[发明专利]基于数学模型时不变信息的液体火箭发动机故障诊断方法

权利要求书

1.一种基于数学模型时不变信息的液体火箭发动机故障诊断方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：针对液体火箭发动机，建立其各主要组成部件的数学模型；

S2：基于液体火箭发动机各组成部件的数学模型，构建各数学模型中能够表征该部件正常或故障状态的时不变系数；

S3：分析表征各部件状态的时不变系数受发动机工作状态影响的变化规律，并根据所述变化规律定义各时不变系数的阈值；所述时不变系数指当液体火箭发动机正常工作情况下，表征各部件状态的时不变系数不随时间变化，表征各部件状态的时不变系数始终对应一个常数或者一个区间，当液体火箭发动机发生故障或偏离正常工况时，表征各部件状态的时不变系数将偏离该常数或区间；

S4：对于待检测的液体火箭发动机，采集其工作状态下各部件的状态数据，根据采集到的状态数据计算出各部件时不变系数并将其与S3中确定的阈值进行对比，进行发动机故障检测与诊断；若所有时不变系数都处于阈值范围内，则判断发动机正常；如果存在表征某个部件状态的时不变系数连续w次超出阈值，则认为发动机该部件发生故障，从而实现发动机故障检测与诊断。

2.根据权利要求1所述的基于数学模型时不变信息的液体火箭发动机故障诊断方法，其特征在于：

液体火箭发动机其主要组成部件包括泵、燃气涡轮、热力组件和液体管路；其中泵包括氧化剂泵、燃料泵；燃气涡轮包括燃料涡轮、氧化剂涡轮；热力组件包括燃气发生器、燃烧室和燃气导管；液体管路包括推进剂输送管路；

S1中，针对液体火箭发动机的泵、燃气涡轮、热力组件和液体管路分别构建其对应的数学模型。

3.根据权利要求2所述的基于数学模型时不变信息的液体火箭发动机故障诊断方法，其特征在于：

S1中，针对液体火箭发动机的泵构建其对应的数学模型为泵模型，如下：

其中，ΔP为泵的扬程，P_pe、P_pi分别表示泵的出口和入口压力，n_p为泵的转速，q_p为泵的流量，μ_p1、μ_p2、μ_p3分别表示泵扬程的经验系数；

S1中，针对液体火箭发动机的燃气涡轮构建其对应的数学模型为燃气涡轮模型，如下：

燃气涡轮功率方程：

其中燃气涡轮效率η：

其中，n为燃气涡轮转速，b₁，b₂，b₃为经验系数；

燃气涡轮流量q_t：

其中，k、R、T分别为燃气的绝热指数、气体常数、温度；q_t代表流过燃气涡轮的燃气流量，P_t0为燃气涡轮入口燃气压力，P_te为燃气涡轮出口燃气压力，P_ti为燃气涡轮静子与转子间的燃气压力，θ为反力度，μ为燃气涡轮喷嘴的流量系数；A_t为燃气涡轮喷嘴的面积；

燃气涡轮理论喷射速度V_e：

燃气涡轮功率平衡方程：

其中N为燃气涡轮功率；∑N_p表示由燃气涡轮带动的泵功率之和,J表示燃气涡轮泵转子的转动惯量；

S1中，针对液体火箭发动机的热力组件构建其对应的数学模型为热力组件模型，如下：

热力组件内质量守恒方程：

热力组件内的燃气密度变化规律计算式：

热力组件内的燃气混合比的变化率：

其中,q_o代表氧化剂流量，q_f代表燃料流量；

燃气热值根据混合比进行差值计算：

RT＝RT(r)

其中，T(r)表示T是燃气混合比r的函数，随着燃气混合比r变化；

根据理想气体状态方程

PV＝m_gRT

进行求导处理，可得

进而可以分析出口流量方程

其中，m_g、ρ、V、P和r分别为热力组件内的燃气质量、密度、体积、压力和混合比；q_ig、q_lo和q_lf分别为流入热力组件的燃气质量流量、液态氧化剂质量流量和液态燃料质量流量；q_eg为热力组件的出口流量；ζ为热力组件的喉部的流量系数；A为热力组件的喉部面积；

S1中，针对液体火箭发动机的液体管路构建其对应的数学模型为液体管路模型，如下：

液体管路中液体推进剂的流动方程如式：

液体管路中推进剂组元的连续方程如式：

其中α、ξ、和L分别为液体管路的流阻系数、流容系数和液体的惯性流阻系数；q_li、P_li、q_le和P_el分别表示液体管路的入口、出口的质量流量和压力；V_l为液体管路体积；a表示液体管路中液体中的声速。