СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СУДОВЫМ ГЛАВНЫМ ТУРБОЗУБЧАТЫМ АГРЕГАТОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F01D21/02 

Изобретение относится к области судовых главных энергетических установок и может быть использовано при создании судовых главных паро- и газотурбозубчатых агрегатов.

Практически все современные судовые главные турбозубчатые агрегаты (ГТЗА) оснащаются системами автоматического регулирования, реализующими различные способы управления агрегатами.

Известны автоматические системы регулирования частоты вращения выходного вала ГТЗА, формирующие регулирующие воздействия на исполнительные механизмы органов управления турбины в зависимости от сигнала рассогласования заданной и фактической частоты вращения ее ротора [1].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является способ управления судовым ГТЗА, заключающийся в изменении расхода рабочего тела в турбину за счет перемещения ее регулирующего органа по управляющему сигналу рассогласования заданной и фактической частоты вращения выходного вала агрегата [2].

Недостатком известного способа является появление на выходном валу ГТЗА в процессе маневрирования судна либо при ходе судна на волнении крутящих моментов, приближающихся к предельным значениям, что снижает надежность ГТЗА и главной судовой энергетической установки в целом.

Целью настоящего изобретения является повышение надежности судового ГТЗА.

Поставленная цель достигается тем, что по предлагаемому способу управления судовым главным турбозубчатым агрегатом, заключающемуся в изменении расхода рабочего тела в турбину за счет перемещения ее регулирующего органа по управляющему сигналу рассогласования заданной и фактической частоты вращения выходного вала агрегата, согласно изобретению, формирование управляющего сигнала рассогласования заданной и фактической частоты вращения осуществляют в ограниченном диапазоне, верхний предел которого изменяют от минимального при нулевой фактической частоте вращения выходного вала агрегата до максимального при максимальной фактической частоте вращения вала агрегата по сигналу, пропорциональному этой частоте вращения.

Предлагаемое изобретение включает в себя также устройство для осуществления заявляемого способа.

Указанное устройство, содержащее судовой главный турбозубчатый агрегат с регулирующим клапаном, связанным с сервомотором, управляющий золотник которого соединен с выходом привода золотника, а также содержащее задатчик и датчик частоты вращения выходного вала агрегата, подключенные ко входам сумматора заданной и фактической частоты вращения вала агрегата, согласно изобретению, снабжено управляемым ограничителем и суммирующим усилителем, причем управляемый ограничитель соединен своим входом с выходом сумматора заданной и фактической частоты вращения выходного вала агрегата, выходом - со входом привода золотника, а управляющий вход ограничителя подключен к выходу суммирующего усилителя, ко входам которого подключены формирователь сигнала опоры и выход датчика частоты вращения.

Указанные отличительные признаки позволяют сделать вывод о наличии новизны в предлагаемом техническом решении.

В ходе патентно-информационных исследований по данному решению не было найдено решений, имеющих признаки, сходные с заявляемыми, что позволяет сделать вывод о наличии существенных отличий в нем.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства, осуществляемого заявляемый способ управления судовым ГТЗА.

Здесь изображены судовой главный турбозубчатый агрегат 1 с регулирующим клапаном 2, связанным с сервомотором 3, управляющий золотник 4 которого соединен с выходом привода 5 золотника 4, а также изображены задатчик 6 и датчик 7 частоты вращения выходного вала агрегата 1, подключенные ко входам сумматора 8 заданной и фактической частоты вращения вала агрегата. Согласно изобретению устройство снабжено управляемым ограничителем 9 и суммирующим усилителем 10. Управляемый ограничитель 9 соединен своим входом с выходом сумматора 8 заданной и фактической частоты вращения выходного вала агрегата 1, выходом - со входом привода 5 золотника 4, а управляющий вход ограничителя 9 подключен к выходу суммирующего усилителя 10, ко входам которого подключены формирователь 11 сигнала опоры и выход датчика 7 частоты вращения.

Существо предлагаемого способа управления и принцип действия предлагаемого устройства для осуществления указанного способа состоит в следующем.

Известно, что механическую характеристику турбины с достаточной степенью точности можно представить в виде нелинейной зависимости крутящего момента на выходном валу турбоагрегата от двух переменных: расхода рабочего тела, например, водяного пара, и частоты вращения. Причем, величина крутящего момента ГТЗА при маневрировании может достигать двух-трехкратного значения от номинального. В связи с этим имеет большое значение как при пуске ГТЗА, так и при его управлении на эксплуатационных режимах возможность ограничения величины крутящего момента агрегата заданным допустимым значением.

Устройство, схема которого представлена на фиг. 1, обеспечивает управление ГТЗА следующим образом.

Примем за исходное состояние - остановку ГТЗА. При пуске агрегата 1 задатчик 6 частоты вращения устанавливают в требуемое положение. Выходной сигнал датчика 7 частоты вращения при остановленном ГТЗА равен нулю. Выходной сигнал сумматора 8 через управляемый ограничитель 9 вызывает движение привода 5, и, соответственно, управляющего золотника 4 и сервомотора 3, воздействующего на регулирующий орган - регулирующий клапан 2 турбоагрегата. При этом на выходном валу ГТЗА появляется пусковой крутящий момент, вал начинает вращаться, сигнал датчика 7 компенсирует сигнал задатчика 6, и ГТЗА выходит на заданный режим по частоте вращения и мощности. Согласно предлагаемому способу, при разгоне ГТЗА формирование управляющего сигнала рассогласования за сумматором 8 осуществляют в ограниченном диапазоне, верхний предел которого изменяют от минимального при нулевой фактической частоте вращения выходного вала агрегата до максимального при максимальной фактической частоте вращения вала агрегата по сигналу, пропорциональному этой частоте вращения. Ограничение реализуется управляемым ограничителем 9, имеющим нелинейную характеристику вход-выход типа "насыщение" с зависящим от величины входного управляющего сигнала уровнем этого "насыщения". Указанное ограничение не позволяет чрезмерно открыться регулирующему клапану 2 и обеспечивает разгон ГТЗА с допустимым крутящим моментом. Аналогично ограничение открытия регулирующего клапана происходит при изменении момента нагрузки ГТЗА.

Формирование сигнала, поступающего на управляющий вход ограничителя 9, осуществляется в рассматриваемом устройстве усилителем 10, который суммирует постоянный сигнал с выхода формирователя сигнала опоры 11 и переменный сигнал с выхода датчика 7 частоты вращения.

В основу предлагаемых способа управления ГТЗА и осуществляющего его устройства заложены следующие предпосылки.

Механическая характеристика турбоагрегата весьма достоверно может быть описана известной зависимостью
M_т = Mнт

-(μ-1) , (1) где μ = ; (μ = 2...3);
М_т^н - крутящий момент на валу турбины на номинальном режиме;
G(G_н) - расход пара через турбину (номинальный);
n_н - номинальная частота вращения;
М_т^max - максимальный момент, развиваемый заторможенной турбиной.

Выражение (1) в относительных единицах можно записать
= [μ-(μ-1)]. (2)
Расход пара G" в зависимости от величины открытия регулирующего клапана "m" может быть приближенно представлен линейной зависимостью
G ≈ km (*)
Переходя к относительным единицам и подставляя выражение (*) в (2), получим:
= . (3)
Задаваясь допустимым значением _доп, из (3) имеем зависимость допустимого перемещения регулирующего органа от частоты вращения для заданного допустимого момента:
= . (4)
Полученную гиперболическую зависимость можно в диапазоне рабочих частот вращения ГТЗА 0≅ ≅ 1 аппроксимировать линейной зависимостью
= + (5)
Можно также показать, что линейная аппроксимация (5) нелинейной зависимости (4), имеет погрешность, не превышающую 10% при 2 < μ < 3.

Зависимость (5) реализуется в предлагаемом устройстве описанными выше суммирующим усилителем 10 и управляемым ограничителем 9.

Предлагаемый способ управления судовым главным турбозубчатым агрегатом и устройство для его осуществления позволяют повысить надежность агрегата за счет ограничения величины крутящего момента на его выходном валу. При этом нет необходимости применять дорогостоящие, громоздкие и недостаточно надежные измерители крутящего момента, которые для рассматриваемой задачи ограничения момента существенных преимуществ не дают.

Использование: управление судовыми главными энергетическими установками. Сущность изобретения: устройство содержит формирователь 11 опорного синала, управляемый ограничитель 9 и суммирующий усилитель 10. Это позволяет осуществлять формирование управляющего сигнала рассогласования заданной и фактической частот вращения в ограниченном диапазоне. 1 ил.

1. Способ управления судовым главным турбозубчатым агрегатом путем изменения расхода рабочего тела в турбину перемещением ее регулирующего органа по управляющему сигналу рассогласования заданной и фактической частоты вращения выходного вала агрегата, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, формирование управляющего сигнала рассогласования заданной и фактической частоты вращения осуществляют в ограниченном диапазоне, верхний предел которого изменяют от минимального при нулевой фактической частоте вращения выходного вала агрегата до максимального при максимальной фактической частоте вращения вала агрегата по сигналу, пропорциональному этой частоте вращения. 2. Устройство управления судовым главным турбозубчатым агрегатом, содержащее регулирующий орган, связанный с сервомотором, управляющий золотник которого соединен с выходом привода золотника, датчик и задатчик частоты вращения выходного вала агрегата, подключенные к входам сумматора заданной и фактической частоты вращения вала агрегата, отличающееся тем, что оно содержит формирователь опорного сигнала, управляемый ограничитель и суммирующий усилитель, причем управляемый ограничитель соединен своим входом с выходом сумматора заданной и фактической частоты вращения выходного вала агрегата, выходом - с входом привода золотника, а управляющий вход ограничителя подключен к выходу суммирующего усилителя, к входам которого подключены формирователь опорного сигнала и выход датчика частоты вращения.