Автоматические регуляторы частоты вращения коленчатого вала


Категория Судовые энергетические установки

Общие сведения о регуляторах.

Внешняя нагрузка, приложенная к коленчатому валу дизеля, не является постоянной и часто изменяется в зависимости от условий эксплуатации судна. Падение нагрузки с уменьшением работы сил сопротивления при неизменной цикловой подаче топлива может привести к резкому увеличению частоты вращения коленчатого вала, а возрастание нагрузки — к понижению. Чтобы сохранить частоту вращения вала постоянной, необходимо с изменением нагрузки увеличивать или уменьшать цикловую подачу топлива. Выполнить это вручную, особенно в аварийных ситуациях, невозможно. При падении нагрузки в электрической сети, поломке гребного вала, соединительных муфт, лопастей винта и при других аварийных повреждениях СЭУ работа сил сопротивления резко уменьшается и вся избыточная мощность СЭУ расходуется на увеличение частоты вращения вала.

При определенных условиях частота вращения вала главных дизелей за 0,6 — 2,5 с, а у дизель-генераторов за 1,5 — 4 с может возрасти на 15 — 25% сверх номинальной. Обслуживающий персонал за такой короткий срок не в состоянии что-либо предпринять, если дизель «пойдет вразнос». Предотвратить аварию можно только с помощью средств автоматизации. Поэтому цикловую подачу топлива в цилиндры дизеля с падением или возрастанием внешней нагрузки изменяют автоматические регуляторы. В состав любого автоматического регулятора, в том числе и регулятора частоты вращения (скорости) коленчатого вала, входят задающее устройство (элемент настройки), измерительный и исполнительный элементы.

С помощью задающего устройства регулятор настраивают на частоту вращения вала, необходимую в тех или иных условиях эксплуатации судна. Измерительный элемент при отклонении частоты вращения от заданного значения воздействует на исполнительный элемент, с помощью которого увеличивается или уменьшается цикловая подача топлива в цилиндры дизеля и восстанавливается нарушенное равновесие. Значения мощности или вращающего момента и частоты вращения коленчатого вала определяют режим работы дизеля. Если регулятор рассчитан на поддержание только одной определенной частоты вращения вала (угловой скорости), его называют однорежимным. Главные судовые дизели оборудуют, как правило, всере-жимными регуляторами, которые независимо от внешней нагрузки поддерживают постоянной любую заданную угловую скорость во всем возможном для дизеля диапазоне скоростей.

Зависимость регулируемого параметра со от нагрузки N при различных режимах работы дизеля называют регуляторной характеристикой. В зависимости от ее вида автоматические регуляторы бывают статическими и астатическими. Статические регуляторы при каждой нагрузке N поддерживают определенное значение угловой скорости вала со. Разность сох — соп при режимах холостого хода и полной нагрузке на дизель называют неравномерностью регулирования, или статической ошибкой регулятора, а ее отношение к номинальной скорости вала — степенью неравномерности.

Астатические регуляторы при любой нагрузке поддерживают угловую скорость неизменной, т. е. работают без статической ошибки. Однако даже астатические регуляторы поддерживают угловую скорость вала с определенной погрешностью. Из-за наличия зазоров в подвижных деталях, действия сил трения и сил инерции регулятор не может мгновенно реагировать на изменение угловой скорости вала. Поэтому нагрузочная характеристика его при различных режимах не является прямой, а представляет собой некоторую полосу шириной, называемую зоной нечувствительности регулятора.

При эксплуатации дизеля режим его работы может быть нарушен по тем или иным причинам. Предположим, что нагрузка на дизель в какое-то время уменьшилась от N1 до N2. Регулятор переводит дизель на новый режим работы с угловой скоростью вала. Процесс перевода дизеля с одного режима работы на другой называют переходным, а время, в течение которого это происходит, — длительностью переходного процесса. Важным показателем качества работы регулятора является также значение, характеризующее наибольшее отклонение в переходном процессе угловой скорости соз от скорости от предшествующего режима. Это значение (в процентах) называют забросом угловой скорости, или динамической ошибкой регулятора.

Значение динамической ошибки регулятора определяется прежде всего свойствами объекта автоматизации. У дизелей, например, при падении нагрузки N отклонение угловой скорости не должно вести к «разносу», а при возрастании — к снижению угловой скорости коленчатого вала до предела, при котором дизель может «заглохнуть». В зависимости от значения основных характеристик регуляторы угловой скорости коленчатого вала по государственному стандарту подразделяют на четыре класса точности. К первому классу относят системы, у которых статическая ошибка не превышает 0,6%, динамический заброс угловой скорости не более 5%, а длительность переходного режима не более 2 с; ко второму классу — системы с характеристиками, пределы которых соответственно 0,8%, 7,5%, 3 с; к третьему— 1%, 10%, 5 с; к четвертому — 2%, 15%, 10 с.

Регуляторы частоты вращения прямого действия. По способу воздействия на исполнительный элемент все-режимные регуляторы бывают прямого (ВРП) и непрямого (ВРН) действия. В первых исполнительный элемент срабатывает при подводе энергии непосредственно от измерительного элемента. Структурная схема вторых отличается наличием специального усилительного элемента, который подает к исполнительному элементу большее количество энергии, чем получает ее от измерительного.

Регулятор дизеля 6ЧСПН 15/18 — это всережимный регулятор, который встроен в общий блок корпуса ТНВД и приводится в действие от кулачного вала. На хвостовике вала жестко закреплена поперечина (крестовина), в радиальных пазах которой установлены шарообразные грузы. Последние опираются с одной стороны на плоскую тарелку, смонтированную таким образом, что она может вращаться вместе с кулачным валом и перемещаться вдоль его оси, а с другой стороны — на коническую тарелку, жестко соединенную с корпусом регулятора. В корпусе смонтированы также рычаг, рейка ТНВД и регулировочная пружина.

При различных нагрузках на дизель шарообразные грузы, смещаясь в прорезях поперечины к центру вращения кулачного вала или удаляясь от него, приводят в движение плоскую тарелку. Последняя в переходном режиме действует через рычаг на рейку ТНВД.

Рис. 1. Схема регулятора дизеля 6ЧСПН 15/18

С помощью регулятора поддерживается частота вращения коленчатого вала 500—1500 мин-1. Настраивают регулятор на заданный режим работы путем изменения натяжения пружины, поворачивая в соответствующую сторону рычаг управления. Точку подвеса пружины можно перемещать вдоль рычага с помощью специального ходового винта (на рисунке не показан). При этом изменяется жесткость пружины, а соответственно, и степень неравномерности (статическая ошибка) регулирования. С перемещением точки подвеса вверх степень неравномерности регулирования возрастает, с перемещением ее вниз — падает. Статическая неравномерность регулирования может с помощью этого устройства поддерживаться в пределах 2—6%.

Регулятор дизеля 6ЧРН 32 /48 (6НФД48АУ). Это статический регулятор, который выполнен в отдельном составном корпусе, смонтированном на торцовой части дизеля со стороны маховика. Вертикальный вал регулятора приводится во вращение от распределительного вала через пару шестерен со спиральным профилем зуба. Роль измерительного элемента в регуляторе выполняют два груза, шарнирно закрепленные на вращающейся вместе с вертикальным валом поперечине. На горизонтальные рычаги грузов опирается муфта, которая вращается вместе с валом и может свободно перемещаться вдоль его оси. Верхняя часть муфты соединена с радиально-упорным шарикоподшипником, наружная обойма которого запрессована в торцовую расточку муфты, нагруженную цилиндрической пружиной. Верхний конец пружины упирается в стакан. Муфта регулятора шарнирно соединена с рычагом-вилкой, который через иглу-толкатель и угловой рычаг воздействует на рейку ТНВД.

Рис. 2. Схема регулятора дизеля 6ЧРН 32/48

Настройку регулятора на заданную частоту вращения осуществляют путем изменения силы натяжения пружины. Для увеличения частоты вращения коленчатого вала дизеля натяжение пружины усиливают, а для уменьшения — ослабляют. Изменяют натяжение пружины перемещением вверх или вниз стакана с помощью зубчатой передачи. На многих дизелях наряду с механическим задающим устройством регуляторы имеют еще и пневматический привод. Кинематическая связь муфты с рейкой ТНВД в таких регуляторах такая же, как и в регуляторах без пневматического привода, а настройка пружины на требуемой скоростной режим работы дизеля может осуществляться также с помощью мембранного исполнительного механизма, воздух к которому поступает через клапан. Проходное сечение клапана, а следовательно, и давление воздуха на мембрану определяется положением эксцентриковой шайбы, которую вращают маховиком на посту управления дизеля. В этом случае задающее устройство воздействует через пружину и шток непосредственно на муфту.

При работе дизеля грузы, воздействуя на муфту, сжимают или растягивают пружину до тех пор, пока сила натяжения и центробежная сила грузов не уравновесятся. Чем сильнее затянута пружина, тем с большей частотой вращения вала будет работать дизель. С уменьшением натяжения пружины увеличивается отклонение грузов от вала, соответственно уменьшается подача топлива по цилиндрам дизеля.

Таким образом, регулятор автоматически поддерживает постоянной частоту вращения вала, обусловленную силой натяжения пружины, или устанавливает новое значение угловой скорости при изменении натяжения пружины (смене задающего воздействия). С включением пневматического задающего устройства цикловая подача топлива будет прямо пропорциональна давлению воздуха в мембранном исполнительном механизме. Положение грузов в этом случае уравновешивается силой от давления воздуха и силой натяжения пружины, воздействующей на мембрану снизу.

Регулятор дизеля 6ЧСП 18/32. Это всережимный регулятор, вал которого приводится во вращение от привода через коническую шестерню. На пеперечине регулятора шарнирно закреплены два груза в виде угловых рычагов. При вращении вала регулятора грузы воздействуют на муфту и стакан. Между муфтой и стаканом установлен упорный подшипник, поэтому при работе регулятора стакан не вращается. Центробежные силы грузов, приложенные к муфте, уравновешиваются силой натяжения главной пружины. Частота вращения вала регулируется изменением натяжения этой пружины. Верхней опорой главной пружины является стакан, перемещаемый вверх или вниз эксцентриком, связанным через звездочку с постом управления дизеля в рулевой рубке. Перед пуском дизеля с помощью маховика и регулировочного винта стакан сдвигается вниз до появления зазора между ним и эксцентриком. Главная пружина в этом случае сжимается настолько, что регулятор при положении рукоятки управления в рулевой рубке «Стоп» может обеспечить минимально устойчивую частоту вращения коленчатого вала дизеля. Исполнительным элементом регулятора является рычаг, соединенный через вал и рычаг с рейкой ТНВД. Рычаг прижимается к стакану пружиной неравномерности.

Рис. 3. Схема регулятора дизеля 6ЧСП 18/22

Когда дизель не работает, грузы регулятора сведены, муфта и рычаг под действием пружины сдвинуты до положения, при котором рейка устанавливает подачу топлива, необходимую для обеспечения пуска. С включением дизеля в работу частота вращения коленчатого вала начинает увеличиваться, грузы регулятора расходятся и передвигают муфту вверх. Рычаги и вал исполнительного механизма, воздействуя на рейку, приводят цикловую подачу топлива в соответствие с заданной частотой вращения вала дизеля.

При изменении нагрузки наступает несоответствие между подачей топлива и частотой вращения вала. Если, например, произошло уменьшение нагрузки, то в первый момент увеличенная подача топлива вызовет повышение частоты вращения вала. Грузы регулятора расходятся от центра вращения, рычаг через валик смещает рейку влево так, что подача топлива уменьшается.

Степень неравномерности регулятора можно изменять перемещением точки подвеса пружины. Изменение длины плеча, на котором действует пружина, приводит к изменению момента, оказывающего воздействие на вал регулятора. Сила натяжения пружины, приложенная к стакану, уменьшается при перемещении ее правой опоры вниз и увеличивается при ее смещении вверх. В первом случае статическая неравномерность регулятора уменьшается, во втором — увеличивается.

Регуляторы частоты вращения непрямого действия. Регуляторы непрямого дейстия не могут функционировать только благодаря энергии, получаемой от вращающего вала. К усилительному элементу таких регуляторов необходим подвод дополнительной энергии. В судовых условиях усиление сигналов, получаемых от измерительного элемента регуляторов скорости непрямого действия, происходит, как правило, благодаря изменению давления масла в системе.

Регулятор дизеля 6ЧСП 2 7,5/36. Это регулятор непрямого действия, муфта измерительного элемента которого с изменением нагрузки на дизель воздействует не только на пружину, но и на золотник. Последний при этом перемещается во втулке, соединенной со штоком силового поршня. При установившемся режиме работы дизеля центробежные силы вращающихся грузов уравновешиваются силой натяжения пружины и золотник перекрывает отверстия во втулке, по которым масло из трубопровода может поступать в верхнюю или нижнюю полость гидроцилиндра. Трубопровод подключен к смазочной системе дизеля, и с помощью редукционного клапана в нем поддерживается давление 0,5— 0,7 МПа.

Рис. 4. Схема регулятора дизеля 6ЧСП 27,5/36

С изменением нагрузки на дизель, например с ее уменьшением, грузы центробежного измерительного элемента частоты вращения расходятся, и муфта, поднимаясь, перемещает золотник вверх. Масло по трубопроводу поступает в нижнюю полость гидроцилиндра, а из верхней полости сливается в корпус измерительного элемента регулятора и далее в картер дизеля. При возрастании давления в нижней полости гидроцилиндра силовой поршень перемещается вверх и через рычаг, связанный с рейкой ТНВД, уменьшает подачу топлива в цилиндры дизеля. В этом случае вверх движется и втулка, жестко связанная с силовым поршнем. Подъем их прекращается, как только окна во втулке перекрываются поясками золотника. Масляный трубопровод разобщается с гидроцилиндром, и дизель переключается на новый режим работы с новой частотой вращения вала. Когда нагрузка на дизель возрастает, золотник, наоборот, смещается вниз. Масло поступает в верхнюю полость гидроцилиндра, и рычаг перемещает рейку ТНВД так, что подача топлива увеличивается. Настраивают регулятор на требуемую частоту вращения поворотом шестерни, которая находится в зацеплении с зубчатой рейкой подвижного стакана, являющегося верхней опорой для пружины.

Очевидно, что существенную роль в работе регулятора играет жесткая обратная связь силового поршня исполнительного элемента с втулкой. Она ограничивает движение силового поршня и не допускает значительного динамического заброса (перерегулирования). Хотя каждому установившемуся режиму работы дизеля и соответствует определенная частота вращения (т. е. регулятор работает с определенной статической ошибкой), такой регулятор обеспечивает в переходном режиме меньшие колебания частоты вращения и более высокую точность, чем регулятор прямого действия.

Регулятор дизеля 6ЧРН 36/45. Это всережимный регулятор, основными частями которого являются измерительный, усилительный, исполнительный элементы и гибкая обратная связь. Центробежный измерительный преобразователь частоты вращения регулятора, состоящий из полого вала (буксы), поперечины и грузов, вращается через коническую передачу от распределительного вала дизеля. Роль усилительного элемента в системе регулирования выполняют втулка и золотник, связанный вверху с муфтой центробежного измерителя. Исполнительный элемент регулятора включает гидроцилиндр с силовым поршнем, шток и пружину. Перемещение силового поршня вверх осуществляется под воздействием давления масла, поступающего в цилиндр от усилителя по трубопроводу, — вниз под действием пружины. На штоке укреплен поршень, называемый компенсационным. Полость гидроцилиндра над компенсационным поршнем сообщается с полостью над поршнем золотниковой втулки трубопроводом. Последний соединен с масляной ванной регулятора через дроссельный клапан. При малом открытии дроссельного клапана длительность переходного режима увеличивается. При чрезмерно большом открытии дроссельного клапана снизится устойчивость работы.

Компенсационный поршень, дроссельный клапан, поршень золотниковой втулки и пружина с подвижными тарелками, образуют гибкую (изодромную) связь. Такая связь в отличие от жесткого соединения золотниковой втулки (хвостовика) с силовым поршнем обеспечивает постоянство частоты вращения коленчатого вала при любой нагрузке на дизель, т. е. делает регулятор астатическим.

При установившемся режиме работы дизеля букса вместе с поперечиной, угловыми рычагами, грузами, муфтой и золотником вращается с постоянной частотой вращения. Центобежные силы грузов уравновешиваются при этом пружиной. Золотниковая втулка удерживается пружиной в среднем положении, при котором золотник перекрывает трубопровод. Необходимый режим ра.боты дизеля устанавливают с помощью задающего устройства.

Предположим, что нагрузка на дизель уменьшилась и частота вращения вала возросла. Грузы разойдутся, сжимая пружину, своими рычагами поднимут муфту с золотником. Масло из нижней полости силового поршня по трубопроводам, начнет перетекать в масляную ванну регулятора. Силовой поршень под действием пружины сместится вниз и уменьшит подачу топлива в цилиндры дизеля. Давление масла над компенсационным поршнем, в трубопроводе и над поршнем упадет, и золотниковая втулка под действием пружины начнет перемещаться вверх. Когда она поднимется настолько, насколько был сдвинут вниз золотник, трубопровод перекроется и движение силового поршня прекратится. Продолжая двигаться вверх, золотниковая втулка затем достигнет положения, при котором подвижная тарелка, упираясь в верхний бурт буксы, сместится вниз и сожмет пружину. Стремясь разжаться, пружина приостановит движение втулки и сообщит ей обратное движение вниз. Снова откроются трубопроводы, и произойдет дополнительный сброс масла из-под поршня. Шток при смещении вниз еще немного уменьшит подачу топлива. Втулка будет перемещаться вверх и вниз до тех пор, пока не займет положение, показанное на рис. 69, а, т. е. пока не восстановится заданная частота вращения коленчатого вала при уменьшенной подаче топлива.

Рис. 5. Схема регулятора дизеля 6ЧРН 36/45

С увеличением нагрузки на дизель грузы сойдутся, золотник сместится вниз, трубопроводы сообщатся с нижней полостью силового поршня. Под воздействием давления масла поршень сместится вверх, сжимая пружину, и подача топлива увеличится. Одновременно повысится давление над компенсационным поршнем и над поршнем. Золотниковая втулка сместится вниз, упираясь подвижной тарелкой в нижний бурт буксы. Под воздействием пружины изменится направление движения втулки. Перемещение ее вверх и вниз будет продолжаться до тех пор, пока не будет достигнута заданная частота вращения коленчатого вала и не увеличится подача топлива в цилиндры дизеля.

Регуляторы частоты вращения вспомогательных дизелей. Мощность дизеля, как уже отмечалось, зависит от количества поступающего в цилиндры топлива. При снижении нагрузки, приложенной к коленчатому валу дизеля, количество подаваемого топлива должно соответственно уменьшиться, чтобы частота вращения вала не увеличивалась, и наоборот, с увеличением нагрузки количество подаваемого в цилиндры топлива должно возрастать.

С помощью автоматических регуляторов главных дизелей поддерживается любой скоростной режим работы двигателей, заданный с поста управления. Для нормальной работы судового электрооборудования частота тока и напряжение в сети должны быть в определенных пределах. Постоянное напряжение в сети с заданной точностью поддерживают с помощью автоматических регуляторов, которые при изменении тока нагрузки и напряжения на шинах ГЭРЩ изменяют параметры тока, поступающего в обмотки возбуждения генератора.

Нагрузка судовой электростанции складывается из суммы мощностей включенных в сеть потребителей энергии. Если на судне установлен только один дизель-генератор, то он принимает на себя всю нагрузку сети и автоматический регулятор поддерживает заданную частоту вращения вала дизеля в пределах установленной степени неравномерности (обычно 2—6%). Функции регуляторов расширяются при включении нескольких дизель-генераторов на параллельную работу. В этом случае валы генераторов должны вращаться синхронно (с одинаковой частотой вращения). Регулируемыми параметрами каждого из них при этом будут не только частота вращения, но и нагрузка (мощность) каждого агрегата. Статические характеристики САРС дизелей, работающих на генератор, представляют в координатах (частота тока)—N (нагрузка).

Рис. 6. Статические характеристики дизель-генераторов

Рис. 7. Схема регуляторов Р11М

Предположим, что два дизель-генератора работают с различной частотой вращения валов, но с одинаковыми наклонами (степенью неравномерности) регуляторных характеристик. Рабочими точками генераторов при некоторой исходной мощности N2, потребляемой сетью, будут точки пересечения Л2 и В2 статических характеристик с горизонтальной прямой f = f2. Отрезок А2В2 в соответствующем масштабе равен мощности N2. Активная мощность, потребляемая сетью, будет равна сумме активной мощности AN2 генератора

А и активной мощности BN2 генератора В.

По рис. 70 видно, что возможны режимы работы генераторов с такой нагрузкой, когда генератор В при общей мощности потребляемой сетью меньше AN 1 может оказаться ненагруженным. При возрастании мощности, потребляемой сетью, нагрузка между генераторами, работающими со статическими характеристиками, приведенными на рис. 70, распределяется неравномерно. Неодинаково распределяется нагрузка между генераторами и в том случае, когда валы дизель-генераторов вращаются с одинаковой частотой вращения, но с различными степенями неравномерности. Следовательно, для обеспечения равномерного распределения нагрузки (мощности) между дизель-генераторами при всех возможных значениях общей нагрузки сети статические харатеристики САРС однотипных дизель-генераторов должны быть одинаковыми и выглядеть на рис. 70 как зеркальное отображение одна другой относительно вертикальной оси.

Чтобы обеспечить устойчивую параллельную работу, дизель-генераторы оборудуют регуляторами частоты вращения, позволяющими изменять их степень неравномерности, как правило, на 2—6%. На рис. 71 показана схема одного из таких регуляторов, установленных на дизелях 64 12/14 и 44 10,5/13. Грузы регулятора, шарнирно закрепленные на поперечине, приводятся во вращение от шестерни. При работе дизеля центробежные силы грузов через муфту и стакан воспринимает главная пружина, натяжение которой определяется положением подвижной тарелки. Последняя может смещаться в ту или другую сторону при вращении головки винта. Стакан шарнирно соединен с рычагом, воздействующим на рейку ТНВД. Рычаг через головку может перемещать рейку только влево (в сторону уменьшения подачи топлива). Вправо (для увеличения подачи топлива) рейка передвигается под действием упругой пружины. К верхней части рычага присоединена пружина, другой конец которой прикреплен к донышку поршня, находящемуся под воздействием давления масла. Поршень может перемещаться в цилиндре лишь при подсасывании или вытеснении масла в ванну через отверстие с дросселем.

При увеличении нагрузки на дизель частота вращения его коленчатого вала падает и грузы сходятся к центру вращения. Стакан под действием главной пружины сдвигает рычаг вправо. Сжимая пружину, рычаг смещает вправо (в сторону увеличения подачи топлива) рейку. Одновременно этот рычаг сжимает пружину. Вследствие значительного сопротивления пружин рейка ТНВД в начальный момент переходного процесса движется медленно. Следовательно, заброс угловой скорости коленчатого вала в этом случае будет небольшим. Через некоторое время поршень под действием пружины смещается вправо. Пружина растягивается, сила воздействия ее на рычаг уменьшается, и скорость движения рейки возрастает. Затем в какой-то момент (при увеличении давления масла в цилиндре) поршень останавливается и получает импульс для движения в обратную сторону. Движение рейки будет снова притормаживаться.

При уменьшении нагрузки на дизель рычаг смещается влево. Пружина в первый момент также замедляет движение рейки ТНВД, затем при поступлении масла в полость гидроцилиндра увеличивает скорость рейки, а в конце переходного процесса, когда воздействие давления на донышко поршня со стороны пружины превышает воздействие давления масла в полости гидроцилиндра, тормозит ее движение.

Для экстренного выключения дизеля рукоятку поворачивают против часовой стрелки. Рычаг через поводок сдвигает при этом рейку ТНВД в положение нулевой подачи.

Из рассмотренного следует, что устройство, состоящее из масляной ванны с регулирующим дросселем, гидроцилиндра и поршня с пружиной, снижает заброс частоты вращения коленчатого вала и уменьшает возможные отклонения ее от заданных значений. Такое устройство называют катарактом. При включении его в структурную схему регулятора РИМ резко уменьшается статическая ошибка последнего.

Настройка дизель-генераторов на параллельную работу с одинаковой статической ошибкой обеспечивается с помощью специального устройства при повороте сектора. Поворачиваясь в ту или иную сторону, сектор через рычаг изменяет положение пружины относительно рычага. В вертикальном положении пружина 2 не влияет на работу регулятора. Степень неравномерности в данном случае не превышает 2%. При повороте пружины на 90° по отношению к рычагу суммарная жесткость пружин, увеличивается и степень неравномерности регулирования повышается до 6%. Все дизель-генераторы при одинаковых положениях секторов работают с одной и той же регуляторной характеристикой.


Читать далее:

Категория Судовые энергетические установки