книги из ГПНТБ / Эпельман Т.Е. Судовые теплоэнергетические установки и их оборудование учеб. пособие

двухъярусный поворотный. В зависимости от положения лопаток открыты сопловые каналы внутреннего или наружного яруса, чем обеспечивается передний или задний ход;

—газового с помощью реверсивной радиальной центростреми­ тельной турбины винта; рабочие лопатки выполняют в такой турбине плоскими радиальными, сопловой аппарат поворотным (см. рис. 62). Область применения — сравнительно небольшие мощности (до 3000— 4000 кВт) в установках открытого цикла; в ГТУ закрытого цикла — до 20 000 кВт;

—с помощью реверсивных передач или винта регулируемого

шага.

В последнем случае упрощается конструкция пропульсивных турбин.

Глава XVI

УПРАВЛЕНИЕ И РЕГУЛИРОВАНИЕ

ДИ З Е Л Ь Н Ы Х УСТАНОВОК

§72

Механизмы пуска и реверса дизелей

Пусковые клапаны и воздухораспределители.

В § 41 приведены основные элементы оборудования так называемой внешней системы сжатого воздуха в ДУ . Ниже рассматриваются элементы внутренней системы пуска и реверсирования судовых дизелей сжатым воздухом.

Упрощенная схема такой системы показана на рис. 223. Обяза­ тельными элементами ее являются: главный пусковой клапан 3, пусковые клапаны /, клапан управления пуском 2 и воздухорас­ пределитель 5.

Назначение главного пускового клапана — направлять пусковой воздух, поступающий в него из пускового баллона 4, к пусковым клапанам только после постановки рукоятки 6 управления двигате­

управления двигателем в положение «работа». Управление действиями главного пускового клапана осуществляется клапаном управления пуском, на который непосредственно воздействует рукоятка управ­ ления двигателем. Назначение пусковых клапанов — открывать до­ ступ пускового воздуха в рабочие цилиндры двигателя при соответ­ ствующих (пусковых) положениях поршней, т. е. в соответствии с фазами газораспределения пускового воздуха. Управление пуско­ выми клапанами осуществляется воздухораспределителем.

Главные пусковые клапаны бывают неуравновешенного и урав­ новешенного типа, На рис. 224 изображен клапан неуравнове-

340

шенного типа и клапан управления. Воздух, поступающий из пус­ кового баллона в корпус / главного пускового клапана, заполняет наружную полость а и (при закрытом дифференциальном клапане 2)

з

Рис. 223. Схема внутренней пусковой системы дизеля.

через калиброванное отверстие малого сечения — внутреннюю по­ лость Ь. Через некоторое время давление в полостях а и Ь становится одинаковым. При установке рукоятки управления двигателем в положение «пуск» направляющий стержень 7 перемещает клапан 6

в положение, при котором воздух из внутренней полости b клапана 2 стравливается в ресивер через отверстие в корпусе 4 клапана управ­ ления.

Так как пусковой воздух проникает в полость b медленно, а эта полость при открытом клапане 6 сообщена с ресивером, то равновесие

341

клапана 2 нарушается. Усилие, действующее на его верхнюю диф­ ференциальную площадку, преодолевает упругость пружины 3, поднимает клапан и открывает доступ пусковому воздуху через полость с к пусковым клапанам. При положении «работа» клапан 6 возвращается на место пружиной 5, в полости Ъ создается давление, вследствие чего клапан 2 закрывает проход воздуху к пусковым клапанам. При этом воздух из полости с через прорезь в хвостовике клапана стравливается в ресивер. Таким образом, при пуске клапан управления 6 разгружает дифференциальный клапан 2, и поэтому он называется разгрузочным.

Схема главного пускового клапана уравновешенного типа и клапана управления им приведены на рис. 225. Из пускового баллона воздух поступает в полость а главного пускового клапана и в полость d клапана управления. При закрытом клапане 6 полость с главного пускового клапана и полость е клапана управления сообщены с ресивером, вследствие чего клапан 4 закрывает сечение для прохода пускового воздуха к пусковым клапанам на двигателе. При установке рукоятки управления двигателем в положение «пуск» клапан 6 открывается, а его хвостовик перекрывает отверстие, сообщающее полость е с ресивером. При этом воздух из полости d поступает в полость с главного пускового клапана, благодаря чему усилие, действующее на поршень /, становится больше упругости пружины 2, и клапан 4 открывает доступ пускового воздуха к пусковым клапанам. Так как диаметры тарелки клапана 4 и его направляющей примерно одинаковы, то давление воздуха в полости Ъ не оказывает влияния на положение клапана в корпусе 3. После окончания пуска пру-

342

Пусковые клапаны также бывают уравновешенного и неуравно­ вешенного типа. Конструктивная схема клапана первого типа изображена на рис. 226, а. При пуске воздух поступает от главного пускового клапана в полость а, а из воздухораспределителя — в полость Ь. Когда давление воздуха в полости b создаст на поршеньке 3

уравновешенного типа. д цилиндр

усилие, большее чем усилие пружины 2, клапан / опустится и пус­ ковой воздух из полости а поступит в цилиндр двигателя. Когда распределитель закроет доступ воздуха в полость b и сообщит ее с атмосферой, давление в ней резко упадет, и пружина посадит клапан на место.

В современных крупных реверсивных двигателях используются и другие конструкции пусковых клапанов, в частности, неуравно­ вешенного типа с переменной характеристикой равновесия (рис. 226, б). В последних управляющий поршенек дифференциального типа 5 при помощи сжатого воздуха обеспечивает не только открытие, но и закрытие пускового клапана 8.

Конструкция предусматривает быстрое открытие клапана и мягкую посадку его на седло после пуска. При пуске воздух, поступа­ ющий в полость с из воздухораспределителя, вначале воздействует на малое сечение поршня 5, вследствие чего он медленно страгива­ ется с места. После небольшого перемещения клапана вниз откры-

343

ваются прорези 6 в корпусе и воздух проникает через них к большому сечению поршня. Это приводит к быстрому открытию клапана и впуску пускового воздуха из полости / в цилиндр. При пуске возду­ хораспределитель сообщает полость е с ресивером.

Для закрытия клапана после пуска воздухораспределитель направляет сжатый воздух в полость d под большое сечение поршня 5, вследствие чего клапан начинает быстро перемещаться вверх. Этому способствует упругость пружины 4 и сообщение полости с с ресивером. Однако, как только поясок 7 отсечет доступ воздуха

На рис. 227, б золотник показан в нижнем положении. При этом поступающий в воздухораспределитель воздух направляется через нижнюю выточку в золотниковой втулке в полость d пускового клапана (рис. 226, б), а воздух из полости с стравливается в ресивер. Это приводит к закрытию клапана.

Золотниковые воздухораспределители выполняют индивидуаль­ ными для каждого цилиндра, дисковые — групповыми: один рас­ пределитель управляет поступлением воздуха во все пусковые клапаны на двигателе. Обычно золотниковые распределители уста­ навливают на дизелях большой мощности, дисковые — на дизелях малой и средней мощности.

344

Реверсирование. Операции, производимые при реверсировании дизеля (например, с переднего хода на задний), состоят из остановки дизеля, перевода органов управления в положение «задний ход», пуска дизеля на задний ход сжатым воздухом и после набора дизелем достаточной частоты вращения на заднем ходу перевода органов управления в положение «работа», при котором подача воздуха прекращается, и дизель работает на топливе. Отдельные операции процесса реверсирования блокируются таким образом, что нельзя произвести последующую операцию без выполнения предыдущей. Так, например, блокировочное устройство не дает возможности произвести перевод органов управления в положение «задний ход» до полной остановки дизеля.

Наиболее просты реверсивные устройства двухтактных дизелей с контурной системой газообмена,' так как при использовании сим­ метричных кулачковых шайб топливных насосов с нулевой заклинкой их на распределительных валах реверсировать приходится

В дизелях четырехтактных и двухтактных с прямоточными системами газообмена реверсивные устройства представляют собой более слож­ ные механизмы.

Наиболее часто применяют следующие две конструктивные схемы реверсивных устройств. Одна из них предусматривает посадку на распределительный вал комплектов шайб переднего и заднего хода. Для изменения направления вращения коленчатого вала дизеля распределительный вал перемещают вдоль своей оси настолько,

щения. Чтобы ролики не препятствовали перемещению вала с наса­ женными на нем кулачными шайбами, на время перемещения вала ролики отводят вверх. В иных конструкциях торцы кулачных шайб переднего и заднего хода профилируют так, что при переме­ щении распределительного вала ролики могут скользить по их поверхности. Вторая схема предусматривает установку на распре­ делительном валу только одного комплекта шайб, общего для перед­ него и заднего хода. Д л я реверсирования распределительный вал поворачивают на угол, соответствующий фазам газораспределения требуемого направления вращения коленчатого вала.

На рис. 228 приведена часть схемы реверсивного устройства четырехтактного дизеля с осевым перемещением распределительного вала и скольжением роликов толкателей по шайбам переднего и заднего хода. При необходимости изменения направления вращения, например, с переднего хода на задний, рукоятку управления 1 поворачивают в положение «стоп». Сидящая на реверсивном валике 16 кулачковая шайба 2, воздействуя на рычажную систему 3, выклю­ чает подачу топлива в цилиндры дизеля. При дальнейшем движении рукоятки / в том же направлении кулачковая шайба 15 поворачивает рычаг 14, тем самым приподнимая толкатель 11 и клапан 12. При этом клапан 13 переднего хода закрывается. Через открытый клапан

345

12 и трубу 10 воздух из баллона поступает в цилиндр 18 сервомотора. Под давлением воздуха на поверхность масла в цилиндре 18 поршень 4 перемещает распределительный вал 5 в осевом направлении в положение заднего хода. Вытесняемое при этом масло заполняет цилиндр 6, а находящийся в нем воздух удаляется по трубе 17. Благодаря блокировочному устройству 8, 9 пуск на задний ход невозможен до полного перемещения распределительного вала. Только тогда рычаг 7 освобождает блокировочное устройство и рукоятка управления может быть поставлена в положение «пуск

Рис. 228. Схема реверсивного устройства четырехтактного двигателя.

назад». В этом положении выступ кулачковой шайбы 19 поднимает клапан 20, что открывает доступ воздуха через трубу 21 в полость управления 22 главного пускового клапана 23. Воздействуя на пор­ шень 22, сжатый воздух открывает клапан 24, вследствие чего воз­ дух поступает к воздухораспределителю и пусковым клапанам на крышках цилиндров. Это приводит к страгиванию с места. При пуске дизеля подача топлива не превышает 0,4—0,5 цикловой подачи при полной нагрузке. Ограничение подачи обеспечивается профилем шайбы 2. Когда дизель заработает на топливе, рукоятку можно перевести в положение «работа назад» и установить нужный режим заднего хода.

По экспериментальным данным, частота вращения коленчатого вала дизеля при пуске, при которой его можно переводить на работу на топливе, зависит от температуры в машинном отделении, качества распыла топлива при малых частотах вращения вала дизеля и других факторов. По опытным данным, минимальная пусковая частота вра­ щения вала различных дизелей находится в пределах (0,13—0,20) пи.

346

дизеля и смазывание стенок цилиндра горячим маслом уменьшают пусковую частоту вращения и облегчают пуск дизеля при низких температурах воздуха в машинном отделении. Длительность пуска и реверса дизеля, находящегося в хорошем техническом состоянии, не превышает нескольких секунд.

§ 73

Принципиальные схемы регуляторов дизелей

В настоящее время на главные дизели в соответ­ ствии с ГОСТ 10511—63 устанавливают всережимные регуляторы, способные поддерживать заданную частоту вращения во всем диапа­ зоне возможных режимов работы установки и предельные выключа­ тели, останавливающие дизели при превышении частоты вращения сверх допустимых значений. Регуляторы дизелей судовых электро­ станций независимо от нагрузки должны поддерживать постоянную частоту их вращения с допустимым отклонением в пределах заданной степени неравномерности. В установках, где требуется параллель­ ная работа нескольких генераторов, дизели должны иметь такие регуляторы частоты вращения, которые дают возможность изменять

воговоренных пределах степень неравномерности.

Всвязи с изложенным, регуляторы частоты вращения, устанавли­ ваемые на дизели, отличаются между собой не только' конструк­ тивно, но и принципиально. Тем не менее в регуляторах различного назначения имеются элементы, сходные по устройству и выполняе­ мым функциям. Такими элементами являются следующие.

Измеритель, состоящий из чувствительного элемента, реагирую­ щего на изменение частоты вращения вала регулятора, механизма сравнения и органа задания. У современных регуляторов механи­ ческого типа чувствительный элемент состоит из двух вращающихся грузов, центробежная сила которых уравновешивается одной или несколькими пружинами с постоянным или переменным диаметром витков (механизм сравнения). Грузы обычно выполняют в виде двуплечих рычагов таким образом, что почти вся масса груза сосредо­ точена на одном плече рычага. При изменении частоты вращения вала регулятора вследствие изменения нагрузки дизеля грузы либо сближаются, либо удаляются от оси вращения, вызывая тем самым перемещение выходного органа — муфты регулятора—вдоль ее оси в ту или иную сторону. Так как муфта конструктивно связана с исполнительным механизмом непосредственно (регуляторы прямого действия) или посредством сервомотора (регуляторы непрямого действия), то ее перемещение вызывает перемещение реек топливных насосов в направлении восстановления соответствия между нагрузкой дизеля и цикловой подачей топлива. Настройка частоты вращения осуществляется изменением положения органа задания — опоры пружины, вызывающим изменение затяжки пружины — органа сравнения. В регуляторах всережимных предусматривается возмож-

347

ность изменения затяжки пружины (а следовательно, частоты вра­ щения) на ходу дизеля.

Усилительное устройство, предназначенное для усиления сиг­ нала, поступающего от измерителя. В качестве усилителя применяют гидравлические сервомоторы поршневого типа. Выбором размера поршня и давления масла можно получить необходимую переста­ новочную силу для преодоления работы трения в сочленениях и подшипниках исполнительного устройства регулятора и органах топливоподачи.

Рис. 229. Схема регулятора частоты вращения: а—положе­ ние «стоп»; б — положение «работа».

/ — грузы; 2 — муфта регулятора; 3 — пружина; 4 — верхняя опора пружины (задатчик частоты вращения); 5 — рычаг; 6 — тяга от поста управления; 7 — тяга к рейкам топливных насосов; 8 — рычаг.

Исполнительное устройство, предназначенное для воздействия на рейки топливных насосов. Оно представляет собой тяги и рычаги,

устойчивости и качества регулирования и представляющие собой устройства обратной связи. Механизм обратной связи связывает перемещение поршня сервомотора с положением золотника относи­

к сервомотору, аккумуляторы масла и др.) и дополнительные устрой­ ства (механизм изменения затяжки пружин регулятора, ограничи­

348

вращения вала регулятора изменяется положение муфты регулятора и воздействие на топливоподачу. Схема позволяет на ходу дизеля изменять затяжку пружины, что делает ее пригодной для всережимного регулятора.

На рис. 230 приведены схемы усилителей. В схеме б пружина действует в направлении выключения подачи топлива. По этой схеме регулятор медленее, чем по схемам айв, выводит двигатель на режим пуска, так как для повышения давления масла в масляной системе регулятора и преодоления упругости пружины требуется некоторое время.

На рис. 231 приведены схемы регуляторов непрямого действия

сжесткой обратной связью.

Всхеме 231, а при расхождении грузов /, т. е. при уменьшении нагрузки дизеля, муфта регулятора 2 переместится вверх, сжимая пружину 3. Так как полости по обе стороны поршня 7 сервомотора заполнены маслом, то вначале подъема муфты поршень остается неподвижным, вследствие чего перемещение муфты вызовет перемеще­

ние золотника 5 и открытие окон, а следовательно, доступ масла в верхнюю полость и выход его из нижней полости цилиндра серво­ мотора. Под влиянием давления масла в верхней полости поршень сервомотора переместится вниз, поворачивая рычаг 4 вокруг точки а соединения его с муфтой регулятора, вследствие чего золотник сервомотора переместится в первоначальное положение относительно своей втулки.

Врассматриваемом варианте обратная связь осуществляется воздействием контрштока 6 поршня 7 сервомотора на золотник 5. Поэтому рассмотренная схема является схемой с кинематической обратной связью.

Всхеме 231, б при перемещении поршня сервомотора обратная связь выражается не в воздействии на золотник, а в силовом воздей­ ствии рычага обратной связи 9 на пружину измерителя, вследствие

чего изменяется ее давление на чувствительный элемент.

В рассмотренных случаях исходное значение регулируемого параметра не сохраняется. Равновесное состояние системы устано­ вится при увеличенной частоте вращения, если нагрузка дизеля уменьшается, и при уменьшенной частоте вращения, если нагрузка дизеля увеличится. В первом случае рычаг 8, воздействующий на топливоподачу, повернется против часовой стрелки, в сторону уменьшения цикловой подачи топлива; во втором случае — по часовой стрелке, в сторону увеличения цикловой подачи топлива.

На рис. 232, а показана схема регулятора скорости с изодромной кинематической связью. Характерной особенностью такого регулятора является поддержание заданного значения регулируемого параметра и обеспечение спокойного переходного процесса. Объясня­ ется это тем, что гибкая изодромная связь является временной связью, которая постепенно снимается. Действие регулятора можно упрощенно представить себе следующим образом. При сбросе нагруз­ ки дизеля увеличится частота вращения вала регулятора. Это вызовет расхождение грузов и перемещение вверх муфты измерителя,

349