Способы управления главным СДВС

Эффективная и безаварийная работа судна в целом зависит от правильной работы главного СДВС. Пуск и режимы работы двигателя, т. е. управление СДВС осуществляется несколькими способами.

В данном материале подробно рассмотрим принципы и методы управления судовым двигателем.

Принципы классификации

Требуемый режим задается главному судовому двигателю одним из двух способах:

• фиксированной топливоподачей, величина которой обеспечивает этот режим;
• по частоте вращения, если двигатель оборудован всережимным регулятором частоты вращения, через который задается требуемый режим.

Однако фактический режим соответствует заданию только в нормальных (расчетных) условиях плавания. При отклонении условий плавания от расчетных данное соответствие нарушается. При этом величина отклонения зависит от способа задания режима. Применение на главном двигателе ВРЧВ позволило повысить точность соответствия фактического и заданного режимов, однако существенно обострило другую проблему – значительно возросла «перезагрузка» двигателя на динамичных режимах: при пуске двигателя, при разгоне судна, в Управление судном в штормовых условияхштормовых условиях, а также в тяжелых условиях плавания (тяжелый лед). Для решения этой проблемы пришлось установить на главном двигателе дополнительные устройства – механизмы защиты от перегрузки. Так конструктивно возник комбинированный способ управления главного двигателя.

Итак, в случае изменения внешних условий:

• при первом способе управления (режим задан фиксированной топливоподачей h = const) изменяется частота вращения n = var;
• при втором способе (на двигателе установлен ВРЧВ, и режим задан по частоте n_з = const) регулятор изменяет топливоподачу h = var;
• при комбинированном управлении (на двигателе установлены ВРЧВ и механизм защиты от перегрузки, а режим задан по частоте вращения n_з = const): при нормальных условиях плавания и при небольшом утяжелении внешних условий управление осуществляется вторым способом (работает ВРЧВ); при значительном утяжелении условий механизм защиты переключает установку на первый способ управления (отключает ВРЧВ).

Рассмотрим особенности работы главного двигателя в переходных режимах при каждом способе управления в трех эксплуатационных ситуациях:

• изменяются внешние условия при неизменном задании режима;
• выполняется маневровая операция в связи с подачей команды на изменение режима;
• осуществляется пуск двигателя.

Первый способ управления

Требуемый режим задается фиксированной топливоподачей h = const.

Изменение внешних условий (рис. 1)

На рисунке приводятся винтовые характеристики:

• I – расчетная (нормальная);
• II – тяжелая;
• III – легкая.

Характеристики штатных задаваемых режимов:

• самого малого хода – h_см;
• малого – h_м;
• среднего – h_с;
• полного – h_п.

В качестве исходного принимается режим малого хода – точка 0. При Плавание в штормовых условияхутяжелении условий плавания режим двигателя смещается по характеристике фиксированной топливоподачи заданного режима вместе с винтовой характеристикой в точку 1, при облегчении – в точку 2. Таким образом, на изменение нагрузки двигатель реагирует изменением частоты вращения, а судно – изменением скорости, т. е. действует принцип саморегулирования установки.

Читайте также: Конструкция современных судовых двигателей

Осуществление маневровой операции, связанной с переводом установки с исходного режима «малого хода» (точка 0) на «средний ход» (рис. 2).

Исходя из предположения, что Процессы топливоподачи в СДВСизменение топливоподачи (в соответствии с поданной командой) осуществляется резко (скачком), режимная точка резко вместе с характеристикой топливоподачи (h) смещается в точку 1, т. е. частота вращения при этом не успевает измениться.

При новой топливоподаче частота вращения быстро (в течение нескольких секунд) увеличивается до режима, которому соответствует точка 2. На этом режиме имеет место максимальное рассогласование между частотой вращения гребного винта и скоростью судна, которая в связи с инерционностью корпуса судна только с этого момента начинает изменяться. Данный режим воспринимается двигателем как работа на утяжеленной винтовой характеристике II. По мере разгона судна величина несоответствия уменьшается, и режимная точка вместе с винтовой характеристикой движется вправо до стабилизации частоты вращения винта и скорости судна на расчетной винтовой характеристике в точке 3, соответствующей нормальным условиям, в которых выполнялся маневр. Аналогично выполняется маневр перехода установки с режима «среднего хода» на «малый ход» при изменении режима в последовательности 3 – 1′ – 2′ – 0.

Пуск главного двигателя (рис. 3).

Рассматривается пусковая ситуация при отходе судна от причала, т. е. по швартовной характеристике неподвижного судна. Тип пуска – раздельный. Поэтому на участке 0 – 1 швартовной характеристики происходит раскручивание двигателя пусковым воздухом. Точка 1 соответствует достижению пусковой частоты вращения n_п, при которой отключается воздух и включается пусковая топливоподача h_п, в данном случае равная топливоподаче «малого хода». Включение ее производится резко, скачком. Поэтому режим скачком, без изменения частоты вращения, переходит из точки 1 в точку 2. Далее по характеристике пусковой топливоподачи частота вращения быстро увеличивается до величины, которой соответствует точка 3 на швартовной характеристике. Судно, неподвижное в связи с большой инерционностью, только с этого момента начинает двигаться. По мере его разгона увеличивается и частота вращения, до завершения разгона и стабилизации скорости судна и частоты вращения гребного винта в точке 4 на расчетной винтовой характеристике I.

Второй способ управления

Управление этим способом осуществляется в установках с главным двигателем, оборудованным ВРЧВ, через который требуемый режим задается по частоте вращения n_з = const.

Изменение внешних условий при неизменном задании (рис. 4)

При этом способе в управлении участвует ВРЧВ, который изменяет топливоподачу (h = var) при изменении нагрузки. Характеристика регулятора проходит через точку заданного режима на расчетной винтовой характеристике, в данном случае в точку 0. При утяжелении условий плавания до величины, соответствующей смещению винтовой характеристики в положение I, регулятор увеличивает топливоподачу и выводит двигатель на режим, которому соответствует точка 1. При облегчении условий плавания до величины, которой соответствует винтовая характеристика II, регулятор снижает топливоподачу до величины, соответствующей режиму в точке 2. Таким образом, ВРЧВ удерживает заданный скоростной режим двигателя, допуская его отклонение в пределах установленной при настройке регулятора неисправности.

Выполнение маневровой операции по изменению рабочего режима двигателя с «малого хода» на «средний ход» (рис. 5).

Если предположить, что задание изменяется скачком, то регуляторная характеристика также скачком перемещается из исходного положения I в положение режима «среднего хода» II. В действительности, при автоматическом управлении задание изменяется по определенной программе. Поэтому изменение режима двигателя при маневрировании в реальных условиях происходит в менее жестком для него режиме, чем в рассматриваемой ситуации. Вследствие резкого изменения задания в регуляторе возникает большая величина рассогласования между заданной и фактической частотой вращения. Поэтому сервомотор регулятора, имеющий постоянную времени порядка 0,1 с, резко перемещает рейку топливных насосов в направлении, обеспечивающем уменьшение рассогласования частот заданной и фактической. В данном случае рейка может резко переместиться до упора (определяющего максимально допустимую топливоподачу) в точке 1 на внешней характеристике h_макс. Затем двигатель разгоняется до частоты, которой соответствует точка 2 на регуляторной характеристике (по характеристике максимальной топливоподачи) и далее по регуляторной характеристике (когда начинается снижение завышенной в начальный момент переходного процесса топливоподачи) – до режима в точке 3 на винтовой характеристике II, соответствующей максимальному (при выполнении данного данного маневра) рассогласованию скорости судна и частоты вращения винта. С этого момента начинается увеличение скорости судна с режима «малого хода» до стабилизации режима на «среднем ходу», которому соответствует точка 4 расчетной винтовой характеристики.

Рекомендуется к прочтению: Главный СДВС как объект управления и регулирования частоты вращения

Аналогично происходит переходный процесс при изменении режима установки со «среднего хода» на «малый ход» в последовательности: 4 – 1′ – 2′ – 3′ – 0. При этом точка 1′ находится на характеристике минимально допустимой топливоподачи h_мин, определяемой ограничителем перемещения рейки. Точка 3′ находится на винтовой характеристике III, соответствующей максимальному рассогласованию скорости судна и частоты вращения винта при выполнении данного маневра, и служит началом изменения скорости судна.

Пуск двигателя (рис. 6).

На регуляторе при пуске выставляется пусковое задание по частоте вращения, т. е. режим «малого хода». На участке 0 – 1 происходит раскручивание двигателя пусковым воздухом. При достижении пусковой частоты вращения n_п отключается подача пускового воздуха и включается топливо. Однако, поскольку в регуляторе значения заданной (пусковое задание) и фактической частот существенно различаются, Процессы в судовых системах автоматического управления. Особенности настройки регуляторовсервомотор регулятора резко увеличивает топливоподачу, возможно, до максимального значения (в точке 2) на внешней характеристике. Далее двигатель разгоняется по внешней (точка 3) и регуляторной характеристике до выхода на режим, находящийся на швартовной характеристике (точка 4). Далее начинается движение судна до стабилизации на заданном режиме в точке 5.

Если при пуске штурманом задается режим, отличающийся от пускового (которому соответствует, как правило, режим «малого хода»), то по окончании пуска – достижении пусковой частоты вращения, при которой отключается пусковой воздух, происходит изменение задания на регуляторе с пускового на режим по частоте, заданный при пуске штурманом.

Комбинированный способ управления

Этот способ управления главного двигателя связан с применением на двигателе устройств защиты его от «перегрузки», которая возникает во время маневровых операций и при плавании в тяжелых (ледовых) условиях в результате работы ВРЧВ на этих режимах. Так как основным «источником» перегрузки двигателя является ВРЧВ, устройства защиты (при механическом конструктивном исполнении) были встроены в ВРЧВ таким образом, чтобы отключать его при перегрузке двигателя. Защита осуществляется путем ограничения или снижения топливоподачи при нарушении соотношений:

• топливо – частота вращения (h – n);
• топливо – воздух (h – p_в).

Изменение внешних условий в сторону утяжеления (рис. 7).

Кроме характеристик двигателя и регулятора, на рисунке присутствует ограничительная характеристика (h – n). До тех пор, пока утяжеление относительно невелико, т. е. «перегрузки» нет, управление осуществляется вторым способом. ВРЧВ увеличивает топливоподачу до установленной предельной для данного в точке 0 задания по частоте. На режиме в точке 1 исчерпана установленная при настройке зона нечувствительности механизма защиты, т. е. двигатель вышел на границу зоны перегрузки. С этого момента, в случае дальнейшего утяжеления условий плавания, топливоподачей управляет механизм защиты, лишив этой функции ВРЧВ.

Если механизм защиты работает по принципу сравнения топливоподачи с заданной частотой вращения h – n_з, то он будет удерживать топливоподачу постоянной, соответствующей неизменной исходной заданной частоте n_0з. В условиях, которым соответствует винтовая характеристика III, двигатель выйдет на режим в точке 2. Если механизм работает по принципу сравнения топливоподачи с фактической частотой вращения h – n_ф, то он будет снижать топливоподачу по мере падения частоты, обеспечивая тем самым их соответствие, и выведет двигатель по винтовой характеристике III на режиме в точке 3′.

Подача команды на изменение режима двигателя с «малого хода» на «средний ход» (рис. 8).

При скачкообразном изменении задания на ВРЧВ регуляторная характеристика также скачком перемещается из положения I в положение II. В результате возникшего на измерителе регулятора значительного рассогласования заданной и фактической частоты вращения сервомотор регулятора резко, практически скачком, увеличивает топливоподачу, но не до внешней характеристики, что имело место при управлении вторым способом, а до ограничения, установленного механизмом защиты для вновь заданной частоты «среднего хода», на режим, которому соответствует точка 1. Далее происходит разгон двигателя. При этом режимная точка смещается в положение 2 и затем в положение 3, когда регулятор будет снижать завышенную для заданного режима топливоподачу с точки 3 на винтовой характеристике, соответствующей максимальному рассогласованию между скоростью судна и частотой вращения винта. Начинается разгон судна до его выхода на установившийся режим среднего хода в точке 4 на расчетной винтовой характеристике.

Пуск двигателя. При пуске участок 0 – 1 (рис. 9) соответствует раскручиванию двигателя пусковым воздухом.

При достижении пусковой частоты вращения n_п в точке 1 отключается пусковой воздух и включается пусковая топливоподача, соответствующая частоте пускового задания на ВРЧВ и устанавливаемая механизмом защиты в соответствии с его настройкой. После броска рейки сервомотором регулятора на пусковую топливоподачу (в точку 2) двигатель разгоняется до режима, соответствующего выходу на швартовную характеристику (точка 3). С этого момента движение судна сначала происходит при постоянной топливоподаче, а начиная с режима, которому соответствует точка 4, управление топливоподачей переходит к ВРЧВ, который снижает топливоподачу, так как она была избыточной для заданного режима до выхода судна на установившийся режим «малого хода» в точке 5 расчетной винтовой характеристики.

Будет интересно: Техническое обслуживание судового дизеля

Таким образом, как установившиеся режимы, так и переходные процессы существенно зависят от способа управления. Это очевидно при сравнении режимов главных двигателей, управляемых разными способами в одной и той же эксплуатационной ситуации (рис. 10).

В качестве исходного принят режим «малого хода» – нулевая точка на расчетной винтовой характеристике I. Новый тяжелый режим представлен характеристикой II.

При управлении первым способом режим двигателя сместится в точку 1; вторым способом – в точку 2; комбинированным – в точку 3 (при контроле заданной частоты вращения n_з), в точку 3′ (при контроле фактической частоты вращения).

Сравнительный анализ показывает, что чем больше отклонение условий плавания от расчетных, тем более существенным является различие режимов двигателя. Самый тяжелый режим – при управлении втором способом (точка 2), наиболее легкий – при управлении комбинированным способом (точка 3′).