Главный СДВС как объект управления и регулирования частоты вращения

Главный СДВС является одним из наиболее ответственных механизмов судовой энергетической установки, определяющих ее надежность и живучесть судна в целом. Для повышения уровня тех­нической эксплуатации и снижения аварийности управление судовым двигателем осуществляется энергетическими установками.

Для обеспечения безотказной работы главного дизеля обслуживающий персонал должен иметь достаточный уровень знаний в области судовой энергетики.

Главный двигатель как объект управления

Функции и структура системы управления

Процесс управления главным двигателем (ГД) включает следующие операции:

• реверс (задание направления вращения);
• пуск;
• изменение режима;
• остановку двигателя.

Системы управления, как правило, предусматривают возможность управления с одного из трех постов. Основным является дистанционный пост управления (ДПУ) на ходовом мостике (в рулевой рубке), с которого вахтенный штурман (помощник капитана) осуществляет управление ГД. При отказе системы управления с мостика, управление осуществляется с центрального поста управления (ЦПУ) вахтенным механиком, получающим команды с мостика по машинному телеграфу (МТ). Двигатель может также управляться с местного поста управления (МПУ), размещенного непосредственно на двигателе, которое считается аварийным в связи с отказом всей системы дистанционного управления.

Базовой по своему функциональному использованию является реверсивно-пусковая система (РПС), состоящая из механизмов самого двигателя и функционирующая при управлении со всех постов управления. Отказ в работе ее элементов является Проверка и регулировка деталей при обслуживании СДВСнеисправностью самого двигателя.

РПС предусматривает на МПУ, как правило, три органа управления: рукоятки реверса, пуска и топливоподачи (задания режима). ГД обычно оборудован всережимным регулятором частоты вращения (ВРЧВ). Поэтому на МПУ может быть предусмотрен отдельный орган (рукоятка, маховик, кнопки) задания режима через ВРЧВ по частоте вращения.

Функция остановки (отключения топлива) осуществляется рукояткой топливоподачи, но также может выполняться и рукояткой реверса. Дублирование связано с ответственностью операции остановки двигателя при возникновении неисправности во время его работы (для предотвращения аварии работающего неисправного двигателя).

Предлагается к прочтению: Технологическая карта замены и переборки выпускного клапана СДВС

Управление из ЦПУ является дистанционным управлением (ДУ) и так же, как и с МПУ, осуществляется тремя рукоятками: реверса, пуска, задания режима по частоте вращения (через ВРЧВ). В качестве резервного может быть предусмотрена возможность задания режима фиксированной топливоподачей (при неисправности ВРЧВ). Остановка обычно осуществляется рукояткой реверса, при установке ее в положение «Стоп».

Управление с мостика осуществляется с помощью системы дистанционного автоматизированного управления (ДАУ) одной рукояткой, совмещенной с рукояткой МТ. Последняя в процессе управления может перемещаться из любого исходного в любое требуемое положение с любой скоростью, без выдержки в промежуточных положениях. Необходимая последовательность операций процесса управления осуществляется средствами автоматики системы ДАУ.

Дистанционное управление из ЦПУ и штатное управление с местного поста на двигателе реализуются, как правило, на пневмо- и гидромеханической элементной базе, механизмы которой скомпонованы по цепям управления реверсом, пуском, изменением режима, остановкой.

Современные системы ДАУ имеют микропроцессорную элементную базу. Блок логики (БЛ) системы, размещаемый в ЦПУ, реализует алгоритм управления в соответствии с командами, поступающими с мостика, и сигналами, поступающими от датчиков обратных связей на двигателе. Команды, поступающие из системы ДАУ, исполняются механизмами функциональных цепей реверса, пуска, изменения режима, остановки ДУ и штатной системы двигателя.

Применение в современных условиях автономных воздуходувок, в дополнение к штатным газотурбонагнетателям (ГТН), а также топливных систем аккумуляторного типа, позволяет улучшить показатели качества работы дизеля на переходных и установившихся режимах.

Автономные воздуходувки обеспечивают нормальное воздухоснабжение дизеля на пусковых режимах и в зоне малых частот вращения (на самом малом и малом ходу судна).

При Аккумуляторные системы впрыска топливааккумуляторной топливоподаче могут отсутствовать общие для всех ТНВД распредвал и рейса топливных насосов. В этом случае возможно автономное по цилиндрам управление топливоподачей, что особенно важно на переходных режимах.

Штатная система управления

Структуру, взаимосвязь и конструктивное исполнение базовой системы управления ГД рассмотрим на примере РПС двигателя «Зульцер».

Цепи управления РПС взаимозависимы. Необходимая последовательность их функционирования обеспечивается механизмами блокировки системы.

В процессе управления ГД действуют следующие блокировки:

• при реверсе распределительных органов (РО) заблокированы цепи пуска и топливоподачи;
• в двигателях с раздельным пуском заблокирована топливоподача при пуске и контрпуске;
• в двигателях со смешанным пуском топливоподача блокируется только при контрпуске;
• предусматривается блокировка реверса при включенной топливоподаче;
• блокируется пуск двигателя при включенном валоповоротном устройстве (ВПУ).

Таким образом, цепи управления работают в последовательности реверс – пуск – топливоподача, т. е. по окончании действия каждой предшествующей цепи дается разрешение (т. е. снимается блокировка) на начало работы элементов следующей.

Перечисленные блокировки выполняют функции автоматической защиты двигателя от случайных неправильных действий механика в процессе управления двигателем.

РПС двигателя «Зульцер» типа РД имеет следующие механизмы (рис. 1).

Цепь реверса: рукоятка реверса (РР) – золотник реверса (ЗР) – сервомотор реверса (СМ1) распредвала (РВ) и воздухораспределителя (ВР) и сервомотор реверса (СМ2) выпускных заслонок (ВЗ) – суммирующий блокировочный клапан (СБК), контролирующий окончание реверса СМ1 и СМ2 – механизм блокировки пуска и топливоподачи (МБПТ) до завершения реверса распредорганов (РО).

Цепь пуска: рукоятка пуска (РП) – клапан управления пуском (КУП) – главный пусковой клапан (ГПК) – воздухораспределитель (ВР) – пусковые клапаны (ПК) на крышках цилиндров. К МПУ воздух подводится из баллона пускового воздуха (БПВ) через запорный клапан (ЗК) на баллоне и через клапан блокировки пуска (КБП), при включенном валоповоротном устройстве.

Цепь задания режима (топливоподачи): рукоятка топливоподачи (РТ) – механическая рычажная передача – рейка топливных насосов (РТН). Рабочий режим может также задаваться по частоте вращения через ВРЧВ маховиком задания (МЗ) на его входе.

Цепь остановки: отключение топлива осуществляется установкой РР в положение «Стоп» – через ЗР масло идет на слив из клапана остановки (КО) – и их сервомотора остановки (СО), в результате пружина СО перемещает его поршень и через механическую связь устанавливает РТН в положение нулевой топливоподачи. В это же положение РТН может быть перемещена РТ.

Золотник блокировки топливоподачи (ЗБТ) выполняет данную функцию при контрпуске.

Система дистанционного управления (ДУ) подключается к РПС с помощью сервомоторов ДУ, воздействующих на задающие механизмы соответствующих цепей управления РПС.

В ЦПУ, как правило, предусматриваются те же органы управления, что и на МПУ. Поэтому характер управления с ЦПУ такой же, как с МПУ.

Главный двигатель как объект регулирования частоты вращения

Статические характеристики режимов двигателя

Статический режим любого механизма определяется равенством подвода и отвода энергии, а у главного двигателя (ГД) – равенством крутящего момента двигателя М_д и момента сопротивления воды на гребном винте М_с.

Установившийся режим движения судна определяется равенством сопротивления воды корпусу судна R_к и упора на гребном винте R_в.

На рис. 2 установившемуся режиму соответствует точка 0 пересечения характеристик подвода М_д и отвода М_с.

Характеристика подвода М_д представляет собой совокупность установившихся режимов двигателя при постоянной топливоподаче, h_РТН = const в различных условиях плавания. Здесь h_РТН – положение рейки Основные конструкции топливных насосов и форсуноктопливных насосов, которое обусловливает количество подаваемого в двигатель топлива.

Характеристика отвода М_с (винтовая) представляет совокупность установившихся режимов двигателя (от самого малого до полного хода) при неизменных условиях плавания.

Характеристики главного дизельного двигателя – нелинейные. Нелинейность характеристик является показателем того, что качество рабочего процесса двигателя и свойства всего пропульсивного комплекса различны на разных режимах, в частности, по такому показателю, как КПД, и они тем значительнее, чем больше нелинейность.

С максимальным КПД установка обычно работает на основном номинальном режиме. Для транспортного судна это режим полного хода в полном грузу, которому соответствует верхняя точка расчетной винтовой характеристики, представляющей совокупность установившихся режимов главного двигателя при движении судна в полном грузу по глубокой, спокойной, чистой ото льда воде. Как правило, эксплуатационный полный ход принимается по нагрузке на 10-15 % меньше расчетного. Однако малая нелинейность верхнего участка винтовой характеристики свидетельствует о том, что качество рабочего процесса двигателя и свойства пропульсивного комплекса изменяются незначительно. При этом частота вращения вала двигателя – гребного винта, и, следовательно, скорость судна уменьшаются незначительно, а снижение нагрузки двигателя на основном режиме на 10-15 % существенно увеличивает его моторесурс.

Читайте также: Расчет процесса сгорания топлива в СДВС

Большая нелинейность нижнего участка винтовой характеристики свидетельствует о значительном ухудшении свойств, в том числе КПД, главного двигателя и всего пропульсивного комплекса. Но ввиду кратковременности маневровых режимов с малыми расходами топлива, которым соответствует этот участок винтовой характеристики, в большинстве установок сохраняется традиционная комплектация, позволяющая сохранить их простоту и надежность.

Однако проблемы работы на маневровых режимах и в зоне малых частот в определенной мере решаются с применением ВРШ, автономных воздуходувок, аккумуляторной топливоподачи и пр.

При утяжелении условий (лед, мелководье, встречный ветер, а также при перекладке руля и др.) винтовая характеристика смещается влево от расчетной винтовой характеристики, в связи с уменьшением частоты вращения. При неполной загрузке судна она располагается правее расчетной винтовой характеристики.

Различный угол наклона нижнего и верхнего участка винтовой характеристики свидетельствует о том, что в области малых частот даже незначительные изменения нагрузки вызывают существенные изменения частоты вращения, а в области высоких частот, т. е. вблизи номинальной частоты, зависимость между нагрузкой и частотой имеет противоположный характер.

Свойство саморегулирования

Главный судовой двигатель является объектом, обладающим свойством саморегулирования. Так, при нарушении равенства подвода и отвода энергии начинается переходный процесс, в результате которого вновь наступает равенство подвода и отвода энергии, т. е. объект самостоятельно, без применения регулятора, приходит к установившемуся режиму.

Для движущихся объектов свойство саморегулирования определяется взаимной зависимостью между скоростью движения и величиной сопротивления движению внешней среды, т. е. взаимосвязью между величиной отвода энергии и параметром, характеризующим режим работы установки.

При движении судна сопротивление воды корпусу судна и вращению Руль и гребной винт суднагребного винта зависит от скорости судна и частоты вращения винта. В переходном процессе у объекта, обладающего свойством саморегулирования, нагрузка (отвод энергии) всегда изменяется в сторону сближения по величине с подводом энергии. В результате вновь наступает установившийся режим, при котором отвод уравнивается с подводом.

Свойство саморегулирования главного судового двигателя рассмотрено на рис. 3.

В качестве исходного принят установившийся режим движения судна по чистой (от льда) воде, которому на винтовой характеристике I соответствует точка I. Рассмотрена ситуация, связанная с изменением условий плавания, при которой резко изменяется Сопротивление движению малого суднасопротивление движения судна в связи с его заходом в лед. Вследствие увеличения сопротивления движению судна, винтовая характеристика смещается влево в положение II. Если предположить, что изменение сопротивления произошло резко (мгновенно), т. е. частота вращения гребного винта при этом не успела измениться, то в данном случае режим резко сместится вверх в точку 2 вместе с винтовой характеристикой. Возникшее при вхождении в лед дополнительное сопротивление характеризуется величиной ∆М_с. Под его воздействием начинается снижение частоты вращения гребного винта по винтовой характеристике, соответствующей новым условиям плавания (движения во льду). В связи с дополнительным сопротивлением движению судна и снижением частоты вращения гребного винта начинается снижение скорости судна. Однако вместе с этим снижается и сопротивление его движению, характеризуемое величиной сопротивления на гребном винте ∆М_с. Переходный процесс, происходящий под воздействием избыточного момента сопротивления, продолжается до тех пор, пока этот момент не станет равным нулю. В данном случае вновь наступает равенство подвода и отвода энергии, режим движения стабилизируется в точке 3 (при условии, что подвод энергии М_д не изменялся, т. е. топливоподача в двигателе оставалась постоянной). Аналогично проходит переходный процесс при выходе судна из льда на чистую воду.

Если же исходить из условия скачкообразного изменения сопротивления, режим смещается из исходной точки 3 на винтовой характеристике II в точку 2′ на винтовой характеристике I, соответствующей движению судна по чистой воде. Под действием возникающего при этом избыточного крутящего момента двигателя ∆М_д скорость судна начинает возрастать. Однако при этом увеличивается и величина сопротивления его движению, характеризуемая М_с. Переходный процесс продолжается до уравнения моментов М_д = М_с. При этом скорость судна стабилизируется так же, как и рабочий режим главного двигателя.

При исследовании свойства саморегулирования были определены его признаки, как при аналитическом, так и при графическом представлении объекта (рис. 4).

При графическом описании главного судового дизеля (рис. 4) наличие свойства саморегулирования характеризуется положительным знаком разности тангенсов углов наклона касательных к характеристикам отвода и подвода энергии в точке установившегося режима:

Следовательно, можно сделать вывод: если участок характеристик, находящихся справа от точки исследуемого режима, расположен таким образом, что характеристика подвода находится в IV квадранте, а отвода – в I квадранте координатного поля, то объект обладает свойством саморегулирования, так как из положительного тангенса вычитается отрицательный, что определяет положительный результат разности тангенсов.

Область рабочих режимов двигателя

Реальные условия плавания могут изменяться в широком диапазоне, существенно отклоняясь от номинального и других режимов расчетной винтовой характеристики. Однако при этом существуют двоякого рода ограничения:

• естественные, определяемые конструктивными параметрами судна, его пропульсивной установкой и возможными изменениями условий плавания;
• специально предусмотренные в установке ограничительные устройства для защиты двигателя от выхода на неблагоприятные и аварийные режимы.

Область рабочих режимов двигателя, связанная с изменениями внешних условий, ограничивается винтовыми характеристиками: наиболее тяжелой и легкой.

В качестве наиболее тяжелой может быть принята швартовная характеристика, соответствующая работе двигателя при неподвижном судне: во время швартовных испытаний и в условиях, когда судно застряло во льдах или Снятие судна с мелисело на мель. В качестве легкой принимается винтовая характеристика порожнего судна. Область рабочих режимов между указанными характеристиками является областью возможных рабочих режимов главного двигателя (рис. 5).

Область рабочих режимов, ограниченная характеристиками специальных ограничительных устройств, является областью допустимых режимов главного двигателя. Эти ограничения осуществляются по следующим параметрам:

• максимально-допустимая топливоподача (h_макс) – защита от перегрузки;
• максимально-допустимая частота вращения (n_мин) – защита от разноса;
• минимально-допустимая топливоподача – защита от самопроизвольной остановки двигателя (h_мин);
• минимально-допустимая частота вращения (n_мин), а также защита от самопроизвольной остановки двигателя;
• обеспечение нормального соотношения между топливоподачей (h_РТН – n), а также топливоподачей и количеством воздуха, подаваемого в двигатель (h_РТН – p_в).