книги из ГПНТБ / Кутьин Л.И. Автоматизация судовых дизельных и газотурбинных установок учебник

вышению частоты вращения вала, по снижению давления смазоч­ ного масла, охлаждающей воды, температуре выпускных газов, которая косвенно характеризует нагрузку двигателя. В газотурбин­ ных установках, кроме того, могут быть предусмотрены устройства автоматической защиты по снижению давления топлива и потере факела в камере сгорания, по температуре газов перед турбиной, по сигналу о перегреве масла в системе смазки.

Вспомогательные устройства, обслуживающие главный и вспо­ могательные двигатели, и вспомогательные агрегаты энергетической установки также автоматически защищены от аварийных состояний по определенным характерным для них параметрам.

Комплекс главный двигатель—вант—корпус судна как объект управления

Конечный результат управления главным двигателем оцени­ вается главным параметром — скоростью хода судна vs. Процесс управления скоростью зависит от свойств элементов комплекса двигатель—винт—корпус судна.

Рис. 6. Схема движительного комплекса одновальной энергетической установки.

На рис. 6 схематично представлен движительный комплекс одно­ вальной энергетической установки с непосредственной передачей мощности на гребной винт.

В главном двигателе (ГД) химически связанная энергия топлива преобразуется в механическую энергию вращения вала. Гребной винт трансформирует энергию вращения вала в энергию силы упора Ре. Энергия силы упора расходуется на преодоление силы сопро­ тивления движению судна R. Сила упора и сила сопротивления приложены к корпусу судна. Установившееся значение скорости ys определяется величиной силы сопротивления движению R, расхо­ дом (подводом) энергии, который измеряется расходом топлива на главный двигатель в единицу времени В, и к. п. д. процессов транс­ формации энергии в элементах комплекса.

Если воспользоваться выражениями для буксировочной мощ­

18

плекса, а также от величины, характера и места приложения внеш­ них воздействий на систему.

Управляющие воздействия изменяют задание скоростного ре­ жима судна с целью его разгона или торможения.

Новый режим может быть задан и установлен по положению регулирующего органа (например, положением реек топливных насосов высокого давления ДВС — тт) либо по величине коорди­ наты задания регулятора скорости вращения вала двигателя, Хзщ. При использовании винта регулируемого шага появляется допол­ нительная возможность управления путем изменения угла уставки лопастей (шага винта) пгв (см. рис. 6).

Каждый вариант управляющего воздействия при изменении задания режима по-своему влияет на изменение параметров ком­ плекса в процессе перехода к новому режиму. Поскольку в каждом варианте режим задан уставкой различных координат пгт, Хзад, т в, то реакции системы на управляющие воздействия также будут спе­ цифичны для каждого варианта задания режима.

Условия совместной работы комплекса, когда режим задается по положению регулирующего органа, описываются системой двух дифференциальных уравнений — уравнением движения судна и уравнением движения двигателя, работающего на гребной винт:

где Ms — масса судна с учетом присоединенной массы воды; Ре — упор гребного винта, который является функцией угловой скорости

к оси гребного вала момент инерции вращающихся масс двигателя, вала и винта с учетом присоединенной массы воды, увлекаемой винтом; Мд — движущий момент двигателя, являющийся функцией угловой скорости вала со и положения регулирующего органа топ­

нений (е) должна быть дополнена уравнением движения регулятора, которое, например, для регулятора прямого действия имеет вид

(ж)

20

Таким образом, динамика комплекса, управляемого через регу­ лятор скорости главного двигателя, описывается системой трех уравнений.

Вуравнении (ж) обозначено: тг — приведенная масса чувстви­ тельного элемента регулятора; Аг — приведенная поддерживающая сила регулятора; Е — приведенная восстанавливающая сила ре­ гулятора.

Врассматриваемом случае входная координата регулирующего органа тТ будет внутренним параметром системы. Координатой управляющего воздействия служит координата задания Хзад.

Изменение скорости хода судна в результате управляющего воздействия по тг (или по Хзад) проявляется весьма медленно

ввиду большой инерционности судна. Время перехода комплекса к новому установившемуся режиму имеет очень важное значение при торможении судна, так как определяет выбег судна, что является одной из основных его технико-эксплуатационных харак­ теристик. При разгоне судна свойства комплекса и вид упра­ вляющего воздействия совместно с требованиями ограничения нагрузки и ограничения по тепловой напряженности двигателя предопределяют временную программу управляющих воздействий: тТ = т т (/); Хзад = Хзад (0 и тв = тв (і).

Отметим основные особенности возмущающих воздействий на ком­ плекс. Возмущающие воздействия различны по своему характеру и месту приложения к элементам комплекса. Местом приложения внешних возмущающих воздействий может быть корпус судна — при изменении сопротивления движению либо непосредственно гребной винт—при изменении его относительной поступи Хр. Сле­ дует заметить, что изменение относительной поступи винта для ВРШ служит и управляющим воздействием, а изменение сопротив­

Основное возмущающее воздействие—• изменение внешних усло­ вий плавания (глубины фарватера, осадки, степени обрастания корпуса, дифферента, силы ветра, течения) — вводится в систему через изменение сопротивления движению. Такие возмущения для морских транспортных судов постепенны и медленны. Процесс передачи их на главный двигатель через гребной винт из-за большой инерционности корпуса может рассматриваться как квазистатиче­

руля, при потере винта, изгибе или поломке его лопасти при ударе, двигатель реагирует быстро, так как инерционность двигателя и винта незначительна. При этом возможны процессы с забросами параметров и перегрузкой двигателя.

На характер процесса перехода оказывает влияние способ зада­ ния режима: по положению регулирующего органа т Т или по ве­ личине координаты задания регулятора скорости Хзад, что будет показано ниже.

21

Таким образом, совместное рассмотрение динамики комплекса главный двигатель—винт—корпус имеет первостепенное значение при анализе управляющих воздействий и при изучении процессов торможения, реверса и разгона судна, а также работы судна в усло­ виях качки. Условия же работы главного двигателя при фиксирован­ ном задании режима под действием внешних возмущений, прило­ женных к корпусу судна, можно рассматривать и изучать без ис­ пользования уравнения динамики судна, полагая, что возмущения со стороны сопротивления воздействуют квазистатически на изме­ нение поступи винта.

Основные требования к автоматизации судовых дизельных и газотурбинных установок

Автоматизация должна повышать технико-эксплуатационную эффективность судов, безопасность их плавания, улучшать условия труда и быта экипажа.

Средства автоматизации следующим образом влияют на повы­ шение технико-эксплуатационной эффективности судов:

— уменьшают трудозатраты на вахтенное обслуживание;

— оптимизируют рабочие процессы и процессы управления;

— повышают срок службы и надежность оборудования. Средства автоматизации должны быть простыми, дешевыми и

надежными.

Морские условия плавания, отрыв от береговых баз выдвигают повышенные требования в отношении надежности. Срок службы систем автоматизации без разборки и регулировки должен состав­ лять 7000 ч, а общий срок их службы при условии обеспечения запасными частями должен равняться сроку службы объекта.

Средства автоматизации должны устойчиво и надежно работать в условиях качки с креном до 20°, а также при длительном крене до 15° и дифференте до 10°. Необходимо, чтобы аппаратура выно­ сила вибрацию с частотой 20 Гц при амплитуде 0,5 мм и удары с уско­ рением до 70 м/с2, работала при температуре воздуха в машинном отделении до 60° и относительной влажности 95%.

Средства автоматизации должны соответствовать требованиям Регистра СССР, касающимся изготовления, приемки, наблюдения и освидетельствования. Исполнение средств автоматизации должно быть искро- и взрывобезопасным, защищенным от влаги, паров масла и жидкого топлива. Конструктивно необходимо обеспечить возможность ручного вмешательства в процесс управления.

Для питания средств автоматики следует предусматривать ре­ зервный источник, включаемый автоматически за время не бо­ лее 10 с.

Усилия на задающих органах систем автоматизированного управ­ ления должны составлять 3—5 кгс.

Технические требования к характеристикам и показателям си­ стем автоматизации можно сформулировать лишь для каждого конкретного объекта и системы, исходя из характера и условий

22

ЧАСТЬ

I

Автоматизация судовых дизельных установок

ГЛАВА

I

С у д о во й д и з е л ь к а к о б ъ е к т у п р а в л е н и я ч а ст от о й в р а щ е н и я в а л а

§ I

Статические характеристики дизеля.

Области допускаемых и используемых режимов его работы

Под режимом работы дизеля понимают условия его эксплуатации, которые характеризуются и оцениваются совокупностью технико­ эксплуатационных параметров. Из множества параметров, харак­ теризующих режим с точки зрения регулирования частоты враще­ ния вала, рассматриваются два параметра: момент МД (или мощ­ ность Ne) на валу двигателя и угловая скорость вала со (или частота вращения его п).

Статические характеристики двигателя строятся в прямоуголь­ ной системе координат, в которой осями служат отмеченные пара­ метры. Функционально статические характеристики представляют

иллюстрируют свойства дизеля как энергетического агрегата. Эти характеристики в общем виде могут быть получены лишь в стен­ довых условиях при тормозных испытаниях двигателя.

Характеристика 1 называется в н е ш н е й характеристикой наибольшей эксплуатационной мощности. Эта характеристика соот­ ветствует случаю установки органов управления топливоподачей —-

них может быть получена для какого-либо фиксированного поло­ жения органов управления ТНВД, соответствующего меньшей по­ даче топлива, чем при внешней характеристике: mT < m Tmax. Характеристика при меньшей подаче топлива названа поэтому ча­ стичной.

Характеристика 3 называется о г р а н и ч и т е л ь н о й , так как ограничивает максимальную мощность (или момент), которую может развивать двигатель при длительной работе с заданной ча­ стотой вращения вала. В зависимости от типа и конструктивных

24

особенностей двигателя ограничительную характеристику можно построить исходя из условия постоянства максимального допуска­

емого давления сгорания (ргпах = const) либо постоянства крутящего

момента на валу (M™ax = const). При выборе ограничительной характеристики руководствуются требованием, чтобы основные пара­ метры рабочего процесса — тепловая и механическая напряженность двигателя — находилась на уровне, не превышающем эти значения при номинальном режиме и допускаемом при заданной скорости вращения.

с теорией двигателей внутреннего сгорания она соответствует пре­ дельной нагрузочной характеристике.

Линия 5 называется характеристикой м и н и м а л ь н о д о ­ п у с т и м о й м о щ н о с т и (или момента) длительной эксплуа­ тации. Эта характеристика определяется условиями устойчивой, без пропуска вспышек работы топливной аппаратуры, а также отсут­ ствием забросов масла в коллектор.

Линия 6 характеризует м и н и м а л ь н у ю д о п у с т и м у ю ч а с т о т у в р а щ е н и я вала при длительной эксплуатации двигателя. Она также определяется условиями устойчивой работы топливной аппаратуры и зависит от характера нагрузки и от ве­ личины инерционных масс двигателя.

Все режимы, характеризуемые точками, расположенными внутри ограниченного штриховкой контура, являются возможными и до­ пустимыми по условиям работы дизеля как энергетического агрегата. В пределах этого контура допускается работа двигателя на режиме, определяемом любой точкой характеристики без ограничения во

25

времени, что справедливо только для установившихся режимов работы. Во время переходных процессов режим работы может выйти за пределы заштрихованной зоны. Подробнее об этом будет сказано ниже.

Область используемых и действительно имеющих место эксплуа­ тационных режимов двигателя и его свойства как объекта регули­ рования зависят от свойств и характеристик нагрузочных агрегатов. На нагрузочные агрегаты работает двигатель, они являются потре­ бителями вырабатываемой им энергии. Такими потребителями могут быть гребные винты, генераторы электрической энергии, воздушные компрессоры, различные насосы. На рис. 7 в качестве примера заштрихована зона режимов, используемых при работе двигателя на гребной винт фиксированного шага с прямой передачей мощности.

Линия 7 соответствует винтовой характеристике при работе на швартовах — наиболее «тяжелому» винту, а линия 8 — винтовой характеристике при работе в условиях оголенного, т. е. наиболее «легкого» винта.

Если двигатель работает на винт регулируемого шага или на ВФШ через трансмиссию с переменным передаточным отношением (например, при электродвижении на постоянном токе), то область используемых режимов значительно расширяется. Если же двигатель

постоянной частоты вращения, меньшей nmax. Значение рабочей скорости определяется требуемой частотой тока и может быть кратно ей.

Работа по линии постоянной частоты вращения обеспечивается регулятором скорости. В этом случае область используемых режимов превращается в линию, вид которой определяется свойствами регу­ лятора скорости, обеспечивающего с определенной точностью по­ стоянство частоты вращения вала.

§ 2

Статические свойства дизеля как объекта управления частотой вращения вала

В двигатель внутреннего сгорания подводятся топливо и воздух. Химически связанная энергия топлива преобразуется при сгорании в тепловую, а затем в механическую. Часть тепловой энергии отво­ дится в окружающую среду с уходящими газами и с охлаждающей водой (теряется). Имеются также потери механической энергии. Основная часть механической энергии отводится от двигателя к по­ требителям (на гребной винт, генератор электроэнергии), а при неустановившемся состоянии часть ее накапливается во враща­ ющихся массах или отбирается от них.

Как видно, рабочий процесс управляемого агрегата — объекта регулирования — сопровождается подводом, преобразованием, на­ коплением и отводом энергии или материи. Свойства объекта регу­ лирования определяются свойствами дизеля как энергетического

26

агрегата, вырабатывающего механическую энергию и представля­ ющего сторону подвода в объекте, а также свойствами потребителя энергии. При этом потребитель энергии представляет сторону отвода объекта или его внешнюю нагрузку.

На рис. 8 изображена принципиальная схема объекта регули­ рования, иллюстрирующая подвод и трансформацию энергии.

его определяется свойствами двигателя как энергетического агрегата

иможет быть выражена:

—через координату подвода в объект, которая равна выходной координате РО; для двигателя внутреннего сгорания это активный

Если полагать, что координаты эксплуатационных факторов для рассматриваемого установившегося режима не изменяются, то для момента двигателя можно записать следующую функциональную зависимость:

Такие зависимости соответствуют частичным и внешней харак­ теристикам двигателя, знать которые необходимо для изучения свойств двигателя как объекта регулирования.

М о м е н т с о п р о т и в л е н и я Мсопр, характеризующий отвод энергии, определяется свойствами агрегата внешней нагрузки. Если внешняя нагрузка — гребной винт, то момент сопротивления может быть представлен уравнением винтовой характеристики

где С — коэффициент пропорциональности — является функцией относительной поступи винта 1р.

Поэтому момент сопротивления винта записывается в функцио­ нальной форме так:

27