1. Судовой двигатель как объект управления и регулирования.

1.1. Краткая техническая характеристика двигателя.

Дизель 7ДКРН 80/160 – 4 соответствует требованиям технических условий на дизель и комплекта конструкторской документации, одобренной Регистром.

Основные параметры и размерности:

Тип дизеля – двухтактный, простого действия, реверсивный, крейцкопфный, с газотурбинным наддувом (с постоянным давлением газов перед турбиной), со встроенным упорным подшипником, расположение цилиндров рядное, вертикальное.

Диаметр цилиндра 80 мм, ход поршня 1600 мм. Система продувки прямоточно–клапанная.

Максимальная длительная мощность (МДМ): 12365 кВт .

Перегрузочная мощность (ПМ): 14000 кВт. Дизель может работать на этой мощности в течение одного часа с перерывом не менее 12 часов.

Частота вращения, мин^-1 (об/мин);

1) соответствующая МДМ – 122,

2) соответствующая ПМ - 126,

ОСТОВ ДИЗЕЛЯ.

Остов дизеля состоит из фундаментной рамы со встроенным упорным подшипником и приваренным поддоном, коробки картера и блока цилиндров.

Фундаментная рама – сварная, состоит из двух секций, соединенных между собой болтами и призонными шпильками. Каждая секция состоит из двух сварных продольных балок и сварно-литых поперечин. Фундаментная рама дизеля укладывается на фундамент судна и крепится фундаментными болтами.

Упорный подшипник – одногребенчатый, размещённый в кормовой секции фундаментной рамы, воспринимает осевые усилия, передаваемые на валопровод от гребного винта. Смазка упорного подшипника осуществляется от системы циркуляционной смазки дизеля. Дизель оборудован системой защиты от повреждения упорного подшипника, которая автоматически снижает обороты или останавливает дизель при снижении давления масла, идущего на смазку подшипника или при увеличении температуры масла сверх допускаемых значений.

Коробка картера состоит из двух секций соединяемых в вертикальной плоскости в районе отсека приводов. Каждая секция представляет собой стальную сварную коробку с вваренными из толстостенных труб колодцами под анкерные связи.

В коробке картера расположены чугунные направляюще крейц­копфов и трубопроводы слива масла охлаждения поршней.

Коробка картера и фундаментная рама вместе составляют кар­тер двигателя.

В коробках картера против каждого отсека имеются люки, закрываемые картерными щитами. На коробке карте­ра со стороны выхлопа устаовлены предохранительные клапаны.

Блок цилиндров состоит из отдельных рубашек цилиндров, которые соединяются между собой призонными шпиль­ками. В верхней части рубашек цилиндров устанавлива­ются цилиндровые втулки, а нижняя часть образует полость ресивера продувочного воздуха. В центральной расточке днища рубашки рас­полагается сальник штока поршня. Днище рубашки двойное и в нем циркулирует охлаждающая вода. Со стороны выхлопа в рубашке цилин­дра имеется вырез, через который полость ресивера сообщается с коллектором продувочного воздуха.

Сальник штока поршня служит для предотвращения по­падания масла из картера в ресивер и продувочного воздуха из реси­вера в картер. Корпус сальника состоит из двух половин. В корпусе сальника установлены две группы колец: в двух верх­них канавках - уплотнительные и в четырех нижних - маслосъемные.

Уплотнительные кольца состоят из верхнего и нижнего бронзовых колец, каждое из которых состоит из четырех сегментов. Уплотнительные кольца расположены в канавке так, что стыки верх­него и нижнего колец смещены относительно друг друга.

Чтобы уменьшить до минимума утечки масла и воздуха через сальник, кольца должны тщательно подгоняться к штоку поршня. Шток не должен иметь задиров.

Анкерные связи.

Фундаментная рама коробка картера и блок цилиндров стягиваются между собой анкерными связями, нижние гайки которых опираются на поперечные балки фундаментной рамы, а верхние гайки - на рубашки цилиндров.

Каждая анкерная связь состоит из двух частей, соединенных гайкой. От опускания в поддон при снятии верхней гайки и для удобства монтажных работ анкерные связи удерживаются стопорами. Для предотвращения вибрации анкерных связей служат эластичные стопорные устройства. Затяжка анкерных связей производится гидравлическим способом.

Крышка цилиндра, изготовленная из легированной жаростойкой стали, закрывает втулку цилиндра и вместе с ней прижимается к рубашке цилиндра при помощи шпилек и гаек гидрав­лическим способом. Уплотнение камеры сгорания обеспечивается притиркой по­садочного пояска крышки и втулки цилиндра, а также уплотнительным кольцом, изготовленным из мягкой стали. Крышка цилиндра охлаждается пресной водой, поступающей из охлаждающей полости втулки цилиндра. По сверлениям в крышке охлаждающая вода поступает к кольцевым ка­налам и отводится по трем переливным патрубкам (два угловых и один прямой) в полость охлаждения выпускного кла­пана.

На крышке цилиндра установлены выпускной клапан, две фор­сунки, пусковой клапан, предохранительный клапан и индикаторный кран. Выпускной клапан установлен в гнездо в центре крышки. Фор­сунки и остальные клапаны установлены в соответствующих отвер­стиях крышки. Форсунки крепятся к крышке цилиндра при помощи гаек и пружинных проставок.

ЦИЛИНДРОПОРШНЕВАЯ ГРУППА.

Втулка цилиндра изготовлена из специального легиро­ванного чугуна. Верхней частью втулка цилиндра прижимается к рубаш­ке цилиндра крышкой. Между крышкой и втулкой установлено, уплотнительное кольцо. Нижней частью втулка при помощи бурта центриру­ется в рубашке цилиндра и может удлиняться вдоль оси цилиндра при нагревании. В нижней части втулки, выходящей в полость ресивера имеются продувочные окна.

Смазочное масло к втулке цилиндра подводится через штуцеры. Все смазочные отверстия во втулке ци­линдра соединены между собой общей маслораспределительной ка­навкой, нарезанной на рабочей поверхности втулки. Вода для охлаждения каждой втулки цилиндра поступает из кол­лектора пресной воды через отверстия в нижней части охлаждаю­щей полости ресивера. Затем вода поступает в пространство между рубашкой и втулкой цилиндра, в верхнюю охлаждаемую полость ру­башки и оттуда по пяти переливным патрубкам в кольцевую полость. Уплотнение охлаждающей полости в нижней части втулки цилин­дра осуществляется двумя резиновыми кольцами , которые установлены в канавках втулки. Уплотнение полости ресивера про­дувочного воздуха осуществляется двумя аналогичными резиновыми кольцами, установленными в канавки второго уплотняющего пояса втулки цилиндра. По специальному заказу на втулках цилиндров устанавливаются датчики контроля и предупреждения износа втулок цилиндров.

Поршень со штоком.

Поршень состоит из следующих основных частей: го­ловки из специальной жаростойкой стали, юбки из перлитового чу­гуна, стальной вставки и трубы маслопровода и стального кованого штока поршня.

Вставка маслопровода, головка и юбка поршня вместе с нажимным кольцом крепятся болтами. При затяжке болтов юбка поршня изгибает нажимное кольцо и созданный таким образом предваритель­ный прогиб компенсирует температурное удлинение цилиндрической части головки поршня.

На головке поршня в хромированных канавках установлено пять поршневых колец. Все поршневые кольца с косым зам­ком. С наружных кромок всех поршневых колец снята небольшая фаска, которая улучшает условия приработки новых поршневых колец.

В штоке поршня выполнено глубокое сверление, в котором находится труба маслопровода. Подвод охлаждающего масла к головке поршня осуществляется по кольцевому каналу, образованному трубой маслопровода и стенками отверстия в штоке, а отвод - по трубе маслопровода.

Поршни охлаждаются маслом, подаваемым из системы циркуляци­онной смазки дизеля. Масло поступает по телескопической трубе, сверлениям в крейцкопфе, центральному сверлению штока поршня во внутреннее пространство вставки маслопровода, откуда подается в кольцевое пространство между вставкой и головкой поршня через сопловые трубки, которые для улучшения теплоотдачи сообщают ох­лаждающему маслу вращательное движение. Затем масло проходит по канавкам на вставке и охлаждает днище поршня. Отводится масло по трубе маслопровода, отводящей и сливной трубам в поддон дизеля.

КРИВОШИПНО-ШАТУННЫЙ МЕХАНИЗМ.

Коленчатый вал полусоставной с коваными шейками и литыми кривошипами. Шейки с кривошипами соединяются горячей посад­кой. Коленчатый вал дизеля состоит из двух частей с разъемом в районе отсека приводов.

Упорный вал - стальной, цельнокованный, соединяется с колен­чатым валом при помощи призонных конических болтов. Выходной конец упорного вала тлеет фланец для соединения с судовым валопроводом.

Шатун состоит из стержня, отъемной нижней (мотылёвой) головки и двух отъемных верхних (крейцкопфных) головок, корпуса которых имеют стенки различной жесткости для обеспечения прогиба в соответствии с прогибом поперечины крейцкопфа при работе дизеля. Стержень шатуна - стальной, кованый, круглого сечения с центральным отверстием для подвода масла к мотылёвому подшипнику.

Необходимая высота камеры сжатия обеспечивается за счет точ­ности изготовления соответствующих деталей.

Крейцкопф состоит из поперечины и двух на­правляющих башмаков, которое центрируются на поперечине при помощи двух штифтов и крепятся к ней болтами. Рабочие поверхности башмаков залиты баббитом, в котором имеются масляные ка­навки, обеспечивающие равномерное распределение масла по рабочим поверхностям башмаков.

Поперечина крейцкопфа опирается на верхние подшипники шатуна. В средней части поперечина имеет четыре плоскости, из которых верхняя и нижняя используются для установки и крепления штока пор­шня, а боковые - для крепления подводящей и отводящей труб масля­ной системы. В теле поперечины имеются сверления, по которым масло поступает для смазки подшипников шатуна, рабочих поверхностей башмаков крейцкопфа и на охлаждение поршня.

1.2. Уравнение динамики главного судового двигателя.

Схема компоновки пропульсивного энергетического комплекса судна, представленная на рис.1 получила наибольшее распространение в мире[1]. В качестве главного приводного двигателя в этой схеме используется один малооборотный двигатель с прямой передачей мощности на гребной винт фиксированного шага (ВФШ). Вывод уравнения динамики двигателя приводится именно для такого варианта компоновки главной силовой установки судна.

Главный судовой двигатель как объект (ОР) регулирования частоты вращения вала представлен на рис.1 в виде звена с входными и выходными параметрами. За выходной параметр принята частота вращения n, т.е. число оборотов вала двигателя в минуту. Входными параметрами будем считать:

- внешнее возмущающее воздействие с как фактор условий работы судна, определяющих степень нагружаемости ГД со стороны потребителя мощности;

- регулирующее воздействие h в виде индекса положения рабочего органа, определяющего цикловую подачу топлива в цилиндры дизеля.

Уравнением динамики главного двигателя назовём уравнение, связывающее его входные и выходные параметры и описывающее поведение двигателя в переходных процессах.

Рис.1 Типовая принципиальная схема пропульсивной энергетической установки судна и функциональное представление главного дизельного двигателя как объекта регулирования частоты вращения вала.

В отношении рассматриваемого объекта возьмём основное уравнение динамики вращательного движения:

(1)

где J - приведённый к оси вращения момент инерции двигателя и всех связанных с его валом масс, включая присоединённые к гребному винту массы воды, кг ·м²;

- угловая скорость вращения вала двигателя, с^-1;

М – результирующий момент всех действующих на его валу сил, Н · м.

Поскольку на практике в эксплуатации флота контроль частоты вращения главных двигателей принято осуществлять в количестве оборотов за минуту, поэтому целесообразно в уравнении (1) угловую скорость выразить через число оборотов n, воспользовавшись соотношением

(2)

где n – частота вращения вала двигателя, мин^-1.

Вместе с этим, результирующий момент М определим наиболее простым образом как алгебраическую сумму эффективного момента М_е, развиваемого двигателем, и момента сил сопротивления М_с, т.е. потребителя механической энергии, которые действуют на корпус и воспринимаются гребным винтом при движении судна.

Тогда уравнение динамики (1) ГД представим так:

, (3)

где моменты М_е и М_с определены как неявные функции соответствующих фазовых переменных, т.е. входных и выходной координат объекта регулирования, согласно его функциональной схемы (рис.1).

Использование уравнения (3) в исследованиях либо при моделировании динамических процессов требует аналитического представления функциональных зависимостей для моментов M_e(n , h) и M_c(n , c). Эти зависимости определяются эмпирически и такого рода эмпирические модели функций всегда нелинейны по отношению к определяющим их аргументам. Следовательно, уравнение (3) изначально является нелинейным дифференциальным уравнением.

При линеаризации нелинейных функций производится подмена нелинейных функций их некоторыми линейными эквивалентами от их аргументов, справедливыми для описания поведения рассматриваемого элемента лишь в достаточной близости относительно некоторого заданного установившегося режима работы.

Всем параметрам, относящимся к какому-либо конкретно рассматриваемому установившемуся режиму работы двигателя, будем присваивать индекс «0». В таком случае текущие значения фазовых координат объекта регулирования могут быть представлены в приращениях как

,

, (4)

.

Линеаризация функций M_e(n , h) и M_c(n , c) достигается разложением каждой их них в ряд Тейлора

,

. (5)

Очевидно, что в установившемся режиме работы двигателя

С учётом этого обстоятельства, подставляя выражения (5) и первое из соотношений (4) в нелинейное уравнение (3), получим

.

Преобразуем это выражение

.

В конечном счёте, линеаризованное дифференциальное уравнение главного двигателя представим в виде

(6)

в операторной форме

. (7)

Где приняты следующие обозначения

;

; (8)

,

где Т_Д - постоянная времени двигателя;

К_h - коэффициент усиления двигателя по регулирующему воздействию;

К_с - коэффициент усиления по внешнему возмущающему воздействию.

Коэффициенты Т_Д, К_h и К_с являются динамическими характеристиками главного двигателя как объекта регулирования частоты вращения вала. Постоянная времени Т_Д характеризует инерционные свойства двигателя; коэффициент усиления К_h – эффективность регулирующего воздействия на изменение скорости вращения вала по каналу подачи топлива, а коэффициент усиления К_с – силу воздействия на изменение числа оборотов двигателя внешнего возмущения.

Коэффициенты Т_Д, К_h и К_с уравнения динамики судового двигателя практически определяют экспериментально путем снятия, так называемых, разгонных характеристик, т.е. регистрируя переходные процессы объекта регулирования в режиме ручного управления при ступенчатых воздействиях на его соответствующие входы.

Если же существуют те или иные аналитические представления для нелинейных функций M_e(n , h) и M_c(n , c), то динамические характеристики судового дизеля рассчитаем согласно выражений (8) и используем в дальнейшем. В судовой документации по двигателю, в качестве обобщенной меры его нагруженности, всегда приводят значения развиваемой им мощности, которые установлены и определены на различных режимах во время ходовых испытаний судна. Результаты этих испытаний служат изначальными опорными ориентирами для обслуживающего персонала в процессе всей дальнейшей эксплуатации двигателя.

Поэтому проведем некоторые преобразования с формулами (8), воспользовавшись справедливым для вращательного движения соотношением

,

где Р - мощность, Вт.

Это выражение определяет взаимосвязь между моментом М вообще, мощностью N, формирующей его, и частотой вращения его вала агрегата, механизма либо другого технического устройства. Подставляя формулу (2) в указанное равенство, представим его в виде

, (9)

где

а N – мощность, кВт или л.с.;

k = 1000 , если размерность мощности N принята в кВт, и

k = 735,5 , если мощность выражена в л.с.

С учётом того, что в неявном виде функции эффективной мощности N_e(n,h), и мощности сопротивления N_c(n,c) находятся в зависимости от тех же пар аргументов, что и функции соответствующих моментов в уравнении (3), дифференцируя выражение (9) по фазовым переменным объекта регулирования, найдем, что частные производные соответствующих моментных характеристик, входящие в выражения (8), можно представить как

;

;

; (10)

.

Подставляя соотношения (10) в выражения (8), а также имея в виду, что в установившихся режимах работы пропульсивного комплекса

,

окончательно для расчёта динамических параметров двигателя получим следующие формулы:

, с^-1 ;

, ; (11)

, .

Равенства (11) выражают зависимость коэффициентов уравнения динамики главного двигателя от некоторых особенностей поведения энергетических характеристик комплекса «двигатель - движитель - корпус судна» в некотором установившемся режиме его работы. Частные производные в этих соотношениях определяют соответственно темп изменения эффективной мощности двигателя и мощности сопротивления потребителя по тому или иному аргументу, т.е. фазовой координате объекта регулирования. Знаменатель в выражениях (11)

, ; (12)

приято трактовать как фактор устойчивости двигателя. Этот динамический параметр характеризует его способность к самовыравниванию, т.е. самостоятельно (в отсутствии регулятора) приходить в состояние динамического равновесия в случае какого-либо нарушения последнего. Если F_Д > 0, установившийся режим работы двигателя считается устойчивым, при F_Д = 0 установившийся режим находится на границе устойчивости, если F_Д < 0 равновесный режим неустойчив и возможно недостижим как таковой вообще.

Коэффициенты усиления К_h и К_с двигателя по сути представляют собой чувствительность объекта регулирования по каналам входных воздействий, соответственно регулирующего и внешнего возмущающего воздействия. Оба коэффициента определяют насколько изменятся обороты вала двигателя, по отношению к какому-либо исходному установившемуся режиму его работы, при изменении на единицу измерения фазовой координаты соответствующего входного воздействия.