图3为涡轮泵工作正常时监控结果图；其中，(a)正常试车位移1及其突变幅值图；(b)正常试车位移2及其突变幅值图；(c)正常试车涡轮泵故障判断结果图。
图4为涡轮泵工作故障时监控结果图；其中，(a)故障试车位移1及其突变幅值图；(b)故障试车位移2及其突变幅值图；(c)故障试车涡轮泵故障判断结果图。
具体实施方式
以下结合附图，通过实施例进一步详述本发明。
本实施例建立一种基于涡轮泵轴系位移突变状态检测，融合突变状态和突变幅值判断涡轮泵工作状态的故障监控方案，并通过历史涡轮泵正常和故障试车数据进行了验证。
如图1所示，一种基于位移突变状态检测的涡轮泵故障监控系统，设置三个电涡流位移传感器，实时测量涡轮泵轴系移动状态(理论上三个传感器得出的数据应当一致，但实际会有差异)，测量参数依次通过变换器和测试仪将传感器“涡流效应”原始信号，转变为标准电压信号，标准电压信号输入位移监控系统，进行涡轮泵故障实时监控。
该涡轮泵位移故障监控方案原理参见图2。涡轮泵三路位移参数位移1(S1)、位移2(S2)和位移3(S3)，经过位移突变检测分别计算出位移突变幅值：当位移参数发生状态突变时突变幅值为非零的正数(绝对值)，当位移参数未发生状态突变时突变幅值为零。根据三路位移突变幅值位移1突变幅值(SA1)、位移2突变幅值(SA2)和位移3突变幅值(SA3)，经涡轮泵故障判断模块，综合突变状态和突变幅值计算获得涡轮泵故障/正常状态。
位移突变检测方案：
基本原理为涡轮泵工作过程实时基于位移参数当前时刻点(ti)的前30个点(ti-30,ti-29,…,ti-2,ti-1)，学习(ti-30,ti-29,…,ti-2,ti-1)数据规律，形成特征门限，当位移参数时刻点ti特征明显偏离前面30点学习获得的数据规律时(例如ti点发生突变)，算法检测到突变发生，同时实时输出当前时刻突变幅值。这里，当前时刻的突变幅值较佳的计算方式为：每一路位移参数(位移检测信号)当前时刻(ti)的值与此前30个点(ti-30,ti-29,…,ti-2,ti-1)的均值作差，取差值的绝对值作为该路位移参数(位移检测信号)当前时刻的突变幅值。
涡轮泵工作过程不断重复上述过程，实现三路位移突变状态和幅值实时检测，获得三路位移突变幅值位移1突变幅值(SA1)、位移2突变幅值(SA2)和位移3突变幅值(SA3)。
其中，学习数据规律形成特征门限可采用现有的常规算法，例如：《西安交通大学学报》2009年11月第43卷第11期“一类支持向量基的设备状态自适应报警方法”。
涡轮泵故障判断方案：
基于三路位移突变幅值位移1突变幅值(SA1)、位移2突变幅值(SA2)和位移3突变幅值(SA3)，通过两个步骤实现涡轮泵故障判断，具体如下：
步骤一：“位移突变状态三选二”判断涡轮泵位移突变。
实时根据涡轮泵三路位移突变幅值SA1、SA2和SA3，综合位移突变状态判断发动机状态。任一位移参数检测出突变状态时(突变幅值非零)，则认为该位移参数发生突变；任一时刻，三个位移参数中两个参数发生突变，则认为涡轮泵位移参数突变。
采用三选二的故障判别方式，较采用三选三的方式可以保证在一个位移传感器故障时，算法仍有两个正常传感器继续监控涡轮泵状态，同时可保证传感器冗余，排除传感器故障导致的误检模式。
上述“位移突变状态三选二”判断涡轮泵位移突变方案，也可根据发动机位移传感器实际设置数量调整为“四选二”或“四选三”(设置四个位移传感器时)等方案，满足传感器冗余以及至少可排除一个故障传感器即可。
步骤二：“任一突变值超限”判断发动机故障。
当步骤一检测到涡轮泵位移参数突变发生时，进入步骤二；可结合故障判定严格程度分时间段确定突变幅值判断涡轮泵故障；判断涡轮泵故障时，故障判断结果输出数值1，否则输出数值0。具体来说：
判断发动机故障严格时间段：检测到涡轮泵位移参数突变时，任一位移突变幅值连续三次大于某一较小门限时，判断涡轮泵故障，系统报警。
判断发动机故障宽松时间段：检测到涡轮泵位移参数突变时，任一位移突变幅值连续三次大于某一较大门限时，判断涡轮泵故障，系统报警。
上述位移参数突变幅值门限选择根据涡轮泵关键间隙控制、轴承游隙、故障判断严格程度等综合确定，其中还涉及此前试车情况的总结。
申请人对上述故障监控方案进行了验证：完成几十次涡轮泵历史正常试车位移参数监测验证，未出现误诊断，验证正常，对轴向位移传感器试车过程存在漂移、断线、测量毛刺、测量大幅波动等传感器故障模式具有良好的抗干扰能力，本实施例方案对上述传感器故障不会误判为涡轮泵故障；完成数次涡轮泵历史故障试车位移参数监测验证，均准确检测出涡轮泵故障，未出现漏诊断。
涡轮泵工作正常时监控结果见图3，试车过程涡轮泵工作正常，但位移传感器存在不同问题/故障，而监测结果涡轮泵工作正常。其中：
位移S1采用的传感器在涡轮泵工作过程存在缓慢漂移现象，但未发生位移突变，因此按照本实施例计算获得S1全程突变幅值SA1为0，表明S1全程未出现突变现象。位移S2采用的传感器在涡轮泵工作过程出现三次部分断线故障，造成位移测量参数出现突变，按照本实施例计算获得S2三次突变幅值SA2非0过程。综合SA1和SA2全程数据，不满足本实施例的上述步骤一：“位移突变状态三选二”要求的两个参数发生突变，则认为涡轮泵位移参数突变条件，因此不会触发步骤二判断，综合判断涡轮泵工作正常(涡轮泵故障判断结果数值为0，代表涡轮泵工作正常)，未出现误诊断。
通过上述分析，可以证明本实施例对涡轮泵正常历史试车准确监测能力，以及对位移传感器故障模式具有良好的抗干扰能力。
涡轮泵工作故障时监控结果见图4，试车过程涡轮泵工作发生故障造成严重破坏，监测结果涡轮泵工作故障，故障判断较破坏性故障发生提前约1.5s。其中：
位移S1、S2测量参数在试车过程出现三次明显的突变过程，本实施例准确监测得到三次S1A和S2A的非0过程，满足S1和S2位移参数发生突变，并且三次S1A和S2A同时非零参数发生突变，判断涡轮泵位移参数突变。进一步涡轮泵位移参数突变条件满足后，S1A和S2A中任一位移突变幅值连续三次大于某一门限时，判断涡轮泵故障(涡轮泵故障判断结果数值为1，代表涡轮泵故障)，系统报警。本实施例对涡轮泵故障的三次发展过程均判断涡轮泵出现故障，实际试车在第三次位移突变后涡轮泵发生破坏性故障，因此本实施例准确监测到涡轮泵故障，故障判断较涡轮泵破坏故障发生提前约1.5s(约1.0s首次检测到涡轮泵故障时，即可实施紧急关机，防止故障发展至破坏性状态)。
通过上述分析，可以证明本发明技术方案对涡轮泵故障历史试车准确监测能力，可以在破坏性故障发生前准确监测涡轮泵故障。

Claims (10)

1.大推力液体火箭发动机涡轮泵实时故障监控方法，其特征在于，包括：
1)多路位移信号采集
采样多路位移检测信号，所述多路位移检测信号分别来自不同的传感器，所述传感器实时测量涡轮泵轴系移动状态；
2)位移信号突变检测
对于每一路位移检测信号，根据该路位移检测信号的特征门限，单独判断其是否发生突变；在发生突变时，实时输出当前时刻突变幅值；
3)涡轮泵位移参数突变总体判断
若当前时刻至少有两路位移检测信号发生突变，则认为涡轮泵位移参数突变；
4)涡轮泵故障判断
根据当前所处的运行时段以及预设的突变幅值门限，当步骤3)判定涡轮泵位移参数突变时，任一路连续多次采样的位移检测信号突变幅值均大于预设的突变幅值门限时，判定涡轮泵故障。
2.根据权利要求1所述的大推力液体火箭发动机涡轮泵实时故障监控方法，其特征在于，所述传感器采用电涡流位移传感器。
3.根据权利要求1所述的大推力液体火箭发动机涡轮泵实时故障监控方法，其特征在于，步骤2)中，记录每一次采样的位移检测信号；根据每一路位移检测信号当前时刻点ti的前n个采样时刻的值学习得到的数据规律，形成所述该路位移检测信号的特征门限。
4.根据权利要求1所述的大推力液体火箭发动机涡轮泵实时故障监控方法，其特征在于，所述多路位移检测信号共为三路或四路位移检测信号，步骤3)中相应采用“四选二”或“四选三”的方式判定是否涡轮泵位移参数突变。
5.根据权利要求1所述的大推力液体火箭发动机涡轮泵实时故障监控方法，其特征在于，由用户定义发动机故障严格时间段和发动机故障宽松时间段，以及预设的突变幅值较小门限和较大门限；步骤4)中，若当前所处的运行时段为发动机故障严格时间段，则任一路位移检测信号的突变幅值连续m次均大于预设的较小门限时，判定涡轮泵故障；若当前所处的运行时段为发动机故障宽松时间段，则任一路位移检测信号的突变幅值连续m次均大于预设的较大门限时，判定涡轮泵故障。
6.根据权利要求5所述的大推力液体火箭发动机涡轮泵实时故障监控方法，其特征在于，所述预设的突变幅值门限的设定考虑因素包括涡轮泵关键间隙控制、轴承游隙和故障判断严格程度。
7.根据权利要求3所述的大推力液体火箭发动机涡轮泵实时故障监控方法，其特征在于，n＝30。
8.根据权利要求3所述的大推力液体火箭发动机涡轮泵实时故障监控方法，其特征在于，m＝3。
9.一种计算机设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有若干程序，其特征在于，所述程序被处理器加载运行时实现权利要求1至8任一所述的大推力液体火箭发动机涡轮泵实时故障监控方法。
10.一种计算机可读存储介质，存储有若干程序，其特征在于，所述程序被处理器加载运行时实现权利要求1至8任一所述的大推力液体火箭发动机涡轮泵实时故障监控方法。
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