§ 4.7. Регуляторы частоты вращения вала

Основные понятия. Частота вращения вала является основной регулируемой величиной наиболее ответственных механизмов судна — главных двигателей и электрогенераторов. Преимуще­ственное распространение на судах получили гидравлические ре­гуляторы частоты вращения с пропорционально-интегральным законом регулирования (они именуются также изодромными регуляторами).

Характеристикой регулятора называется зависимость ча­стоты вращения от нагрузки дизеля. Эта характеристика может быть двух видов — астатическая и статическая. В первом случае любому значению нагрузки на дизель в установившемся режиме соответствует одно и то же значение частоты вращения, во втором — разным значениям нагрузки на дизель в устано­вившемся режиме соответствуют разные значения частоты вра­щения.

Степень неравномерности 6 определяется отношением зоны неравномерности Ап (разность частот вращения при установив­шемся режиме, измеренных при нулевой и полной нагрузках) к,заданной частоте вращения п^: б = (Дл/л^-ЮО %. В астатичес­ких регуляторах б = 0, в статических б = 15-f-20 %.

Степенью нечувствительности регулятора называется отно­шение зоны нечувствительности n_max — n_mm к заданной частоте вращения:

е = >”~.^Пт1" 100%, я_э

где п— л_т1п — максимальная и минимальная частоты враще­ния КВ дизеля при работе на заданном режиме. Для судовых дизелей е = 0,5-f-3 %.

Работоспособность регулятора — это способность регулятора совершать работу по перемещению органов топливоподачи: R — = pH St], где р — давление масла в напорной магистрали; Н — полный ход поршня сервомотора; S — рабочая площадь поршня сервомотора; т] — коэффициент использования полного хода сер­вомотора.

В зависимости от настройки изодромные регуляторы могут обеспечивать как статическую, так и астатическую характери­стики регулирования. Они имеют два настроечных параметра — коэффициент усиления, изменяющийся за счет жесткой обратной связи, и время интегрирования, определяющее продолжитель­ность процесса восстановления астатической характеристики регулирования после изменения внешней нагрузки. Время интег­рирования устанавливается посредством игольчатого дросселя на масляной магистрали системы обратной связи.

Для равномерного распределения нагрузки между парал­лельно работающими двигателями регулятор на каждом двига­теле обычно настраивают так, чтобы обеспечить статическую характеристику регулирования, одинаковую для всех двигателей. Это достигается за счет регулирования жесткой обратной связи. Чтобы динамика изменения частоты вращения параллельно рабо­тающих двигателей при этом была оптимальной, на каждом из регуляторов должно быть установлено одинаковое время инте­грирования.

Из группы параллельно работающих двигателей один может иметь астатическую характеристику регулирования. В этом слу­чае такой двигатель будет принимать на себя колебания нагрузки в судовой сети, в то время как остальные двигатели, имеющие статическую характеристику регулирования, будут работать при неизменной мощности.

Инерционность систем газотурбинного наддува и возникающая в результате несогласованность в подачах топлива и воздуха при работе на неустановившихся режимах дизелей приводят к необ­ходимости использования на дизелях двухимпульсных систем регулирования (рис. 4.40).

Типы регуляторов. Регуляторы типа VG фирмы «Вудвард» (США) широко распространены на дизелях транс­портного флота (преимущественно модели UG и реже PG). Каж­дая из моделей бывает нескольких вариантов, различающихся

работоспособностью, способом задания скоростного режима и остаточной неравномерностью, а также устройствами для огра­ничения нагрузки, останова, защиты и др.

Регуляторы UG-40TL применяют на МОД. Марка регулятора расшифровывается так: U — универсальный; G — регулятор; 40 — работоспособность регулятора в фунто-футах (~55,0 Дж), TL — ограничение нагрузки. Регулятор UG-40TL является авто­номным всережимным непрямого действия с гидравлическим сервомотором и масляным насосом, встроенным в общий корпус. Измеритель скорости — механический* центробежного типа, при­водится в движение от распределительного вала дизеля. Обратные связи (жесткая и изодромная) могут настраиваться. Рабочее

Рис. 4.40. Схемы двухимпульсных САР и регуляторов по скорости и давлению наддувочного воздуха: а, б — функциональная и конструк­тивная схемы двухимпульсной САР; в, ою — регуляторы с силовым сум­мированием импульсов; г — регу­лятор с переменным передаточным отношением; д •— пневмокорректор с беременным упором рейки; е — регулятор с кинетическим сумми­рованием импульсов на базе РНК-4.

I — коленчатый вал дизеля; 2 — дизель; 3 — ТК; 4 — впускной патрубок; 5 — топлив­ный насос; 6 — рычаг управления; 7 — пневмокорректор; 8 — упор; 9 — орган дози­рования топливоподачи; 10 — суммирующий рычаг; 11 — пневматический чувствитель­ный элемент; 12 — центробежный чувствительный элемент скорости; 13 — пружина.

давление масла 1,7 МПа, максимальная частота вращения КВ 1000 об/мин. Регулятор унифицированный, содержит механизмы: программного ограничения подачи топлива в функции задания скоростного режима, а также давления наддувочного воздуха; ограничения задания минимального скоростного режима; дистан­ционного останова через регулятор с помощью соленоида; оста­нова через входной вал регулятора (через механизм задания скоростного режима). ,

Рис. 4.41. Схема регулятора скорости 1ВРН-400.

в 7 г В 6 5

> — всережимная пружина; 2 — золотник измерителя скорости; 3 — аккумулятор масла; « — неподвижная втулка; 6 — масляный насос; 6 — подвижная втулка измерителя скорости; 7, 8 — поршни дополнительного и силового сервомоторов; 9 — вал силового сервомотора; 10 — валик управления скоростью; И — механизм ручного управления скоростью; 12 — валик установки наклона регуляторной характеристики; 13 — шток пневмопозиционера; 14 — механизм ручного останова; ЭмС — электромагнит стоп- устройства; а и о — сливной и напорный каналы; ей Г — каналы управления дополни­тельного и силового сервомоторов; Д — канал поршня стоп-устройства.

гидромеханический с центробежным измерителем скорости, обо­рудованным пружинно-гидравлическим демпфером. На регуля­торе размещены указатели нагрузки, установленной частоты вра­щения, уровня масла (рис. 4.42).

Регулятор типа PGA фирмы «Вудвард» имеет гидравлическую обратную связь и пневматическую (индекс А)

Регулятор 1ВРН-400 (СССР)(рис. 4.41) унифицирован­ный, непрямого действия высокой работоспособности (~40 Дж), полноценно заменяет регуляторы UG-40 фирмы «Вудвард», при­меняется для судовых дизелей 6ЧН 40/46 (6РС2-5) (эти дизели эксплуатируются с 1981 г. в составе двухмашинных агрегатов ДРА 6800/145-2ВГОМ4 на морских судах). Технические харак­теристики: максимальная работоспособность 58,8 Дж; номиналь­ная работоспособность 39,2 Дж; номинальная частота вращения

приводного вала 1000/ об/мин; пределы изменения частоты вра­щения 30—105 %; пределы изменения наклона регуляторной характеристики 0—6 %; масла, применяемые в регуляторе, — МС20, МК22 (ГОСТ 21743—76) или SAE40 и SAE50. Регулятор

установку регулируемой частоты вращения. Он устанавливает частоту вращения дизеля путем изменения степени наполнения ТНВД. Регулятор типа PGA (рис. 4.43) состоит из следующих основных элементов: масляного насоса, двух баков для масла под давлением и одного клапана для поддержания постоянного дав­ления масла; механизма для измерения частоты вращения с рас­пределительным золотником, управляющим потоком масла к ра­бочему цилиндру и от него; рабочего цилиндра — серводвигателя, управляющего работой ТНВД (рабочий цилиндр выпускается

Рис. 4.42.

простого действия — со встроен­ной возвратной пружиной, и двойного действия — с дифферен­циальным поршнем); системы об­ратной связи для стабилизации системы регулирования; устрой­ства для пневматической пере­становки частоты вращения с целью облегчения дистанцион­ного регулирования частоты вра­щения. Точное соответствие между частотой вращения и давлением

регулятора

1, 2 я 7 — нижний, средний я верхний корпуса; 3 — указатель уровня масла; 4 — шкала ука­зателя нагрузки; 5 — указатель нагрузки; $ — вал силового сервомотора; 8 — валик управ­ления скоростью; 9 — механизм ручного уп­равления скоростью; /0 — масленка с сеткой; II — механизм ручного останова н блокиров­ки стоп-устройства.

Общий вид 1ВРН-400.

управляющего воздуха является важным условием для оди­накового распределения нагрузки между двумя ГД, работа­ющими на один винт. При отсутствии давления управляющего воздуха частота вращения может быть изменена непосредственно при помощи встроенной рукоятки.

Технические характеристики регулятора PGA: работоспособ­ность 17 Дж (с вращающимся выходным валом); ход поршня регулятора 25,4 мм (при вале с возвратно-поступательным дви­жением) и 30° (при вращающемся выходном вале); давление управляющего воздуха — 0,02 МПа (минимальное) и 0,7 МПа (максимальное); частота вращения 250—1000 об/мин; соотноше­ние между максимальной и минимальной частотами вращения 5 : 1. В регуляторе используется то же масло, что и для смазки ГД (вязкость масла должна быть в пределах 70—100 сСт при 20 °С). Поглощаемая регулятором мощность составляет 0,37 кВт при рабочем давлении масла 0,7МПа. Масса регулятора 50—60 кг.

С помощью установки дополнительных устройств регулятор может выполнять вторичные функции: ограничение нагрузки при пуске, ограничение нагрузки по давлению наддувочного воздуха

Рис. 4.43. Схема регулятора PGA фирмы «Вудвард» с ограничением подачи топлива, зависящим от давления наддува, распределительным золотником регу­лирования нагрузки, указателем нагрузки и лопастным поворотным серводви­гателем.

1 — топливная рейка; 2 — бустерный поршень нзодрома; 3 — игольчатый клапан изо- ДРомной связи; 4, 11 — управляющие золотники; 5 — масляный насос; 6 — аккумуля­тор масла; 7 — рукоятка ручного задания режима; 8 — механизм ручной настройки огра­ничения максимальной скорости; В — подвод командного воздуха; 10 — сильфон; 12 — ограничители задания максимального натяжения пружины; 13 — ограничитель задания минимального скоростного режима; 14 — редукционный клапан; 15 — подвод масла от системы циркуляционной смазки ГД (только при дистанционном сервомоторе); 16 — указатель нагрузки; 17 — рычаг, плунжер, кулачок механизма уменьшения скорости;

• механизм преобразования давления наддувочного воздуха в гидравлический сиг- ?^а*’ ~~ У^силитель; 20 — шток выключения распределительного золотника; 21 — гайки и рычаг ограничения подачи топлива; 22 — кулачок ограничения подачи топлива; us^{- п}РУ^жина обратной связи; 24 — впуск наддувочного воздуха; 25 — клапан времен­ной задержки; 26 — вал лопастного сервомотора механизма изменения шага ВРШ; 27 — пружина измерителя; 28 — грузы измерителя; 29 — сервомотор усилителя.

и по частоте вращения вала дизеля (рис. 4.44), регулирование нагрузки, временный допуск при перегрузке, выключение ГД при отказе важных устройств, указание нагрузки и т. д.

В регуляторах типа PGA, в которых поршень перестановки частоты вращения КВ управляется гидравлически, можно при- иенять выключающий электромагнит. Он позволяет производить ручное или автоматическое дистанционное выключение дизеля. Выключающее устройство состоит из магнита и невозвратного клапана, расположенного в гидравлической частк устройства для перестановки частоты вращения между распределительным золот­ником и цилиндром перестановки частоты вращения.

Рио. 4.44. Внешний вид регулятора PGA-58 фирмы «Вудвард» с настроечными органами ограничения подачи топлива по давлению наддувочного воздуха (а, б, в) и по частоте вращения вала дизеля (г, о, е, ж).

Распределительный золотник регулирования нагрузки дизеля предназначен для изменения шага разворота лопастей ВРШ в за­висимости от каждого заданного значения частоты вращения, т. е. поддерживает постоянную нагрузку дизеля при каждом новом значении частоты вращения. Для обеспечения параллельной работы ГД в регуляторах PGA применяется пневматическая система выравнивания нагрузки. На шток золотника чувстви­тельного элемента каждого регулятора воздействует пневматичес­кий сервомотор. Нижняя полость всех сервомоторов находится под одинаковым давлением воздуха, выходящего из датчика ведущего дизеля. У ведомых дизелей верхние полости серво­моторов подвергаются давлению воздуха, выходящего из пнев­матических датчиков этих дизелей. У ведущего дизеля обе полости пневматического сервомотора испытывают одинаковое давление, пропорциональное давлению воздуха на выходе его из датчика. При неравномерном распределении нагрузок на дизели силовые поршни регуляторов у ведомых дизелей займут разное поло­жение по отношению к ведущему дизелю. Сервомоторы ведомых регуляторов будут воздействовать на золотники чувствительных элементов своих регуляторов до тех пор, пока силовые поршни регуляторов не займут положение, одинаковое с положением силового поршня ведущего дизеля.

Электронные регуляторы находят все более широкое применение на судах. Задача электронного управле­ния — снизить токсичность и дымность выпускных газов, а также оптимизировать подачу топлива на каждом режиме работы, включая переходные, и тем самым уменьшить общий расход топлива. Механические регуляторы усовершенствованы до пре­дела и должны быть со временем заменены электронными.

Электронным регулятором изменяют цикловую подачу и на­чало подачи топлива. Основное преимущество электронного управления — наличие запоминающего устройства, в котором накапливается информация по оптимизированным одно- или мно­гомерным программам (полям характеристик), а также резуль­таты экспериментальных исследований взаимосвязи расходов топлива и токсичности газов на различных режимах работы, теплонапряженности деталей и узлов дизеля.

Структурная схема системы включает датчики, блок обработки сигналов датчиков, запоминающие устройства, микропроцессор, усилители и управляющие органы. В запоминающих устройствах заложены две программы: 1) характеристики начала подачи топлива в функции частоты вращения вала и нагрузки дизеля; 2) характеристики максимального количества впрыскиваемого топлива в функции частоты вращения и атмосферного дав­ления.

Одним из первых универсальных регуляторов, установленных на морском судне, был электронный регулятор типа 540-01 фирмы «Дженерал Электрик». С его помощью осуществляют всережим- ное регулирование параметров. Входное напряжение постоянного тока от чувствительных элементов датчиков изменяется в пре­делах 1—5 В, ток на выходе — в диапазоне 10—50 мА при ве­личине сопротивления (нагрузки) 600 Ом. Исполнительные меха­низмы — кремниевые регулируемые выпрямители управляют работой электродвигателей регулирующих органов. В схеме авто­матического регулятора предусмотрены корректирующие устрой­ства в виде жесткой и гибкой обратных связей.

Переменные сопротивления регулятора дают возможность плавно изменять степень неравномерности регулирования, время изодрома и величину воздействия по интегралу в зависимости от требуемых динамических и статических качеств системы авто­матического регулирования. В контуре регулирования частоты вращения КВ ГД применяется индукционный датчик импуль­сов, в контуре температуры продувочного воздуха — электро­литический хлористолитиевый датчик температуры точки росы и платиновый термометр сопротивления, в контуре температуры охлаждения цилиндров ДГ — платиновый термометр сопротив­ления.

Потребляемая мощность 14 Вт при, напряжении 107—127 В и частоте 50—60 Гц. Зона пропорциональности 2—500 %, диапазон изменения выходного сигнала 10—50 В при нагрузке (0—600 Ом) ± ± 10 %, диапазон настройки изодромной обратной связи 0,1—25; 0,04—10; 0,01—2,5 мин.

Глава б.

Регулятор распределения нагрузки ULOS (теплоход «Смоленск») предназначен для равномерного распределения нагрузки между двумя ГД и выравнивания час­тоты вращения вала в связи с изменением нагрузки. Считается, что нагрузка ГД пропорциональна положению топливной рейки ТНВД. Ее положение измеряется топливными датчиками, пре­образующими положение рейки ТНВД в электрические сигналы соответствующего напряжения F_t и F₂, поступающие в фильтры- преобразователи. Эти сигналы, содержащие информацию о пере­грузке ГД, сравниваются в дифференциальном устройстве, в ко­тором определяется их разность, и передаются на регулятор Р1, Параметры регулятора Р1 зависят от величины пропорциональ­ности (деления мощности между дизелями), которую можно уста­новить в необходимом соотношении. Выходной сигнал из регуля­тора идет через селекторный выключатель к системе FAMP-2-12. Она посылает сигнал на соответствующий регулятор «Вудвард». Этот метод регулирования соответствует принципу «подчиня­ющий себе*. Точность поддержания нагрузки ±1,0 % от поло­жения ТР.

ТОПЛИВНАЯ СИСТЕМА