W Y Ż S Z A	Zakład Automatyki Okrętowej				Nazwisko i imię
S Z K O Ł A M O R S K A w S Z C Z E C I N I E WYDZIAŁ MECHANICZNY	Nr ćw. LO 3	Temat ćwiczenia: Układy sterowania śrubą nastawną			Robert Gleń Ireneusz Hofman Marcin Łapiuk Rok akad. 2002/03
Data wyk. ćwicz.	Data odd. spr.		Ocena	Podpis wykł.	GRUPA IV MA

1. Schemat układu sterowania.

z

X nz v

Yi Hz Yi

Rys.1 Schemat blokowy układu sterowania

Jednym z ważniejszych problemów spotykanych przez załogę podczas eksploatacji jest odpowiedni wybór punktu pracy zespołu napędowego statku, który zapewniałby bezpieczną pracę silnika przy możliwie najniższym zużyciu paliwa. Stanowi to problem zwłaszcza na statkach wyposażonych w śrubę nastawną. Mechanik odpowiedzialny za bezpieczną eksploatację siłowni okrętowej musi poznać strukturę, własności obiektu jakim steruje, budowę i działanie elementów których składa się obiekt. Obiekt sterowania stanowi zespół składający się z:

- silnika głównego regulatorem prędkości obrotowej;

- śruby nastawnej z serwomechanizmem zmiany skoku;

- kadłuba statku.

2. Sterowanie programowe

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 jest realizowane za pomocą automatycznej regulacji związku funkcyjnego pomiędzy dwoma parametrami pracy zespołu, równolegle z utrzymaniem wartości zadanej prędkości statku lub mocy silnika. Program wyznacza się bezpośrednio z kadłuba z uwzględnieniem charakterystyk napędowych stosując kryterium minimalnego zużycia paliwa dla różnych prędkości statku lub na podstawie charakterystyk silnika, śruby, warunku maksymalnej sprawności pracy zespołu napędowego.

Sterowanie programowe wyznaczone jest dla warunków przyjętych za najbardziej typowe dla statku.

Stosowane na statkach układy sterowania pracują według następujących programów:

1. H = f (n) - skok śruby w funkcji prędkości obrotowej silnika

2. M = f(n) - moment obrotowy w funkcji prędkości obrotowej

Sterowanie według programu H =f(n)

Układy sterowane wg. tego programu są najprostsze i dzięki temu najbardziej rozpowszechnione. Na rysunku2 poniżej jest przedstawiony schemat takiego układu. Obrót dźwigni sterującej, wraz z połączonymi z nią krzywkami powoduję zmianę wartości ciśnienia na wyjściu z zadajników. Spowoduję to zmianę zadanych wartości skoku śruby i prędkości obrotowej silnika poprzez układy nadążne. 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 regulatora prędkości obrotowej 1. Wartości sygnałów wychodzących z zadajników są proporcjonalne do wychylenia dźwigni sterującej. Określonemu położeniu dźwigni odpowiada jedna i zawsze ta sama 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 ( ustawienie wydatku pomp wtryskowych ) tak, aby rzeczywiste obroty silnika n były równe obrotom zadanym n_z. 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 zewnętrznych, wymaga coraz większej dawki paliwa co powoduje wzrost obciążenia silnika. Sygnał h_max wskazuje sygnał korekcyjny zmniejszający (redukujący) skok śruby gdy w regulatorze prędkości obrotowej wygenerowany zostanie sygnał maksymalnej nastawy paliwowej. Stanowi to zabezpieczenie silnika przed przeciążeniem. Zmniejszenie skoku śruby zmniejsza wartość momentu obrotowego silnika co wywołuje jednak gwałtowny przyrost prędkości obrotowej bez konieczności przeciążenia silnika.

Rys. 2 Schemat sterowania skokiem i prędkością obrotową śruby

1 - regulator prędkości obrotowej z układem ochrony przed przeciążeniem

2 - mechanizm zmiany skoku

Zastosowanie urządzenia, w którym program sterowania zmieniał się będzie płynnie wraz ze zmienną prędkością statku przedstawia układ przedstawiony na rysunku poniżej, stanowi to kolejne zabezpieczenie silnika przed przeciążeniem.

Rys.3 Układ H = f(n) z automatyczną korektą programu i stabilizacją prędkości

statku

1 - dźwignia sterująca zadajnikiem

2 - regulator prędkości statku

3 - serwomechanizm

4 - wałek z krzywkami

5 - log

6 - serwomechanizm korekty programu

Dźwignią zadajnika 1 nastawia się sygnał zadanej prędkości statku. Regulator prędkości statku 2 porównuje prędkość rzeczywistą statku z prędkością zadaną i za pośrednictwem serwomechanizmu 3 obraca wał z krzywkami 4, zmieniając wartości zadane skoku H_z i prędkości obrotowej śruby n_z. Sygnał prędkości statku z logu 5 podawany jest do regulatora 2 oraz do serwomechanizmu korekty programu, 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.

3. Sterowanie optymalne

Sterowanie optymalne zespołem napędowym polega na wyznaczeniu optymalnej pary nastaw skoku śruby i prędkości obrotowej, do czego wymagana jest znajomość aktualnych charakterystyk silnika, śruba i kadłuba lub wypadkowa charakterystyka napędowa całego zespołu napędowego.

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, silnika. Złe nastawy powodują wysokie straty. System doboru optymalnych nastaw stanowi 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 wprowadzone poprzez układ pomiarowy do pamięci komputera. Sterowanie optymalne odznacza się zwiększonym bezpieczeństwem jego stosowania, w przypadku awarii systemu komputerowego jest możliwość sterowania klasycznego.

Algorytm sterowania skład się z dwóch zasadniczych części:

• pomiarów okresowych (charakterystyka zespołu napędowego)

• wyznaczenie aktualnego stanu obciążenia, optymalnych wartości nastaw (n,H) dla danej prędkości statku.

4. Zabezpieczenie silnika przed przeciążeniem

Zabezpieczenie silnika przed przeciążeniem można zrealizować poprzez:

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

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

5. Sporządzanie charakterystyk napędowych przy zmiennych nastawach parametrów

	Stan wyjściowy	stan optymalny	Łagodne warunki pływania	Pogorszone warunki pływania
M [%]	75	78.2	67.4	82.6
N [kW]	4762	4609	4279	5244
H [dz]	42	47	42	42
n [obr/min]	129	121	129	129
v [w]	14	14	16.2	11.8
G [kg/h]	959.7	930.9	864.2	1056.2
Różnica w zużyciu paliwa [kg/h]	+28,8	0	-66,7	+125,3

Tab.1 Tabela z wartościami parametrów, dla określonych stanów

6. Wnioski.

Stan wyjściowy - parametry umieszczone w tabeli, chcemy utrzymywać stałą prędkość 14[W] widać, iż statek płynie z za dużą prędkością obrotową a ze zbyt małą nastawą skoku śruby, sprawność śruby nie jest największa. Godzinowe zużycie paliwa G jest o 28 kg/h większe niż przy optymalnym ustawieniu skoku śruby.

Stan optymalny - poprzez zwiększenie skoku śruby H i zredukowanie prędkości obrotowej n, punkt pracy silnika znalazł się na charakterystyce śrubowej, dzięki temu uzyskaliśmy większą sprawność poprzez zredukowanie mocy oraz godzinowego zużycia paliwa G.

Łagodne warunki pływania - występują podczas spokojnej pogody, spokojny stan morza, kadłub statku nie stwarza dużego oporu (R).

Płyniemy z prędkością obrotową 129 obr/min oraz skokiem śruby H=42. Program wyznaczył parę nastaw, które znajdują się na charakterystyce śrubowej należy zwiększyć skok H=50, oraz zmniejszyć prędkość obrotową do 102 obr/min, nastąpi spadek mocy i zużycia paliwa.

Pogorszone warunki pływania - widać spadek prędkości statku z 14 [W] na 11.8 [W], charakterystyka śrubowa przesunęła się w lewo, statek nie może utrzymać prędkości 14 [W], a największą prędkością jest 13.1 [W] (H=45, n=135 obr/min), ale punkt ten leży już w polu o ograniczonym czasie eksploatacji, przy dłuższej pracy można przeciążyć silnik. Mechanik może zredukować trochę skok śruby, punkt pracy układu znajdzie się wtedy w polu pracy silnika (ale jednocześnie ta reakcja spowoduje pracę silnika z dużą mocą, a co z tym związane z dużym zużyciem paliwa G). Godzinowe zużycie paliwa jest o 125,3 kg/h większe niż w przypadku optymalnych warunków pływania i nastaw skoku śruby i prędkości obrotowej silnika.

OBIEKT

• silnik główny

• śruba nastawna

• kadłub

Układ

sterujący

---