ПРИНЦИПЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ВАЛА ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Общие сведения. Частота вращения вала (один из основных регулируемых параметров) должна поддерживаться на заданном уровне с определенной точностью. На установившемся режиме крутящий момент М_Д, развиваемый двигателем, и момент сопротивления М_С (необходимый для привода гребного винта или электрического генератора) равны, а частота вращения n = idem. В условиях эксплуатации момент сопротивления может меняться в зависимости от нужд потребителей. Тогда для поддержания заданной частоты вращения необходимо изменить момент М_Д изменением количества топлива, подаваемого в цилиндры двигателя.

Предельная схема включения регулятора. Рассмотрим работу главного двигателя с прямой передачей мощности на гребной ВФШ (рис. 37, а). При фиксированном положении тяги ТНВД (h _Н = idem), соответствующем номинальной топливоподаче, зависимость крутящего момента ГД от частоты вращения определяется внешней характеристикой h _Н , являющейся характеристикой подвода ОР.

Характеристикой отвода является «нормальная» винтовая характеристика ОА, показывающая зависимость крутящего момента, необходимого для вращения ВФШ с частотой n. Установившийся режим комплекса ГД—ВФШ при номинальной скорости судна определяется параметрами М_ДН = М_СН, n_н — точки А пересечения этих характеристик.

С увеличением сопротивления движению корпуса судна (при движении во льдах, против ветра, по мелководью и т.д.) возрастает нагрузка и характеристика отвода смещается в положение ОB , что соответствует характеристике «тяжелого» винта. В этом случае при том же положении тяги ТНВД появляется разность моментов, под действием которой частота вращения ГД изменяется по характеристике АВ двигателя, и в точке В наступает установившийся режим ( М_д1 = М_с1; n ₁ ). Несмотря на то, что частота вращения снижена, двигатель работает с большей нагрузкой по крутящему моменту.

С уменьшением нагрузки (при оголении ВФШ) винтовая характеристика смещается в положение ОС, соответствующее характеристике «легкого» винта, и частота вращения изменяется по характеристике АС. Если условно принять, что характеристика винта остается на некоторое время в этом положении, то в точке С наступает установившийся режим ( М_Д4 = M _с4 ; n ₄ ).

Следовательно, комплекс ГД - ВФШ в зоне эксплуатационных режимов с точки зрения регулирования частоты вращения обладает положительным саморегулированием, т. е. является устойчивым объектом. Однако при сбросе нагрузки частота вращения может достичь недопустимых пределов n ₄, грозящих аварией, т.е. ГД может пойти вразнос. Предотвратить это можно установкой регулятора частоты вращения, выполняющего функции ограничителя. Регулятор, настроенный соответствующим образом, вступает в работу при росте частоты вращения на 10%—12% сверх номинальной и ограничивает подачу топлива в двигатель. Тогда при сбросе нагрузки вначале частота вращения изменяется по характеристике АД, а затем при частоте вращения n₂ в работу вступает регулятор и по регуляторной характеристике DE (статической характеристике АСР) воздействует на ТНВД в сторону уменьшения подачи топлива к ГД. Условный установившийся режим (М_Д3 = M _с3 ; n ₃) наступает в точке Е пересечения регуляторной характеристики ДЕ с «легкой» винтовой ОС, а регулятор устанавливает тягу ТНВД в промежуточное положение, что соответствует работе ГД по частичной характеристике h ₁. С ростом нагрузки (при погружении винта) частота вращения снижается и при ее значении n₂ регулятор увеличивает подачу топлива до номинальной, а сам выключается.

Схема включения регулятора, при которой он вступает в работу и ограничивает подвод энергии к ОР только при росте частоты вращения выше номинальной, называется предельной. Регулятор в зависимости от диапазона поддерживаемых скоростных режимов может быть однорежимным или всережимным.

Однорежимный регулятор может поддерживать с определенной точностью только одну заданную частоту вращения, а при изменении уставки задания обеспечивается подстройка в диапазоне не менее 95-105% номинальной частоты вращения п_н при номинальной нагрузке.

Всережимный регулятор в зависимости от уставки задания может поддерживать с определенной точностью любую частоту вращения двигателя в диапазоне не менее 30-105% номинальной частоты вращения.

Для перехода с одного скоростного режима судна с ГД и ВФШ на другой необходимо изменять топливоподачу. Для этого можно непосредственно воздействовать на тягу ТНВД с поста управления и стабилизировать ее в определенных положениях. Тогда частота вращения устанавливается на заданном уровне путем саморегулирования ОР (комплекс ГД - ВФШ), причем устойчивость работы комплекса снижается с уменьшением частоты вращения из-за уменьшения коэффициента саморегулирования (см. п. 9). В зоне, расположенной ниже минимально устойчивой частоты вращения n_min, суммарный момент сил, необходимый для вращения винта и преодоления механических потерь в двигателе, больше крутящего момента ГД, и последний при фиксированном положении тяги ТНВД «глохнет», т.е. в этой зоне взаимное расположение характеристик подвода и отвода ОР таково, что он теряет устойчивость с переходом сначала на нулевое саморегулирование, а затем на отрицательное. Снижение устойчивости двигателя усугубляется также периодичностью протекания рабочих процессов в цилиндрах и пропуском вспышек рабочей смеси из-за снижения средней скорости движения поршней и температуры стенок цилиндропоршневой группы.

Всережимная схема включения регулятора. Повысить точность поддержания частоты вращения двигателя можно установкой регулятора частоты вращения, включенного по всережимной схеме, при которой уставка задания регулятора остается постоянной, а он непрерывным воздействием на тягу ТНВД стабилизирует с определенной точностью заданную частоту вращения двигателя. Для перехода на новую частоту вращения изменяют уставку задания регулятора, а он в свою очередь, стремясь поддержать вновь заданную частоту вращения, воздействует на топливоподачу.

Рассмотрим работу замкнутой АСР частоты вращения вала ГД - ВФШ с всережимным регулятором, включенным по всережимной схеме (рис. 37, б). На самом малом ходу судна установившийся режим ГД - ВФШ характеризуется точкой А пересечения регуляторной характеристики R ₁ с «нормальной» винтовой характеристикой 2, что соответствует работе двигателя по частичной характеристике h ₁  частотой вращения n ₁.

Для перехода на режим среднего хода увеличивают уставку задания регулятора. Чтобы понять сущность переходного процесса, мгновенно увеличим задание регулятору, что приведет к смещению его характеристики в положение R ₂. Регулятор, стремясь поддержать вновь заданную частоту вращения, смещает тягу ТНВД до ограничительного упора. Двигатель разгоняется вначале по внешней характеристике h _Н (участок ВС), а затем регулятор через ТНВД уменьшает подачу топлива, и разгон продолжается по регуляторной характеристике R ₂. После разгона ГД с ВФШ и корпусом судна в точке D наступает установившийся режим. Регулятор поддерживает частоту вращения n ₂, а двигатель работает по частичной характеристике h ₂.

Рис. 37. Статические характеристики комплекса ДВС—ВФШ—АСР

 

С изменением нагрузки винтовая характеристика смещается в положение 1 или 3, а регулятор поддерживает заданную частоту вращения, непрерывно воздействуя на тягу ТНВД. С ростом нагрузки (винтовая характеристика 1) установившийся режим переходит в точку С. расположенную выше ограничительной характеристики ЕК двигателя, т.е. характерна работа двигателя с перегрузкой, исключить которую можно уменьшением задания регулятору.

Ограничительная характеристика — это зависимость максимальной нагрузки от частоты вращения, при которой тепловая и механическая напряженность двигателя не превышает допускаемых значений.

Для предотвращения перегрузки ГД при работе на «тяжелый» ВФШ необходимо уменьшить задание регулятору таким образом, чтобы точка установившегося режима была расположена не выше ограничительной характеристики. Это делается вручную или автоматически по сигналу от специальных устройств ограничения нагрузки.

Для перехода на режим полного хода постепенно увеличивают уставку задания регулятора до номинального значения, что ведет к смещению регуляторной характеристики в положение R_H и переходному процессу, аналогичному рассмотренному.

Включение регулятора по всережимной схеме обязательно при работе ДВС на ВРШ, так как основное изменение нагрузки вызывается изменением угла разворота лопастей винта. С уменьшением шага винтовые характеристики становятся пологими, нагрузка уменьшается и становится минимальной при нулевом развороте лопастей ВРШ, а регулятор поддерживает заданную частоту вращения в пределах неравномерности АСР.

В автоматической системе регулирования ДГ устанавливают однорежимные регуляторы, обеспечивающие поддержание заданной частоты вращения вала и частоты тока в электрической сети в пределах допускаемой статической неравномерности, а включают их в работу по всережимной схеме. Требования Регистра СССР к точности поддержания частоты вращения вала ДВС определяются назначением двигателя (табл. 1).

⇐ Предыдущая78910111213141516Следующая ⇒

Поделиться: