Методы регулирования частоты вращения судовых ДВС.

Судовые ДВС работают с переменными скоростными и нагрузочными режимами. При увеличении нагрузки частота вращения будет уменьшаться, в связи с чем для поддерживания постоянной частоты вращения необходимо увеличить подачу топлива в камеру сгорания. С уменьшением нагрузки, наоборот, частота вращения двигателя будет увеличиваться и подачу топлива следует уменьшить.

Автоматические системы регулирования скоростного режима ДВС должны после изменения внешней нагрузки и окончания переходного процесса восстанавливать первоначальную частоту вращения коленчатого вала или установить новую, соответствующую данной нагрузке.

Регулирование частоты вращения ДВС осуществляется вручную или автоматически при помощи регуляторов, которые по принципу действия делятся на предельные и скоростные, а по способу передачи усилия от чувствительного элемента к органу управления – на регуляторы прямого и непрямого действия. Регуляторы непрямого действия могут иметь жесткие и гибкие (изодромные)обратные связи.

Предельные регуляторы (регуляторы безопасности) ограничивают максимальную частоту вращения двигателя. При повышении частоты вращения на 10–15 % выше номинальной они снижают или полностью выключают подачу топлива в цилиндры.

Регуляторы частоты вращения, автоматически поддерживающие любой скоростной режим, заданный с поста управления двигателем в интервале «Малый ход» – «Полный ход», называются всережимными.

Практически все регуляторы судовых ДВС являются центробежными.

На рисунке дана схема предельного регулятора, принцип действия которого заключается в следующем. На вертикальном валу регулятора, который приводится во вращение от коленчатого вала, жестко закреплена крестовина (траверса) 9, на которой шарнирно (на осях) установлены угловые рычаги с грузами 8. Горизонтальные плечи этих рычагов упираются в муфту 10, нагруженную пружиной 7. Муфта может перемещаться вдоль вертикального вала регулятора. Верхним концом она связана с угловым рычагом 6, который может оказывать действие на пружинную связь 2. Последняя в свою очередь через рычаг 4 действует на регулирующий орган – зубчатую рейку топливного насоса 3, тем самым изменяя подачу топлива.

При работе двигателя на установившемся режиме грузы 8 под действием центробежных сил стремятся разойтись и с помощью горизонтальных плеч рычагов приподнять муфту 10. Этому противодействует пружина 7, подобранная с таким расчетом, чтобы при работе двигателя с допустимой частотой вращения ее усилие на муфту было несколько больше усилия, оказываемого на нее рычагами.

При уменьшении нагрузки частота вращения двигателя увеличивается, что приводит к повышению частоты вращения вертикального вала регулятора. Под действием увеличившейся центробежной силы грузы расходятся, угловые рычаги поворачиваются вокруг своих осей и, преодолевая сопротивление пружины, поднимают муфту 10 вверх. Рычаг 6, перемещаясь вместе с муфтой, передвигает пружинную связь 2 влево, которая через рычаг 4 уменьшает (или совсем отключает) подачу топлива насосами высокого давления. В результате двигатель снижает частоту вращения и центробежная сила грузов уменьшается. Пружина регулятора передвигает муфту вместе с рычагом 6 вниз, а пружина 5 возвращает пружинную связь в первоначальное положение, увеличивая цикловую подачу топлива.

Таким образом, предельный регулятор включается в действие, когда частота вращения двигателя превышает предельно допустимую и может привести к выходу его из строя. Рукоятка 1 и тяга 11 служат для включения и выключения ТНВД в работу.

Большинство главных ДВС промысловых судов, которые 60–80 % эксплуатационного времени работают в условиях постоянно изменяющихся нагрузок, имеют всережимные регуляторы.

Одна из конструкций все-режимного регулятора показана на рисунке:

Он состоит из вертикального вала, вращающегося в подшипниках качения, на нижнем конце которого неподвижно закреплена шестерня 12, приводимая во вращение (через зубчатую передачу) коленчатым валом.

В средней части вертикального вала на шпонке установлена крестовина 11, на которой шарнирно (на осях) установлены два груза 10 с угловыми рычагами. Горизонтальные плечи рычагов упираются во втулку 9 и во время работы перемещают ее вдоль вертикального вала. Сверху втулка через муфту 8 нагружена двумя пружинами 6 (внешней и внутренней), упирающимися в подпятник 1. Изменение натяжения пружин осуществляется нижней нарезной частью винта 3, который зафиксирован от проворачивания, но может перемещаться в осевом направлении. Перемещение винта вверх – вниз осуществляется при помощи конической шестерни 2, имеющей винтовую нарезку по внутреннему диаметру. Она выполняет роль гайки и приводится во вращение другой конической шестерней 4, при помощи шпонки жестко закрепленной на горизонтальном валу с маховиком 5 на другом его конце. Вращение маховика в ту или другую сторону сопровождается перемещением винта 3 вверх – вниз, что вызывает изменение силы натяжения пружин.

Муфта 8 рычажной передачей связана с рейкой топливных насосов высокого давления. На любом установившемся режиме двигателя центробежные силы грузов уравновешиваются действием пружин и двигатель вращается с определенной частотой.

При резком сбросе нагрузки и увеличении частоты вращения двигателя выше допустимой работа всережимного регулятора аналогична работе предельного. За счет увеличения частоты вращения грузы 10 расходятся в крайние положения и, преодолевая силу упругости, поднимают втулку 8 и рычаг 7 вверх, тем самым значительно уменьшая подачу топлива в цилиндры. Частота вращения коленчатого вала снижается, центробежные силы грузов уменьшаются и пружины ставят их в положение, близкое к первоначальному. Одновременно с этим подача топлива увеличивается, а частота вращения вновь повышается, но уже на меньшую величину. Так повторяется несколько раз, пока не установится постоянная предельная частота вращения.

Чтобы изменить частоту вращения двигателя в интервале «Малый ход» – «Полный ход», необходимо вращать рукоятку маховика 5 в нужную нам сторону. При вращении его по часовой стрелке винт 3 опускается вниз и через подпятник 1 увеличивает натяжение пружин. Необходимо отметить, что на малых и средних оборотах внутренняя пружина находится в свободном состоянии, а действует только одна внешняя. При дальнейшем-повышении частоты вращения в действие вступают обе пружины. Увеличение силы затяжки пружины приводит к сближению грузов, опусканию втулки 8, увеличению подачи топлива и повышению частоты вращения коленчатого вала.

Уменьшение частоты вращения двигателя достигается с поста управления вращением маховика против часовой стрелки. В этом случае сила натяжения пружин уменьшается, грузы 10 под действием центробежной силы разойдутся, горизонтальные плечи угловых рычагов поднимут втулку 8, которая, действуя на рычаг 7, уменьшит подачу топлива в цилиндры двигателя.

2) Методы регулирования температуры в судовых дизель­ных установках.

Регулирование температуры охлаждающей воды и смазочного масла в судовых ДВС осуществляется следующими способами: дросселированием, обводом и перепуском охлаждающей жидкости.

Способ дросселирования заключается в том, что изменение производительности насоса, подающего охлаждающую жидкость к двигателю, производится за счет изменения проходного сечения трубопровода (вентиля). Этот способ чаще применяется при ручном регулировании в системах циркуляции, снабженных центробежными насосами.

К недостатку этого способа регулирования следует отнести то, что система охлаждения при работе ДВС на малых нагрузках часто оказывается под большим гидравлическим давлением, что отрицательно сказывается на уплотнениях самой системы. Кроме того, для поддержания постоянной температуры на малых нагрузках приходится пропускать через двигатель небольшое количество охлаждающей жидкости, что приводит к ухудшению циркуляции, появлению паровых мешков, местных перегревов и т. д.

Способ обвода заключается в применении дополнительной обводной магистрали, по которой перекачивается часть охлаждающей жидкости, минуя охлаждаемый двигатель. Преимуществом этого способа является то, что напор насоса практически не зависит от положения регулирующего органа.

Способ перепуска заключается в перепуске части отходящей из двигателя охлаждающейжидкости в приемную магистраль – на слив идет не вся жидкость, а только ее часть. При использовании способа перепуска через систему охлаждения двигателя прокачивается вода при наибольшем ее расходе, что обеспечивает хорошее смывание и бесперебойный теплоотвод от охлаждаемых поверхностей. В системе охлаждения устанавливаются минимальные перепады температур, в результате чего цилиндровая группа ДВС работает в более благоприятных температурных условиях. Наличие перепуска значительно сокращает время прогрева холодного двигателя.

В системах охлаждения двигателей очень широко используются терморегуляторы прямого и непрямого действия.

На рисунке показан терморегулятор прямого действия типа РПД, который применяется в ДВС средней мощности для регулирования температуры воды и масла.

Терморегулятор состоит из двухпроходного корпуса 3, в котором закреплены нижнее 2 и верхнее 4 гнезда сдвоенного клапана 1, нижнего 5 и верхнего 10 штоков, пружины 9 и регулировочной гайки 8, термопатрона 14 с капилляром и сильфоном и др.

Термопатрон устанавливается с помощью ввертыша 13 и гайки 12. При повышении температуры регулируемой среды (воды, масла) давление паров в термопатроне повышается, передается на клапан 1 через штоки 5 и 10 и сжимает пружину 9. Первоначальное натяжение пружины, при котором начинается движение клапана 1, устанавливается регулировочной гайкой 8. Рабочий ход клапана определяется суммарной длиной штоков 5 и 10. В основании 6 терморегулятора установлен нажимной винт 11 сальника, служащего для предотвращения протечки регулируемой среды вдоль штока 5. В процессе эксплуатации сальник периодически поджимается накидной гайкой 7.

Терморегулятор непрямого действия типа ТРП, использующий пневматическую силовую среду, предназначен для регулирования температуры охлаждающей воды и смазочного масла ДВС большой мощности.

Терморегулятор состоит из двух основных узлов – задающего и исполнительного (пневматического регулирующего золотника). Задающий (блок управления терморегулятором) предназначен для выявления отклонений температуры регулируемой среды от заданных значений и преобразования их в изменение давления воздуха в верхней полости мембранного сервомотора пневматического регулирующего золотника.

3) Методы регулирования вязкости топлива в системах по­дачи ДВС.

Различные сорта тяжелых топлив, а иногда и топлива одного и того же сорта, но разных бункеровок имеют при одинаковой температуре существенно различающуюся вязкость. С целью повышения надежности работы дизельной установки и улучшения топливоис-пользования, топливные системы дизелей оборудуются автоматическими системами регулирования вязкости.

Известен способ автоматического регулирования вязкости жидкого топлива, заключавщийся в измерении расходов компонентов и температуры.

4) Структура системы ДАУ главными судовыми двигателя­ми.

Системы ДАУ главными двигателями относятся к числу основных систем автоматизации.

В состав дизельной установки входят сам дизель и системы, обеспечивающие его функционирование, – системы пуска, реверса, смазки, охлаждения, топливоподачи, наддува, управления.

Безаварийная и экономичная работа дизельной установки возможна при условии автоматического контроля и управления основными рабочими параметрами дизеля.

К рабочим параметрам, по которым осуществляется автоматическое регулирование, защита и сигнализация, относятся: температура атмосферного воздуха Т₀, наддувочного воздуха во впускном коллекторе Т_к, выпускных газов по цилиндрам и средняя за газовой турбиной T_г, пресной воды на входе O_в1 и на выходе О_в2, смазочного масла на входе О_м1 и на выходе О_м2; давление атмосферного воздуха р₀, воздуха во впускном коллекторе р_к, смазочного масла р_м, газов в выпускном коллекторе р_г, охлаждающей воды р_в; крутящий момент М и частота вращения n коленчатого вала. На рис. 1 представлена обобщенная схема автоматического контроля и регулирования дизеля.

Рис. 1. Обобщенная схема автоматического контроля и регулирования дизеля:

1, 22 – насосы забортной и пресной воды; 2, 13, 21 – холодильники пресной воды наддувочного воздуха и масла; 3, 20 – регуляторы температуры пресной воды и смазочного масла; 4 – регулятор давления масла в системе смазки; 5, 19 – нагнетательный и откачивающий масляные насосы; 6 – главная масляная магистраль; 7 – полости охлаждения; 8, 17 – выпускной и впускной коллекторы; 9 – кулачковые валы механизма газораспределения; 10, 11 – газовая турбина и компрессор турбонагнетателя (первая ступень наддува); 12 – автомат изменения угла заклинивания кулачковых валов; 14 – регулятор частоты вращения коленчатого вала; 15 – нагнетатель с механическим приводом (вторая ступень наддува); 16 – топливный насос высокого давления; 18 – коленчатый вал

Контроль за температурой и давлением осуществляется через соответствующие датчики. Для управления величинами крутящего момента и частоты вращения коленчатого вала служит общий регулирующий орган –топливодозирующая аппаратура дизеля. Причем в установившихся режимах работы регулятор частоты вращения поддерживает заданный скоростной режим, изменяя подачу топлива на цикл в соответствии с изменением нагрузки на дизель.

Несмотря на взаимное влияние основных рабочих параметров, большая инерционность дизеля по отношению к взаимосвязанным параметрам позволяет создавать системы их несвязанного регулирования.

Системы автоматизированного управления дизельными установками обеспечивают автоматическое выполнение как минимум следующих операций: пуск, вывод на заданный скоростной режим, остановку, реверс. В общем виде структура системы может быть представлена схемой, показанной на рис. 2.

Рис. 2. Обобщенная структурная схема системы ДАУ главным двигателем

В состав системы входят два поста дистанционного управления: ПДУ1– в ЦПУ машинного отделения; ПДУ2 – в рулевой рубке. В ПДУ1 размещена аппаратура дистанционного контроля рабочих параметров и состояния механизмов, систем и устройств, а также предусматривается возможность подачи всех команд. В ПДУ2 размещены аппаратура сигнализации только о состоянии основных механизмов и устройств, приборы контроля рабочих параметров, определяющие режим движения судна (частоту вращения гребного вала) и командные органы для изменения режима движения судна.

В блоке логики вырабатываются командные сигналы на базе анализа сигналов, поступающих с ПДУ, систем судовой автоматики и различных датчиков, контролирующих состояние объекта управления (дизеля). Командные сигналы от блока логики после усиления поступают в цепи управления работой исполнительных двигателей, воздействующих на регулирующие органы. В блоке логики размещают ряд субблоков, каждый из которых обеспечивает только одну операцию управления, согласно заложенной в нем программе.

Для построения функциональных устройств в системах ДАУ применяют: в устройствах логики – пневматические и электронные элементы; исполнительные двигатели – электрические, гидравлические, пневматические; в цепях управления – электрические и пневматические элементы; в системах сигнализации – электрические элементы.