第九章 调速和调速器

第九章调速和调速器一、柴油机调速柴油机的不同转速是通过改变循环供油量来实现的。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就称柴油机调速。为了实现柴油机调速，就必须设置专门的调速装置，以便根据柴油机负荷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。§9-1柴油机的调速二、调速器的类型按调速范围分类按执行机构分类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单制式调速器（定速调速器）——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。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。此调速器广泛应用于船舶主机和柴油发电机组。2、按执行机构分类①机械式调速器——直接利用飞重产生的离心力去移动油量调节机构，以调节柴油机的转速。②液压调速器——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——转速信号监测或执行机构采用电气方式的调速器。三、调速器的性能指标调速器的性能好坏直接影响柴油机运转的稳定性和可靠性。调速器装机后，应对柴油机进行突变负荷试验，以分析调速器的工作性能。柴油机进行突变负荷试验时得到的调速过程变化曲线图中，n0max——最高空载转速；nmin——最低瞬时转速；nb——全负荷稳定转速；nmax——最高瞬时转速。评定调速器性能有两种工作指标●动态指标●静态指标1、动态指标用来评价调速系统过渡过程的性能指标。①瞬时调速率δ1突加全负荷瞬时调速率突减全负荷瞬时调速率%100max0min1bnnn%100max1bbnnn我国有关规范要求发电柴油机的突加全负荷调速率和突减全负荷调速率不得大于10%。②稳定时间ts——指从突加（或突减）全负荷后，转速刚偏离最高空转转速（或全负荷稳定转速）的波动范围到转速恢复到全负荷稳定转速（或最高空载转速）的波动范围为止所需时间。我国有关规范规定，交流发电机的稳定时间不得大于5s。2、静态指标①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n0max与标定转速nb之差同标定转速nb比值的百分数。稳定调速率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。%100max02bbnnn②转速波动率Φ或转速变化率φ——用来表征在稳定运转时，柴油机转速的变化程度，主要是由柴油机回转力矩不均匀而引起的。但两者的定义不同：转速波动率Φ=转速变化率φ=一般，在标定工况时，Φ≤(0.25~0.5)%;φ≤(0.5~1)%。%100)(minmaxmmccnnnn%100minmaxmccnnn③不灵敏度ε当柴油机在一定负荷下稳定运转时，由于调速机构中存在间隙、摩擦和阻力，若转速稍有变化，调速器并不立即改变供油量。直到转速变化量足够大时，调速器才能开始起到调节供油的作用。这种现象称为调速器的不灵敏性。我国用不灵敏度ε表示不灵敏区域的大小。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221nnnm§9-2机械式调速器一、机械式调速器的组成转速调节螺钉调速弹簧滑动套筒飞重架转轴飞重加油减油二、调速原理机械式调速器的飞重和调速弹簧组成转速感应元件，按力平衡系统工作。当柴油机发出的功率与外界的负荷刚好平衡时柴油机转速稳定，飞重产生的离心力与调速弹簧的预紧力平衡，油量调节杆停留在某一供油量位置。若外界负荷突然减小，柴油机发出的功率大于外界负荷时柴油机转速升高，飞重产生的离心力大于弹簧的预紧力，使套筒上移，增加弹簧的压缩量，同时通过角拉杆推动油量调节杆向减油方向移动。当调节过程结束时，柴油机的功率与外界负荷在彼此都减小了的情况下恢复平衡，调速器的飞重稳定在新的位置，飞重的离心力和调速弹簧的作用力也在彼此都增加的情况下达到新的平衡状态。若外界负荷突然增大，柴油机发出的功率小于外界负荷时调速器的动作与外界负荷减少时相反，飞重离心力和弹簧的作用力在彼此都减小的情况下达到平衡状态三、机械式调速器的特点和适用范围机械式调速器不能保持柴油机调速前后的转速不变，即外负荷改变后，不能使柴油机恢复到原来的转速。外负荷减少时，调速后的转速比原来的转速稍高；外负荷增加时，调速后的转速比原来的转速稍低。产生这种转速差的根本原因是转速感应元件与油量调节机构之间是刚性连接。机械式调速器只能用于中小功率的柴油机。其灵敏度和精度都比较差。结构简单维修方便§9-3液压调速器液压调速器飞重产生的离心力并不直接去移动柴油机的油量调节机构。所以，这种调速器也称间接作用式调速器。液压调速器中具有控制滑阀和动力活塞组成的液压放大机构，另外，为了提高液压调速器调节过程的稳定性，改善其动态特性，还具有反馈机构，起补偿作用。液压调速器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，对管理要求高。一、液压调速器的工作原理1、无反馈液压调速器工作原理无反馈液压调速器存在问题由于调速系统的惯性，使滑阀和动力活塞的运动总滞后于柴油机转速的变化。当减少供油量时，不可能根据负荷的减少程度适度调节，而使油量减少过头，柴油机降速过度；同理，当柴油机负荷增加时，供油量又会增加过头，柴油机加速过度。如此不断重复降速、加速的调节过程，柴油机转速波动很大，调节过程不稳定，无法满足使用要求。所以，这种无反馈装置的液压调速器在实际中无法使用。2、刚性反馈液压调速器工作原理刚性反馈液压调速器存在问题调节过程终了时，滑阀回到了原来位置，把控制油孔关闭，切断通往伺服油缸的油路。这时动力活塞停止运动，喷油泵调节杆随之移动到一个新的平衡位置，柴油机在相应的新负荷下工作。既A点位置随负荷而变，与滑阀相连接的B点在任何稳定工况下均应处于原来位置，与负荷无关。由于反馈是通过刚性连接来实现的，故C点的位置必须配合A点作相应的变动亦稳定在新的位置，也就是说柴油机不能恢复到原来的转速。因而调速器的稳定调速率不能为0。3、弹性反馈液压调速器工作原理弹性反馈液压调速器的特点调速过程结束后，柴油机的转速仍能保持不变，即稳定调速率可为0。4、双反馈液压调速器工作原理当柴油机并车运行时，除了要求调速器应有良好的稳定性外，还应按正确的比例分配各机承担的负荷。因此，调速器应具有弹性反馈机构以保证调节稳定性；同时还应具有刚性反馈机构以使调节过程具有一定的稳定调速率，保证各机按比例分配负荷。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。其中以WoodwardUG和WoodwardPGA型液压调速器应用最普遍。我们重点学习WoodwardPGA型液压调速器的结构组成和工作原理。WoodwardPGA液压调速器由三部分组成：调速器主体速度设定部分速度降机构1、调速器主体部分组成工作原理齿轮油泵蓄压器调速弹簧飞重组件推力轴承滑阀柱塞套筒阻尼补偿系统伺服油缸2、速度设定部分组成工作原理齿轮油泵蓄压器调速弹簧飞重组件推力轴承滑阀柱塞套筒阻尼补偿系统伺服油缸波纹管速度设定滑阀柱塞速度设定油缸速度设定滑阀复位机构手动转速设定机构3、速度降机构该机构即为前述双反馈中的刚性反馈机构。可在增加燃油量的同时，使柴油机的稳定转速成比例地降低，以补偿负荷的增加。其反馈作用的实质是负荷增加时，稍微降低调速弹簧的预紧力。齿轮油泵蓄压器调速弹簧飞重组件推力轴承滑阀柱塞套筒阻尼补偿系统伺服油缸波纹管速度设定滑阀柱塞速度设定油缸速度设定滑阀复位机构手动转速设定机构§9-4电子调速器电子调速器是一种电子控制系统。凡转速感应元件或执行机构采用电气方式的调速器，习惯上通常称为电子调速器。全电子调速器电—液或电—气调速器液—电双脉冲调速器电子调速器典型电子调速器Woodward2301型是广泛应用的电子调速器，它属于电—液调速器。控制器——电子式速度感应元件——电磁式执行机构——液压式控制器原理频率—电压转换器nrncVrVc调速电压信号Vg运算放大器执行机构工作原理