ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG C ỦA CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG
3.2.1. Tự động hố thiết bị năng lượng
3.2.1.1. Mục đích và nguyên tắc tự động hố thiết bị diesel chính 3.2.1.1.1. Mục đích
Thiết bị năng lượng diesel, bao gồm các động cơ diesel chính và phụ, cũng như các hệ thống phục vụ chúng, được trang bị các phương tiện tự động điều chỉnh, kiểm tra, bảo vệ và điều khiển, đảm bảo cho chúng làm việc tin cậy, an tồn và kinh tế.
Duy trì các thơng số được điều chỉnh ở mức đã cho như hệ thống điều chỉnh tự động tại chỗ tốc độ động cơ diesel, nhiệt độ mơi chất làm mát (nước và dầu) trong các hệ thống điều chỉnh nhiệt độ, nhiệt độ và áp suất dầu trong hệ thống bơi trơn tuần hồn, nhiệt độ và độ nhớt của nhiên liệu tại lối vào động cơ...
Theo dõi các giá trị của thơng số được điều chỉnh và đưa tín hiệu điều khiển đến hệ thống điều khiển tự động việc khởi động các bơm dự phịng của hệ thống bơi trơn tuần hồn, làm mát và nhiên liệu khi áp suất các mơi chất tương ứng giảm xuống thấp hơn các giá trị giới hạn. Các máy phát diesel tự động khởi động và cấp điện vào lưới theo tín hiệu từ hệ thống kiểm tra tập trung hoặc hệ thống điều chỉnh tự động độc lập khi các máy phát điện bị quá tải. Việc các thơng số cơ bản vượt quá giới hạn cho phép sẽ dẫn đến sự làm việc ăn ý của hệ thống tín hiệu đề phịng sự cố. Nếu các thống số vượt quá giá trị cho phép thì hệ thống bảo vệ tự động làm việc ăn nhịp kịp thời trong buồng máy (tách ra).
3.2.1.1.2. Nguyên lý
Khi vận hành thiết bị diesel cần đặc biệt chú ý đến việc duy trì và kiểm tra các chế độ nhiệt của động cơ. Trạng thái nhiệt của động cơ disel cĩ ảnh hưởng rất lớn đến cơng suất, tính kinh tế và độ làm việc tin cậy của thiết bị, cũng như độ hao mịn và ứng suất nhiệt trong các chi tiết nhĩm piston-xilanh của động cơ. Tuỳ thuộc vào kiểu động cơ, loại nhiên liệu và dầu bơi trơn được sử dụng mà việc duy trì nghiêm ngặt các giá trị xác định nhiệt độ mơi chất làm mát, khơng khí tăng áp, dầu bơi trơn và nhiên liệu được quy định trong bảng hướng dẫn vận hành. Bản chất của việc điều chỉnh nhiệt độ chung quy lại là ổn định các giá trị nhiệt độ cho trước của
28
mơi chất cơng tác bằng cách san bằng (cân bằng) nhiệt lượng đưa vào và lấy ra khỏi đối tượng điều chỉnh.
Phương pháp điều chỉnh nhiệt độ đơn giản nhất là sự tiết lưu, ở đĩ nĩ thay đổi lượng mơi chất làm mát hoặc sấy nĩng được dẫn đến đối tượng điều chỉnh. Phương pháp này được áp dụng để điều chỉnh lượng cấp hơi nĩng đến bộ sấy nhiên liệu trong các hệ thống điều chỉnh độ nhớt và độ sấy nhiên liệu. Khi điều chỉnh tự động bằng sự tiết lưu người ta thường sử dụng các bộ điều chỉnh tĩnh đơn giản tác dụng trực tiếp, đơi khi là loại tác dụng gián tiếp. Các phương pháp điều chỉnh nhiệt độ bằng cách cho mơi chất đi thẳng và đi vịng được sử dụng phổ biến trong các hệ thống làm mát hai vịng của động cơ diesel.
Tốc độ quay của động cơ là một trong những thơng số được điều chỉnh chủ yếu và cần được duy trì ở mức độ đã cho với độ chính xác xác định. Ở chế độ ổn định, mơ men xoắn do động cơ sản ra cân bằng với mơmen cản (mơmen yêu cầu của chân vịt hay của máy phát điện) ở tốc độ quay khơng đổi. Trong điều kiện vận hành, mơmen cĩ thể thay đổi tuỳ thuộc vào nhu cầu của hộ tiêu thụ (tải). Khi đĩ, để duy trì tốc độ đã cho thì cần thay đổi giá trị mơmen do động cơ sản ra. Điều này dẫn đến việc thay đổi lượng nhiên liệu cấp vào xi lanh của động cơ.
Thiết bị dùng để tự động điều chỉnh tốc độ quay của động cơ được gọi là bộ điều tốc. Ngồi bộ điều tốc giới hạn (hạn chế sự cung cấp năng lượng khi số tốc độ quay vượt quá giá trị định mức), tuỳ thuộc vào dải các chế độ tốc độ quay cần được duy trì cịn cĩ các bộ điều tốc loại một chế độ và nhiều chế độ.
Cĩ thể nâng cao độ chính xác duy trì tốc độ quay của động cơ diesel bằng cách trang bị bộ điều tốc loại mọi chế độ, ở đĩ chế độ thiết lập được giữ khơng đổi. Bộ điều tốc giữ ổn định tốc độ quay đã cho của động cơ với độ chính xác nhất định bằng cách tác động liên tục đến tay thước nhiên liệu của bơm cao áp. Để chyển sang tốc độ quay mới, cần thay đổi trị số quy định chế độ làm việc của bộ điều tốc, và do đĩ, bộ điều tốc lại tác động đến sự cấp nhiên liệu cho bơm cao áp để thiết lập và duy trì chế độ tốc độ quay mới.
29
3.2.2. Tự động hố các hệ thống phục vụ động cơ diesel 3.2.2.1. Hệ thống điều chỉnh tự động tốc độ động cơ
3.2.2.1.1. Sơ đồ chức năng của hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ
Hệ thống điều chỉnh tự động tốc độ động cơ là hệ thống tự động ổn định tốc độ quay của động trong những giới hạn nhất định.
Sơ đồ chức năng của hệ thống điều chỉnh tự động tốc độ động cơ được thể hiện trên hình H. 3-1.
Hình H. 3-1. Sơ đồ chức năng của hệ thống điều chỉnh tự động tốc độ quay của động cơ đốt trong.
- Phần tử quan trọng nhất trong hệ thống này là động cơ diesel - đối tượng của điều chỉnh tự động tốc độ quay.
- Phần tử thứ hai - điều tốc làm nhiệm vụ điều chỉnh tốc độ quay, hạn chế tải và bảo vệ động cơ.
- Cơ quan điều khiển – tác động điều chỉnh của điều tốc tác động lên quá
Động cơ Bơm cao áp
Hồi tiếp âm mềm Khuếch đại
Hồi tiếp âm cứng cơ cấu đo Chân vịt Đối tượng q Hiệu chỉnh Hiệu chỉnh Hiệu chỉnh h0 Hiệu chỉnh Điều tốc Tay ga Tt Te Tải ω ω ωp W
30
quay của động cơ, thực hiện tác động điều khiển lên đối tượng là bơm cao áp cùng vịi phun. Đại lượng vào là dịch chuyển của cần van, gĩc quay hoặc thanh kéo truyền chuyển động cho thanh răng của bơm cao áp. Đại lượng ra của cơ quan điều chỉnh là lượng nhiên liệu cấp cho chu trình làm việc của động cơ.
+ Chức năng của bộ điều tốc
Điều tốc của động cơ đốt trong hoạt động theo các đặc tính cĩ thể chia ra: Ổn định: Nhằm duy trì giá trị của thơng số điều chỉnh khơng đổi theo thời gian.
Chương trình: Lưu đồ là những quy luật cho trước, theo đĩ điều chỉnh thơng số điều chỉnh.
Ở nhĩm một là những điều tốc làm việc theo tác động điều khiển khơng đổi trong khoảng thời gian nào đĩ.
Ở nhĩm hai là các điều tốc cĩ thêm bộ phận chương trình. Tốc độ của động cơ được điều khiển theo chương trình (khởi động, sấy máy, mang tải, tắt).
Ngồi ra điều tốc cịn cĩ thể cĩ thêm các chức năng bổ trợ nhằm đảm bảo tính an tồn và nâng cao chất lượng làm việc của động cơ như: Khống chế tải cho động cơ, khống chế tác động điều khiển, khống chế quá tải về nhiệt, nâng cao chất lượng quá trình điều khiển.
+Yêu cầu của bộ điều tốc
Yêu cầu đối với điều tốc phụ thuộc vào yêu cầu đối với hệ thống điều chỉnh tự động tốc độ của động cơ đốt trong. Yêu cầu đầu tiên là mọi điều tốc phải đảm bảo được những chỉ số tĩnh, động học cần thiết cho hệ thống điều chỉnh tự động tốc độ của động cơ đốt trong:
Bảo đảm điều chỉnh trong khoảng rộng (30 – 105)% ω0 đối với máy chính. (85-105)%) ω0 đối với máy phát điện.
Đảm bảo đủ cơng suất của tín hiệu để điều chỉnh. Cấu trúc đơn giản.
Độ tin cậy cao. Mơ đun hố.
31 Tuổi thọ lớn hơn tuổi thọ của động cơ. Khoảng điều chỉnh rộng.
3.2.2.1.2. Các thành phần của bộ điều tốc
Cấu tạo của bộ điều tốc gồm: Các phần tử cảm biến, khuếch đại, so sánh, điều hồ.
+ Cảm biến: Cảm biến tốc độ quay kiểu cơ năng được sử dụng nhiều nhất trong hệ thống điều chỉnh tự động tốc độ quay của động cơ đốt trong.
Hình H. 3-2. Cảm biến tốc độ quay kiểu cơ năng 1. lị xo; 2. khớp nối; 3. đối trọng
Bộ cảm biến trên hình H. 3-2a cĩ ưu điểm là dễ lắp và kích thước của nĩ khơng liên hệ với kích thước của đối trọng, cho phép thay đổi sức căng của lị xo trong giới hạn rộng. Do đĩ trong trường hợp này để thiết lập tốc độ quay cần thiết của đối tượng và cho phép đối trọng nhỏ vào tốc độ quay lớn, nhờ vậy giảm được quán tính của bộ điều chỉnh. Nhược điểm của bộ cảm biến này là trục tạo đối trọng chịu tải lớn. Vì thế khi thiết kế cần cĩ biện pháp giảm ma sát. Cảm biến loại này thường được dùng trong các bộ điều tốc đa chế.
Bộ cảm biến trên hình H. 3-2b khác với loại trên ở chỗ lị xo tác dụng trực tiếp lên đối trọng. Ưu điểm của loại này là chiều dài theo hướng trục quay đối trọng khơng lớn, do đĩ cho phép bố trí điều tốc trên bánh răng dẫn trục cam hoặc trên trục khuỷu động cơ. Khi chọn đúng chỗ gắn lị xo với đối trọng, các trục đối trọng sẽ giảm tải. Nhược điểm là khĩ thay đổi sức căng của lị xo. Thay đổi tốc độ quay trong trường hợp này, hoặc là bằng cách thay đổi sức căng của lị xo phụ thêm tác
32
dụng lên khớp trượt, hoặc là thay đổi tỷ số truyền từ khớp trượt đến điều tốc. Do khĩ thay đổi sức căng của lị xo, nên cảm biến loại này chỉ dùng cho các điều tốc đơn chế.
Cảm biến trên hình H. 3-2c cĩ cấu tạo đơn giản và làm việc tin cậy nĩ cho phép thay đổi sức căng của lị xo trong giới hạn rộng. Nhược điểm của nĩ là lực tiếp xúc giữa các quả cầu, các đĩa và giá chữ thập lớn. Cảm biến loại này ứng dụng rộng rãi trong các loại điều tốc khác nhau.
+ Bộ khuếch đại Hình H. 3-3. Bộ khuếch đại 2 2 1 1 S S X P P Y N X P 1 2 P Y N a) b) c) d) 2 1 X P P Y N X2 h h X1 2 1 X P P Y
33
a) Bộ khuếch đại kiểu piston cơng chất tác động hai phía điều khiển bằng ngăn kéo.
b) Bộ khuếch đại kiểu piston cơng chất tác động một phía, điều khiển bằng ngăn kéo.
c) Bộ khuếch đại kiểu piston vi phân.
d) Bộ khuếch đại kiểu piston tác động một phía cĩ ngăn kéo tiết lưu.
Khuếch đại là phần tử cĩ nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu của phẩn tử đo để điều khiển cơ quan được điều chỉnh. Phần tử khuếch gồm hai thành phần chính là cơ cấu điều khiển và động cơ thừa hành. Tín hiệu vào của bộ khuếch đại là tín hiệu ra của bộ phận đo. Tín hiệu ra của bộ khuếch đại là độ dịch chuyển của piston động cơ thừa hành. Trong điều tốc của động cơ đốt trong thơng thường năng lượng bổ sung cho bộ khuếch đại là năng lượng tiềm tàng trong đầu thuỷ lực dưới áp suất cao.
+ Hồi tiếp - điều hồ: để tăng độ ổn định và chất lượng điều chỉnh của điều tốc, người ta thường sử dụng phần tử hồi tiếp. Hoạt động của điều tốc khơng cĩ hồi tiếp sẽ dẫn đến hiện tuợng điều chỉnh quá, từ đĩ quá trình điều chỉnh bị dao động xung quanh thơng số điều chỉnh chuẩn. Hồi tiếp hoạt động nhằm giảm những dao động đĩ giữ cho quá trình điều chỉnh ổn định.
3.2.2.1.3. Nguyên tắc cấu tạo của điều tốc trực tiếp * Điều tốc đơn chế
Hình H. 3-4. Điều tốc đơn chế
34
Bộ điều tốc cơ giới đơn chế: Lị xo 2 của bộ điều tốc cĩ lực ép ban đầu khơng đổi, do đĩ quả văng 1 của điều tốc dưới tác dụng của lực ly tâm chỉ cĩ thể vận động khi chế độ tốc độ của động cơ đạt tới một giá trị nhất định. Nếu cắt tải bên ngồi, động cơ cĩ khuynh hướng tăng tốc độ quay lúc đĩ điều tốc mới hoạt động giảm lượng dầu cấp cho chu trình, để giảm tốc độ quay của động cơ.
* Bộ điều tốc giới hạn
Hình H. 3-5. Sơ đồ điều tốc giới hạn
Điều tốc giới hạn chủ yếu lắp trên động cơ chính tàu thuỷ, nhằm tránh cho tốc độ quay của động cơ khơng vượt quá lớn khi tải thay đổi. Bộ điều tốc giới hạn chỉ làm việc khi tốc độ quay của động cơ vượt quá tốc độ quay thiết kế. Việc cung cấp nhiên liệu trong phạm vi cơng tác của động cơ là do thợ máy điều khiển. Lúc ấy chế độ tốc độ của động cơ phụ thuộc vào tải bên ngồi. Như vậy điều tốc cần được nối với bơm cao áp như thế nào để cĩ thể điều khiển bằng tay và để điều tốc cĩ thể giảm được tốc độ quay nhanh chĩng khi ω tăng.
Lị xo 3 cĩ khuynh hướng kéo thanh răng bơm cao áp về phía tăng nhiên liệu, nhưng tay điều khiển 7 lại thơng qua thanh kéo cĩ xẻ rãnh 5 hạn chế nhiên liệu yêu cầu của phụ tải. Trong điều kiện làm việc bình thường của động cơ ống trượt 8 ở vị trí thấp nhất, khơng gây tác dụng điều chỉnh.
Lực ép ban đầu của lị xo bảo đảm lực ly tâm của quả văng 1 chỉ cĩ thể kéo căng lị xo khi động cơ chạy vượt quá tốc độ quay thiết kế.
35 * Điều tốc đa chế
Hình H. 3-6. Điều tốc đa chế 1.lị xo; 2. khớp trượt
3. đối trọng.
Điều tốc đa chế đảm bảo cho động cơ làm việc ổn định ở bất kỳ chế độ nào (ωmin ÷ ωmax). Trong một số trường hợp chỉ cho phép cơng nhân điều khiển trực tiếp khi ngắt động cơ.
Điều chế đa tốc chia làm hai loại:
Thay đổi lực ép ban đầu của lị xo (tác động trực tiếp lên lị xo).
Khơng thay đổi lực ép ban đầu của lị xo (tác động gián tiếp lên lị xo). 3.2.2.1.4. Nguyên tắc cấu tạo của điều tốc gián tiếp
* Bộ điều tốc hoạt động liên tục
Hình H. 3-7. Bộ điều chỉnh tốc độ hoạt động liên tục.
1. quả văng; 2. lị xo; 3.khớp trượt; 4. van trượt; 5. động cơ trợ động; 6. thanh nhiên liệu.
6 5 4 3 1 2 ω x n P P
36
Bộ điều tốc cĩ cấu tạo từ hai phần tử cơ bản: Cảm biến và bộ khuếch đại. Cảm biến thuộc dạng cơ học bao gồm quả văng, lị xo, khớp trượt. Cịn bộ khuếch đại thuỷ lực bao gồm van trượt điều khiển và động cơ trợ động. Nguyên lý hoạt động của bộ điều chỉnh như sau: Khi tốc độ quay ω tăng lên, quả văng văng xa trục quay, khớp trượt dịch chuyển lên trên kéo theo van trượt 3 cũng dịch chuyển lên trên. Khi đĩ rãnh trên của động cơ trợ động 5 thơng với đường dầu cấp cĩ áp suất cao, cịn rãnh dưới thơng với đường dầu thốt. Như vậy động cơ trợ động sẽ dịch chuyển xuống dưới một khoảng y và giảm lượng nhiên liệu vào động cơ. Hệ thống động cơ - bộ điều chỉnh chỉ trở về trạng thái cân bằng khi van trượt đĩng hồn tồn các cửa của rãnh dầu đến động cơ trợ động.
3.2.2.1.5. Một số bộ điều tốc * Điều tốc kiểu 3д100
37
1. tay địn nối thanh với thanh răng bơm cao áp; 2. piston của hồi tiếp âm mềm; 3. từ hệ thống bơi trơn của động cơ; piston bảo vệ; 5. piston servomotor; 8. cam; 9. tay ga; 10. chốt lệch tâm; 12. lị xo; 13. xylanh; 14. cửa dầu; 15. ngăn kéo; 16. piston cửa sổ; 17. piston nhận của hồi tiếp âm mềm; 18. lị xo; 19. ốc; 20. van tiết lưu.
Nguyên lý hoạt động:
Khi tốc độ quay của động cơ giảm, lực ly tâm của quả văng nhỏ hơn lực lị