蒲星星，王建設(shè)，高玉閃，李 晨，張小平

(1.西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安 710100;2.航天推進(jìn)技術(shù)研究院，陜西 西安 710100)

液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)故障監(jiān)控特征參數(shù)提取研究

蒲星星1，王建設(shè)2，高玉閃1，李 晨1，張小平1

(1.西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安 710100;2.航天推進(jìn)技術(shù)研究院，陜西 西安 710100)

故障監(jiān)控可以有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作的安全性和可靠性，建立了大推力液氧煤油高壓補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)故障仿真模型，開展了發(fā)動(dòng)機(jī)故障仿真分析，提取了發(fā)動(dòng)機(jī)故障監(jiān)控特征參數(shù)。通過對(duì)篩選的可能危及發(fā)動(dòng)機(jī)安全工作的故障模式進(jìn)行仿真分析，獲得各種故障模式下發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量參數(shù)對(duì)故障的敏感性排序，通過對(duì)測(cè)量參數(shù)相對(duì)偏差的相關(guān)性分析，獲得各測(cè)量參數(shù)間相關(guān)系數(shù)和高相關(guān)性測(cè)量參數(shù)組，基于測(cè)量參數(shù)的敏感性排序和相關(guān)性綜合提取出發(fā)動(dòng)機(jī)故障監(jiān)控特征參數(shù)。

液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī);補(bǔ)燃循環(huán);故障監(jiān)控;故障仿真;特征提取

0 引言

大推力液氧煤油高壓補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)是我國未來重型和大型運(yùn)載火箭的核心動(dòng)力，該發(fā)動(dòng)機(jī)在推力量級(jí)、工作壓力等方面較我國已有液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)大幅提高[1]，發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件更加惡劣，研制階段的故障概率高，而一旦發(fā)生故障，損失極大。故障監(jiān)控和診斷技術(shù)可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)采取控制措施，提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作安全性和可靠性，已受到廣泛重視[2-6]。

故障模式確立與特征參數(shù)提取是發(fā)動(dòng)機(jī)故障監(jiān)控和診斷中的重要問題，大推力液氧煤油高壓補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程有轉(zhuǎn)速、流量、壓力、溫度、位移、振動(dòng)及應(yīng)變等百余個(gè)測(cè)量參數(shù)，這些參數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)故障狀態(tài)的密切程度各不相同，各種故障模式對(duì)應(yīng)特定的敏感參數(shù)，故障發(fā)生時(shí)會(huì)通過敏感參數(shù)最顯著的表現(xiàn)出來，并且不同測(cè)量參數(shù)之間的相關(guān)程度也不相同。因此，需要對(duì)這些測(cè)量參數(shù)進(jìn)行特征提取，獲得能夠有效表征發(fā)動(dòng)機(jī)各種故障的最少的測(cè)量參數(shù)組，作為發(fā)動(dòng)機(jī)故障監(jiān)控的特征參數(shù)[7-10]。

本文建立了大推力液氧煤油高壓補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)故障仿真模型，對(duì)可能危及發(fā)動(dòng)機(jī)安全工作的故障模式開展了仿真，分析了各種故障模式下發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量參數(shù)的變化，獲得了發(fā)動(dòng)機(jī)故障時(shí)測(cè)量參數(shù)敏感性排序和測(cè)量參數(shù)之間相關(guān)性關(guān)系，提取了發(fā)動(dòng)機(jī)故障監(jiān)控特征參數(shù)。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)故障模型

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

大推力液氧煤油高壓補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示[1]，采用單渦輪泵供應(yīng)雙推力室方案，單燃?xì)獍l(fā)生器，設(shè)置氧化劑預(yù)壓渦輪泵和燃料預(yù)壓渦輪泵提高主渦輪泵抗汽蝕性能，采用泵后搖擺方案優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)布局、提高推質(zhì)比，采用流量調(diào)節(jié)器和燃料節(jié)流閥進(jìn)行推力和混合比調(diào)節(jié)。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)故障模型

描述液氧煤油高壓補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)故障特性的數(shù)學(xué)模型是一組反映發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)、內(nèi)外干擾因素及故障參數(shù)之間關(guān)系的非線性代數(shù)方程組。方程組包含上百個(gè)方程，通過在穩(wěn)態(tài)特性模型中嵌入故障特性方程實(shí)現(xiàn)故障仿真，故障特性方程如下[11]。

1.2.1 推進(jìn)劑或燃?xì)庑孤┕收?/p>

(1)

1.2.2 管路、過濾網(wǎng)堵塞故障

發(fā)動(dòng)機(jī)氣、液管路及各種過濾網(wǎng)堵塞，對(duì)應(yīng)其通道截面積減小，壓降增加，可通過增大管路或過濾網(wǎng)的流阻系數(shù)來模擬，方程如下：

ξ’=c·ξ

(2)

式中：ξ為流阻系數(shù)；c為常數(shù)，取值大于1。

1.2.3 閥門故障

閥門工作異常主要表現(xiàn)為閥門打開不到位或打不開，對(duì)應(yīng)其流通截面積減小，壓降增加，可通過增大閥門的流阻系數(shù)來模擬，方程如下：

ξv’=c·ξv

(3)

式中c取值大于1。

1.2.4 渦輪噴嘴燒蝕故障

渦輪噴嘴發(fā)生燒蝕可通過噴嘴流通截面積的增大來模擬：

A’=c·A

(4)

式中：A為流通截面積；c取值大于1。

1.2.5 燃?xì)獍l(fā)生器、推力室噴嘴堵塞與燒蝕故障

噴注器堵塞或燒蝕可通過其流通截面積或流阻系數(shù)的增大或減小來模擬(本文采用流阻系數(shù)變化來模擬)，方程如下：

A’=c1·A或ξ’=c2·ξ

(5)

式中: 堵塞故障時(shí)c1取值小于1，c2取值大于1；燒蝕c1取值大于1，c2的取值小于1。

1.2.6 渦輪泵故障

渦輪泵故障主要表現(xiàn)為由于轉(zhuǎn)子損壞、碰磨、泵汽蝕或泵葉片斷裂導(dǎo)致的揚(yáng)程或效率下降，可通過在揚(yáng)程或效率方程前乘一系數(shù)來模擬，方程如下：

Δp’=c·Δp或η’=c·η

(6)

式中：Δp為揚(yáng)程；η為效率；c取值小于1。

從上面分析可以看出，補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)故障數(shù)學(xué)模型是由組件和組件間聯(lián)系特性方程及故障特性方程組成的非線性方程組：

(7)

式中：X為發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)參數(shù)，如推力室壓力、燃?xì)獍l(fā)生器混合比等；B為發(fā)動(dòng)機(jī)組件特性參數(shù)，如管路流阻系數(shù)、泵特性方程系數(shù)等；C為發(fā)動(dòng)機(jī)入口參數(shù)和調(diào)節(jié)器參數(shù)，如節(jié)流閥轉(zhuǎn)角、氧化劑入口溫度等；D為發(fā)動(dòng)機(jī)組件故障參數(shù)。給定發(fā)動(dòng)機(jī)的入口參數(shù)、調(diào)節(jié)器參數(shù)和組件故障參數(shù)，通過求解非線性方程組，就可求得各種故障模式下發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量參數(shù)變化。

2 故障監(jiān)控特征提取

2.1 故障模式選取

根據(jù)液氧煤油高壓補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)研制經(jīng)驗(yàn)，梳理了管路泄漏故障(12種)、管路/噴嘴堵塞和閥門卡滯故障(10種)、渦輪泵和調(diào)節(jié)元件及其它故障(14種)三大類故障[12]，共計(jì)36種故障模式。對(duì)36種故障模式分別進(jìn)行仿真分析，篩選出可能危及發(fā)動(dòng)機(jī)安全工作的17種故障模式：燃?xì)獍l(fā)生器入口氧泄漏、主渦輪入口燃?xì)庑孤?、發(fā)生器氧噴嘴堵塞、液氧主閥卡滯及氧主泵揚(yáng)程損失等。針對(duì)選取的17種可能危及發(fā)動(dòng)機(jī)安全工作的故障模式，利用故障模型仿真獲得28個(gè)測(cè)量參數(shù)對(duì)故障的敏感性和測(cè)量參數(shù)之間的相關(guān)性關(guān)系，提取了發(fā)動(dòng)機(jī)故障監(jiān)控中的特征參數(shù)。

2.2 測(cè)量參數(shù)敏感性分析

本文以燃?xì)獍l(fā)生器入口氧泄漏故障模式為例給出故障仿真結(jié)果[11]。為方便分析本文中發(fā)動(dòng)機(jī)推力按推力室1和推力室2分別給出(表1中為Fe1和Fe2)。表1給出了燃?xì)獍l(fā)生器入口氧泄漏10%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)各測(cè)量參數(shù)相對(duì)變化值的絕對(duì)值由大到小的排序。從表1中可以看出燃?xì)獍l(fā)生器入口氧泄漏對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)大部分工作參數(shù)均有較大影響。氧泄漏時(shí)，燃?xì)獍l(fā)生器氧流量減小，混合比降低，渦輪入口、出口溫度及推力室燃?xì)鈬娗皽囟染龃?，渦輪入口壓力降低；燃?xì)獍l(fā)生器氧化劑流量減小和渦輪入口壓力降低，進(jìn)一步導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)饴穳毫档?，發(fā)動(dòng)機(jī)推力降低；燃?xì)獍l(fā)生器氧化劑流量減小和渦輪入口壓力降低導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)氧化劑流量上升和主渦輪功率不足，主渦輪轉(zhuǎn)速降低；主渦輪出口壓力降低和發(fā)動(dòng)機(jī)氧化劑流量增大雙重因素導(dǎo)致氧主泵入口壓力降低。

對(duì)選取的17種可能危及發(fā)動(dòng)機(jī)安全工作的故障模式分別進(jìn)行仿真分析，獲得第ii=1…28個(gè)測(cè)量參數(shù)對(duì)第jj=1…17種故障模式的相對(duì)偏差δxij后，分兩步計(jì)算各測(cè)量參數(shù)對(duì)各種故障模式的總敏感性參數(shù)。

然后計(jì)算各種故障模式歸一化后的各測(cè)量參數(shù)相對(duì)偏差絕對(duì)值的平均值。發(fā)動(dòng)機(jī)各測(cè)量參數(shù)對(duì)故障的總敏感參數(shù)定義如下：

Di=

基于以上計(jì)算獲得的各測(cè)量參數(shù)總敏感性排序見表2。可以看出氧主泵入口壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)饴窚囟群脱趸瘎┝髁繙y(cè)量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)故障敏感性相對(duì)較高，氧泵入口和出口溫度、燃料一級(jí)泵入口和出口、燃料二級(jí)泵出口溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)故障敏感性相對(duì)較低。

表2 各測(cè)量參數(shù)對(duì)故障總敏感性排序Tab.2 Total order of measurement parameters sensitive to fault

2.3 測(cè)量參數(shù)相關(guān)性分析

對(duì)選取的各種故障模式下各測(cè)量參數(shù)相對(duì)偏差進(jìn)行相關(guān)性分析，獲得各測(cè)量參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)，從中選取相互之間相關(guān)系數(shù)大于0.6的測(cè)量參數(shù)，獲得大推力液氧煤油高壓補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)七組高相關(guān)性測(cè)量參數(shù)組見表3。

表3中每行測(cè)量參數(shù)相互間具有高相關(guān)性，可以看出28個(gè)測(cè)量參數(shù)中，高相關(guān)性測(cè)量參數(shù)組主要有三組(第1相關(guān)組、第3相關(guān)組和第4相關(guān)組)，這三組中共包含22個(gè)不同的測(cè)量參數(shù)。高相關(guān)性測(cè)量參數(shù)間存在較強(qiáng)的相互關(guān)系，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)故障響應(yīng)具有高相關(guān)性。

第1相關(guān)組共包含7個(gè)測(cè)量參數(shù)，這些參數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前后溫度存在較強(qiáng)的相互關(guān)系，表中依次為氧化劑泵入口壓力、氧化劑泵入口溫度、氧化劑預(yù)壓渦輪泵轉(zhuǎn)速、推力室燃?xì)鈬娗皽囟取⒅鳒u輪出口溫度、主渦輪入口溫度和氧化劑泵出口溫度。

表3 高相關(guān)性測(cè)量參數(shù)組Tab.3 Measurement parameter sets with high correlation

第3相關(guān)組共包含8個(gè)測(cè)量參數(shù)，這些參數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)推力存在較強(qiáng)的相互關(guān)系，表3中依次為推力室1海平面推力、推力室2海平面推力、推力室點(diǎn)火路壓力、推力室燃料噴前壓力、主渦輪出口壓力、推力室燃?xì)鈬娗皦毫?、主渦輪入口壓力和發(fā)生器燃料噴前壓力。

第4相關(guān)組共包含9個(gè)測(cè)量參數(shù)，這些參數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵轉(zhuǎn)速存在較強(qiáng)的相互關(guān)系，表3中依次為燃料二級(jí)泵出口壓力、燃料一級(jí)泵出口壓力、主渦輪泵轉(zhuǎn)速、燃料節(jié)流閥出口壓力、燃料預(yù)壓渦輪泵轉(zhuǎn)速、燃?xì)獍l(fā)生器氧化劑噴前壓力、氧化劑泵出口壓力、燃?xì)獍l(fā)生器燃料噴前壓力和主渦輪入口壓力。

2.4 特征參數(shù)提取

大推力液氧煤油高壓補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量參數(shù)對(duì)故障總敏感性和高相關(guān)性測(cè)量參數(shù)組見表4。故障監(jiān)控中的特征參數(shù)提取時(shí)需考慮以下方面：1)應(yīng)盡量選取敏感性較高的參數(shù)；2)應(yīng)盡量在不同相關(guān)參數(shù)組中選取，且應(yīng)盡量在包含參數(shù)較多的高相關(guān)性組中選??；3)對(duì)應(yīng)故障監(jiān)控傳感器應(yīng)具有高工作可靠性；4)應(yīng)考慮發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車/飛行狀態(tài)傳感器設(shè)置限制條件[2]。

表4 測(cè)量參數(shù)對(duì)故障總敏感性和高相關(guān)性測(cè)量參數(shù)組Tab. 4 Measurement parameters′ total sensitivity to fault and measurement parameter sets with high correlation

基于以上分析，本文提取的大推力液氧煤油高壓補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)故障監(jiān)控中的特征參數(shù)如下：

1)主渦輪出口溫度Tet。屬于主要高相關(guān)性監(jiān)測(cè)參數(shù)組(第1相關(guān)組)，對(duì)故障敏感性高。

2)推力室點(diǎn)火路壓力pigc。屬于主要高相關(guān)性監(jiān)測(cè)參數(shù)組(第3相關(guān)組)，對(duì)故障敏感性高，且配置的常溫壓力傳感器工作可靠性高。

3)主渦輪泵轉(zhuǎn)速nt。屬于主要高相關(guān)性監(jiān)測(cè)參數(shù)組(第4相關(guān)組)，且為發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車/飛行狀態(tài)基本測(cè)量參數(shù)。

利用上述提出的故障監(jiān)控特征參數(shù)建立發(fā)動(dòng)機(jī)故障監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，還需考慮傳感器冗余設(shè)置，可采用一個(gè)測(cè)點(diǎn)設(shè)多個(gè)傳感器或多個(gè)高相關(guān)性測(cè)點(diǎn)傳感器相互冗余方式，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)故障監(jiān)控系統(tǒng)工作可靠性；此外，溫度傳感器的響應(yīng)時(shí)間較壓力傳感器長(zhǎng)，需研究進(jìn)一步提高溫度傳感器響應(yīng)特性，以提高故障監(jiān)控系統(tǒng)響應(yīng)特性。

3 結(jié)論

本文建立了大推力液氧煤油高壓補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)故障仿真模型，針對(duì)選取的可能危及發(fā)動(dòng)機(jī)安全工作的故障模式進(jìn)行了仿真分析，獲得了大推力液氧煤油高壓補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)28個(gè)測(cè)量參數(shù)對(duì)故障的敏感性排序和7組高相關(guān)性測(cè)量參數(shù)組，提取了發(fā)動(dòng)機(jī)故障監(jiān)控特征參數(shù)。

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Research on feature extraction for fault monitoring of LOX/kerosene rocket engine

PU Xingxing1， WANG Jianshe2，GAO Yushan1， LI Chen1， ZHANG Xiaoping1

(1.Xi’an Aerospace Propulsion Institute， Xi’an 710100， China； 2.Academy of Aerospace Propulsion Technology, Xi’an 710100， China)

The fault monitoring can improve safety and reliability of rocket engine effectively. A steady fault simulation model of high pressure staged combustion cycle LOX/kerosene rocket engine with high thrust is developed. The fault simulation analysis is conducted and the characteristic parameters of the engine fault monitoring are extracted. The selected fault modes which are possible to endanger the safe running of the engine are simulated and analyzed to obtain the order of engine parameters sensitive to the fault. Based on correlation analysis on relative deviations of measurement parameters， the correlation coefficients among the measurement parameters and measurement parameter sets with high correlation are obtained. The characteristic parameters for fault monitoring of the engine are extracted on the basis of sensitivity order and correlation of measurement parameters.

LOX/kerosene rocket engine；staged combustion cycle；fault monitoring；fault simulation；feature extraction

2017-03-29；

2017-09-03

國家863項(xiàng)目(2013AA70202)

蒲星星(1983—)，男，博士，研究領(lǐng)域?yàn)榛鸺l(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

V434-34

A

1672-9374(2017)06-0026-06

(編輯：馬 杰)