Wyższa Szkoła Morska w Szczecinie

LABORATORIUM AUTOMATYKI

TEMAT : Układy sterowania śrubą nastawną.

Statek jest złożonym obiektem sterowania. jednym z głównych elementów obiektu jest zespół napędowy.

Rozwój konstrukcji i wprowadzenie nowych technologii w budowie silnika, śruby napędowej i kadłuba powinno iść w parze z postępem w ich eksploatacji. Racjonalna eksploatacja układu napędowego w całym okresie jego żywotności, wywiera dominujący wpływ na koszty oraz na jakość wzajemnej współpracy poszczególnych elementów. Oddziaływanie na procesy zachodzące w zespole napędowym powinno być takie aby sumaryczne koszty eksploatacyjne (koszty paliwa, remontów i związanych z tym przestojów) były jak najmniejsze. Sprowadza się to do doboru takich parametrów pracy zespołu, które zapewniają najwyższą sprawność napędową oraz wolną od przeciążeń, bezawaryjną pracę silnika i śruby w różnych warunkach pływania.

Zastosowanie śruby nastawnej wprowadza dodatkowy parametr regulacyjny. Możliwość zmiany skoku śruby rozszerza pole pracy silnika. Uwidacznia się to przy obciążeniach częściowych. Śruba nastawna umożliwia wykorzystanie pełnej mocy silnika w zmiennych warunkach pływania. Daje to wymierne korzyści ekonomiczne w stosunku do układów ze śrubą stałą ale tylko wtedy, gdy układ ze śrubą nastawną jest właściwie eksploatowany.

Obiekt sterowania stanowią: silnik napędu głównego z regulatorem prędkości obrotowej, śruba nastawna z serwomechanizmem zmiany skoku i regulatorem skoku oraz kadłuba statku. Układ sterujący stanowi jednostka główna z zapisanym w jej pamięci programem sterowania oraz zestaw urządzeń umożliwiających połączenie jednostki z różnego rodzaju czujnikami, dzwigniami sterującymi, itp.. Układ sterujący w oparciu o uzyskane informacje wypracowuje takie nastawy dla silnika i śruby, aby z jednej strony, spełnić wymaganie jazdy z zadaną prędkością, z drugiej strony, aby zadana prędkość utrzymywana była przy pracy zespołu napędowego z maksymalną sprawnością.

z

X nz v

Yi Hz Yi

Najbardziej rozpowszechnione są układy sterowania, w których operator nastawia zadany skok śruby i zadaną prędkość obrotową silnika, a regulatory nadążne ustawiają wartość odpowiednich parametrów zgodnie z sygnałem wartości zadanej.

Sterowanie programowe zespołem napędowym polega na automatycznej realizacji związku funkcyjnego pomiędzy dwoma parametrami pracy zespołu, równolegle z utrzymaniem wartości zadanej prędkości statku lub mocy silnika. Programy wyznacza się bezpośrednio z charakterystyk napędowych stosując kryterium minimalnego zużycia paliwa dla różnych prędkości statku lub na podstawie charakterystyk silnika, śruby, kadłuba z uwzględnieniem warunku maksymalnej sprawności pracy zespołu napędowego.

Stosowane na statkach układy sterowania pracują wg następujących programów:

• H=f(n) - skok śruby w funkcji prędkości obrotowej

• M=f(n) - moment obrotowy silnika w funkcji prędkości obrotowej

Sterowanie optymalne zespołem napędowym polega na wyznaczeniu optymalnej pary nastaw skoku śruby i prędkości obrotowej, do czego wymagana jest znajomość aktualnych charakterystyk silnika, śruby i kadłuba lub wypadkowa charakterystyka napędowa całego zespołu napędowego. Układy napędowe, w których regulacja prędkości statku odbywa się poprzez jednoczesne ustalenie prędkości obrotowej n i skoku śruby H.

Położenie optymalnego punktu pracy uzależnione jest od szeregu wartości o charakterze stochastycznym, jak warunki zewnętrzne, stan kadłuba, stan śruby czy silnika. Złe nastawy powodują wysokie straty. Dla danej prędkości statku istnieje tylko jedna para nastaw (n,H) przy której występuje maksymalna sprawność zespołu napędowego.

Zabezpieczenie silnika przed przeciążeniem można realizować np. przez :

1. Zastosowanie układu redukującego skok śruby gdy nastawa listwy paliwowej osiąga wartość maksymalną.

K2 K1

nz

Hz

hmax h

n

1. regulator prędkości obrotowej z układem ochrony przed przeciążeniem

2. mechanizm zmiany skoku

2. Zastosowanie urządzenia, w którym program sterowania zmieniał się będzie płynnie wraz ze zmianą prędkości statku.

1

4

nz

Hz

1 - dźwignia sterująca zadajnikiem

2 - regulator prędkości statku

3 - serwomechanizm

4 - wałek z krzywkami

5 - log

6 - serwomechanizm korekty programu

W pierwszym sposobie dźwignia sterująca umieszczona na pulpicie mostkowym wyposażona w dwie krzywki K1 i K2 na profilach, na których naniesiono program zmiany skoku śruby H i prędkości obrotowej n. Krzywki oddziaływują na zadajniki pneumatyczne Z1 i Z2 (precyzyjne reduktory), z których sygnały pneumatyczne podawane są odpowiednio do serwomechanizmu zmiany skoku 2 oraz do reduktora prędkości obrotowej 1. Wartości sygnałów wychodzących z zadajników są proporcjonalne do wychylenia dzwigni sterującej. Określonemu położeniu dzwigni odpowiada jedna i zawsze ta sama (dla danego programu) para nastaw skoku śruby i prędkości obrotowej silnika. Prędkość obrotowa silnika (śruby) utrzymywana jest na zadanym poziomie przez regulator prędkości obrotowej. Regulator steruje dawką paliwa h (ustawieniem wydatku pomp wtryskowych) tak, aby rzeczywiste obroty silnika n były równe obrotom zadanym nz. Aktualna wartość dawki paliwa zależy, w głównej mierze, od warunków zewnętrznych, stanu załadowania, stanu kadłuba czyli od wielkości zakłócających z. Utrzymywanie zadanej prędkości obrotowej silnika przy pogarszających się warunkach (np. zewnętrznych), wymaga coraz większej dawki paliwa co powoduje wzrost obciążenia silnika. Sygnał hmax reprezentuje sygnał korekcyjny zmniejszający skok śruby gdy w regulatorze prędkości obrotowej wygenerowany zostanie sygnał maksymalnej nastawy paliwowej. Zmniejszenie skoku śruby zmniejsza wartość momentu obrotowego silnika co wywołuje gwałtowny przyrost prędkości obrotowej bez konieczności przeciążenia silnika.

W drugim sposobie dźwignią zadajnika 1 nastawia się sygnał zadanej prędkości statku. Regulator 2 porównuje prędkość rzeczywistą statku z prędkością zadaną i za pośrednictwem serwomechanizmu 3 obraca wał z krzywkami 4, zmieniając wartości zadane skoku Hz i prędkości obrotowej śruby nz. Sygnał prędkości statku z logu 5 podawany jest do regulatora 2 oraz do serwomechanizmu korekty programu 6, który przesuwa krzywkę sterującą skokiem śruby. W ten sposób skok śruby i prędkość obrotowa zespołu napędowego zmieniają się płynnie wraz z prędkością statku, a w sytuacjach ustalonych osiągają wartości bliskie optymalnym dla danego programu.

Układ

sterujący

OBIEKT

• silnik główny

• śruba nastawna

• kadłub

Z2

Z1

Silnik

1

2

Silnik

Z2

Z1

3

2

6

5

---