Ćwiczenie
Sterowanie zespołem napędowym ze śrubą nastawną
Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z budową i sterowaniem zespołem napędowym statku ze śrubą nastawną. Przedstawiona zostanie informacja o aktualnie realizowanych sposobach sterowania na statkach oraz o możliwościach sterowania optymalnego zapewniającego minimalne zużycie paliwa we wszystkich warunkach pływania.
Student powinien umieć:
1. Wymienić zadania stawiane układowi sterowania zespołem napędowym.
2. Narysować i opisać system Combinator
3. Stwierdzić, czego dotyczy pojęcie „optymalny punkt pracy zespołu napędowego”.
4. Analizować wpływ zmiany warunków pływania (np. warunków hydrometeorologicznych) na pracę zespołu napędowego.
5. Określić, czym różni się sterowanie optymalne zespołem napędowym od sterowania programowego.
6. Stwierdzić jak prądnica wałowa wpływa na sterowanie zespołem napędowym.
Student powinien znać:
2. Co to są pola pracy zespołu napędowego?
3. Zalety i wady śruby nastawnej.
4. Po co wprowadzono na statek śrubę nastawną?
Rys. 1 Schemat rozmieszczenia układu sterowania zespołem napędowym ze śrubą nastawną w kadłubie statku
Rys.2 Przekrój piasty śruby nastawnej firmy MAN B&W
Rys. 4 Przykładowa piasta śruby; przekrój i zdjęcie
Układy napędowe, w których regulacja prędkości statku odbywa się poprzez jednoczesne ustalanie prędkości obrotowej n i skoku śruby H, wymagają szczególnej troski o prawidłowy dobór nastaw w różnych warunkach pływania. Złe nastawy powodują wysokie straty. Dla danej prędkości statku istnieje tylko jedna para nastaw (n, H), przy której występuje maksymalna sprawność zespołu napędowego. Położenie optymalnego punktu pracy uzależnione jest od szeregu wielkości o charakterze stochastycznym, jak warunki zewnętrzne, stan kadłuba, stan śruby czy silnika. Celem wyznaczenia optymalnej pary nastaw skoku śruby i prędkości obrotowej, wymagana jest znajomość aktualnych charakterystyk silnika, śruby i kadłuba lub wypadkowej charakterystyki napędowej całego zespołu napędowego.
Nie udało się zastosować w eksploatacji układów sterowania optymalnego zespołem napędowym ze śrubą nastawną w każdych warunkach pływania. Zastosowano tzw. sterowanie programowe zapewniające w miarę optymalną pracę zespołu napędowego dla średnich, najczęściej spotykanych warunków pływania. Nazywa się ten system Combinator.
Schemat układu napędowego pracującego w systemie COMBINATOR z regulatorem obciążenia zabezpieczającym silnik przed przeciążeniem; rys.1.
Rys.1 Schemat blokowy układu sterowania zespołem napędowym ze śrubą nastawną realizujący program H=f(n) tj. pracujący w systemie COMBINATOR z zabezpieczeniem silnika przed przeciążeniem. Oznaczenia: (P/D)C - zadana wartość skoku śruby, nC – zadana wartość prędkości obrotowej silnika, (P/D) – rzeczywista wartość skoku śruby, n – rzeczywista wartość prędkości obrotowej silnika, FR – rzeczywiste przemieszczenie listwy paliwowej (rzeczywista dawka paliwa; obciążenie silnika), FRC – maksymalna wartość dawki paliwa (obciążenia silnika), eFR, eP/D, en – uchyby regulacji w regulatorach odpowiednio obciążenia silnika, skoku śruby, prędkości obrotowej. 1 – dźwignia sterująca na mostku (np. dźwignia telegrafu maszynowego), 2 – regulator obciążenia, 3 – regulator skoku śruby, 4 – regulator prędkości obrotowej, 5 – serwomechanizm zmiany skoku śruby nastawnej, 6 – silnik główny, 7 – blok funkcyjny.
Nawigator wychylając dźwignię sterującą 1 (dźwignię telegrafu) umieszczoną na mostku zadaje wartości skoku śruby i prędkości obrotowej silnika wynikające z programu COMBINATOR zainstalowanego na statku. Każdemu położeniu telegrafu przyporządkowane są wartości skoku śruby nastawnej i prędkości obrotowej silnika gwarantujące jazdę z zadaną prędkością statku przy najmniejszym zużyciu paliwa lub maksymalnej sprawności zespołu napędowego statku.
Sygnały zadanych wartości skoku śruby (P/D)C oraz prędkości obrotowej nC trafiają do odpowiednich regulatorów skoku śruby 3 i prędkości obrotowej 4. Wartości zadane porównywane są w regulatorach z wartościami rzeczywistymi i wypracowane zostają sygnały sterujące. Regulator skoku śruby 3 poprzez serwomechanizm zmiany skoku 5 ustawia płaty śruby nastawnej w żądanym położeniu, a regulator prędkości obrotowej 4 poprzez zmianę położenia listwy paliwowej FR (zmianę dawki paliwa podawanego do silnika) ustala zadaną wartość prędkości obrotowej silnika/śruby.
Zabezpieczenie silnika przed przeciążeniem
Sygnał rzeczywistej prędkości obrotowej n silnika podany zostaje również do bloku funkcyjnego 7. W bloku tym zapisana jest funkcja określająca maksymalną dawkę paliwa, którą można podać do silnika przy rozwijanej prędkości obrotowej; jest to tzw. charakterystyka obciążeniowa silnika.
Dawka paliwa podawana do silnika jest proporcjonalna do obciążenia silnika momentem obrotowym. Sygnał FRC wychodzący z bloku funkcyjnego 7 (określający dopuszczalne obciążenie silnika) porównywany jest w regulatorze obciążenia 2 z sygnałem rzeczywistej wartości dawki paliwa FR podawanej do silnika (określającej rzeczywiste obciążenie silnika). Jeśli uchyb regulacji tj. różnica pomiędzy wartością FRC oraz FR jest dodatnia ( eFR = FRC – FR > 0) to regulator obciążenia nie reaguje. Jeśli znak różnicy jest ujemny wówczas regulator obciążenia poprzez regulator skoku śruby zmniejsza jej skok, przez co zmniejsza obciążenia silnika głównego. W ten sposób zabezpiecza silnik przed przeciążeniem. Redukcja skoku śruby zmniejsza obciążenie silnika podobnie, jak redukcja biegu zmniejsza obciążenia silnika w jeździe samochodem np. pod górę.
Na rys.2 pokazano zależność zmiany zadanych wartości prędkości obrotowej silnika i skoku śruby nastawnej od położenia dźwigni sterującej; dźwigni telegrafu.
Rys. 2. Funkcja zmian zadawanych wartości prędkości obrotowej i skoku śruby nastawnej od położenia dźwigni sterującej w wersji COMBINATOR
Należy mieć nadzieję, że w niedalekiej przyszłości system doboru optymalnych nastaw może stanowić klasyczny układ doradczy, w którym dane z zespołu napędowego w postaci skoku śruby H, prędkości statku v, prędkości obrotowej n, momentu obrotowego na wale M są wprowadzane poprzez układ pomiarowy (miernik skoku śruby, log, mierniki prędkości obrotowej i momentu obrotowego) do pamięci komputera. Strukturę ogólną systemu sterowania realizującego pomiary w trybie off-line ilustruje rysunek 1.
Rys.1. Struktura systemu optymalizacji zespołu napędowego typu doradczego
Zaproponowane rozwiązanie typu doradczego, odznacza się istotną zaletą, jaką jest zwiększone bezpieczeństwo jego stosowania, mające swe źródło w tym, że sterowanie odbywa się za pośrednictwem doświadczonego mechanika. Oficer wachtowy może w każdej chwili, poprzez ocenę warunków pływania zdecydować o zmianie prędkości statku, a zadaniem systemu jest określenie optymalnych nastaw skoku śruby i prędkości obrotowej silnika dla proponowanej prędkości statku. Również w przypadku awarii systemu komputerowego nie ma problemu przejścia na klasyczne sterowanie bez wspomagania.
Struktura układu sterowania może być zrealizowana, bez większych problemów, w sposób przedstawiony na rysunku 2. Układ wykonawczy odciąży wówczas operatora od konieczności bieżącego przestawiania dźwigni skoku śruby i prędkości obrotowej silnika po każdorazowej zmianie wartości nastaw optymalnych wyznaczonych przez komputer.
Rys.2. Zmodyfikowana wersja układu sterowania
Zadanie, jakie stawia się układowi sterującemu pracą zespołu napędowego jest następujące: dla zadanej przez operatora prędkości statku vz należy dobrać takie nastawy obrotów n i skoku śruby H, aby sprawność zespołu napędowego osiągnęła wartość maksymalną w całym zakresie zmian warunków zewnętrznych oraz w różnych stanach pracy silnika, śruby napędowej i kadłuba statku. Osiągnięcie tego celu wymaga znajomości równań opisujących bieżący stan silnika, śruby i kadłuba. Współczynniki tych równań powinny być ciągle aktualizowane, aby jak najdokładniej i w miarę szybko uwzględniały wszystkie zmiany zachodzące w obiekcie i jego otoczeniu.
Prezentowany na ćwiczeniu układ jest próbą zrealizowania takiego właśnie sterowania. Próby eksploatacyjne przeprowadzono na statku m/s WINETA. Program komputerowy i wszystkie dane wykorzystywane na ćwiczeniu pochodzą właśnie z tego statku.
Krótka charakterystyka torów pomiarowych na statku m/s WINETA
Pomiar momentu obrotowego
Wartość momentu obrotowego wyznaczana była przez pomiar naprężeń pojawiających się przy skręcaniu wału śrubowego. Zrealizowano to przy pomocy tensometrów elektrooporowych typu ES 1763 o rezystancji 600 Ohm.
Układ pomiarowy przedstawiony jest na rys.3
Rys. 3 Schemat blokowy i zdjęcia układu pomiarowego momentu obrotowego
W skład układu wchodzą:
1. tensometry naklejone na wale śrubowym
2. przetwornik zmian rezystancji mostka na częstotliwość
3. zasilacz prostownika
4. uzwojenia transformatora wirującego na wale (zasilające i sygnału mierzonego)
5. uzwojenia stałe transformatora (przekazujące zasilanie i odbierające sygnał mierzony)
6. panel przetwornika zamieniający częstotliwość na napięcie
Zmiany rezystancji mostka tensometrycznego sterują częstotliwością generatora (4 – 8) kHz, następnie sygnał częstotliwościowy przekazywany jest do uzwojenia transformatora wirującego na wale śrubowym i dalej na drodze indukcji przekazywany jest do uzwojenia wtórnego umieszczonego pomiędzy odpowiednio ukształtowanymi nabiegunnikami w pobliżu obracającego się wału. Sygnał zmiany częstotliwości proporcjonalny do wartości momentu obrotowego zostaje przetworzony na napięcie stałe z zakresu (0 – 10)V i podany poprzez przetwornik A/C do komputera wyznaczającego nastawy optymalne.
Pomiar prędkości obrotowej
Rys. 4 Schemat blokowy układu pomiaru prędkości obrotowej; 1 - zębatka umieszczona na wirującym wale (np. koło zamachowe), 2 – czujnik reluktancyjny, 3 – przetwornik zamiany indukcyjności na napiecie (panel poz. 7 na rys.3)
Pomiar prędkości obrotowej w oparciu o układ typu pick-up. Częstotliwość zmian strumienia magnetycznego jest proporcjonalna do wartości prędkości obrotowej. Wytworzone impulsy są przetwarzane na napięcie stałe z zakresu (0 – 10)V w zależności od wartości prędkości obrotowej i przesyłane poprzez przetwornik A/C do komputera.
Pomiar prędkości statku
Do pomiaru prędkości statku wykorzystano napięcie zasilające powtarzacza logu (łącze selsynowe).
Rys. 5a Schemat blokowy pomiaru prędkości statku; 1 – log, 2 – selsyn pomiarowy; 3 – potencjometr precyzyjny, 4 – wzmacniacz dopasowujący
Rys. 5b Elementy układu pomiaru prędkości statku (oznaczenia na rys. 5a)
Z dodatkowym selsynem rys. 5, sprzężony jest potencjometr precyzyjny o rezystancji 10 kΩ. Potencjometr zasilany jest stabilizowanym napięciem 10 V prądu stałego. Sygnał wyjściowy z suwaka potencjometru doprowadzony jest do wzmacniacza dopasowującego napięcie, tak aby zmiana prędkości statku w zakresie (0 – 18) węzłów odpowiadała zmianom napięcia w zakresie (0 – 10) V na wyjściu ze wzmacniacza, który poprzez przetwornik A/C podany był do komputera. Umożliwiało to szer...
marcin0732