CN109307598A - 故障识别脉冲工况发动机推进剂流量双模测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自反馈智能故障识别脉冲工况发动机推进剂流量双模测量装置，功能实现辅助单元用于配合推进剂流量测量，控制推进剂的流通管路；参数检测模块用于测量推进剂流动过程中的特征参数，并通过特征参数计算得出推进剂流量值；筒体支撑构件包括外筒体、内筒体，所述外筒体用于封闭增压气体空间，内筒体用于贮存推进剂；***组件用于保障推进剂流量测量稳定性能；筒体支撑构件通过推进剂出液管与功能实现辅助单元相连，推进剂通过推进剂出液管在内筒体和功能实现辅助单元之间流动。实现推进剂脉冲工况下流量的测量，具有双模测量、可靠性好、稳定性高、智能故障识别等特点，能够满足发动机对流量的高精度测量要求。

Description

故障识别脉冲工况发动机推进剂流量双模测量方法与装置

技术领域

本发明涉及故障识别、传感器技术、测量控制以及液体火箭发动机的流量高精度测量技术领域，具体地，涉及一种自反馈智能故障脉冲工况发动机推进剂流量双模测量装置。

背景技术

推进剂流量直接反应发动机的性能参数，因此，推进剂流量是液体火箭发动机试验过程中重要的检测指标。现阶段液体火箭发动机推进剂脉冲流量广泛采用体积管的方法进行测量，测量精度受到体积管内径加工精度的影响，体积管为细长圆柱结构，内径的高精密加工有比较大的困难。推进剂的密度受到温度、压力等外部因素的影响，造成流量测量存在较大的不确定性。因此，需要开发一种能够解决上述问题的发动机推进剂流量测量装置。

专利文献CN101737199A公开了一种落压式火箭发动机液体推进剂输送***，属于火箭发动机输送***领域。该输送***包括贮箱(1)、电爆阀(2)、节流孔(3)、流量控制阀(4)、增压阀(5)、加注阀(6)、连接管路及电爆阀控制电路。流量控制阀(4)的操纵气为贮箱(1)内气体；流量控制阀在启动前处于关闭状态；通过电爆阀(2)启动流量控制阀(4)，流量控制阀(4)启动后可以控制流量，当贮箱(2)压力下降时，通过贮箱(2)压力控制阀芯(8)运动，增加阀门开度，调节阀门节流面积，达到流量稳定的目的，节流孔可防止阀门意外开启，增加***可靠性。上述***并未解决推进剂在受到温度、压力等外部因素影响时，流量的不稳定性问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种故障脉冲工况发动机推进剂流量双模测量方法与装置。

根据本发明提供的一种故障识别脉冲工况发动机推进剂流量双模测量装置，包括功能实现辅助单元、参数检测模块、筒体支撑构件和***组件；功能实现辅助单元用于配合推进剂流量测量，控制推进剂的流通管路；参数检测模块用于测量推进剂流动过程中的特征参数，并通过特征参数计算得出推进剂流量值；筒体支撑构件包括外筒体、内筒体，所述外筒体用于封闭增压气体空间，内筒体用于贮存推进剂；***组件用于保障推进剂流量测量稳定性能；筒体支撑构件通过推进剂出液管与功能实现辅助单元相连，推进剂通过推进剂出液管在内筒体和功能实现辅助单元之间流动。

优选地，所述特征参数包括装置内部场景、压力、流量、液位、温度和推进剂浓度，实现体积法和称重法的双模流量测量。

优选地，参数检测模块主要包括压力传感器、力传感器、温度传感器、液位传感器和推进剂浓度传感器；第一压力传感器、力传感器、温度传感器和推进剂浓度传感器设置在外筒体上，液位传感器设置在内筒体内；所述温度传感器用于检测温度值，通过温度值与密度的对应关系获得推进剂密度；所述推进剂浓度传感器能够检测外筒体中增压气体的推进剂浓度，结合第一压力传感器、液位传感器的测量参数，能够计算得出推进剂的蒸发量；所述力传感器能够检测到单位时间内筒体中推进剂的减少量，经过蒸发量的修正，能够获得高精度的推进剂流量参数。

优选地，所述功能实现辅助单元主要包括试车贮存容器、容器增压控制阀；试车贮存容器用于存储推进剂，容器增压控制阀用于对试车贮存容器进行增压，增压后推进剂由试车贮存容器流入内筒体。

优选地，所述***组件主要包括气体反向喷头、增压电磁阀、液路电磁阀、过滤器、手动出液阀、第一横向阻尼器、第二横向阻尼器；气体反向喷头、增压电磁阀用于控制外筒体的压力，增压电磁阀能够对外筒体进行增压或泄压；液路电磁阀、过滤器和手动出液阀用于控制推进剂的流通；第一横向阻尼器、第二横向阻尼器设置在外筒体的内壁和内筒体的外壁之间，能够抑制发动机脉冲工况下推进剂流出引起的内筒体的振动。

优选地，所述气体反向喷头的上部为半球形密孔结构，增压气体从上部半球形密孔结构流出，增压气流不会对内筒体中的推进剂的重量变化测量产生扰动。

优选地，所述内筒体的内表面经过高精密加工，能够达到表面高光洁度，减小圆柱度形状偏差。

根据本发明提供的一种故障识别脉冲工况发动机推进剂流量双模测量方法，包括如下步骤：

推进剂的单位时间的质量流量计算步骤：对应推进剂的单位时间的质量流量Q_mY用以下公式计算：

Q_mY＝ρ_T×Q_VY

其中，ρ_T记为温度传感器的检测温度值所对应温度下的推进剂密度；Q_VY记为单位时间内液位传感器的参数变化值；

推进剂的单位时间的蒸发量计算步骤：对应推进剂的单位时间的蒸发量ξ用以下公式计算：

ξ＝δ×Q_VY

其中，δ记为单位体积推进剂饱和蒸汽中推进剂的含量；

称重法计算步骤：由称重法获得的推进剂的第一质量流量Q_称为：

Q_称＝Q_L-ξ

其中，Q_L记为单位时间内力传感器的参数变化值；

体积法计算步骤：由体积法获得的推进剂的第二质量流量Q_体为：

Q_体＝Q_mY-ξ

称重法与体积法均值计算步骤：推进剂质量流量取称重法和体积法两种流量测量方法所得参数的均值Q_质：

Q_质＝(Q_称+Q_体)/2。

优选地，故障识别脉冲工况发动机推进剂流量双模测量方法还包括流量报警步骤；

流量报警步骤：设定称重法和体积法测量的发动机流量误差为η，当|Q_称+Q_体|＞η时，流量测量参数超差，进行报警反馈。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、在同一装置中采用双模式测量方法进行发动机试验过程中的推进剂流量测量，提高了推进剂流量检测的稳定性和可靠性，能够满足发动机对流量的高精度测量要求；

2、进行工作状态实时反馈和智能故障识别，提高了流量测量的智能化水平，有效防止了发动机试验过程中无效、错误流量数据的产生，节约了试验成本，提高了试验数据质量；

3、能够实现脉冲流量的高精度测量，并对装置的流量测量状态进行反馈和故障识别，采用质量法和容积法进行脉冲流量双模测量，具有良好的工程应用价值。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为装置原理图；

图2为推进剂流量测量原理图。

图中示出：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明涉及一种自反馈智能故障识别脉冲工况发动机推进剂流量双模测量装置。该装置包括功能实现辅助单元、参数检测模块、筒体支撑构件和***组件。功能实现辅助单元配合本装置实现推进剂流量测量功能。通过参数检测模块与其它单元的有机组合完成推进剂流量的高精度测量，流量测量工作状态反馈和故障智能识别。其中试车贮存容器28、容器增压控制阀29、压力传感器30、第二压力表31、容器底阀32、试车主阀33、试车控制阀34、装置加注控制阀35和发动机36组成了功能实现辅助单元；防爆摄像机2、压力传感器5、力传感器6、第一压力表11、温度传感器13、液位传感器17和推进剂浓度传感器27组成了参数检测模块；外筒体1、外筒体法兰10、外筒底座24和内筒体22组成了筒体支撑构件；气体反向喷头3、增压电磁阀4、液路电磁阀7、过滤器8、手动出液阀9、防爆照明灯12、第一清洗液入口14、第一手动清洗阀15、第一横向阻尼器16、推进剂出液管18、排污阀19、排污管20、第二横向阻尼器23、第二手动清洗阀25和第二清洗液入口26组成了***组件。本发明旨在实现推进剂脉冲工况下流量的稳定、精确、持续测量。

根据本发明提供的一种故障识别脉冲工况发动机推进剂流量双模测量装置，包括功能实现辅助单元、参数检测模块、筒体支撑构件和***组件；功能实现辅助单元用于配合推进剂流量测量，控制推进剂21的流通管路；参数检测模块用于测量推进剂流动过程中的特征参数，并通过特征参数计算得出推进剂流量值；筒体支撑构件包括外筒体1、内筒体22，所述外筒体1用于封闭增压气体空间，内筒体22用于贮存推进剂21；***组件用于保障推进剂流量测量稳定性能；筒体支撑构件通过推进剂出液管18与功能实现辅助单元相连，推进剂21通过推进剂出液管18在内筒体22和功能实现辅助单元之间流动。

具体地，所述特征参数包括装置内部场景、压力、流量、液位、温度和推进剂浓度，实现体积法和称重法的双模流量测量。

具体地，参数检测模块主要包括压力传感器5、力传感器6、温度传感器13、液位传感器17和推进剂浓度传感器27；第一压力传感器5、力传感器6、温度传感器13和推进剂浓度传感器27设置在外筒体1上，液位传感器17设置在内筒体22内；所述温度传感器13用于检测温度值，通过温度值与密度的对应关系获得推进剂密度，优选地，所述温度传感器13通过实时检测外筒体1中的温度，可得对应温度下的推进剂密度，由液位传感器17和内筒体22的相关参数可得推进剂体积变化，从而得到推进剂的流量参数，与称重法获得的流量参数对比，进行工作状态反馈。当偏差大于临界值时，即进行故障报警；所述推进剂浓度传感器27能够检测外筒体1中增压气体的推进剂浓度，结合第一压力传感器5、液位传感器17的测量参数，且结合内筒体22的相关参数，能够计算得出推进剂21的蒸发量；所述力传感器6能够检测到单位时间内筒体22中推进剂的减少量，经过蒸发量的修正，能够获得高精度的推进剂流量参数。

具体地，所述功能实现辅助单元主要包括试车贮存容器28、容器增压控制阀29；

试车贮存容器28用于存储推进剂21，容器增压控制阀29用于对试车贮存容器28进行增压，增压后推进剂21由试车贮存容器28流入内筒体22。

具体地，所述***组件主要包括气体反向喷头3、增压电磁阀4、液路电磁阀7、过滤器8、手动出液阀9、第一横向阻尼器16、第二横向阻尼器23；气体反向喷头3、增压电磁阀4用于控制外筒体1的压力，增压电磁阀4能够对外筒体1进行增压或泄压；液路电磁阀7、过滤器8和手动出液阀9用于控制推进剂21的流通；第一横向阻尼器16、第二横向阻尼器23设置在外筒体1的内壁和内筒体22的外壁之间，能够抑制发动机脉冲工况下推进剂21流出引起的内筒体22的振动，使得测量参数更加稳定可靠。

具体地，所述气体反向喷头3的上部为半球形密孔结构，增压气体从上部半球形密孔结构流出，增压气流不会对内筒体22中的推进剂21的重量变化测量产生扰动。

具体地，所述内筒体22的内表面经过高精密加工，能够达到很高表面光洁度和较小圆柱度形状偏差，具有类量筒的功能，进行推进剂的体积测量。优选地，所述装置还防爆摄像机2，所述防爆摄像机2能够观测内部组件的工作状态。

根据本发明公开的一种故障识别脉冲工况发动机推进剂流量双模测量方法，包括如下步骤：推进剂的单位时间的质量流量计算步骤：对应推进剂的单位时间的质量流量Q_mY用以下公式计算：

Q_mY＝ρ_T×Q_VY

其中，ρ_T记为温度传感器13的检测温度值所对应温度下的推进剂密度；Q_VY记为单位时间内液位传感器17的参数变化值；

推进剂的单位时间的蒸发量计算步骤：对应推进剂的单位时间的蒸发量ξ用以下公式计算：

ξ＝δ×Q_VY

其中，δ记为单位体积推进剂饱和蒸汽中推进剂的含量；

称重法计算步骤：由称重法获得的推进剂的第一质量流量Q_称为：

Q_称＝Q_L-ξ

其中，Q_L记为单位时间内力传感器6的参数变化值；

体积法计算步骤：由体积法获得的推进剂的第二质量流量Q_体为：

Q_体＝Q_mY-ξ

称重法与体积法均值计算步骤：推进剂质量流量取称重法和体积法两种流量测量方法所得参数的均值Q_质：

Q_质＝(Q_称+Q_体)/2

具体地，所述故障识别脉冲工况发动机推进剂流量双模测量方法还包括流量报警步骤；流量报警步骤：设定称重法和体积法测量的发动机流量误差为η，当|Q_称+Q_体|＞η时，流量测量参数超差，进行报警反馈。

如图1、图2所示，功能实现辅助单元由试车贮存容器28、容器增压控制阀29、压力传感器30、压力表31、容器底阀32、试车主阀33、试车控制阀34、装置加注控制阀35和发动机36组成。容器增压控制阀29、压力传感器30、压力表31均安装在试车贮存容器28上，试车主阀33、试车控制阀34、装置加注控制阀35安装在推进剂供应管道上。功能实现辅助单元主要作用是辅助实现流量双模测体22中的推进剂进行挤压，推进剂沿出推进剂出液管18进出。筒体支撑构件包括外筒体1、外筒体法兰10、外筒底座24和内筒体22。筒体支撑构件主要用于其它组件安装，外筒体1对增压气体起到封闭作用，对内筒排出。***组件包括气体反向喷头3、增压电磁阀4、液路电磁阀7、过滤器8、手动出液阀9、防爆照明灯12、第一清洗液入口14、第一手动清洗阀15、第一横向阻尼器16、推进剂出液管18、排污阀19、排污管20、第二横向阻尼器23、第二手动清洗阀25和第二清洗液入口26。气体反向喷头3、增压电磁阀4安装在增压管路上，液路电磁阀7、过滤器8和手动出液阀9安装在液路管路上，防爆照明灯12、第一清洗液入口14、第一手动清洗阀15、第一横向阻尼器16、排污阀19、排污管20、第二横向阻尼器23、第二手动清洗阀25和第二清洗液入口26安装在外筒体1上。

在功能实现辅助单元中，通过试车控制阀34的开启、关闭来实现流量测量装置与主推进剂供应管路的通断。装置加注控制阀35可以将试车贮存容器28内的推进剂加注到流量测量装置中。参数检测模块可实现装置内部场景、压力、流量、液位、温度和推进剂浓度的检测。筒体支撑构件主要用于其它组件安装，外筒体1对增压气体起到封闭作用，内筒体22贮存推进剂，并用于实现体积流量测量法的推进剂体积流量测量。***组件起到确保装置流量测量功能稳定可靠的作用，第一横向阻尼器16、第二横向阻尼器23能够抑制脉冲工况下推进剂流动引起的内筒体22的振动。

在具体的实施过程中，在装置初始状态下，所有阀门均处于关闭状态，内筒体22中无推进剂21，试车贮存容器28中灌装有推进剂21，打开容器增压控制阀29，对试车贮存容器28进行增压，打开容器底阀32、装置加注控制阀35、试车控制阀34、液路电磁阀7和手动出液阀9向内筒体22中加注推进剂21，打开增压电磁阀4对外筒体1进行泄压放气。根据力传感器6、液位传感器17的显示值，确定推进剂21的加注量。当加注量满足要求后，关闭装置加注控制阀35，打开增压电磁阀4对外筒体1进行增压，打开试车主阀33，推进剂21从推进剂出液管18流出，进行发动机36点火试验。推进剂21从内筒体22中排出，会引起力传感器6检测参数的变化，单位时间内力传感器6的参数变化值为Q_L。推进剂21从内筒体22中排出，液位传感器17检测参数也会发生变化，单位时间内液位传感器17的参数变化值为Q_VY,温度传感器13检测工作过程中实时的温度，根据温度传感器13的检测温度可以得到对应温度下的推进剂21的密度ρ_T,再根据内筒体22内径的尺寸参数可得，单位时间的质量流量：

Q_mY＝ρ_T×Q_VY

推进剂浓度传感器27可以检测外筒体1中推进剂饱和蒸汽的浓度，压力传感器5可得外筒体1内气体的压力，由此，可得单位体积推进剂饱和蒸汽中推进剂的含量δ，试验过程中，推进剂单位时间的蒸发量：

ξ＝δ×Q_VY

由称重法获得的发动机试验的质量流量为：

Q_称＝Q_L-ξ

由体积法获得的发动机试验的质量流量为：

Q_体＝Q_mY-ξ

试验过程中发动机的推进剂质量流量取称重法和体积法两种流量测量方法所得参数的均值：

Q_质＝(Q_称+Q_体)/2

设定称重法和体积法测量的发动机流量误差为η，当|Q_称+Q_体|＞η时，流量测量参数超差，装置进行报警反馈。

本发明通过上述流程实现发动机试验过程中，脉冲工况下推进剂的流量的高精度测量，以及工作状态的实时自动反馈，测量故障的智能识别。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种故障识别脉冲工况发动机推进剂流量双模测量装置，其特征在于，包括功能实现辅助单元、参数检测模块、筒体支撑构件和***组件；

功能实现辅助单元用于配合推进剂流量测量，控制推进剂(21)的流通管路；

参数检测模块用于测量推进剂流动过程中的特征参数，并通过特征参数计算得出推进剂流量值；

筒体支撑构件包括外筒体(1)、内筒体(22)，所述外筒体(1)用于封闭增压气体空间，内筒体(22)用于贮存推进剂(21)；

***组件用于保障推进剂流量测量稳定性能；

筒体支撑构件通过推进剂出液管(18)与功能实现辅助单元相连，推进剂(21)通过推进剂出液管(18)在内筒体(22)和功能实现辅助单元之间流动。

2.根据权利要求1所述的故障识别脉冲工况发动机推进剂流量双模测量装置，其特征在于，所述特征参数包括装置内部场景、压力、流量、液位、温度和推进剂浓度，实现体积法和称重法的双模流量测量。

3.根据权利要求1所述的故障识别脉冲工况发动机推进剂流量双模测量装置，其特征在于，参数检测模块主要包括压力传感器(5)、力传感器(6)、温度传感器(13)、液位传感器(17)和推进剂浓度传感器(27)；

第一压力传感器(5)、力传感器(6)、温度传感器(13)和推进剂浓度传感器(27)设置在外筒体(1)上，液位传感器(17)设置在内筒体(22)内；

所述温度传感器(13)用于检测温度值，通过温度值与密度的对应关系获得推进剂密度；

所述推进剂浓度传感器(27)能够检测外筒体(1)中增压气体的推进剂浓度，结合第一压力传感器(5)、液位传感器(17)的测量参数，能够计算得出推进剂(21)的蒸发量；

所述力传感器(6)能够检测到单位时间内筒体(22)中推进剂的减少量，经过蒸发量的修正，能够获得高精度的推进剂流量参数。

4.根据权利要求1所述的故障识别脉冲工况发动机推进剂流量双模测量装置，其特征在于，所述功能实现辅助单元主要包括试车贮存容器(28)、容器增压控制阀(29)；

试车贮存容器(28)用于存储推进剂(21)，容器增压控制阀(29)用于对试车贮存容器(28)进行增压，增压后推进剂(21)由试车贮存容器(28)流入内筒体(22)。

5.根据权利要求1所述的故障识别脉冲工况发动机推进剂流量双模测量装置，其特征在于，所述***组件主要包括气体反向喷头(3)、增压电磁阀(4)、液路电磁阀(7)、过滤器(8)、手动出液阀(9)、第一横向阻尼器(16)、第二横向阻尼器(23)；

气体反向喷头(3)、增压电磁阀(4)用于控制外筒体(1)的压力，增压电磁阀(4)能够对外筒体(1)进行增压或泄压；

液路电磁阀(7)、过滤器(8)和手动出液阀(9)用于控制推进剂(21)的流通；

第一横向阻尼器(16)、第二横向阻尼器(23)设置在外筒体(1)的内壁和内筒体(22)的外壁之间，能够抑制发动机脉冲工况下推进剂(21)流出引起的内筒体(22)的振动。

6.根据权利要求5所述的故障识别脉冲工况发动机推进剂流量双模测量装置，其特征在于，所述气体反向喷头(3)的上部为半球形密孔结构，增压气体从上部半球形密孔结构流出，增压气流不会对内筒体(22)中的推进剂(21)的重量变化测量产生扰动。

7.根据权利要求1所述的智能故障识别脉冲工况发动机推进剂流量双模测量装置，其特征在于，所述内筒体(22)的内表面经过高精密加工，能够达到表面高光洁度，减小圆柱度形状偏差。

8.一种故障识别脉冲工况发动机推进剂流量双模测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

推进剂的单位时间的质量流量计算步骤：对应推进剂的单位时间的质量流量Q_mY用以下公式计算：

Q_mY＝ρ_T×Q_VY

其中，ρ_T记为温度传感器(13)的检测温度值所对应温度下的推进剂密度；Q_VY记为单位时间内液位传感器(17)的参数变化值；

推进剂的单位时间的蒸发量计算步骤：对应推进剂的单位时间的蒸发量ξ用以下公式计算：

ξ＝δ×Q_VY

其中，δ记为单位体积推进剂饱和蒸汽中推进剂的含量；

称重法计算步骤：由称重法获得的推进剂的第一质量流量Q_称为：

Q_称＝Q_L-ξ

其中，Q_L记为单位时间内力传感器(6)的参数变化值；

体积法计算步骤：由体积法获得的推进剂的第二质量流量Q_体为：

Q_体＝Q_mY-ξ

称重法与体积法均值计算步骤：推进剂质量流量取称重法和体积法两种流量测量方法所得参数的均值Q_质：

Q_质＝(Q_称+Q_体)/2。

9.根据权利要求8所述的故障识别脉冲工况发动机推进剂流量双模测量方法，其特征在于，还包括流量报警步骤；

流量报警步骤：设定称重法和体积法测量的发动机流量误差为η，当|Q_称+Q_体|＞η时，流量测量参数超差，进行报警反馈。