油液傳感器安裝優(yōu)化設(shè)計方法研究

葛仁超

摘要：燃油、滑油系統(tǒng)作為燃氣輪機重要的附屬系統(tǒng)。由于可靠性和安全性的需要，當(dāng)前燃氣輪機對燃油、滑油系統(tǒng)的外循環(huán)油液在線檢測有迫切的需求，但是在已有的系統(tǒng)安裝油液傳感器，勢必對原有油液系統(tǒng)產(chǎn)生管路壓力損失影響。這可能導(dǎo)致油液壓力降低，從而達不到原有設(shè)定的工作條件，而且還有可能造成供油泵的過載運行。因此，本文研究了兩種油液傳感器管路的安裝方式，并分別分析了油液傳感器安裝方式對管路損失的影響，對局部損失和沿程阻力進行原理分析及建立數(shù)學(xué)模型;隨后將油液管路壓力損失最小設(shè)定為優(yōu)化目標，建立相應(yīng)油液傳感器優(yōu)化模型，采用黃金分割算法實現(xiàn)了管路優(yōu)化設(shè)計。最后，利用本文的設(shè)計方案對工程實例進行了優(yōu)化，得到最優(yōu)傳感器螺紋尺寸為21.96mm，根據(jù)工程需要設(shè)定傳感器為25mm的螺紋，驗證了本文方法的有效性。

Abstract： As an important accessory system of gas turbine， fuel oil and lubricating oil system play an important role. Due to the need of reliability and safety， there is an urgent need for the on-line detection of external circulation oil in gas turbine. However， the installation of the oil sensor in the existing system will inevitably affect the pipeline pressure loss of the original oil system. This may lead to the decrease of oil pressure， which may not meet the original set working conditions， and may also cause the overload operation of the feed pump. Therefore， this paper studies two ways to install the oil sensor pipeline， and analyzes the influence of the way to install the oil sensor on the pipeline loss. Then， the minimum pressure loss of oil pipeline is set as the optimization objective， and the corresponding optimization model of oil sensor is established. The golden section algorithm is used to realize the optimization design of pipeline. Finally， according to the engineering example， the optimal sensor thread size is 21.96mm by using the design scheme in this paper， and the sensor thread size is 25mm according to the engineering needs， which verifies the effectiveness of the optimization method in this paper.

關(guān)鍵詞：燃氣輪機;油液傳感器;壓力損失;優(yōu)化

Key words： gas turbine;oil fluid sensor;pressure loss;optimization

0 ?引言

油液具有密封、潤滑、減磨、冷卻、清洗等作用而被視為機械設(shè)備的“血液”，尤其是其中的金屬顆粒攜帶了動力設(shè)備工作狀態(tài)的豐富信息，對其品質(zhì)的分析可有效的評價動力機械設(shè)備的狀態(tài)。針對油液的各項信息，人們研制出了各種檢測油液中水分、粘度、金屬顆粒以及介電常數(shù)等等的傳感器。例如英國的Kittewake傳感器檢測油液水分，Gill傳感器檢測油液金屬顆粒等，如圖1和圖2所示。這些傳感器已經(jīng)在工程中進行了應(yīng)用，對油液品質(zhì)的檢測起到了非常好的效果，從而對動力機械設(shè)備的狀態(tài)分析也有一定作用。

但是，當(dāng)傳感器安裝在油液管路中后，勢必會對原油液流道產(chǎn)生一定影響。眾所周知，滑油的粘性非常大，本身的系統(tǒng)的損失就非常大，如果油液傳感器安裝不當(dāng)，有可能會導(dǎo)致油泵的損壞或者局部管路的油液泄漏，通常，滑油系統(tǒng)在投入運行前是經(jīng)過系統(tǒng)管路優(yōu)化設(shè)計的。在已有油液系統(tǒng)上增加監(jiān)測設(shè)備，無疑將對油液的運行狀態(tài)產(chǎn)生影響，所以傳感器的安裝方式顯得尤為重要。影響的定量評估以及如何使影響減少的最小是本文研究的關(guān)注點。本文主要采用最優(yōu)化理論尋找傳感器最優(yōu)安置方案，使傳感器對于管路的影響降到最低。

1 ?油液傳感器對管路影響分析

1.1 安裝方式

典型油液檢測系統(tǒng)按照傳感器布置方式分為全通流以及旁通的形式。全通流是指在不影響原管路的情況下利用三通安裝傳感器，具體結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

旁通是指在原管路旁邊安裝一條新的管路與原管路形成并聯(lián)，具體結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。

液體在管內(nèi)的流動是工程常見的流動象，水在輸水管中的流動，油液在輸油管中的流動等等均屬于管內(nèi)流動，真實流體的管內(nèi)流動十分復(fù)雜，其中最主要的問題就是流動阻力計算。

1.2 管路損失分析

研究管路的局部壓強損失和沿程損失在流體工程中有著極為廣泛和重要的的應(yīng)用，常見于各種大型設(shè)備的設(shè)計研究等領(lǐng)域。此類壓強損失的產(chǎn)生與管長并無聯(lián)系。

1.2.1 局部損失

在管路系統(tǒng)中，往往存在若干特殊的通流部分，如節(jié)門、收縮段、擴張段等。在這些特殊部位，流動將產(chǎn)生阻力。局部阻力也稱為局部損失，通常習(xí)慣于把局部損失整理成與等截面管流損失相同的形式。

2 ?管路優(yōu)化模型

管流阻力分為管流沿程阻力和局部阻力，而局部阻力包括流體流經(jīng)節(jié)門、收縮段、擴張段等地方時，流體將產(chǎn)生一定的阻力。下面著重介紹局部損失及其數(shù)學(xué)模型[3]。

3 ?最優(yōu)化方法

最優(yōu)化理論與算法是一個重要的數(shù)學(xué)分支，它所研究的問題是討論在眾多的方案中什么樣的方案最優(yōu)以及怎樣找出最優(yōu)方案，其流程如圖8所示。其中，數(shù)學(xué)模型通常包括設(shè)計變量、目標函數(shù)和約束條件三個基本要素。

對于上一節(jié)建立的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，利用一維搜索優(yōu)化方法即可解決。本節(jié)采用一種單變量局域優(yōu)化（fminbnd）算法對上節(jié)問題求解。

Fminbnd是一種基于定步長尋找單值函數(shù)最小值的算法，它是基于黃金分割和拋物線插值，除非左端點非常接近右端點，F(xiàn)minbnd不求目標函數(shù)在端點的值，所以x需要被定義為x1

綜合來看，該算法對于一維搜索問題是非常有效，且精度和速度都比較可觀。

4 ?實際問題算例

以如圖9所示的全通流傳感器為例，根據(jù)給定的油液以及傳感器考慮實際情況，使傳感器布置對原管路的損失影響達到最小展開對三通的管徑進行優(yōu)化設(shè)計。

傳感器的主要參數(shù)如表2所示。

5 ?優(yōu)化結(jié)果

利用Matlab軟件對上述函數(shù)進行計算求解，首先對函數(shù)進行邊界的規(guī)定，新管道直徑應(yīng)該有以下關(guān)系：D2？叟16mm，且預(yù)先規(guī)定其右邊界為60mm;然后在Matlab軟件中對該函數(shù)進行圖示，觀察函數(shù)圖形。

總損失壓頭隨管徑的變化如圖10所示，可見函數(shù)在20～25處存在最小值，所以下一步對函數(shù)進行最優(yōu)計算，求得其最優(yōu)值。

6 ?結(jié)論

本文對于目前工業(yè)常用的油液傳感器的結(jié)構(gòu)形式進行了研究，并根據(jù)實際應(yīng)用的油液傳感器提出試驗段的設(shè)計方案，再根據(jù)確定方案對管路直徑采用Fminbnd算法進行優(yōu)化計算，通過優(yōu)化得出的管路參數(shù)，有效地保證了管路的應(yīng)用要求，通過工程實例表明該方法對管路的選擇設(shè)計具有一定的參考價值。

參考文獻：

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