книги из ГПНТБ / Регуляторы скорости дизель-генераторов

Крутящие 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

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

генератора. Точки пересечения кривых 1—5 крутящего момента

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

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

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:

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.

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