CN113340951B - 航空发动机回油管路油气两相流空隙率测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种带有温度补偿的回油管路中油气两相流的空隙率测量方法，该方法首先在离线状态下模拟回油管路中油气两相流的典型流型，分别测量室温时不同空隙率下ECT传感器不相邻的两两电极之间的电容信号，组成离线数据集；并测量不同温度下ECT传感器处于满管和空管状态下不相邻的两两电极之间的电容信号，然后将测得的离线数据集中的电容信号进行归一化处理，并训练基于主成分回归的空隙率测量模型；在线测试时，实时采集管道截面的温度以及ECT传感器不相邻的两两电极之间的电容信号，在对电容信号进行温度补偿和归一化处理后，输入训练后的空隙率测量模型，输出空隙率。该方法能够直接获得空隙率，有效降低运算复杂度和温度对空隙率测量的影响。

Description

航空发动机回油管路油气两相流空隙率测量方法和装置

技术领域

本发明涉及多相流测试技术领域，尤其涉及一种航空发动机回油管路油气两相流空隙率测量方法和装置。

背景技术

航空发动机是一个结构复杂、精密度高的设备，在其运行过程中，润滑系统为航空发动机的齿轮、轴承等设备提供润滑和冷却并带走磨粒等外来杂质，并且起着防锈、清洁、密封和缓冲等作用。回油系统将出油孔排出的润滑油返回到润滑油箱，以保证轴承内滑油的质量和温度的平衡，在维持发动机正常运转上发挥了重要作用。为了更好地分析回油管路润滑油流动状态，更加合理地设计回油管路，需要对回油管路中的相关流动参数进行测量。

空隙率，又称截面含气率，指在两相流动的横截面上，气相面积占截面总面积的比率，该参数是进行两相流流动分析以及其他相关参数测量的重要流动参数之一。

电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography，简称ECT)传感器可以根据被测场内介质分布不同引起的介电常数分布不同，通过测量场内电容值及灵敏度矩阵分布反演出场内介质分布情况，为解决两相流空隙率测量问题提供了一种有效的途径。

航空发动机的回油管路存在复杂多变的润滑油-空气两相混合流动，回油管路管径小。发动机工作时，回油管路温度较高，且伴有持续的温度变化。回油管路中润滑油的电学特性随温度变化而发生改变，现有的ECT传感器通常工作于室温环境下，无法适应温度变化引起的被测介质电学特性变化。

使用ECT传感器测量两相流的空隙率，通常首先进行管道截面的图像重建，再根据重建后的图像计算空隙率。其中图像重建的计算复杂度较高，费时费力，影响空隙率测量的实时性。

中国专利一种电容层析成像系统(CN201821805532.2)公开了一种电容层析成像系统，其适用于常温恒温条件下管道截面图像重建，没有进行空隙率的测量。在被测介质温度变化时，其电学特性也随之改变，该系统无法适用。

中国专利一种应用于低温流体两相流相分布测量的电容层析成像传感器(CN201910796019.4)公开了一种电容层析成像传感器，其可以在室温和低温下工作，不适用于航空发动机回油管路的高温环境。

国际专利一种内置电极式电容层析成像传感器(WO2019214471A1)公开了一种高温内置ECT传感器，其电极片直接接触被测流体，长期使用容易腐蚀，其装置结构与信号处理与本发明存在较大差别。

综上所述，未加温度补偿的情况下，空隙率测量值会随着温度的变化，产生较大的误差，目前尚不存在适用于航空发动机回油管路油气两相流的空隙率测量的成熟方法，需要根据实际工况寻求合适的测量方法和测量装置，能够在管道内部两相流体温度不断变化的情况下对空隙率进行实时测量，且测量装置能够长期耐受较高的温度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种回油管路油气两相流空隙率测量方法和装置，该方法带有温度补偿机制，能够适应油气两相流的温度变化，对油气两相流的空隙率进行实时测量。

本发明的目的通过如下的技术方案来实现：

一种带有温度补偿的回油管路中油气两相流的空隙率测量方法，该方法包括如下步骤：

S1：将ECT传感器内部充满润滑油，将不同管径的空心聚四氟乙烯管插入ECT传感器内部，模拟回油管路中不同空隙率下油气两相流的典型流型，测量如下两部分数据：

(1)测量室温时不同空隙率下ECT传感器不相邻的两两电极之间的电容信号，组成离线数据集；

(2)测量不同温度下ECT传感器处于满管和空管状态下不相邻的两两电极之间的电容信号，作为在线测试阶段中温度补偿的参考值；

S2：将测得的离线数据集中的电容信号进行归一化处理；

S3：利用归一化后的电容数据，训练基于主成分回归的空隙率测量模型；

S4：在线测试时，将ECT传感器和温度传感器接入回油管路中，实时采集接入处管道截面的温度以及ECT传感器不相邻的两两电极之间的电容信号，在对电容信号进行温度补偿和归一化处理后，输入训练后的空隙率测量模型，输出空隙率。

进一步地，所述归一化处理的公式如下：

其中，C_nor为归一化后的电容，为在温度T下ECT传感器空管时的电容，/>为在温度T下ECT传感器满管时的电容，C为电容实测值；在离线模型训练阶段，温度T为室温，在在线测试阶段，温度T为温度传感器的实测温度。

进一步地，所述基于主成分回归的空隙率测量模型具体为：

(1)离线训练阶段，单次采集获得n个独立的电容数据，每个电容数据作为特征，构成具有n维特征的向量C，归一化处理得到归一化的电容数据C_nor；

(2)将归一化的电容数据C_nor通过主成分分析方法获得的变换矩阵P转换为几个相互正交的隐变量C_s

C_s＝P*C_nor

(3)对空隙率α与隐变量C_s进行回归分析，训练得到回归系数β：

α＝β*C_s+e

其中，e为残差；

由此获得空隙率测量模型：α＝W_α*C_nor

其中，W_α＝β*P为训练得到的权重系数。

一种带有温度补偿的回油管路中油气两相流的空隙率测量装置，该测量装置包括数据采集单元，以及与所述数据采集单元电连接的ECT传感器、温度传感器和上位机；

所述ECT传感器和温度传感器均用于接入被测回油管路；

所述数据采集单元用于对所述ECT传感器进行交替激励与检测，获得ECT传感器不相邻的两两电极之间的电容信号；以及采集温度传感器测量的被测回油管路中两相流的温度，并将电容信号和两相流温度实时发送给上位机；

所述上位机用于对电容信号进行温度补偿和归一化处理，再将归一化后的电容数据送入内置的空隙率测量模型，输出空隙率。

本发明的有益效果如下：

本发明的航空发动机回油管路油气两相流空隙率测量方法，通过建立带有温度补偿的空隙率测量模型，避免复杂费时的图像重建过程直接获得两相流体的空隙率，有效降低运算复杂度和温度对空隙率测量的影响。本发明的空隙率测量装置，在20℃-180℃的温度范围内，最大测量误差不超过10％，尤其适用于航空发动机回油管路中油气两相流的空隙率测量。

附图说明

图1为本发明的空隙率测量装置的示意图；

图2为测量装置中ECT传感器的设计图；

图3为本发明的空隙率测量方法的流程图；

图4为在20℃至180℃下带有温度补偿的空隙率测量方法与不加补偿的空隙率测量方法的最大测量误差对比图。

图中，1为ECT传感器，2为温度传感器，3为数据采集单元，4为上位机。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的带有温度补偿的回油管路中油气两相流的空隙率测量装置，包括ECT传感器1、温度传感器2、数据采集单元3和上位机4。

使用时，将ECT传感器和温度传感器布置在被测回油管路的待测截面处。ECT传感器1与数据采集单元3通过同轴导线连接，数据采集单元3与温度传感器2通过SPI总线连接，数据采集单元3与所述上位机4通过以太网连接。

数据采集单元3对ECT传感器进行交替激励与检测，获得ECT传感器不相邻的两两电极之间的电容信号；并采集温度传感器感应到的被测回油管路中两相流的温度，数据采集单元3每经过一个周期的激励/检测后，通过以太网将温度与电容数据传输至上位机。上位机接收到来自数据采集单元的温度与电容数据，首先对电容信号进行温度补偿和归一化处理，再将归一化后的电容数据送入内置的空隙率测量模型，输出空隙率。

本发明的带有温度补偿的回油管路中油气两相流的空隙率测量方法，首先使用ECT传感器测量回油管路被测截面的电容参数，根据温度的变化对被测介质电学特性的影响，以不同温度下的满管标定值为基准，对电容数据进行归一化处理；然后基于主成分回归(Principle Component Regression，简称PCR)方法建立空隙率测量模型，避免复杂费时的图像重建过程；在实际测量中，通过温度传感器对回油管路内流体的温度进行检测，并对ECT传感器的测量数据进行温度补偿，将补偿后的数据送入训练后的空隙率测量模型，得出空隙率测量结果，从而使流体参数的测量对温度变化不敏感，提高ECT传感器在被测介质温度不断变化时的空隙率测量精度。

基于主成分回归(PCR)方法建立的空隙率测量模型，该方法可以有效地解决多元回归中多重共线性问题。其主要思想为对自变量进行降维处理，消除自变量中的存在的冗余信息。所述空隙率测量模型可以适用于回油管路的任意被测截面，但是对于参数不同的ECT传感器，需要分别进行模型训练。

如图2所示，本发明的空隙率测量方法具体包括如下步骤：

S1：将ECT传感器内部充满润滑油，将不同管径的空心聚四氟乙烯(PTFE)管插入ECT传感器内部，模拟典型流型，因聚四氟乙烯的电学特性和油接近，空心管内部的气体就可以模拟出截面的气泡，因此用不同管径的空心聚四氟乙烯管插入内部充满润滑油ECT传感器中，即可模拟回油管路不同空隙率下油气两相流的典型流型，并测量如下两部分数据：

(1)测量室温时不同空隙率下ECT传感器不相邻的两两电极之间的电容信号，组成离线数据集；

(2)测量不同温度下ECT传感器处于满管和空管状态下不相邻的两两电极之间的电容信号，作为在线测试阶段中温度补偿的参考值；

如图3所示，以8电极为例，ECT传感器的8个电极均匀布置在聚四氟乙烯管道的外壁，电极占空比为0.9。优选地，所述ECT阵列外部设置屏蔽罩，防止外界电信号干扰。当ECT传感器有8个电极时，测得的不相邻的两两电极之间的电容信号共有20个，因此得到的离散数据集为20维。本领域技术人员也可以根据实际的电极数目确定具体的参数。

S2：将测得的离线数据集中的电容信号进行归一化处理；

所述归一化处理的公式如下：

其中，C_nor为归一化后的电容，为在温度T下ECT传感器空管时的电容，/>为在温度T下ECT传感器满管时的电容，C为电容实测值；在离线模型训练阶段，温度T为室温，在在线测试阶段，温度T为温度传感器的实测温度。

S3：利用归一化后的电容数据，训练基于主成分回归(Principle ComponentRegression，简称PCR)的空隙率测量模型；

所述基于主成分回归的空隙率测量模型具体为：

(1)离线训练阶段，单次采集获得n个独立的电容数据，每个电容数据作为特征，构成具有n维特征的向量C，归一化处理得到归一化的电容数据C_nor；

(2)将归一化的电容数据C_nor通过主成分分析方法获得的变换矩阵P转换为几个相互正交的隐变量C_s

C_s＝P*C_nor

(3)对空隙率α与隐变量C_s进行回归分析，通过使残差e最小，训练得到回归系数β：

α＝β*C_s+e

由此获得空隙率测量模型：

α＝W_α*C_nor

其中，W_α＝β*P为训练得到的权重系数。

S4：在线测试时，将ECT传感器和温度传感器接入回油管路中，实时采集接入处管道截面的温度以及ECT传感器不相邻的两两电极之间的电容信号，在对电容信号进行温度补偿和归一化处理后，输入训练后的空隙率测量模型，输出空隙率。

本发明的空隙率测量模型和空隙率测量方法可以用于各种回油管路。为了进一步验证本发明提出的空隙率测量模型和空隙率测量方法，以航空发动机的回油管路为例，进行了相应的试验研究。目前在两相流测量领域缺乏有效的动态方法来获取真实的空隙率测量值，本发明通过静态模拟油气两相的流动结构，实现所提出的空隙率测量和温度补偿方法的验证。试验过程中，利用油浴加热器将ECT传感器及其润滑油加热到不同的设定温度，将不同管径的空心聚四氟乙烯(PTFE)管插入ECT传感器内部，模拟水平管内的典型流型——泡状流、层状流和环状流，每一种流型将设置不同的介质分布和空隙率。其中，试验设定温度分别为20、40、60、80、100、120、140、160、180摄氏度。

空隙率测量模型是基于20℃下的电容测量值建立的。将20℃的电容数据分为两大组：训练集和测试集。其中，训练集数据包括150组泡状流数据、150组层状流和75组环状流数据，用于空隙率测量模型的建立。测试集数据包括50组泡状流数据，50组层状流数据以及30组环状流数据，用于测量结果的验证。

在20℃至180℃下，将本发明的带有温度补偿的空隙率测量方法与不加补偿的空隙率测量方法进行精度对比，如图4所示。虚线为不加温度补偿的空隙率测量方法的最大测量绝对误差随温度变化的曲线，实线为本发明提出的带有温度补偿的空隙率测量方法的最大测量绝对误差随温度变化的曲线。未加温度补偿的情况下，空隙率测量值会随着温度的变化，产生较大的误差。利用本发明所提出的温度补偿方法可以大大的降低温度对测量的影响，在20℃-180℃温度范围内，最大测量误差不超过10％。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种带有温度补偿的回油管路中油气两相流的空隙率测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1：将ECT传感器内部充满润滑油，将不同管径的空心聚四氟乙烯管插入ECT传感器内部，模拟回油管路中不同空隙率下油气两相流的典型流型，测量如下两部分数据：

(1)测量室温时不同空隙率下ECT传感器不相邻的两两电极之间的电容信号，组成离线数据集；

(2)测量不同温度下ECT传感器处于满管和空管状态下不相邻的两两电极之间的电容信号，作为在线测试阶段中温度补偿的参考值；

S2：将测得的离线数据集中的电容信号进行归一化处理；

S3：利用归一化后的电容数据，训练基于主成分回归的空隙率测量模型；

S4：在线测试时，将ECT传感器和温度传感器接入回油管路中，实时采集接入处管道截面的温度以及ECT传感器不相邻的两两电极之间的电容信号，在对电容信号进行温度补偿和归一化处理后，输入训练后的空隙率测量模型，输出空隙率。

2.根据权利要求1所述的带有温度补偿的回油管路中油气两相流的空隙率测量方法，其特征在于，所述归一化处理的公式如下：

其中，C_nor为归一化后的电容，为在温度T下ECT传感器空管时的电容，/>为在温度T下ECT传感器满管时的电容，C为电容实测值；在离线模型训练阶段，温度T为室温，在在线测试阶段，温度T为温度传感器的实测温度。

3.根据权利要求1所述的带有温度补偿的回油管路中油气两相流的空隙率测量方法，其特征在于，所述基于主成分回归的空隙率测量模型具体为：

(1)离线训练阶段，单次采集获得n个独立的电容数据，每个电容数据作为特征，构成具有n维特征的向量C，归一化处理得到归一化的电容数据C_nor；

(2)将归一化的电容数据C_nor通过主成分分析方法获得的变换矩阵P转换为几个相互正交的隐变量C_s

C_s＝P*C_nor

(3)对空隙率α与隐变量C_s进行回归分析，训练得到回归系数β：

α＝β*C_s+e

其中，e为残差；

由此获得空隙率测量模型：α＝W_α*C_nor

其中，W_α＝β*P为训练得到的权重系数。

4.一种实现权利要求1所述的带有温度补偿的回油管路中油气两相流的空隙率测量方法的带有温度补偿的回油管路中油气两相流的空隙率测量装置，其特征在于，该测量装置包括数据采集单元，以及与所述数据采集单元电连接的ECT传感器、温度传感器和上位机；

所述ECT传感器和温度传感器均用于接入被测回油管路；

所述数据采集单元用于对所述ECT传感器进行交替激励与检测，获得ECT传感器不相邻的两两电极之间的电容信号；以及采集温度传感器测量的被测回油管路中两相流的温度，并将电容信号和两相流温度实时发送给上位机；

所述上位机用于对电容信号进行温度补偿和归一化处理，再将归一化后的电容数据送入内置的空隙率测量模型，输出空隙率。