CN114636641A - 一种航空发动机滑油粘度的在线检测模型计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及航空发动机的技术领域，特别涉及一种航空发动机滑油黏度的在线检测模型计算方法，包括获取滑油运行过程中实时状态下磨粒的径向速度usb和磨粒的径向滑移速度uss；根据滑油对磨粒的拖曳系数Cd及磨粒的雷诺数Reb，建立有关滑油黏度的模型；将获取的磨粒的径向速度usb、磨粒的径向滑移速度uss输入至该模型来获得滑油黏度参数。本发明提供的计算方法构建了数学模型，并利用该数学模型对信号进行处理、计算以得到滑油黏度参数。不仅可实线滑油黏度参数的实时在线检测，有利于对发动机突发故障进行监测以及掌握滑油的实时状态，同时还无需昂贵的设备和熟练的分析人员，满足对航空发动机滑油实时监测的需求。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机的技术领域，特别涉及一种航空发动机滑油黏度的在线检测模型计算方法。
背景技术
滑油系统是航空发动机最重要的系统之一。特别是在滑油润滑摩擦接触中的轴承表面上附有负责冷却和清洗接触表面的磨损颗粒。因而，具有磨粒的滑油对于运行中的机器来说，是最重要信息载体。随着发动机的运行，滑油理化性质会不断恶化，为了避免发动机故障，必须在滑油失去性能之前更换滑油。而在突发情况如燃油等渗入滑油油路、发动机突发剧烈磨损下滑油中还会产生大量磨粒，会大大影响滑油理化性质甚至引发重大安全事故。为了可靠地确定最佳换油周期以及监测发动机突发故障，需要对滑油的实时物理和化学状况进行监测。
目前，对滑油进行油况监测的方法是采用实验室离线检测法，即，从滑油系统中抽取滑油样本，并在实验室通过滑油检测设备进行分析，从而得到有关滑油状况的详细信息。然而该方法的测试过程十分繁琐耗时，且通常需要昂贵的设备和熟练的分析人员；并且也无法提供发动机状况的实时信息，从而导致无法避免对运行期间的发动机突发故障进行预测。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的滑油离线检测存在的不足之一，本发明提供一种航空发动机滑油黏度的在线检测模型计算方法，包括如下步骤：
步骤S10，获取滑油运行过程中实时状态下磨粒的径向速度usb和磨粒的径向滑移速度uss；
步骤S20，根据滑油对磨粒的拖曳系数Cd以及磨粒的雷诺数Reb，建立有关滑油黏度的模型；
步骤S30，将获取的磨粒的径向速度usb、磨粒的径向滑移速度uss输入至上述模型中，以获得实时状态下的滑油黏度参数。
在一实施例中，在步骤S10中，磨粒的径向速度usb通过电容传感器检测出，磨粒的径向滑移速度uss通过以下公式获得：
usb＝us-uss
式中，us为滑油的径向速度，m/s；所述滑油的径向速度us通过滑油流量计获取。
在一实施例中，在步骤S20中，模型的建立包括如下公式：
根据磨粒的径向滑移速度uss求出滑油对磨粒的拖曳系数Cd，公式如下：
式中，ρl为滑油的密度，kg/m3；ρg为磨粒的密度，kg/m3；
根据滑油对磨粒的拖曳系数Cd求出磨粒的雷诺系数Reb，公式如下：
根据磨粒的雷诺数Reb求解滑油的黏度，公式如下：
式中，Cd为滑油对磨粒的拖曳系数；db为磨粒的直径，m；μl为滑油的粘度，Pa*s；
通过上述公式建立出关于磨粒的径向速度usb、磨粒的径向滑移速度uss以及滑油黏度参数之间的计算模型。
在一实施例中，在步骤S20中，将所述计算模型写入程序中以用于滑油粘度的实时自动化求解。
在一实施例中，所述电容传感器包括有外芯基体、设置在外芯基体内部的内芯基体以及连接在外芯基体和内芯基体之间的若干分隔基体，所述分隔基体将外芯基体和内芯基体之间的空间划分为多个探测子空间，同时，外芯基体和内芯基体两端还形成有滑油进口和滑油出口，以便于滑油流经探测子空间；
所述电容传感器还包括若干电极板，所述电极板分别附于所述外芯基体、内芯基体以及分隔基体上。
在一实施例中，所述电极板包括平面电极板和曲面电极板，以在所述探测子空间内构成平面非平行电容器和曲面平行电容器。
在一实施例中，在步骤S10中，将所述电容传感器安装于滑油管路中，并使其内部有滑油通过；其中，携带磨粒的滑油进入所述探测子空间时将引起子空间电容变化，从而由硬件系统采集反馈磨粒经过的电容信号；最后从采集得到的信号中获取实时状态下磨粒的径向速度usb。
在一实施例中，在步骤S30中，将通过电容传感器获取实时状态下磨粒的径向速度usb以及通过滑油流量计获取实时状态下滑油的径向速度us传输入写有计算模型程序的系统中，并由计算模型对上述参数进行计算，从而获得实时状态下滑油黏度参数。
基于上述，与现有技术相比，本发明提供的航空发动机滑油黏度的在线检测模型计算方法构建了滑油磨粒运动的数学模型，并利用该数学模型对信号进行处理、计算以得到滑油黏度参数。不仅可实线滑油黏度参数的实时在线检测，有利于对发动机突发故障进行监测以及掌握滑油的实时状态，同时还无需昂贵的设备和熟练的分析人员，满足对航空发动机滑油实时监测的需求。
本发明的其它特征和有益效果将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他有益效果可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；在下面描述中附图所述的位置关系，若无特别指明，皆是图示中组件绘示的方向为基准。
图1为本发明提供的航空发动机滑油黏度的在线检测模型计算方法的流程图；
图2为磨粒经过电容传感器形成的电容变化信号波形；
图3为电容传感器的立体图；
图4为电容传感器的侧视图。
附图标记：
10外芯基体 20内芯基体 30分隔基体
40电极板 41平面电极板 42曲面电极板
50探测子空间
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；下面所描述的本发明不同实施方式中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，本发明所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义，不能理解为对本发明的限制；应进一步理解，本发明所使用的术语应被理解为具有与这些术语在本说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且不应以理想化或过于正式的意义来理解，除本发明中明确如此定义之外。
针对现有技术中只能对滑油进行离线检测，而无法得知有关机器健康状况实时信息的问题，参阅图1，本发明实施例提供了一种航空发动机滑油黏度的在线检测模型计算方法。该模型计算方法通过数学模型的构建来推导出磨粒运动与滑油黏度的关系，并利用该数学模型对获取磨粒运动信号进行处理、计算，从而得到实时状态下的滑油黏度参数。具体包括以下步骤：
步骤S10，获取滑油运行过程中实时状态下磨粒的径向速度usb和磨粒的径向滑移速度uss；
其中，可通过电容传感器来获取滑油运行过程中实时状态下磨粒的径向速度usb，具体地，携带有磨粒的滑油从电容传感器中经过时会引起电容的变化，从而获得单个磨粒经过传感器时的电容变化信号波形，参照图2，已知t1-t0＝Δt为磨粒经过传感器所用的时间，则在传感器尺寸l确定情况下可以算出磨粒径向速度：usb＝l/Δt，同时，再通过滑油流量计等设备来获取滑油的径向速度us，再通过公式usb＝us-uss，可求解出磨粒的径向滑移速度uss。
应当说明的是，上述通过电容传感器及滑油流量计求解磨粒参数仅仅是方法之一，本领域技术人员还可通过其他已公开的检测设备和方法来求解滑油磨粒的相关参数。
步骤S20，根据滑油对磨粒的拖曳系数Cd以及磨粒的雷诺数Reb，建立有关滑油黏度的模型；具体地，模型的建立包括如下公式：
根据磨粒的径向滑移速度uss求出滑油对磨粒的拖曳系数Cd，公式如下：
式中，ρl为滑油的密度，kg/m3；ρg为磨粒的密度，kg/m3；
根据滑油对磨粒的拖曳系数Cd求出磨粒的雷诺系数Reb，公式如下：
根据磨粒的雷诺数Reb求解滑油的黏度，公式如下：
式中，Cd为滑油对磨粒的拖曳系数；db为磨粒的直径，m；μl为滑油的粘度，Pa*s；
应当说明的是，式中的滑油密度、磨粒密度、磨粒直径等参数可根据实际油况事先确定好。通过上述公式建立出关于磨粒的径向速度usb、磨粒的径向滑移速度uss以及滑油黏度参数之间的计算模型。
步骤S30，将获取的磨粒的径向速度usb、磨粒的径向滑移速度uss输入至上述模型中，具体为通过磨粒的径向滑移速度uss求解出滑油对磨粒的拖曳系数Cd，再通过滑油对磨粒的拖曳系数Cd求解出磨粒的雷诺数Reb，最后利用磨粒的雷诺数以及磨粒的径向速度usb，求解出实时状态下的滑油黏度参数。
优选地，可将上述计算模型写入传感器硬件系统的程序中，通过传感器硬件系统获取求解滑油粘度所需参数，再由传感器硬件系统的程序来处理和计算，从而对滑油粘度的实时状态进行自动化求解，整个过程实现了全自动化。
相较于传统的实验室离线检测法，无需昂贵的设备和熟练的分析人员，无需繁琐的操作步骤。不仅可实线滑油黏度参数的实时在线检测，有利于对发动机突发故障进行监测，还能够掌握滑油的实时状态，确定发动机最佳换油周期，避免不必要的换油，可有效满足对航空发动机滑油实时监测的需求。
优选地，如图3、4所示，所述电容传感器包括有外芯基体10、设置在外芯基体10内部的内芯基体20以及连接在外芯基体10和内芯基体20之间的若干分隔基体30。所述分隔基体30将外芯基体10和内芯基体20之间的空间划分为多个探测子空间50，同时，外芯基体10和内芯基体20两端还形成有滑油进口和滑油出口，以便于滑油流经探测子空间50。较佳地，滑油进口和滑油出口应与滑油管道的截面形状相符。
作为一种优选方案，所述外芯基体10的形状为中空的圆柱型，内芯基体20为实体的圆柱型，二者嵌套设置，若干分隔基体30为平板状，等间隔设置在二者之间，从而将二者之间的空间划分为若干等体积的探测子空间50。
应当说明的是，根据上述发明构思，本领域技术人员还可通过将外芯基体10、内芯基体20以及分隔基体30设计成其他的形状，均落入本发明的保护范围。
所述电容传感器还包括若干电极板40，所述电极板40分别附于所述外芯基体10、内芯基体20以及分隔基体30上。具体可参照图3、4所示，所述电极板40包括平面电极板41和曲面电极板42，以在所述探测子空间50内构成平面非平行电容器和曲面平行电容器。
其工作原理为磨粒在流经电容传感器时会因为不同形状大小而使得平面非平行电容器和曲面平行电容器具有不同的相应信号特征(如信号宽度、峰值变化速率等)，因此，可利用同一探测子空间内不同电容传感器获取的时域信号特征来进行多层融合，以建立磨粒的运动表征信息。另外，通过不同探测子空间的电容传感信号的差分比较和补偿运算，能够消除环境因素对磨粒运动表征信息的影响，从而得到准确的磨粒运动表征信息，以便于后续获取磨粒的运动参数。
进一步地，采用上述电容器的步骤S10中，包括以下步骤：将所述电容传感器安装于滑油管路中，并使其内部有滑油通过；其中，携带磨粒的滑油进入所述探测子空间时将引起子空间电容变化，从而由硬件系统采集反馈磨粒经过的电容信号；最后从采集得到的信号中获取实时状态下磨粒的径向速度usb。
最后，在步骤S30中，将通过电容传感器获取实时状态下磨粒的径向速度usb以及通过滑油流量计获取实时状态下滑油的径向速度us传输入写有计算模型程序的系统中，并由计算模型对上述参数进行计算，从而获得实时状态下滑油黏度参数。
应当说明的是，所述电容传感器不局限于采用上述结构，本领域技术人员还可采用其他能够获取相应磨粒运动参数的电容传感器构造。
综上所述，与现有技术相比，本发明提供的航空发动机滑油黏度的在线检测模型计算方法具有以下优点：
一、可实现滑油粘度的实时监测，有利于监测突发情况如燃油进入滑油油路等突发故障；
二、不需要昂贵的设备和熟练的分析人员，轻松实现滑油粘度自动化求解；
三、滑油粘度的实时监测有利于掌握滑油实时状态，确定最佳换油周期，避免了不必要的换油。
另外，本领域技术人员应当理解，尽管现有技术中存在许多问题，但是，本发明的每个实施例或技术方案可以仅在一个或几个方面进行改进，而不必同时解决现有技术中或者背景技术中列出的全部技术问题。本领域技术人员应当理解，对于一个权利要求中没有提到的内容不应当作为对于该权利要求的限制。
尽管本文中较多的使用了诸如径向速度、径向滑移速度、拖曳系数、雷诺数、电容传感器、外芯基体、内芯基体、分隔基体、探测子空间、电极板、平面电极板、曲面电极板等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的；本发明实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种航空发动机滑油黏度的在线检测模型计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S10，获取滑油运行过程中实时状态下磨粒的径向速度usb和磨粒的径向滑移速度uss；
步骤S20，根据滑油对磨粒的拖曳系数Cd以及磨粒的雷诺数Reb，建立有关滑油黏度的模型；
步骤S30，将获取的磨粒的径向速度usb、磨粒的径向滑移速度uss输入至上述模型中，以获得实时状态下的滑油黏度参数。
2.根据权利要求1所述的航空发动机滑油黏度的在线检测模型计算方法，其特征在于：在步骤S10中，磨粒的径向速度usb通过电容传感器检测出，磨粒的径向滑移速度uss通过以下公式获得：
usb＝us-uss
式中，us为滑油的径向速度，m/s；所述滑油的径向速度us通过滑油流量计获取。
3.根据权利要求2所述的航空发动机滑油黏度的在线检测模型计算方法，其特征在于：在步骤S20中，模型的建立包括如下公式：
根据磨粒的径向滑移速度uss求出滑油对磨粒的拖曳系数Cd，公式如下：
式中，ρl为滑油的密度，kg/m3；ρg为磨粒的密度，kg/m3；
根据滑油对磨粒的拖曳系数Cd求出磨粒的雷诺系数Reb，公式如下：
根据磨粒的雷诺数Reb求解滑油的黏度，公式如下：
式中，Cd为滑油对磨粒的拖曳系数；db为磨粒的直径，m；μl为滑油的粘度，Pa*s；
通过上述公式建立出关于磨粒的径向速度usb、磨粒的径向滑移速度uss以及滑油黏度参数之间的计算模型。
4.根据权利要求3所述的航空发动机滑油黏度的在线检测模型计算方法，其特征在于：在步骤S20中，将所述计算模型写入程序中以用于滑油粘度的实时自动化求解。
5.根据权利要求2所述的航空发动机滑油黏度的在线检测模型计算方法，其特征在于：所述电容传感器包括外芯基体、设置在外芯基体内部的内芯基体以及连接在外芯基体和内芯基体之间的若干分隔基体，所述分隔基体将外芯基体和内芯基体之间的空间划分为多个探测子空间，同时，外芯基体和内芯基体两端还形成有滑油进口和滑油出口，以便于滑油流经探测子空间；
所述电容传感器还包括若干电极板，所述电极板分别附于所述外芯基体、内芯基体以及分隔基体上。
6.根据权利要求5所述的航空发动机滑油黏度的在线检测模型计算方法，其特征在于：所述电极板包括平面电极板和曲面电极板，以在所述探测子空间内构成平面非平行电容器和曲面平行电容器。
7.根据权利要求4所述的航空发动机滑油黏度的在线检测模型计算方法，其特征在于：在步骤S10中，将所述电容传感器安装于滑油管路中，并使其内部有滑油通过；其中，携带磨粒的滑油进入所述探测子空间时将引起子空间电容变化，从而由硬件系统采集反馈磨粒经过的电容信号；最后从采集得到的信号中获取实时状态下磨粒的径向速度usb。
8.根据权利要求7所述的航空发动机滑油黏度的在线检测模型计算方法，其特征在于：在步骤S30中，将通过电容传感器获取实时状态下磨粒的径向速度usb以及通过滑油流量计获取实时状态下滑油的径向速度us传输入写有计算模型程序的系统中，并由计算模型对上述参数进行计算，从而获得实时状态下滑油黏度参数。
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