
книги из ГПНТБ / Регуляторы скорости дизель-генераторов
..pdfКрутящие моменты и средние эффективные давления изме няются соответственно с изменением частоты вращения
и
где т«1,4-=-3 в зависимости от типа судового дизеля.
Для дизеля, работающего на электрический генератор, ха- ■ рактерной является нагрузочная характеристика, позволяющая определить зависимость мощности и крутящего момента от на грузки при постоянной частоте вращения. Режим работы тепло
возного дизель-генератора характеризуется так |
называемой |
«тепловозной» характеристикой, определяющей |
зависимость |
мощности силового агрегата тепловоза от частоты вращения ко ленчатого вала дизеля.
Среди других параметров, позволяющих оценить работу ди зеля в зависимости от нагрузки, наиболее важными являются: удельный эффективный расход топлива Ge; часовой расход топ лива 5 Ч; эффективный к. п. д. Поэтому в качестве нагрузочных характеристик можно также принимать зависимости Ga(Ne) или B4(Ne) при постоянной частоте вращения коленчатого вала ди зеля.
Для характеристики дизеля как регулируемого объекта боль шое значение имеет также характер режимов работы, которые могут быть установившимися и неустановившимися. Установив шимся (или равновесным) называют такой режим работы дизе ля, при котором основные показатели (частота вращения, сред ние величины мощности и др.) остаются постоянными и не из меняются во времени. Такие условия работы могут быть только при равенстве мощности дизеля и мощности, расходуемой по требителем.
Неустановившимся называют такой режим работы, при ко тором мощность дизеля избыточна или недостаточна для данной нагрузки, в связи с чем частота вращения коленчатого вала длизеля и другие параметры изменяются во времени. Неустановившиеся режимы являются переходными от одного установивше гося режиму к другому.
Если пренебречь неравномерностью частоты вращения колен чатого вала дизеля, то установившийся режим работы можно обеспечить при сохранении равенства среднего значения эффек тивного крутящего момента дизеля Ме моменту сопротивления
Мс.
Если вследствие каких-либо причин это равенство нарушится, то избыток или недостаток энергии будет расходоваться на из менение частоты вращения. Характеристики дизеля гребного винта, генератора постоянного тока (тепловозного) и синхрон ного генератора (стационарный агрегат) совмещены на рис. 5. Кривые 1, 2, 3, 4 и 5 соответствуют изменению эффективного крутящего момента дизеля в зависимости от частоты вращения
20
{внешняя 1 и частичные 2—5 характеристики). Кривые Л, Б и В представляют собой характеристики момента сопротивления
гребного |
винта. Кривая |
Г — характеристика |
генератора; кри |
вая Д — характеристика |
синхронного генератора стационарного |
||
агрегата. |
Н определяет |
номинальный режим |
судового дизель- |
Точка |
генератора. Точки пересечения кривых 1—5 крутящего момента
дизеля и момента |
сопро |
|
|||||
тивления |
характеризуют |
|
|||||
•соответствующие |
устано |
|
|||||
вившиеся |
режимы |
агре |
|
||||
гата. |
|
|
|
равенства |
|
||
Нарушение |
|
||||||
Ме=М й вызывает |
откло |
|
|||||
нение |
частоты |
вращения |
|
||||
коленчатого |
вала |
дизеля |
|
||||
от установившегося |
зна |
|
|||||
чения. |
Величина |
новой |
|
||||
установившейся |
|
частоты |
|
||||
вращения и |
возможность |
|
|||||
обеспечения |
устойчивости |
|
|||||
работы дизеля зависят от |
rtjOB/M UH |
||||||
взаимного влияния харак |
|
||||||
теристик |
|
потребителя |
Рис. 5. Совмещенные характеристики дизе |
||||
(гребной |
винт, |
генератор |
ля и потребителя |
||||
и др.) |
и дизеля, а прежде |
|
всего от относительного изменения Ме и Мс в зависимости от частоты вращения.
j Устойчивостью дизеля называют его способность восстанавли вать установившийся режим без воздействия на систему подачи топлива. Рассмотрим два крайних случая взаимного расположе ния зависимостей Ме и М0. Если дизель работает в режиме, со ответствующем точке m (рис. 6, а), и по каким-либо причинам частота вращения коленчатого вала дизеля увеличится до значения'Пі>п,п (Пт — частота вращения равновесного режима), мо мент, сопротивления Мс станет больше эффективного крутящего момента М е> частота вращения уменьшится и равновесный ре жим восстановится.
Если частота уменьшится до п2< пт, то крутящий момент ди зеля станет больше момента сопротивления, т. е. установится неравенство М е> М с. Тогда избыток энергии вызовет увели чение частоты вращения до восстановления равновесного режи ма.
Таким образом, .взаимное расположение характеристик, при веденное на рис. 6, а, обеспечит устойчивый режим работы дизе ля. В этом случае считают, что агрегат обладает свойством само регулирования или самовыравнивания (положительное самовыравнивание).
21
Режим становится неустойчивым, если справа от точки k (рис. 6, б) пересечения характеристик будет справедливо нера
венство Ме< М с. В |
этом случае при увеличении частоты враще |
ния до значения п\ |
> пк соотношение моментов определится не |
равенством М ',>Л4с1. Избыточная мощность дизеля приведет к
еще большему увеличению частоты вращения и восстановление установившегося режима окажется невозможным (дизель «пой дет в разнос»).
Рис. 6. Зависимости моментов дизеля Мс и потребителя Мс:
а и б — соответственно при устойчивом и неустойчивом режимах работы дизеля
При уменьшении частоты вращения |
до n\< nh со |
отношение моментов М '2<М с2 способствует |
дальнейшему сни |
жению частоты вращения до остановки дизеля. В этих случаях считают, что дизель не обладает свойством саморегулирования или самовыравнивания (отрицательное самовыравнивание).
Между двумя крайними соотношениями характеристик дизе ля и потребителя может быть промежуточный случай, когда в
определенных пределах |
изменения частоты вращения будет |
|||
справедливо равенство Ме = Мс. В этом |
случае режим работы |
|||
будет астатическим (нулевое самовыравнивание). |
|
|||
Количественно устойчивость |
данного |
режима работы ди |
||
зеля зависит от избытка |
(при |
уменьшении частоты |
вращения) |
|
или недостатка (при увеличении частоты вращения) |
мощности, |
выражаемой величиной приращения крутящего момента. Чем больше ДМ (см. рис. 6, а) при одинаковом отклонении частоты вращения Ап от соответствующей устойчивому режиму, тем зна чительнее величина восстанавливающей мощности и тем быстрее и надежнее дизель будет возвращаться к устойчивому режиму работы. Дизели с нулевым или отрицательным саморегулирова нием не могут устойчиво работать без регулятора.
Г |
л |
а |
в |
а |
III |
КОНСТРУКЦИИ РЕГУЛЯТОРОВ
§ 7. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ РЕГУЛЯТОРОВ
Регулятор скорости является сложным по конструкции агре гатом с самостоятельной замкнутой масляной (гидравлической) системой. Он приводится от двигателя и смонтирован непосред ственно на двигателе. Базовой принципиальной схемой является схема регулятора двигателя Д50, упрощенно называемого регу лятором Д50.
Базовый регулятор
Регулятор Д50 (рис. 7) состоит из следующих основных ме ханизмов и узлов: чувствительного элемента или измерителя скорости, исполнительного органа — гидравлического серводви гателя и обратной связи.
Чувствительный элемент центробежного типа состоит из пру жины 2 измерителя и двух вращающихся грузов 3. Усилие предварительного сжатия пружины уравновешивается цен тробежной силой вращающихся грузов. Грузы регулятора вы
полнены |
в виде угловых рычагов, |
а ось пружины |
совпадает |
|
с осью |
вращения чувствительного |
элемента. Это |
позволяет |
|
изменять сжатие пружины во время работы и тем самым |
уста |
|||
навливать требуемую частоту вращения коленчатого вала |
дизе |
|||
ля. |
|
|
|
|
При изменении нагрузки на дизель равновесие пружины и грузов нарушается, грузы сходятся или расходятся и увлекают золотник 20, управляющий поступлением масла к серводвигате лю 23. При увеличении скорости вращения грузов они расходят ся и перемещают золотник 20 вверх, а при уменьшении — схо дятся и золотник перемещается вниз. Золотник 20 управляет движением поршня 22 и впускает масло под давлением в рабо чую полость серводвигателя или выпускает масло из этой поло
сти.
Серводвигатель под действием чувствительного элемента обеспечивает надлежащую величину усилия для перемещения реек топливных насосов и тем самым изменяет подачу топлива в цилиндры двигателя. Серводвигатель состоит из поршня 22, цилиндра и пружины 21. Шток 25 поршня 22 через рычажную
23
передачу связан с рейками топливных насосов. Поршень 22 дви жется вверх (увеличение подачи топлива) под действием давле ния масла, а вниз (уменьшение подачи топлива) под действием пружина 21.
Рис. 7. Принципиальная схема регулятора Д50:
I — зубчатая |
рейка; |
2 — пружина измерителя; |
3 — грузы; |
4 — тарелка; |
5 — подшипник; |
|||||||||
о —траверса; |
7, |
10, |
15, |
16 н 17 — каналы; |
8 — аккумуляторы |
масла; |
9 — масляная ванна; |
|||||||
I I — масляный |
насос; |
12 — компенсирующий |
игольчатый |
клапан; |
13 — компенсирующая |
|||||||||
пружина; |
14 — поршень |
золотниковой втулки; |
18 — золотниковая втулка; |
19 — букса; |
20— |
|||||||||
золотник; |
21 — пружина; 22 — поршень |
силового |
цилиндра; 23 — серводвигатель; |
24 — |
||||||||||
поршень |
компенсирующего |
цилиндра; 25 — шток; |
А |
и В — положение штока серводвига |
||||||||||
теля |
соответственно |
при максимальной чн |
минимальной подачах |
топлива |
|
Механизм обратной связи состоит из поршня 24, поршня 14,
золотниковой втулки 18, компенсирующей пружины 13 и компен сирующего игольчатого клапана 12. При изменении нагрузки на дизель поршень 22 начинает перемещаться и вызывает увеличе ние или уменьшение подачи топлива, которое продолжалось бы
24
до восстановления частоты вращения* коленчатого вала дизеля, соответствующей изменившейся нагрузке. ■
Однако благодаря инерции кривошипно-шатунного механиз ма дизеля изменение частоты вращения его коленчатого вала начинается не одновременно с изменением подачи топлива, а че рез какой-то незначительный промежуток времени. Поэтому не обходимо ограничить перемещение поршня 22 и, тем самым, из бежать излишней или недостаточной подачи топлива. Это огра ничение осуществляется обратной связью, управляющей движе нием золотниковой втулки 18. Обратная связь является изодром ной и обеспечивает постоянную частоту вращения коленчатого вала дизеля независимо от изменения нагрузки. При работе дизеля с заданной частотой вращения коленчатого вала усилие пружины 2 измерителя через тарелку 4 и шарикоподшипник 5 воспринимается концами угловых рычагов-грузов. 3. Букса 19 вместе с шестернями масляного насоса 11 и траверсой 6 с гру зами 3 приводится во вращение от шестерни распределитель ного вала дизеля. Масло нагнетается насосом 11 в гидравличе ские аккумуляторы 8, которые необходимы для поддержания по стоянного давления масла в масляной системе регулятора при любых режимах работы дизеля (гидравлический аккумулятор работает как редукционный клапан).
Во время внезапного увеличения нагрузки на дизель в пер вое мгновение частота вращения, а следовательно, и произво дительность масляного насоса регулятора резко уменьшаются. Для. быстрого завершения процесса регулирования в этом слу чае необходима мгновенная подача под поршень 22 серводвига теля значительной дозы масла. В этот момент масляному насо су «помогает» гидравлический аккумулятор. Как только давле ние масла в системе регулятора станет ниже расчетного, пружи ны аккумулятора, перемещая поршни, направят в магистраль дополнительное количество масла. Таким образом, задачей гид равлического аккумулятора является также создание запаса масла под давлением и использование этого запаса в необходи мый момент.
Работа регулятора при пуске дизеля. Пружина 2 измерителя имеет предварительное сжатие, соответствующее минимальной частоте вращения холостого хода. При неработающем дизеле центробежная сила грузов чувствительного элемента равна ну лю. Поэтому грузы под действием пружины 2 сведены внутрь, а золотник 20 находится в крайнем положении. Поршень 22 также находится в крайнем нижнем положении, соответствующем вы ключенной подаче топлива. Поршни гидравлических аккумуля торов пружинами прижаты к верхним заглушкам аккумулято ров. При частоте вращения, соответствующей пуску дизеля, мас-
*■Здесь и далее под частотой вращения понимаем число оборотов в ми нуту коленчатого вала дизеля.
25
ло под давлением от масляного насоса поступает по каналам 7 и 17 в полость под поршень 22 и заставляет поршень преодолеть усилие пружины 21 и переместиться вверх.
Поршень 24, поднимаясь вместе с поршнем 22, создает давле ние в масляной системе обратной связи. Однако подъем порш ня 22 и, следовательно, возрастание давления масла в масляной системе обратной связи происходит медленно. Поэтому масло из этой системы успевает вытечь через игольчатый клапан 12 и не выводит поршень 14 и связанную с ним золотниковую втул ку 18 из среднего положения. При движении поршня 22 вверх рейки топливных насосов перемещаются в положение начала подачи топлива, происходит пуск дизеля и устанавливается ми нимальная частота вращения, соответствующая предварительно му сжатию пружины измерителя. При этом золотник 20, под нявшись до среднего положения, перекрывает своим рабочим диском отверстия в золотниковой втулке и прекращает поступ ление масла под поршень 22 серводвигателя.
Работа регулятора при неизменной нагрузке дизеля. В этом случае усилие пружины измерителя уравновешено центробеж ной силой грузов 3, а отверстие в золотниковой втулке 18 пе рекрыто рабочим диском золотника 20. Золотниковая втулка 18 удерживается компенсирующей пружиной 13 в среднем положе нии, обеспечивающем необходимую подачу топлива.
Работа регулятора при уменьшении нагрузки дизеля. При уменьшении нагрузки частота вращения коленчатого вала дизе ля начинает возрастать и грузы под действием увеличивающей ся центробежной силы расходятся на расстояние, пропорцио нальное изменению частоты вращения. При этом золотник 20 передвигается вверх, нижний поясок золотника открывает отвер стие в золотниковой втулке 18 и масло из полости под поршнем 22 перетекает по каналам 17 и 16 в масляную ванну 9. Поршень 22 под действием пружины 21 перемещается вниз. Шток 25 пор шня 22 через рычажную передачу перемещает рейки топливных насосов в сторону снижения подачи топлива, и частота враще ния коленчатого вала дизеля уменьшается. При движении порш ня 22 вниз, в полости над поршнем 24 создается разрежение, ко торое распространяется по каналу 15 в полость над поршнем 14 золотниковой втулки 18.
Под действием этого разрежения золотниковая втулка 18, сжимая пружину 13, передвигается вверх и отверстие в золот никовой втулке 18 вновь перекроется нижним диском золотника 20. Вытекание масла из-под поршня 22 прекратится и поршень остановится. При правильном взаимодействии частей регулято ра количество подаваемого в цилиндры,топлива уменьшится в строгом соответствии со снижением нагрузки и частота враще ния будет восстановлена. Возвращение золотника 20 и золотни ковой втулки 18 в исходное положение происходит следующим образом: пока частота вращения коленчатого вала дизеля не
•26
восстановилась, необходимо сохранить поршень 22 неподвиж ным'. В процессе этого восстановления грузы 3 сходятся и золот никовая втулка 18 возвращается в исходное положение одновре менно с грузами и золотником 20. Это достигается регулирова нием потока масла через игольчатый клапан 12.
Завершение цикла работы при уменьшении нагрузки дизеля состоит в следующем: золотник 20 и золотниковая втулка 18 дви жутся вместе вниз к своему исходному положению; отверстие в золотниковой втулке 18 остается закрытым и, следовательно, поршень 22 остается неподвижным. Все движущиеся части ре гулятора возвращаются в свое исходное состояние за исклю чением штока 25 серводвигателя, который находится в положе нии, соответствующем уменьшенной нагрузке дизеля.
При резком снижении нагрузки, грузы с золотником и, следо вательно, золотниковая втулка, устанавливаются в крайнее верх нее положение. При этом поршень 14 золотниковой втулки 18 своей нижней кромкой открывает отверстие в буксе 19, сообщая полость над ним с масляной ванной. Этот перепуск масла кром ками поршня 14 в дополнение к перепуску масла через иголь чатый клапан 12 сокращает длительность переходного процесса.
Работа регулятора при увеличении нагрузки. В регуляторе при увеличении нагрузки дизеля происходят процессы, противо положные описанным. С увеличением нагрузки частота враще ния дизеля начинает уменьшаться, грузы сходятся к оси враще ния и пружина 2 измерителя передвигает золотник 20 вниз. При этом рабочий диск золотника 20 открывает отверстие в золотни ковой втулке 18 и масло, находящееся под давлением, начинает поступать по каналам 7 и 17 в полость под поршнем 22. Этот поршень начнет передвигаться вверх, преодолевая усилие пружи ны 21.
При движении поршня 22 вверх подача топлива увеличит ся и частота вращения дизеля возрастет. При движении поршня 22 вверх в полости над поршнем 24 создается повышенное дав ление масла, которое по каналу 15 распространяется в полость над поршнем 14 золотниковой втулки 18. Это давление застав ляет поршень 14 вместе с золотниковой втулкой 18 двигаться вниз, сжимая пружину 13 до тех пор, пока отверстие в золот никовой втулке 18 вновь перекроется рабочим диском золотни ка 20. Поступление масла под поршень 22 прекратится и он бу дет остановлен в положении, соответствующем увеличившейся нагрузке дизеля.
Возвращение золотника 20 и золотниковой втулки 18 в исход ное положение происходит следующим образом: частота враще ния дизеля начинает увеличиваться, грузы 3 регулятора расхо дятся, поднимая золотник 20 вверх; пружина 13 возвращает зо лотниковую втулку 18 в среднее положение, заставляя масло выходить из полости над поршнем 14 золотниковой втулки 18 через открытый игольчатый клапан 12. При этом отверстие в зо-
27
лотниковой втулке 18 перекрыто рабочим диском' золотника 20 и поршень 22 остается неподвижным. !
По окончании цикла работы регулятора при увеличений на грузки грузы, золотник и золотниковая втулка будут находиться в исходном положении, а поршень серводвигателя в положёнии, соответствующем увеличенной нагрузке дизеля. При резком уве личении нагрузки грузы с золотником и золотниковая втулка устанавливаются в крайнее нижнее положение, а поршень зо лотниковой втулки своей нижней кромкой открывает отверстие в буксе, сообщая полость над ним с масляной ванной. Этот пе репуск масла кромками поршня золотниковой втулки в дополне ние к перепуеку масла через игольчатый клапан также ссікращает длительность переходного процесса, как и в режиме регу лятора при уменьшении нагрузки.
Рассмотренная принципиальная схема воплощена в ряде мо дификаций регуляторов Д50, 2Д100, ЗД100 и др. Дополнитель ные требования, предъявляемые к системам автоматического регулирования современных тепловозов, вызываемые особенно стями работы его силовой установки, привели к созданию новых схем регуляторов. Так, для тепловозных дизель-генераторов 10Д100, кроме заданной частоты вращения, необходимо поддер живать и постоянную мощность генератора. Такое требование для тепловозов с электропередачей может быть выполнено при дополнительном воздействии на систему возбуждения генерато ра. Схемы регулирования, использующие воздействия как на сис тему подачи топлива дизеля, так и на систему возбуждения ге нератора, получили название схем объединенного регулирова ния, а регулятор, выполняющий обе функции, — объединенного регулятора частоты вращения и нагрузки.
Объединенный регулятор
Объединенный регулятор состоит из регулятора скорости, аналогичного устанавливаемому на дизелях Д50 и 2Д100, регу лятора мощности и механизма электрогидравлическо го управле ния частотой вращения.
Регулятор мощности. Главным назначением системы регули рования силовой установки тепловоза является поддержание та кого режима работы дизеля, при котором обеспечивается наи более эффективное использование локомотива. Нагрузка тяговых электродвигателей, а следовательно, и величина потребляемого ими тока, изменяется в зависимости от профиля пути и скорости движения тепловоза. При постоянном напряжении главного ге нератора это привело бы к изменению его мощности и мощности дизеля. Для обеспечения постоянства мощности главного гене ратора необходимо изменять его напряжение так, чтобы про изведение величины тока на напряжение оставалось постоянным. Такое изменение напряжения достигается воздействием индук-
28
тивного датчика регулятора мощности на возбуждение главного генератора. При этом работа генератора поддерживается по ха рактеристике, близкой к характеристике постоянной мощности,, что позволяет использовать полную мощность дизеля почти во всем диапазоне скоростей тепловоза.
/ — треугольная пластина; |
2 — золотник; 3 — золотниковая |
втулка; |
4 — шестерня; 5 — ак |
|||||||||
кумуляторы |
масла; 6 — грузы; |
7 — пружина |
измерителя; |
8 — тяга; |
9 и |
И — рычаги; |
||||||
Ю — гайка; |
/2 — упор; |
18 — серводвигатель |
управления |
частотой |
вращения; |
14 — золот |
||||||
ник; |
15 — золотниковая |
втулка; |
/6'— пружины; |
17— поршень со |
штоком; 18 — игольча |
|||||||
тый |
клапан; |
19 — втулка; |
20 — коромысло; |
21 — верхний |
шток; 22 — |
серводвигатель ин |
||||||
|
дуктивного датчика; |
23 — индуктивный датчик; 24 — силовой |
серводвигатель |
Регулятор мощности состоит из золотникового устройства (измерительный орган), обратной связи и серводвигателя с ин дуктивным датчиком. Поршень 17 (рис. 8) серводвигателя 13 ко ромыслом 20 соединен с механизмом управления частотой.вра щения. С коромыслом 20 тягой соединен золотник 14, установ ленный в золотниковой втулке 15. Пружинами 16 золотниковая втулка 15 фиксируется в среднем положении. Золотниковое уст ройство управляет подачей масла в серводвигатель 22, соединен ный с индуктивным датчиком 23. Для обеспечения устойчивости процесса регулирования скорость перемещения поршня серво двигателя при увеличении и уменьшении возбуждения главного генератора регулируется игольчатыми клапанами 18.
29