книги из ГПНТБ / Печененко, В. И. Автоматика регулирования и управления судовых силовых установок учеб. пособие

Глава V!

АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

§ 49. ДВС КАК ОБЪЕКТ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ

Судовые ДВС работают либо на гребные винты, либо на электрогенераторы, питающие током моторы гребных винтов или вспомогательных механизмов. Рассмотрим случай работы двигателя на гребной винт. На рис. 126 показаны характеристики крутящего момента двигателя Мд, которые являются характеристиками подвода энер­ гии, и винтовые характеристики Мп, явля­ ющиеся характеристиками отвода энергии.

Скоростной режим двигателя в установив­ шихся режимах определяется равенством вырабатываемой двигателем энергии и энергией, используемой потребителем — гребным винтом, т. е.

тороннего вмешательства в работу двигателя при новых

МДі (уменьшение отвода при постоянном подводе энергии) приве­ дет к увеличению частоты вращения двигателя от П\ до п2 об/мин. При изменении характеристики двигателя МДі на МДі и неизмен­ ной характеристике винта М в, (уменьшение подвода при посто­ янном отводе энергии) приведет к уменьшению частоты вращения вала двигателя от щ до п3. В обоих случаях разность моментов Мд—Мв, возникающая после нанесения возмущения, сама спо­ собствует восстановлению равенства между подводом и отводом энергии, в результате чего и наступает новый установившийся ре­ жим. Очевидно, что если нанесенное возмущение будет снято, то скоростной режим двигателя снова станет прежним. Заменив вин­

200

товые характеристики характеристиками нагрузки сети на рис. 126, легко увидеть, что аналогичная картина будет и в случае работы двигателя на электрогенератор. Из рассмотренного примера вид­ но, что двигатель внутреннего сгорания как объект регулирования частоты вращения вала обладает свойством самовыравнивания (саморегулированием), т. е. является статическим объектом.

Величина самовыравнивания зависит от взаимного располо­ жения характеристик подвода и отвода энергии. Чем больше угол пересечения характеристик подвода (Л4Д) и отвода (Мп) энергии, тем больше самовыравнивание двигателя, т. е. чем больше раз­ ность частных производных

(142)

тем больше самовыравнивание, где со — угловая скорость враще­ ния вала двигателя. Фактор устойчивости F двигателя как объек­ та регулирования частоты вращения вала на различных режимах работы неодинаков. С уменьшением нагрузки взаимное располо­ жение характеристик подвода Мд и отвода Мв энергии изменяет­ ся (.Мд смещается вниз и разворачивается по часовой стрелке), обусловливая уменьшение разности (142), а значит, и уменьшение самовыравнивания. На малых нагрузках (режим холостого хода) из-за. изменения коэффициента подачи топливных насосов и усло­ вий протекания рабочего процесса двигателя фактор устойчиво­ сти может иметь нулевое и даже отрицательное значение.

Отдача мощности ДВС, строго говоря, происходит не непре­ рывно, а отдельными порциями. Это обусловлено тем, что при перестановке дозирующих органов подача топлива изменяется не сразу, а с запаздыванием, равным времени между двумя рабочи­ ми тактами в последовательно работающих цилиндрах. Однако это запаздывание невелико, и при решении обычных технических задач его обычно не учитывают.

В практике обычно в качестве уравнения двигателя внутрен­ него сгорания как объекта регулирования частоты вращения вала при возмущениях как со стороны нагрузки, так и со стороны по­ дачи топлива принимают уравнение одноемкостного объекта без самовыравнивания:

Мт

носительное положение рейки топливного на­ соса) ;

201

,X = ----------относительное изменение отвода энергии;

Мт

I — приведенный момент инерции масс, вращающих­ ся вместе с валом двигателя;

—угловая скорость вращения вала при номиналь­ ном числе оборотов в минуту;

МАН и /ИВ1, — вращающий момент двигателя и момент сопро­

тивления винта при номинальном режиме рабо­ ты двигателя.

Для определения времени разгона двигателя Та при динами­ ческих расчетах можно воспользоваться зависимостями

Значение GD2 приводится в паспортных данных двигателей. Для дизелей, работающих на гребной винт, в GD2 должны быть учтены гребной вал, винт и присоединенная масса воды. Для дизелей, ра­ ботающих на генератор, GD2 берется с учетом ротора генератора.

Выше было показано, что ДВС, работающий на гребной винт или электрогенератор, обладает самовыравниванием. При работе двигателя на номинальной и средних нагрузках самовыравнивание двигателя достаточно велико и он может устойчиво работать без специального автоматического регулятора частоты вращения вала.

Отклонения частоты вращения вала при обычных эксплуата­ ционных нарушениях равенства подвода и отвода энергии будут невелики, так как крутящий момент и частота вращения вала связаны приблизительно квадратичной, а эффективная мощность кубической зависимостями, т. е.

где с1 и с2 — постоянные момента и мощности.

Однако при малых нагрузках двигателя it режимах холостого хода характеристика подвода энергии Мд может занимать такие положения, при Которых самовыравнивание будет очень неболь­ шим и даже отрицательным. На рис. 127 показано возможное по­ ложение характеристик подвода и отвода энергии при режиме холостого хода. При работе двигателя с частотой вращения пі (точка А) случайное увеличение частоты вращения приведет си­

202

стему двигатель — винт в новое равновесное состояние с часто­ той вращения п2 об/мин (точка В), т. е. самое незначительное возмущение вызовет значительное изменение частоты вращения вала. Случайное изменение частоты вращения в сторону умень­ шения от ііі приведет к остановке двигателя (двигатель заглох­ нет), так как момент сопротивления винта окажется больше, чем момент, развиваемый двигателем. Очевидно, что устойчивую ра­ боту двигателя при таком расположении характеристик подвода и отвода энергии можно обеспечить только соответствующими из­ менениями подачи топлива. Регулирование подачи топлива вруч­ ную при неустойчивой работе двигателя весьма затруднительно. Эта задача может быть реше­ на наиболее просто и качест­ венно установкой на двигатель регулятора частоты вращения вала.

В период плавания судна в штормовых условиях возмож­ ны резкие изменения нагрузки двигателя из-за оголений и погружений в воду гребного винта. При увеличении погру­ жения винта нагрузка на дви­ гатель резко возрастает. При оголении винта нагрузка рез­ ко снижается, вся избыточная

энергия, вырабатываемая двигателем, идет на увеличение частоты вращения вала, которая может достигнуть значений, опасных для прочности двигателя. В этом случае регулирование частоты вра­ щения вала изменением подачи топлива вручную оказывается уто­ мительным и неэффективным. При отсутствии регулятора частоты вращения вала обслуживающий персонал вынужден устанавли­ вать заниженную фиксированную подачу топлива с таким расче­ том, чтобы избежать перегрузок двигателя. В результате снижает-., ся скорость судна, а следовательно, и его эксплуатационные по­ казатели.

В эксплуатации возможны аварии: поломка гребного вала, по­ теря гребного винта или поломка его лопастей, опорожнение гид­ ромуфт и т. п. В таких случаях винтовая характеристика резко

на увеличение частоты вращения двигателя. Новый равновес­ ный режим окажется далеко за пределами области эксплуатаци­ онных режимов и прежде чем будет достигнут, двигатель пойдет вразнос. Так как инерционность судовых ДВС невелика (время разгона главных двигателей 0,6—2,5 сек, дизель-генераторов 1,5— 4 сек), то в этих случаях, без автоматического регулятора часто­ ты вращения вала, обслуживающий персонал не в состоянии успеть что-либо предпринять.

203

При работе двигателя на электрогенератор переменного тока частота вращения двигателя, независимо от его нагрузки, должна поддерживаться в узких пределах, так как с ее изменением изме­ няется частота тока в сети. Если двигатель работает на генератор постоянного тока, то с изменением частоты вращения изменяется напряжение тока, что также допустимо лишь в узких пределах. Нагрузка судовой электросети нестабильна и может изменяться на значительную величину. Колебания нагрузки электросети нано­ сят возмущения двигателю, изменяя его частоту вращения. Под­ держание заданного скоростного режима ручным воздействием на подачу топлива вызывает серьезные трудности, а порой просто невозможно.

Необходимость установки автоматических регуляторов часто­ ты вращения двигателей внутреннего сгорания обусловлена также и в случаях параллельной работы нескольких двигателей на греб­ ной винт или электросеть.

Необходима установка автоматических регуляторов частоты вращения вала двигателя и при наличии автоматизированной си­ стемы дистанционного управления двигателем, в которых регуля­ тор является одним из основных узлов.

Следует отметить, что по мере совершенствования конструк­ ций автоматических регуляторов частоты вращения на них возла­ гаются также важные дополнительные функции автоматизации работы двигателя. К числу таких функций относятся ограничение нагрузки, коррекция внешней характеристики, автоматическое из­ менение угла опережения впрыска топлива в цилиндры, контроль давления в системе смазки и др.

В настоящее время все судовые ДВС оборудуются автомати­ ческими регуляторами частоты вращения.

§ 50. РАБОТА ДВС С АВТОМ АТИЧЕСКИМ И РЕГУЛЯТОРАМИ

ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ

Для выбора того или иного типа регулятора частоты вращения и его параметров настройки необходимо знать эксплуа­ тационные режимы работы двигателя, его скоростные и нагрузоч­ ные характеристики. Режимы работы двигателей и их характерис­ тики подробно рассматриваются в курсе «Судовые двигатели внутреннего сгорания». Поэтому здесь приводятся лишь общие понятия о них в объеме, необходимом для изложения сущности автоматического регулирования скоростного режима двигателей.

На рис. 128 показаны следующие характеристики:

1 — внешняя характеристика, которая выражает зависимость крутящего момента двигателя от развиваемой им частоты вра­

няя характеристика получена при оптимальных значениях всех параметров рабочего процесса двигателя, влияющих на Мя и Ne, то она называется абсолютной внешней характеристикой. Работа

204

двигателя на внешней характеристике может быть лишь кратко­ временной;

2 — заградительная характеристика, которая называется так­ же внешней эксплуатационной, или ограничительной. Эта харак­ теристика выражает зависимость Ne= f(n) при Mn = const либо р0= const. В некоторых случаях заградительной характеристикой может быть зависимость эффективной мощности Ne или крутяще­ го момента Мя от частоты вращения при неизменном полезном ходе плунжера топливного насоса, ограниченном упором регули­ рующей тяги;

3, 7, 8 — винтовые характеристики, представляющие зависи­ мость эффективной мощности или эффективного крутящего мо­

5 — нагрузочные характеристики, представляющие зависимость часового или удельного расхода топлива от мощности, крутящего момента или среднего эффективного давления при постоянной частоте вращения двигателя; - 6 — регуляторная характеристика, представляющая зависи­

мость мощности или крутящего момента от частоты вращения двигателя при наличии автоматического регулятора с фиксиро­ ванной настройкой. Регуляторные характеристики могут быть так­ же и другого вида, в зависимости от типа регулятора и его на­ стройки, о чем будет сказано ниже.

В установившихся режимах при работе двигателя на гребной винт эксплуатационные режимы двигателя находятся в области, ограниченной заградительной характеристикой 2, винтовыми ха­ рактеристиками при работе на швартовах (тяжелой) 7 и при ра­ боте с оголенным винтом (легкой) 8, а также максимально допу­ стимой частоте вращения при длительной эксплуатации и мини­ мально допустимой, при которой обеспечена устойчивая работа, двигателя. При работе двигателя на электрогенератор область эксплуатационных режимов двигателя ограничена заградительной характеристикой, минимально и максимально допустимой частоты вращения, а также линией длительно допустимой минимальной мощности.

205

На судовых двигателях внутреннего сгорания, в зависимости от их назначения и условий работы, устанавливаются статические (пропорциональные), изодромные и изодромные с остаточной пе^ равномерностью регуляторы частоты вращения, которые могут вы­ полнять роль однорежимных, предельных, двухрежимных, всережимных, а также предохранительных. Эти регуляторы могут быть одно- и двухимпульсные, прямого и непрямого действия.

Однорежимные (прецизионные) регуляторы устанавливаются в случаях, когда по условиям эксплуатации двигатель должен поддерживать неизменную частоту вращения при всех установив­ шихся значениях нагрузки либо однозначную зависимость частоты вращения от нагрузки в пределах заданной неравномерности (б> 0). Например, при работе двигателя на генератор переменного тока необходимо поддерживать частоту вращения постоянной (ли­ бо с небольшой неравномерностью, если б> 0), так как с отклоне­ нием частоты вращения изменяется частота тока в сети. При однорежимном регуляторе процесс вывода двигателя на номинальные обороты осуществляется ручным воздействием на подачу топлива. Если частота вращения двигателя отличается от номинальной, регулятор вступает в работу и уменьшает или увеличивает подачу топлива. (В последние годы часто на дизель-генераторы устанав­ ливаются также всережпмные регуляторы, которые позволяют без ручного управления осуществлять процессы пуска, прогрева и вывода двигателя на заданный скоростной режим.)

При фиксированных подачах топлива, на скоростных режимах

теристикам 7, 8 или по внешней заградительной 2 до регулятор­ ной характеристики 6, т. е. до тех пор, пока не вступит в работу регулятор. Дальнейшая работа двигателя в установившихся режи­ мах происходит по соответствующей регуляторной характеристи­ ке 6.

Предельные регуляторы часто называются также регулятора­ ми максимальной частоты вращения. Предельные регуляторы вступают в работу только при превышении двигателем номиналь­ ной частоты вращения на 10—12% (сброс нагрузки, оголение или поломка гребного винта и т. п.), уменьшая подачу топлива и пре­ дохраняя двигатель от перегрузок и разноса. На всех других режимах предельный регулятор не работает и управление двига­ телем осуществляется изменением подачи топлива вручную. Рабо­ та двигателя, оснащенного предельным регулятором, происходит аналогично работе двигателя, оснащенного однорежимным регу­ лятором (рис. 129, а), с той лишь разницей, что регулятор не под­ держивает заданный скоростной режим, а вступает в работу на уменьшение подачи топлива при предельно допустимой частоте вращения двигателя. Эти регуляторы находят применение на не­ которых судах с малооборотными двигателями, не имеющих си­ стем дистанционного управления.

206

Двухрежимные регуляторы поддерживают частоту вращения двигателя на двух режимах, соответствующих максимальной и ми­ нимальной частоте вращения, допустимой при длительной экс­ плуатации. На промежуточных скоростных режимах управление двигателем производится воздействием на подачу топлива вруч­ ную. Применение двухрежимных регуляторов вызвано особенно­ стями рабочего процесса двигателя. Выше уже говорилось, что при

са, то в ряде случаев устанавливаются двухрежимные регуля­ торы.

Двухрежимные регуляторы применяются на двигателях, ра­ ботающих в широком диапазоне нагрузок и частоты вращения.

На рис. 129, б показаны характеристики работы двигателя с двухрежимным регулятором при трех различных положениях ме­ ханизма управления регулятором. Если частота вращения дви­ гателя меньше п2 об/мин, при которой работа двигателя неустой­ чива, регулятор увеличивает подачу топлива и не дает двигателю заглохнуть. Если частота вращения превысит максимальное зна­ чение п3, регулятор уменьшает подачу топлива и обеспечивает его работу по регуляторной характеристике 4.

207

Всережимные регуляторы поддерживают частоту вращения двигателя на всех нагрузках и позволяют иметь неограниченное число регулируемых скоростных режимов в диапазоне от мини­ мального до максимального. На судах находят применение регу­ ляторы как с переменной, так и с постоянной предварительной затяжкой задающих пружин. Всережимные регуляторы устанав­ ливаются на двигателях, длительное время работающих на ско­ ростных режимах меньше номинальных, а также в установках, оборудованных системами дистанционного управления.

На рис. 129, в показаны характеристики работы двигателя, оборудованного всережимным регулятором. Каждая из регулятор­ ных характеристик 6 определяет собой линию статических режи­ мов при определенном положении механизма управляющего изме­ нением скорости вращения. Работа двигателя, оборудованного всережимным регулятором, характеризуется высокой устойчиво­ стью на всех нагрузочных и скоростных режимах в пределах огра­ ничительной характеристики 2 и рабочего диапазона скоростей вращения (диапазон скоростей вращения судовых двигателей внутреннего сгорания лежит в пределах от 3 : 1 до 5 : 1).

Предохранительные регуляторы устанавливаются в особых случаях по требованию Регистра СССР (ГОСТ 11928—66) допол­ нительно к основным регуляторам. Эти регуляторы являются ава­ рийными, вступают в работу при выходе из строя основного регу­ лятора, прекращая подачу топлива к двигателю при превышении предельно допустимой частоты вращения.

§ 51. ПРЕДЕЛЬНЫЕ И ОДНОРЕЖИМНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ

В качестве примера рассмотрим работу предельного регулятора, установленного на судовых двигателях 18 Д (64 PH 30/38) (рис. 130). Валик 1 регулятора приводится во вра­ щение от распределительного вала двигателя, связанного с вали­ ком 1 через коническую шестерню 2. На валике регулятора уста­ новлена крестовина 4, на которой смонтированы грузы чувстви­ тельного элемента 12 с помощью вставленных в пружины осей 15. Для увеличения веса грузы имеют свинцовую заливку, по форме близкую к параллелепипеду. Для уменьшения сил трения (уменьшения зоны нечувствительности) грузы 13 установлены на шарикоподшипниках. Усилие от лапок грузов передается муфте 5 при помощи ножей 14 и далее через упорный подшипник И за­ дающей (установочной) пружине 10. С противоположной стороны усилие воспринимается через упорный подшипник 3 корпусом ре­ гулятора.

Настройка регулятора на предельную частоту вращения осу­ ществляется изменением натяжения задающей пружины 10 с по­ мощью винта 9 с таким расчетом, чтобы ее усилие могло быть преодолено приведенным к муфте усилием, развиваемым чувстви­ тельным элементом при частоте вращения двигателя, превышаю­ щей номинальную на 10— 12%.

208

При увеличении частоты вращения двигателя свыше заданной задающей пружиной 10 муфта 5 регулятора под действием цент­ робежных сил грузов 13 чувствительного элемента перемещается вверх. Под воздействием муфты рычаг 7 поворачивается по часо-

Рис. 130. Предельный регулятор прямого действия двигателей 18Д (64 PH 30/38)

вой стрелке относительно оси 8 и толкателем 6 перемещает меха­ низм управления топливными насосами в сторону уменьшения по­ дачи топлива. Процесс регулирования продолжается до тех пор, пока частота вращения двигателя не станет меньше предельной и задающая пружина вернет муфту в первоначальное положение.