7.2. Регулирование частоты вращения
Динамика дизеля, снабженного газотурбинным наддувом, как объекта регулирования частоты вращения, функциональная схема САР которой приведена на рис. 86, может быть описана следующей системой дифференциальных уравнений:
дизеля:
;
(89 а)
турбокомпрессора:
;
(89 б)
впускного коллектора:
;
(89 в)
выпускного коллектора:
;
(89 г)
Рис. 86. Функциональная схема САР частоты вращения судового ДВС
Решая записанные уравнения совместно, получим одно дифференциальное уравнение 4-го порядка. В этих уравнениях Тд, Тт, Тк и Тв — соответственно постоянные времени двигателя, турбонагнетателя, впускного и выпускного коллекторов, a k1, k2, k3, k4, k5, k6, k7, k8, k9, k10 — коэффициенты усиления;
;
;
;
;
—
безразмерные переменные соответственно частоты вращения вала дизеля, ротора турбины, давления компрессора, давления выхлопных газов и перемещения рейки топливных насосов.
Как показали исследования, проведенные в МВТУ им. Баумана, ЛПИ и т.п., инерционности впускного и выпускного коллекторов, определяемые постоянными времени Тк и Тв. весьма малы по сравнению с инерционностями дизеля и турбокомпрессора, а поэтому в практических расчетах с достаточной степенью точности динамика этих элементов может быть описана не дифференциальными, а алгебраическими уравнениями. В этом случае динамика системы будет описываться дифференциальным уравнением 2-го порядка. В то же время было обнаружено, что при значительной длине топливного трубопровода высокого давления (от топливного насоса к форсункам), что имеет место на малооборотных дизелях большой мощности, система топливоподачи обладает существенной инерционностью, а динамика ее может быть описана дифференциальным уравнением 2-го порядка.
Влияние инерционности системы топливоподачи становится особенно ощутимым при изменении внешней нагрузки по периодическому закону с амплитудой более 10%.
Поэтому при детальных исследованиях системы в некоторых случаях необходимо также учитывать и динамику топливоподающей системы.
Как известно, судовой дизель водоизмещающего судна, работающий на гребной винт, как объект регулирования частоты вращения обладает положительным самовыравниванием и поэтому при отсутствии больших возмущений может работать без регулятора. Однако ограничения колебаний частоты вращения при плавании судна в штормовых условиях, а также то, что при наличии регулятора более конструктивно решаются вопросы, связанные с установкой автоматизированного дистанционного управления дизелем, последние в большинстве случаев оборудуются регуляторами частоты вращения, тип и характеристики которых выбираются в зависимости от типа судна и его назначения, а также специфических особенностей дизеля и предъявляемых к нему требований.
7.2.1. Классификация регуляторов частоты вращения
Автоматические регуляторы частоты вращения ДВС классифицируются обычно в зависимости от типа чувствительного элемента на механические, пневматические и гидравлические; от передачи усилий на органы управления двигателем — на регуляторы прямого и регуляторы непрямого действия; от регулируемых скоростных режимов — на предельные, однорежимные, двухрежимные и всережимные; от типа обратной связи — на регуляторы без обратной связи, с жесткой обратной связью, с изодромной обратной связью и с комбинированной связью; в зависимости от числа импульсов — на одно- и многоимпульсные.
Для регулирования частоты вращения вала судовых двигателей наиболее часто применяют регуляторы с механическими чувствительными элементами непрямого действия, как предельные, так и всережимные.
В случае установки предельного регулятора частота вращения вала дизеля регулируется непосредственным воздействием с поста управления на регулирующий орган топливного насоса.
При этом каждому положению рукоятки (или маховика) на посту управления соответствуют однозначное положение регулирующего органа топливного насоса и определенная частичная характеристика двигателя. Характеристики двигателя, снабженного предельным регулятором, приведены на рис. 87. Предельный регулятор вступает в действие и перемещает топливорегулирующие органы только в сторону уменьшения подачи топлива при увеличении частоты вращения выше допустимого значения, что может иметь место при оголении гребного винта в штормовых условиях, поломке гребного вала либо потере винта.
Рис. 87. Характеристики судового дизеля, снабженного предельным
регулятором частоты вращения: