Регулятор прямого действия. Как было сказано, в регуляторах прямого действия механизм регулирования перемещается за счет перестановочной силы чувствительного элемента. Примерная схема регулятора дана на рис. 1.
Со стаканам сцеплен внутренний конец рычага, внешний конец которого выходит за пределы корпуса регулятора и соединяется с механизмом регулирования. Если, например, нагрузка на двигатель уменьшилась и частота вращения его, а следовательно, и вала регулятора увеличилась, то грузы разойдутся. Муфта регулятора поднимется, а внешний конец рычага опустится. Механизм регулирования будет сдвинут в направлении уменьшения подачи топлива. Частота вращения двигателя снизится, но будет несколько выше, чем в начале процесса регулирования, так как регулятор — статический. Частота вращения, поддерживаемая регулятором, зависит от натяжения пружины, которое можно изменять задающим устройством.
Регуляторы прямого действия сравнительно просты в изготовлении и обслуживании. Их применяют на дизелях малой и, частично, средней мощностей.
Статический регулятор непрямого действия. В регуляторе прямого действия осуществляется механическая связь муфты чувствительного элемента с исполнительным механизмом, которым является выходной рычаг. Усиление сигнала чувствительного элемента может быть достигнуто разностью плеч рычага или присоединением к нему дополнительной механической передачи. В частном случае усиление может быть нулевым (усиление на выходном рычаге равно усилию на муфте регулятора) и даже отрицательным, когда усилие на выходном рычаге меньше усилия на муфте.
Рис. 1. Схема регулятора непрямого действия двигателя Л275
В регуляторе непрямого действия усиление бывает только положительным и происходит за счет использования внешней энергии: на судовых двигателях —давления масла. В связи с этим в его состав входят: чувствительный элемент, распределитель, управляющий подводом и отводом масла, т.е. преобразующий механический сигнал в гидравлический, и исполнительный механизм, включающий сервомотор и выходной рычаг. Существенной частью такого регулятора является обратная связь между исполнительным механизмом и распределителем, о назначении которой сказано ниже.
Чувствительный элемент регулятора непрямого действия устроен так же, как и регулятор прямого действия. Он имеет грузы и пружину. Распределитель представляет собой золотник, связанный с муфтой регулятора. По трубе к золотнику подводится под давлением масло, которое при смещении золотника направляется в сервомотор. Поршень сервомотора связан с выходным рычагом, а также с втулкой золотника.
Рассмотрим работу регулятора, например, при повышении частоты вращения в связи с уменьшением нагрузки на двигатель. При увеличении частоты вращения грузы расходятся, муфта поднимается и сдвигает золотник вверх. Масло из трубы проходит в нижнюю полость цилиндра сервомотора, а из верхней полости открывается выход ему на слив внутрь корпуса регулятора и далее — в картер двигателя. Под давлением масла поршень начинает подниматься, поворачивая выходной рычаг, который приводит в движение механизм регулирования, уменьшающий по дачу топлива. Одновременно поршень передвигает вверх втулку. Когда втулка передвинется настолько, насколько был сдвинут золотник, окна её окажутся перекрытыми поясками золотника и перемещение поршня 6 прекратится. Этим заканчивается основная фаза процесса регулирования. Жесткая обратная связь поршня сервомотора с распределителем (с втулкой) ограничила движение поршня во избежание перерегулирования. Если смещения поршня окажется недостаточно, то после инерционного запаздывания может произойти некоторое подрегулирование при небольших смещениях золотника и поршня. Процесс регулирования протекает без значительных колебаний частоты вращения.
Из сопоставления положений механизма на рис. 156 видно, что чувствительный элемент в конце процесса регулирования занимает другое положение, чем в начале его. Следовательно, равновесие достигнуто при ином значении частоты вращения: регулятор обладает статической ошибкой.
Регуляторы непрямого действия обеспечивают более высокую точность регулирования, чем прямого действия, и независимость ее от случайных причин.
Всережимный регулятор. Способность всережимного регулятора поддерживать любую из заданных частот вращения обеспечивается в большинстве случаев соответствующей конструкцией задающего устройства. Такое устройство имеет любой регулятор, но если у однорежимных требуется настройка их на частоту вращения от 95 до 105% номинальной, то у всережимных — от 30 до 105% (ГОСТ 10511—72). Встречаются регуляторы (например, у двигателей 6Л160ПНС), у которых всережимность достигается изменением геометрических соотношений в механизме, в частности изменением соотношений плеч выходного рычага.
Практически почти все регуляторы современных судовых дизелей, в том числе и многих вспомогательных, являются всережимными. Целесообразность установки их на дизель-генераторах объясняется возможностью управлять процессом прогрева дизеля после пуска через регулятор и некоторыми другими причинами.
Семейство регуляторных характеристик дизеля, имеющего всережимный регулятор, дано на рис. 2. Кривая показывает изменение относительного вращающего момента в зависимости от относительной частоты вращения при постоянной подаче топлива. Кривые являются регуляторными характеристиками, соответствующими разным натяжениям пружины чувствительного элемента. Если, например, двигатель работает на генератор и затяжка пружины отвечает номинальной частоте вращения, то при полной нагрузке (М/Мн — 1,0) он будет работать с частотой вращения п = тгн, т. е. при п/пн — 1,0. Уменьшение нагрузки вызовет повышение относительной частоты вращения согласно регуляторной характеристике. В случае изменения натяжения пружины нагрузка на двигатель будет определяться точками В, А или другими, в зависимости от величины натяжения. Однако обычно нагружать двигатель при пониженной частоте вращения до режимов, определяемых кривой, не рекомендуется, поэтому зависимость М!Мп от п/па практически отражается характеристиками или подобными им.
Нагрузка двигателя, работающего на гребной винт, зависит от относительной частоты вращения согласно винтовой характеристике. Если считать, что эта характеристика отвечает паспортным условиям плавания, то номинальный режим работы двигателя определяется точкой С пересечения кривых.
Рис. 2. Совмещение регуляторных характеристик (2, 3, 4) всережимного регулятора с нагрузочной (1) и винтовой (5)
Всережимный регулятор можно настроить на любую, в приведенных выше пределах, частоту вращения. Следовательно, характеристик САРС с таким регулятором может существовать неограниченное число. Бывают, однако, регуляторы, натяжение пружин которых изменяется ступенчато, скачками. В этом случае количество регуляторных характеристик будет ограничено. Так, если считать, что на рис. 157 изображено все множество характеристик, то регулятор является трехрежимным.
Для обеспечения пропорциональности между величиной натяжения пружины и частотой вращения, поддерживаемой регулятором, желательно иметь пружину переменной жесткости: при малой частоте вращения жесткость ее должна быть небольшой, а при повышении частоты вращения возрастать. Чтобы достичь этого, часто применяют две-три пружины разной длины, т. е. включающиеся в работу последовательно: сначала одна, затем две и, наконец, все три.
Астатический регулятор. В некоторых случаях статическая ошибка, т. е. наличие наклона регуляторной характеристики, нежелательна. Регулятор, не обладающий статической ошибкой, называется астатическим. Такой регулятор обеспечивает постоянство частоты вращения при любой нагрузке, и его характеристика имеет нулевой наклон; в системе координат п/пн — M/Mw она вертикальна.
Статическая ошибка регулятора непрямого действия, схема которого была дана на рис. 1, является следствием жесткой обратной связи поршня сервомотора с втулкой золотника. Подача топлива, отличающаяся от первоначальной, может быть установлена в данном случае только при новом положении золотника и, следовательно, грузов чувствительного элемента. Если же связь поршня с втулкой сделать нежесткой, к концу процесса регулирования устраняемой, то регулятор может стать астатическим. При «гибкой» обратной связи астатический регулятор называется изодромным.
В состав изодромного регулятора входят следующие элементы.
Чувствительный элемент состоит из грузов, угловых рычагов, муфты и пружины с задающим устройством. Угловые рычаги насажены шарнирно на траверсу, вращающуюся вместе с полым валом, который соединен с валом привода регулятора.
Распределительное устройство состоит из золотника и втулки. К втулке золотника по каналу подводится под давлением масло, а по каналу оно отводится на слив в поддон регулятора.
Исполнительный механизм (сервомотор) состоит из цилиндра, поршня, штока и пружины. Шток является выходным органом и соединен с механизмом регулирования. Поршень нагружен сверху пружиной. Полость под поршнем каналом сообщена с распределительным золотником. Движение поршня вверх совершается под давлением масла, а вниз — под действием пружины при выпуске масла из-под него на слив. Такой принцип работы обеспечивает автоматическое выключение подачи топлива пружиной в случае падения давления масла в регуляторе.
Обратная связь в регуляторе гидравлическая. На шток поршня сервомотора насажен управляющий поршень обратной связи, называемый компенсационным. Его верхняя полость каналом сообщена с верхней полостью исполнительного поршня обратной связи. Поршень выполнен заодно с втулкой золотника. Полость под поршнем сообщена со сливным каналом, и в ней всегда сохраняется атмосферное давление.
Устройство, устраняющее статизм регулятора, называется изодромом. Он состоит из игольчатого клапана и пружины. Через клапан канал сообщается с масляной ванной. Пружина служит для устранения статической ошибки. Она помещена между тарелками, упирающимися в бурты полого вала. Тарелки сидят на хвостовике втулки. Над тарелкой он имеет бурт, а под тарелкой — гайку. При осевом смещении втулки вверх или вниз пружина оказывается сжатой и будет стремиться вернуть втулку в среднее положение.
Рис. 3. Схема изодромного регулятора двигателей Д50; Г70-5, 10Д40
Предположим, что нагрузка на двигатель уменьшилась и скорость вращения его и вала увеличивается. Грузы расходятся и поднимают муфту и золотник. Открывается выход маслу на слив из полости под поршнем. Пружина передвигает поршень вниз, уменьшая подачу топлива. В полости над поршнем создается разрежение, следовательно, создается оно и в полости над поршнем. При этом поршень и втулка движутся вверх. Когда втулка поднимется настолько, насколько был сдвинут золотник, окно ее перекрывается золотником, выпуск масла из сервомотора прекращается и поршень останавливается. Закончился период регулирования, в течение которого действовала жесткая обратная связь. К концу этого периода пружина оказалась сжатой. Она стремится сдвинуть втулку вниз, и над поршнем создается разрежение. Через клапан подсасывается масло, и по мере его поступления поршень и втулка движутся вниз. Открывается окно втулки, и через канал произойдет дополнительный сброс масла из-под поршня, который еще сместится вниз, уменьшив подачу топлива. Это вызовет понижение частоты вращения вала, в связи с чем пружина сдвинет муфту и золотник вниз. Такой процесс подрегулирования будет происходить до тех пор, пока втулка не займет исходное положение по рис. 3, а. Золотник тоже должен будет занять исходное положение, иначе поршень сервомотора будет перемещаться и процесс регулирования не будет закончен. Втулка и золотник вернутся в исходное положение, тогда как поршень сервомотора займет новое положение. Восстановится первоначальная частота вращения при уменьшенной подаче топлива.
При уменьшении частоты вращения процесс регулирования будет происходить аналогично, но в обратном направлении.
Расчленение процесса регулирования на две фазы является, конечно, условным. На самом деле процесс подрегулирования в какой-то его части протекает параллельно основной фазе.
Универсально-статический регулятор. Известно, что при параллельной синхронной работе дизель-генераторы переменного тока имеют одинаковую относительную (при дизелях одного типа абсолютную) частоту вращения. Непременным условием параллельной работы является пропорциональное (при дизелях одного типа одинаковое) распределение нагрузки на каждый дизель-генератор, т. е. равенство относительных вращающих моментов. Это равенство обязательно не только при полной, но и при частичных нагрузках. Отсюда следует, что все параллельно работающие дизель-генераторы должны иметь одинаковые наклоны регуляторных характеристик.
Чтобы убедиться в этом, рассмотрим рис. 4, на котором изображены характеристики двух параллельно работающих дизель-генераторов: ДГ-1 и ДГ-2. Наклоны регуляторных характеристик взяты разными.
Пропорциональное распределение изменяющейся нагрузки сохранится в том случае, если уменьшить наклон характеристики у ДГ-1 или увеличить у ДГ-2 с тем, чтобы эти наклоны стали одинаковыми. Существенно также то, что характеристики должны иметь одинаковую кривизну, а еще лучше — быть прямолинейными.
Можно предположить, что для параллельно работающих дизель-генераторов будет удачным применение астатических регуляторов. Однако при вертикальном направлении характеристик параллельная работа дизель-генераторов становится неустойчивой: вследствие разной нечувствительности и других случайных причин происходит временное перераспределение нагрузки. Поэтому дизель-генераторы оборудуют регуляторами, позволяющими изменять наклон их характеристик. Такие регуляторы называются универсально-статическими.
Для изменения наклона характеристики, или, что то же, изменения статизма, в универсально-статических регуляторах используется прямая пропорциональность этого наклона жесткости пружины чувствительного элемента. Поскольку важна не жесткость пружины, а сила ее воздействия на муфту регулятора, то, помимо основной, предусматривают дополнительную пружину, воздействие которой на процесс регулирования может быть разным. Диапазон изменения бывает, как правило, от 2 до 6%. Чтобы получить малый наклон характеристики и устойчивую работу, регулятор прямого действия снабжают изодромным устройством в виде упруго присоединенного масляного катаракта. Примером универсально-статического регулятора с изодромным устройством может служить регулятор Р-11М, устанавливаемый на двигателях 64 12/14 и 44 10,5/13.
Рис. 4. Регуляторные характеристики дизель-генераторов
Рис. 5. Схема регулятора Р-11М
Чувствительный элемент регулятора состоит из грузов и пружины. Грузы насажены на траверсу, приводимую во вращение от кулачкового вала топливного насоса через повышающую шестеренчатую передачу. Пружина действует на муфту регулятора через стакан. Пружина имеет задающее устройство в виде тарелки, навернутой на винт. Вращением винта на головку можно изменять натяжение пружины. Задающее устройство позволяет настроить регулятор на любую частоту вращения в пределах от 40 до 105% нормальной.
Муфта регулятора соединена с регулировочной рейкой топливного насоса через вертикальный рычаг, шарнирно соединенный со стаканом. Верхний конец рычага связан с регулировочной рейкой. Движение рычага в направлении уменьшения подачи топлива (—) передается рейке через головку, а в направлении ее увеличения (+) — через пружину. Введение упругой связи позволяет выключать подачу топлива вручную посредством рукоятки и рычажка, сидящих на одном валике. При повороте рукоятки в направлении «Стоп» рычажок, воздействуя на поводок, сдвигает регулировочную рейку в направлении «—» за счет сжатия пружины. Подача топлива выключается.
Для изменения статизма предусмотрена пружина, один конец которой упирается в рычаг, а другой — в вертикальный рычаг. При горизонтальном положении пружины ее давление на рычаг складывается с усилием основной пружины, а это равносильно увеличению жесткости пружины. Следовательно, при таком положении пружины наклон регуляторной характеристики получается максимальным, равным 6%. Если сектором, размещенным снаружи, повернуть рычаг 6 на 90° против часовой стрелки, то пружина расположится вертикально, и ее упругость не будет сказываться на работе регулятора. В результате уменьшения общей жесткости пружин (действует лишь одна основная 4) наклон характеристики уменьшится до 2%. Возможны и промежуточные положения пружины.
Изодромное устройство представляет собой масляный катаракт, поршень которого связан с рычагом пружиной. Поршень может двигаться лишь по мере вытеснения или подсоса им масла из ванны через отверстие с дроссельной иглой, т. е. медленно. Если произойдет, например, сброс нагрузки на двигатель и под действием грузов муфта 22 будет смещаться влево, отклоняя рычаг 5 в направлении «—», то в первый момент поршень окажется практически застопоренным. Рычаг станет растягивать пружину и отклонится на меньший угол, чем было бы без сопротивления этой пружины. Значит, подача топлива уменьшится в меньшей степени, чем было бы без сопротивления пружины 10, а частота вращения увеличится в большей степени.
Растяжение пружины привело к увеличению статизма регулятора. Однако пружина действует и на поршень, вынуждая его двигаться влево. При этом движении поршня натяжение пружины 10 будет уменьшаться и, наконец, исчезнет. Освободившийся от сопротивления пружины рычаг дополнительно отклонится в направлении «—» и частота вращения двигателя постепенно понизится. Таким образом, увеличение статизма изодромным устройством оказалось временным, исчезающим. В результате воздействия изодрома устанавливается частота вращения, близкая к той, что была до возмущения.
Подобным же образом работает изодромное устройство и в обратном направлении, т. е при увеличении нагрузки на двигатель.
При регулировании статизма следует иметь в виду, что изменение положения пружины сказывается не только на частоте вращения холостого хода (нижняя точка регуляторной характеристики), но частично — и на частоте номинального режима (верхняя точка). Поэтому после поворота пружины требуется подрегулировка пружиной частоты номинального режима. Последовательных изменений натяжения обеих пружин в процессе регулирования статизма может потребоваться несколько.
Встречаются регуляторы (например, у двигателей ЧСП 18/20), в которых пружина воздействует на муфту через рычажный механизм. В данном случае влиять на статизм можно изменением плеч передаточных рычагов.
Условные обозначения регуляторов и классы точности САРС. Согласно ГОСТ 10511—72, регуляторы имеют следующие условные обозначения:
ОРГ1 — однорежимный регулятор прямого действия;
ОРН — однорежимный регулятор непрямого действия;
ВРП — всережимный регулятор прямого действия;
ВРН — всережимный регулятор непрямого действия.
ГОСТ 10511—72 предусматривает также регуляторы двухимпульсные (ОРД) и двухрежимные (ДРП, ДРН), но их на судовых двигателях нет.
Вместе с тем на некоторых старых двигателях (18Д, ДР 30/50) имеются предельные регуляторы, которых ГОСТ 10511—72 не предусматривает. Эти регуляторы вступают в действие лишь тогда, когда частота вращения превысит номинальную на 10—15% и, уменьшая подачу топлива, предотвращают дальнейшее повышение скорости вращения. При работе двигателя на меньших скоростных режимах регулятор оказывается отключенным, что допустимо, так как двигатель, приводящий в движение гребной винт, обладает способностью к самовыравниванию.