Устройство автоматического регулирования судового дизеля

Понятие о судовом дизеле как объекте регулирования частоты вращения. К основным параметрам судового дизеля, которые необходимо стабилизировать с помощью автоматических регуляторов, относятся частота вращения, температура охлаждающей воды и масла. Требования, предъявляемые к регуляторам, определяются статизмом регуляторной характеристики (степенью неравномерности регулирования и динамическими отклонениями упомянутых параметров от статических характеристик в переходных режимах (см. “Классификация систем автоматики. Основы теории взаимодействия дизеля и устройств автоматического регулирования“).

Рассмотрим особенности дизеля как объекта регулирования частоты вращения.

Уравнение вращения коленчатого вала дизеля с присоединенными к нему массами поступательно движущихся деталей, а также валопроводом и винтом с общим моментом инерции I можно упрощенно представить при отклонениях параметров от установившихся режимов в виде:

$I \cdot d (Δω 1 dτ) = M_{e} - M_{нагр}, (*)$

где:

$M_{e} = M_{e 0} + Δ M_{e}, M_{н а г р} = M_{н а г р 0} + Δ M_{н а г р} Δ M_{e}$

– отклонение эффективного момента от исходного значения
$M_{e 0}$
;
$Δ M_{н а г р}$
– отклонение момента нагрузки от исходного значения
$M_{н а г р 0}$
;
$Δ ω$
– изменение частоты вращения.

Примем допущение, что приращение эффективного момента

Δ M_{e}

пропорционально приращению хода рейки топливных насосов дизеля

Δ h_{p}

и не зависит от ω, а приращение момента нагрузки при работе на винт с фиксированным шагом определяется по зависимости:

$M_{н а г р} = c ω^{2}, Δ M_{н а г р} = Δ (c ω^{2}) = c \cdot 2 ω_{0} \cdot Δ ω_{0}$

Тогда уравнение (*) приводим к виду:

$T_{a} \frac{d φ}{d τ} + β φ = μ - λ, (* *)$

где:

$T_{0} = \frac{1 \cdot ω_{0}}{M_{н а г р}} [c]$
– время разгона;
$β = \frac{2 c ω_{0}^{2}}{M_{н а г р}}$
– самовыравнивание объекта;
$φ = \frac{Δ ω}{ω_{0}}$
– относительное изменение приращения частоты вращения коленчатого вала дизеля.

$μ = (Δ M_{e} / M_{e 0})$

– относительное изменение эффективного момента, принимаемого пропорциональным относительному изменению хода рейки топливных насосов:

$z = Δ h / Δ h_{p 0}$

$M_{e 0} = M_{н а г р 0}$

– моменты эффективный и нагрузки на исходном установившемся режиме. Величина, обратная времени разгона

T_{a}

, характеризует важные свойства объекта – чувствительность объекта к возмущению.

Предположим, что относительный ход Топливные насосы золотникового типарейки топливных насосов и, поэтому, эффективный момент μ изменяется на единицу, а величина

β = 0

, величина

$φ = 0$

Тогда:

$d φ = \frac{d τ}{T_{a}}$

Через время

τ = T_{a}

величина φ изменится на единицу

(ω на ω_{н о м})

Чем меньше время

T_{a}

тем быстрее будет изменяться частота вращения дизеля, тем большие требования необходимо предъявлять к конструкции регулятора скорости с тем, чтобы он был более быстродействующим. Обычно с увеличением форсировки дизеля растут величины φ и

$M_{н а г р 0}$

, поэтому величина

T_{a}

может уменьшиться.

Если значение

β > 0

, то решение уравнения (*) примет вид:

$φ = \frac{1}{β} (1 - e^{\frac{τ}{T_{a}}}) при τ = \infty, φ = 1 / β$

С течением времени, при

τ = \infty

коленчатый вал дизеля увеличит свою частоту вращения, которая примет новую, вполне определенную, постоянную величину, отличаю-щуюся от начальной на значение

1 / β

. Таким образом ω не изменяется до бесконечности, а происходит самовыравнивание процесса или саморегулирование дизеля (без воздействия регулятора скорости). Чем больше величина β, тем меньше конечное изменение частоты вращения дизеля.

Величина β зависит не только от свойств нагрузки дизеля, но и от зависимости эффективного момента от ω.

Совместное действие регулятора скорости и дизеля. Рассмотрим как взаимодействуют регулятор скорости и дизель в установившихся и переходных режимах на примере регулятора непрямого действия с жесткой обратной связью. На рис. 1, а представлена схема регулятора скорости непрямого действия с жесткой обратной связью, подобная схеме “Рис. 1 Схема уровня воды“.

Регулятор скорости непрямого действия — Рис. 1 Схема регулятора скорости и его характеристики

Чувствительный элемент частоты вращения в виде вращающихся центробежных грузов 1 передает усилие от центробежной силы грузов на пружину 2. В случае повышения ш под действием разности сил грузов и пружины, золотник 3 перемещается влево и открывает окно 4 в подвижной втулке 5. Масло, подающееся шестеренным насосом, попадает в цилиндр под сервопоршень 6, который передвигаясь, сжимает пружину 7 и передвигает рейку топливных насосов 9 дизеля 10 на уменьшение подачи топлива. В результате частота вращения дизеля ω восстанавливается. Одновременно сервопоршень 6 с помощью рычага жесткой обратной связи 7 передвигает втулку в направлении движения золотника, которая прикрывает окно 4 и способствует устойчивости системы.

В случае, если происходит наброс нагрузки и Реверс дизельного двигателячастота вращения дизеля увеличивается, то процессы в системе регулятор скорости — дизель, идут в обратном направлении. Сервопоршень движется под действием пружины и масло сбрасывается через окно 4.

Дифференциальные уравнения системы регулирования (включающей объект регулирования дизель, и регулятор скорости). Уравнение вращения коленчатого вала дизеля представим в упрощенном виде, пренебрегая самовыравниванием

(β = 0)

$T_{a} \frac{d φ}{d τ} = μ - λ, Ф о р м . 1$

где:

λ – относительное изменение момента нагрузки.

Уравнение движения чувствительного элемента при малых изменениях ш можно получить, пренебрегая силами инерции грузов в виде:

$Δ x = к_{ч . э .} Δ ω,$

где:

$к_{ч . э .}$
— коэффициент передачи чувствительного элемента обратно пропорционален жесткости пружины 2.

В относительных единицах это уравнение примет вид:

$ζ = к_{ч . э .} φ Ф о р м . 2$

где:

$ζ = Δ x / x_{0} .$

Уравнение движения сервомотора можно получить. Пренебрегая силами инерции и силами, действующими на сервопоршень извне, из уравнения расходов жидкости через окно и при движении сервопоршня:

$Q_{ж} = F \cdot \frac{d Δ Z}{d τ} \equiv μ_{и с т} \cdot f \sqrt{\frac{Δ ρ}{ρ}}$

(общий перепад давления

Δ p

делится на 2 — для каждого окна), где:

$μ_{и с т}$
– коэффициент истечения через окно;
p – плотность жидкости,
$f = b (x - y)$
;
b – ширина окна.

В результате преобразований получим:

$T_{x} \cdot \frac{d z}{d τ} = ζ - n, Ф о р м . 3$

где:

$n = Δ Y / X_{0};$
$Z = Δ Z / Z_{0};$
$T_{s} = \frac{F \cdot Z_{0}}{μ_{и с т} \cdot b \sqrt{\frac{Δ 3}{ρ} \cdot X_{0}}}$
– время сервомотора.

Уравнение жесткой обратной связи:

$Y = K_{о с} \cdot Z,$

где:

$K_{о с} = B O / A O$

(см. схему рис. 1, а).

Предлагается к прочтению: Современные транспортные суда различного назначения

Уравнение основной обратной связи, характеризующее назначение регулятора, стабилизирующего какой-либо параметр путем уменьшения (или увеличения) подвода энергии:

$μ = - Z$

Зависимость наклона регуляторной характеристики и устойчивости от параметров системы. Предположим, что при работе на холостом ходу, когда

$λ = μ = 0,$

то и

$φ = 0 .$

Увеличим нагрузку λ на относительную единицу. Тогда из уравнений на установившемся режиме, когда все производные в уравнениях равны 0

$x - y = 0 или K_{ч . э .} φ + K_{о с} μ = 0 или φ = - \frac{K_{о с}}{K_{ч . э .}} \cdot μ$

Величина

δ = K_{о с} / K_{ч . э .}

– характеризует наклон характеристики и называется также степенью неравномерности. На рис. 1, б показаны статическая характеристика системы.

Если

K_{о с}

увеличить передвигая опору с шарниром вниз, то

K_{о с}

и δ – возрастут.

Таким образом, изменяя положение шарнира 0 настраивает наклон статической характеристики системы.

Если увеличить жесткость пружины чувствительного элемента, то

K_{ч . э .}

уменьшится, а наклон статической характеристики увеличится.

Рассмотрим динамику системы например при внезапном увеличении нагрузки на единицу.

Читайте также: ТОП 5 самых больших танкеров в мире

В момент

τ = 0

уравнение объекта примет вид:

$T_{a} \frac{d φ}{d τ} = μ - 1$

$- T s \frac{d μ}{d τ} = K_{ч . э .} φ + K_{о с} μ$

продифференцируем второе уравнение, определим из него

(d φ / d τ)

и подставим в первое уравнение, получим:

$T_{a} T_{s} \frac{d^{2} μ}{d τ^{2}} + T_{a} K_{о с} \frac{d μ}{d τ} + K_{ч . э .} μ = K_{ч . э .}$

Характеристическое уравнение для определения корней примет вид:

$T_{a} T_{s} p^{2} + T_{a} K_{о с} p + K_{ч . э .} = 0$

корни характеристического уравнения равны:

$P_{1.2} = - \frac{K_{о с}}{2 T_{s}} \pm \sqrt{\frac{K_{о с}^{2}}{4 T_{s}^{2}} - \frac{K_{ч э}}{T_{a} T_{s}}}$

Решение дифференциального уравнения при условии, что подкоренное выражение корней имеет отрицательный знак, получим:

$μ = c e^{\frac{- K_{о с}}{2 T_{s}} τ} (\cos Ω τ + γ),$

где

$Ω = \sqrt{(K_{о с}^{2} / 4 T_{s}^{2}) - (K_{ч э} / T_{a} T_{s})}$

Вид решения представлен на рис. 1, в. Решение представлено в виде затухающих колебаний. Амплитуда колебаний уменьшается по экспоненте

$e^{\frac{K_{о с}}{2 T_{s}} τ} .$

Пунктиром показаны линии для случая уменьшенного значения K_ос.

Чем больше K_ос тем быстрее затухает переходный процесс, чем меньше K_ос тем медленнее затухает Требования и процесс регулирования судовой автоматикипереходный процесс и колебательность системы больше, что нежелательно.

Вывод из приведенного анализа: следует, что стремление стабилизировать регулируемую величину и уменьшить значение δ приводит к колебательности системы регулирования, к ухудшению устойчивости. Для решения вопроса применяют устройства, которые позволяют временно увеличить наклон регуляторной характеристики и улучшить устойчивость в переходных режимах. Эти устройства не влияют на значение δ на установившихся режимах. К таким устройствам относятся упруго присоединенные катаракты регуляторов прямого действия и изодромные (гибкие) обратные связи регуляторов непрямого действия.

Классификация регуляторов скорости и требования к ним

Регуляторы классифицируются по ряду признаков. Некоторые из них:

Прямого и непрямого действия.
По конструктивному исполнению чувствительных усилительных и исполнительных элементов: гидромеханические, электрические, электронные.
По наклону регуляторной характеристики: астатические и статические.
По диапазону регулирования δ (ОРЛиОРН) подразделяются на однорежимные для дизель-генераторов, предназначенные для работы в узком диапазоне изменения скоростей, всережимные ВРП и ВРН, обеспечивающие заданные параметры в диапазоне от минимальной до номинальной скорости, применяемые для транспортных дизелей; двух- и трехрежимные, применяемы, например, в зонах минимального и максимального Указатели угловой скорости поворотазначения скорости; предельные, применяемые для ограничения скорости. Регуляторы должны оборудоваться устройствами для выполнения следующих операций: дистанционной настройки скорости, регулировки наклона статической характеристики, местного и дистанционного выключения подачи топлива, исполнение команд по аварийным сигналам, автоматического ограничения подачи топлива (по заданной программе, в функции от скорости вращения или давления наддува) и др.

Точность САРС
Класс точности САРС	1	2	3	4
$φ %$	5	7,5	10	15
$τ_{n C}$	2	3	5	10

Должна быть предусмотрена возможность регулирования наклона регуляторной характеристики, как правило, от 0 до 6 %. Однорежимные регуляторы могут быть разбиты на 4 класса по точности регулирования. 1-ый класс — самая высокая точность; 2, 3 и 4 — соответственно ниже.

Краткие сведения о дизеле, как объекте управления пуском. Понятие автоматическое управление является более общим, чем автоматическое регулирование. В случае автоматизации дизельных установок в качестве систем управления будем понимать системы, осуществляющие автоматизированный (часто часто операции выполняются человеком) или автоматический пуск, прогрев и выход на режим дизеля (ДГ), остановку, реверсирование, разгон, поддержание дизеля в состоянии горячего резерва, обслуживание во время работы.

Как правило, системы ДАУ построены на логических элементах, в основе соединения которых лежит алгоритм, соответствующий выполняемой операции.

Рассмотрим в качестве примера последовательность основной операции — пуска. Обслуживающие системы главного дизеляПуск и прогрев дизеля требует тщательного соблюдения последовательности включения и выключения вспомогательных устройств и изменения частоты вращения при прогреве. При пуске дизеля путем постепенного изменения числа оборотов необходимо добиться снижения вредного влияния:

трения из-за повышения вязкости масла на износ деталей;
повышенных тепловых напряжений в деталях цилиндро-поршневой группы вследствие перерегулирования тепловых напряжений на 30 % и более;
уменьшения зазоров между поршнем и втулкой, приводящего к заклиниванию поршня при прогреве и остановке из-за неодновременного изменения температуры поршня и втулки. Одновременно необходимо обеспечить надежное выполнение операций пуска и остановки в установленное время.

Время пуска и приема нагрузки для прогретого дизеля зависит обычно от мощности и лежит от 50 °С для агрегатов Pe до 50 кВт до 60 °С для агрегатов от 500 до 1 000 кВт с воздушным пуском, и 80 °С для агрегатов свыше 1 000 кВт.

При пуске и прогреве дизеля автоматические операции должны обеспечиваться датчиками, контролирующими температуру охлаждающей воды и масла, частоту вращения, давление пускового воздуха, наличие топлива, масла, уровня воды и другие параметры (например при работе на тяжелом топливе — вязкость топлива) и т. д.

Технологическая последовательность операций при пуске включает перепусковые операции:

предварительная прокачка системы смазки (контролируется время прокачки и давление масла);
предварительная прокачка системы топливоподачи;
предварительное включение свечей накаливания (на двигателях с внутрикамерным смесеобразованием).

Монтаж судовых двигателей внутреннего сгоранияПусковые операции начинаются после завершения предпусковых. По импульсу, поступающему в схему автоматики от реле давления, контролирующего окончание предпусковой прокачки малом, включается стартер или разрешающий пусковой воздушный клапан.

Для двигателей со стартерным пуском пусковая схема предусматривает несколько попыток раскрутки с промежутками (паузами) между ними.

В случае удавшегося пуска схема автоматики отключается по импульсу от реле скорости вращения. Хороший двигатель после пуска выходит на режим прогрева на холостом ходу и пониженной частоте вращения. Реле контроля температуры масла может включить двигатель под нагрузку лишь после прогрева масла до температуры 35-40 °С. Регулятор снабжается серводвигателем, перемещающим орган задания по команде от системы автоматики. По импульсу от реле скорости происходит включение нагрузки (ДГ) или ввод ДГ в параллельную работу.

Сноски

Основы взаимодействия дизеля и устройств автоматического регулирования

Классификация регуляторов скорости и требования к ним