66船舶主机

第八章柴油机的调速装置本章的重点：调速的必要性和调速器的类型，调速器的性能指标，机械调速器的工作原理和特点，各种反馈形式液压调速器的工作原理，WoodwardUG-8及WoodwardPGA调速器的结构特点，液压调速器的调节，调速器的维护管理与故障排除。本章的难点：液压调速器的工作原理，WoodwardUG-8及WoodwardPGA调速器的结构特点，电子调速器的工作原理及组成，液压调速器的调节，调速器的维护管理与故障排除。主要内容第一节柴油机的调速第二节机械调速器第三节液压调速器第四节电子调速器第五节调速器的故障与管理第一节柴油机的调速柴油机的不同转速是通过改变循环喷油量来获得的。改变柴油机的油量调节机构，使其转速调节到规定的转速范围内称柴油机调速。为此必须装设专门的调速装置，以便根据柴油机负载的变化自动调节供油量，维持其规定的转速范围。这种装置称调速器。一、调速的必要性1．船舶主机船舶主机其工作特性为推进特性，当外界负荷（如装载、海面状态等）变小而喷油量不变，柴油机就会增速，增速后使螺旋桨耗功增加从而可在一较高转速下达到功率平衡，柴油机稳定运转；反之，若外界负荷增加而喷油量不变，则柴油机就会在一个较低转速下稳定运转。由此可见，推进主机具有自动调节转速以适应外界负荷变动的能力。所以，如不要求柴油主机恒速运转，则无需装设调速器。但为保证推进主机在特殊航行条件下（如螺旋桨出水、断轴、掉桨等）的安全，根据我国有关规定，必须装设可靠的调速器（限速器），使主机转速不超过115%标定转速。但是现代船舶主柴油机为避免外界负荷变化所引起的转速变化，以及由此对柴油机工作的不良影响（如可靠性、经济性等），通常多装设全制式调速器。2．船舶发电柴油机船舶发电用柴油机要求在外界负荷（用电量）变化时能保持恒定的转速，以保证发电机的电压和频率恒定。若外界负荷减少而喷油量不变，则柴油机的功率就会大于外负荷而使转速升高，转速升高后又进一步扩大了功率的不平衡，使转速继续升高以致发生飞车，反之，若外界负荷增加而喷油量不变，柴油机转速就会降低并最终导致停车。所以，发电柴油机自身没有自动调速性能，为保证在外负荷变化时仍能保持恒速稳定运转，必须装设定速调速器。二、调速器的类型1．按调速范围分类（1）极限调速器（限速器）只用于限制柴油机的最高转速不超过某规定值，在转速低于此规定值时不起调节作用。此种调速器仅用于船舶主机，目前已很少单独使用。（2）定速（单制）调速器在负荷变化时能使柴油机转速保持在规定范围内。此种调速器应用于发电柴油机。（3）双制式调速器能维持柴油机的最低运转转速并可限制其最高转速。其中间转速由人工手动调节。此种调速器用于对低速性能要求较高或带有离合器的中小型船用主机。（4）全制式调速器在从最低稳定转速到最高转速的全部运转范围内，均能自动调节喷油量以保持任一设定转速。此种调速器广泛用于船舶主机及柴油机发电机组。2．按执行机构分类（1）机械式（直接作用式）调速器利用飞重产生的离心力直接去移动油量调节机构以调节柴油机的转速。（2）液压（间接作用式）调速器它是通过液压伺服器将飞重产生的离心力加以放大，使用放大后的动力去移动油量调节机构。（3）电子调速器转速信号监测或/和执行机构采用电气方式的调速器。三、超速保护装置1．作用：防止在调速器损坏时造成柴油机超速而损坏。超速保护装置是一种运转安全装置，与调速器不一样，它只限制柴油机转速，本身无调速特性。在柴油机正常运转范围内不起作用，只在转速达到规定值时才发生动作使柴油机立即停车或降速。我国有关规定：Nb≥220KW的主机和柴油发电机应装超速保护装置，以防主机n＞120%nb，柴油发电机n＞115%nb。2．组成：离心式——中型机转速监测器：电磁式——中、低速机气压式——小型机弹簧—需人工复位超速保护伺服机构：气压液压结构复杂，不需人工复位停车机构：受伺服机构控制，切断燃油供给或停止气缸供气第二节机械调速器一、结构和工作原理1．结构：飞重滑动套筒调速弹簧调速螺钉油量调节杆2．工作原理：按力平衡原理工作①当柴油机功率与外界负荷平衡时，柴油机在某一转速下稳定工作，飞重产生的离心力与弹簧的预紧力平衡，油量调节杆不动。F=P②当外界负荷减小时，柴油机发出的功率大于外界负荷，转速升高，飞重产生的离心力大于弹簧的预紧力，滑动套筒上移，调速弹簧被压缩，油量调节杆向减油方向移动，转速降低。但调节后的转速比原转速要稍高。F+△F=P+△P③当外界负荷增大时，柴油机发出的功率小于外界负荷，转速降低，飞重产生的离心力小于弹簧的预紧力，滑动套筒下移，调速弹簧被放松，油量调节杆向加油方向移动，转速升高。但调节后的转速比原转速要稍低。F-△F=P-△P④机械调速器的设定转速取决于调速弹簧的预紧力，预紧力越大，设定转速越高，而弹簧的预紧力是通过调节螺钉加以调节。逆时针旋出螺钉，弹簧的预紧力降低，设定转速下降；反之，顺时针旋进螺钉，弹簧的预紧力增加，设定转速升高。优缺点：机械调速器的工作能力较小，其灵敏度和精度均较差，但其结构简单，维护方便。多用于中、小型柴油机。二、调速器的性能指标1．静态指标l）稳定调速率δ2指当操纵手柄在标定供油位置时，最高空载转速nomax与标定转速nb之差同标定转速nb比值的百分数，即：稳定调速率δ2用来衡量调速器的准确性，其值愈小，表示调速器的准确性愈好。δ2在国外称速度降（Speeddroop）。对单台柴油机运转允许δ2=0，表示该柴油机将不随外界负荷变化而保持恒速运转。但在几台柴油机并联工作时，为使各机负荷分配合理，各机的δ2必须相等且不得为零。对δ2的要求应根据柴油机的用途而定。我国有关规范规定，船用主机的δ2≯10%；交流发电机的δ2≯5%。%100max2bbonnn2）转速波动率Φ或转速变化率φ转速波动率转速变化率式中：ncmax——测定期间的最高转速，r/min；ncmin——测定期间的最低转速，r/min；nm——测定期间的平均转速，r/min，nm=(ncmax+ncmin)/2。一般，在标定工况时Φ≤(0.25~0.5)%；φ≤(0.5~1)%。%100)(minmaxmmccnnnn%100minmaxmccnnn3）不灵敏度ε令：式中：n1——柴油机转速减少时，调速器开始起作用的转速，r/min；n2——柴油机转速增加时，调速器开始起作用的转速，r/min；nm——柴油机平均转速，r/min，nm=(n1+n2)/2。不灵敏度过大会引起柴油机转速不稳定，严重时会导致调速器失去作用发生飞车，一般规定在标定转速时ε≤(1.5~2)%；而在最低稳定转速时ε≤(10~13)%。%10012mnnn2．动态指标1）瞬时调速率δ1突卸全负荷瞬时调速率式中：nmax——突卸100％负荷时的最高瞬时转速；nb——突卸100％负荷前的稳定转速（标定转速）。我国有关规范要求发电柴油机的≯10％；（突加50％后再加50％全负荷）≯10％。%100maxmin1bonnn2）稳定时间ts指从突加（或突减）全负荷后转速刚偏离最高空载转速的波动范围（或标定转速的波动范围）到转速恢复到标定转速的波动范围（或最高空载转速的波动范围）为止所需时间（s）。我国有关规范规定，交流发电机ts≯5s。第三节液压调速器一、液压调速器工作原理1．无反馈液压调速器（1）结构：飞重3、速度杆2、弹簧4、驱动轴11、飞重支架1、液压伺服器6、滑阀7、齿轮油泵8以及连接速度杆2和滑阀7的联接摇杆5。溢流阀9。（2）工作原理：①柴油机稳定运转时，飞重产生离心力与弹簧的预紧力平衡。②当外负荷减少时，驱动轴转速升高，飞重离心力增加，速度杆右移。滑阀右移，动力活塞带动齿条左移，供油量减少。调节过程结束。动力活塞在新的平衡位置不动。③当外负荷增加、转速降低时，调速过程按相反方向进行。缺点：调速系统的惯性，使滑阀动力活塞的运动总滞后于柴油机转速的变化，调节过程转速波动、不稳定，无法满足使用要求。为了使调速器能稳定调节，应在调速器中加入一种装置，其作用是在伺服活塞移动的同时对滑阀产生一个反作用，使其向平衡位置的方向移动，减少柴油机转速波动的可能性。这种装置称为反馈机构。2．刚性反馈液压调速器。构造与上述无反馈液压调速器基本相同，只是杠杆AC的上端A不安装在固定的铰链上，而是与伺服活塞3的活塞杆相连。具有刚性反馈的液压调速器，可以保证调速过程具有稳定的工作特性，但负荷改变后，柴油机转速发生变化，稳定速差率δ2不能为零。3．弹性反馈液压调速器：在装置中加入一个弹性环节——缓冲器和弹簧具有弹性反馈机构的调速器，当负荷增加时,调速器没有静速差，即δ2=0。目前船舶上广泛采用同时具有弹性反馈机构和刚性反馈机构的双反馈液压调速器。这种调速器稳定性高，δ2大小可调，转速调节精度和灵敏度高。】液压调速器的特点是：具有广阔的转速调节范围、调节精度和灵敏度高，稳定性好，广泛用于船舶大、中型柴油机。但其结构复杂，管理要求高。二、液压调速器的典型结构船用柴油机使用的液压调速器大多为双反馈全制式。杠杆式（UG40）用于主机类型UG--表盘式（UG8）用于发电柴油机PGA--气动遥控式，多用于遥控主机1．WoodwardUG8表盘式液压调速器（1）表盘上有四个旋钮：①调速旋钮：位于面板右上方，作用是调节设定转速。②转速指示旋钮：位于面板右下方，作用是指示设定转速的高低，该旋钮不可调。③速度降旋钮：位于面板左上方，作用是调节δ2。④负荷限制旋钮：位于面板左下方，作用是限制喷油泵循环供油量的加油份额。（2）结构①驱动机构驱动轴28由柴油机凸轮轴经伞齿轮传动，通过油泵齿轮22、弹性轴37、传动齿轮和飞重架等使飞重39等转动，从而将柴油机的转速信号传给感应机构。②转速感应机构由飞重39。锥形调速弹簧8及调速杆38组成，用以感受和反映转速的变化。③伺服放大机构由控制滑阀36、控制滑阀套筒34、动力活塞23以及有关油路组成。用来放大感应机构的输出能量。④调节机构由动力活塞23、输出轴12及油量调节杆13等组成。用来拉动调油杆调节供油量。⑤恒速（弹性）反馈机构主要由大反馈活塞33、小反馈活塞30、上下反馈弹簧29、补偿针阀31、反馈杠杆45和40、可调支点47、反馈指针46以及反馈油路等组成。其作用是保证调速过程中转速稳定。⑥速度降（静速差）机构主要由速度降旋钮2、凸轮1、顶杆4、拉紧弹簧3、可调支持销6、速度降杆7和速度降指针5等组成。它是一种刚性反馈机构，不仅能使调节过程稳定，而且还能调节稳定调速率δ2以满足调节稳定性及并联运行的工作需要。⑦速度设定机构由两部分组成：其一由调速旋钮42、传动齿轮41、43和调速齿轮44组成；其二由调速电机（图7-14中之6）及蜗轮减速机构等组成。前者用于调速器前手动调节，后者用于配电盘处遥控，均通过改变弹簧8的预紧力改变柴油机的稳定转速。⑧负荷限制机构由负荷限制旋钮16、负荷限制指针14、负荷限制凸轮5、控制杆17、紧急停车杆24、限制杆25、限制销26、齿条11、齿轮10、负荷指针9等组成。用以限制动力活塞的加油行程。如图示限制指针14位于表盘刻度“10”（最大）处，而此时动力活塞的实际加油行程由指针9指示为“5”处。此时在杆17与凸轮15之间具有间隙，滑阀36的下移不受限制，动力活塞继续上行加大供油量，当动力活塞上行至最大供油位置时，指针9指示“10”，杆17与凸轮15刚好接触，限制滑阀36继续下移，即动力活塞限制在供油“10”处。同理若指针14置于“8”、“6”、“4”刻度处，柴油机的供油量亦被限制在“8”、“6”、“4”处。若转动旋钮16至“0”刻度，则柴油机自行停车。柴油机起动时为防加速过快应将负荷限制旋钮置于“5”；待起动之后运转正常将负荷限制旋钮转至“10”或规定位置。按下停车杆24可使滑阀36抬起，动力活塞23下行减油停车。但此杆仅在调速器试验中使用，并非在柴油机运转中使用。但可在其上方装设安全停车辅助装置以保护柴油机。⑨液压系统由低压油池、齿轮泵22、稳压油缸18及稳压活塞及有关油路组成。用于