tìm hiểu về động cơ diesel tàu thủy

Ch­¬ng 1 Tù ®éng ®iÒu chØnh tèc ®é quay cña ®éng c¬ §iªzel tµu thñy §1. Kh¸i niÖm vÒ hÖ thèng tù ®éng ®iÒu chØnh tèc ®é quay cña ®éng c¬ ®iªzel tµu thuû Môc tiªu cña bµi häc Sau khi hoµn thµnh tèt bµi häc nµy sinh viªn sÏ cã kh¶ n¨ng: - Gi¶i thÝch ®­îc lý do t¹i sao ph¶i tù ®éng ®iÒu chØnh tèc ®é quay cña ®éng c¬ ®iªzel tµu thñy - VÏ ®­îc s¬ ®å thÓ hiÖn mèi quan hÖ gi÷a ®éng c¬, bé ®iÒu tèc trong hai tr­êng hîp bé ®iÒu tèc ho¹t ®éng trùc tiÕp vµ gi¸n tiÕp

Chơng 1

Tự động điều chỉnh tốc độ quay của động cơ Điêzel tàu thủy

Đ1 Khái niệm về hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ quay

của động cơ điêzel tàu thuỷ

Mục tiêu của bài học

Sau khi hoàn thành tốt bài học này sinh viên sẽ có khả năng:

- Giải thích đợc lý do tại sao phải tự động điều chỉnh tốc độ quay của động cơ điêzel tàu thủy

- Vẽ đợc sơ đồ thể hiện mối quan hệ giữa động cơ, bộ điều tốc trong hai trờng hợp bộ điều tốc hoạt động trực tiếp và gián tiếp

1.1 Nguyên nhân phải tự động điều chỉnh tốc độ quay của động cơ điêzel tàu thuỷ

Trên tàu thuỷ động cơ điêzel đợc trang bị để lai chân vịt, lai máy phát điện, lai các thiết

bị phục vụ nh bơm, máy nén khí Động cơ điêzel khi hoạt động với các phụ tải loại này

Hậu quả có thể xảy ra là

− Tần số dòng điện của lới bị thay đổi làm ảnh hởng tới chế độ làm việc và tuổi thọ của các thiết bị điện

− Dễ dẫn tới tình trạng động cơ bị quá tải về vòng quay hoặc động cơ bị dừng đột ngột => không an toàn

Vì vậy yêu cầu đặt ra là phải điều chỉnh năng lợng cấp (điều chỉnh tay ga để thay đổi

l-Động cơ

Diesel

bơm cao áp

Δg

Bộ điều chỉnh

độ chính xác và tin cậy cao, đòi hỏi ít công sức của ngời khai thác

Nh vậy việc trang bị một thiết bị tự động nhằm duy trì ổn định vòng quay của động cơ là cần thiết Thiết bị tự động làm nhiệm vụ duy trì ổn định vòng quay của động cơ có thể đợc gọi là bộ điều chỉnh tốc độ quay, bộ điều chỉnh vòng quay hay ngắn gọn là bộ điều tốc

1.2 Sơ đồ khối hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ quay động cơ điêzel tàu thuỷ

Hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ quay của động cơ điêzel có thể là hệ thống hoạt

động trực tiếp (không sử dụng động cơ trợ động - sơ đồ khối nh hình 1.1) hoặc là hệ thống hoạt động gián tiếp (có sử dụng động cơ trợ động - sơ đồ khối nh hình 1.2)

Hình 1.1: Hệ thống tự động điều chỉnh vòng quay hoạt động trực tiếp

Δn là tín hiệu độ lệch về vòng quay của động cơ,

Δnđ là tín hiệu cảm biến vòng quay đa tới bộ điều chỉnh, đối với bộ điều chỉnh có phần

tử cảm biến vòng quay kiểu cơ học tín hiệu này là tín hiệu cơ học tỷ lệ với vòng quay của động cơ - do động cơ dẫn động bộ điều chỉnh qua cơ cấu bánh răng truyền động;

đối với bộ điều chỉnh vòng quay có phần tử cảm biến vòng quay kiểu điện, điện tử tín hiệu này là tín hiệu điện có độ lớn tỷ lệ với vòng quay của động cơ,

Δh là dịch chuyển của thanh răng bơm cao áp (thanh răng nhiên liệu) do tác động của bộ

điều chỉnh để làm thay đổi lợng nhiên liệu cấp vào động cơ nhằm duy trì ổn định vòng quay,

Δg là sự thay đổi lợng nhiên liệu cấp vào động cơ do sự thay đổi vị trí thanh răng,

Δnp là sự thay đổi vòng quay của trục cam bơm cao áp Khi vòng quay của động cơ thay

đổi thì vòng quay của bơm cao áp cũng thay đổi,

Hình 1.2: Hệ thống tự động điều chỉnh vòng quay hoạt động gián tiếp

Hệ thống tự động điều chỉnh vòng quay hoạt động gián tiếp có thêm động cơ trợ động

để khuếch đại, làm tăng công suất của tín hiệu điều chỉnh

Δx là tín hiệu vào động cơ trợ động,

Δy là tín hiệu ra của động cơ trợ động, đợc khuếch đại từ Δx,

Hình 2.1: Mô hình đơn giản của động cơ diesel

Đ2 Phơng trình động của động cơ điêzel tàu thuỷ

Mục tiêu của bài học

Sau khi hoàn thành tốt bài học này sinh viên sẽ có khả năng:

- Thành lập đợc phơng trình động của động cơ điêzel

- Phân tích đợc mối quan hệ giữa các thông số trong phơng trình động

- Giải thích đợc đặc tính thay đổi tốc độ quay của động cơ trong các trờng hợp:

 có sự thay đổi đột ngột nhiên liệu, phụ tải không thay đổi (đặc tính thay đổi tốc độ)

 nhiễu phụ tải xuất hiện rồi biến mất, lợng nhiên liệu cấp không thay đổi (đặc tính tự ổn định)

2.1 Xây dựng phơng trình động của động cơ điêzel

Động cơ điêzel là thiết bị năng lợng có năng lợng cấp vào do nhiên liệu bị đốt cháy sinh

ra, năng lợng này đợc truyền xuống trục khuỷu làm quay trục tạo ra mô men động Md Năng lợng tiêu thụ là mô men cản Mpt do phụ tải tạo ra (có thể là chân vịt, máy phát

điện, bơm, tời ) Có thể mô hình hoá động cơ điêzel một cách đơn giản nh sơ đồ hình 2.1

h: vị trí thanh răng bơm cao áp, biểu thị năng lợng cấp vào

Npt: công suất cản của phụ tải biểu thị năng lợng tiêu thụ

ω (n): vận tốc góc của trục động cơ (vòng quay)

Md: mô men động do khí cháy sinh ra (kG.m),

Mkd: mô men quay tạo ra bởi không khí nén khởi động (kG.m),

Mms: mô men cản ma sát (kG.m),

Mpt: mô men cản của phụ tải (kG.m),

Phơng trình cân bằng mô men khi động cơ không mang tải:

t

Mdt

d

J ω = − 2.2

Phơng trình cân bằng mô men khi động cơ mang tải:

pt d

t pt

Mdt

Tuyến tính hoá các hàm này bằng khai triển Taylor:

!2

hh

M

!1

hh

M

!2

M

!1

MM

o

2d

2 o

d 2

o

2d

2 o

d do

∂

∂+

∆

∂

∂++ω

∆ω

∂

∂+ω

∆ω

∂

∂+

=

!2

NN

M

!1

NN

M

!2

M

!1

MM

M

2 pt o

2 pt pt

2 pt o pt pt 2

o 2 pt 2 o

pt pto

∂

∂+

∆

∂

∂++ω

∆ω

∂

∂+ω

∆ω

∂

∂+

M

o

d ∆ωω

∂

!1

hh

M

o

pt ∆ωω

∂

∂

-

!1

NN

o pt

∂

o

d o

M

hh

J

n n

n

ω

ω

∆ω

∂

∂ω

n o

d o

pt n

pt n

ptn

N

NN

Mh

: đại lợng không thứ nguyên, biểu thị độ dịch chuyển (sự thay đổi vị trí) tơng

đối của thanh răng bơm cao áp,

hM

∂

∂

o

d o

M

: hệ số tự ổn định, đặc trng cho khả năng tự ổn định vòng quay của động cơ,

Kpt =

o d

o pt pt

n

ptn

hMNMh

K

Kdt

d

T ϕ+ đϕ=λ− pt 2.5

Phơng trình 2.5 đợc gọi là phơng trình động của động cơ điêzel

Quan hệ giữa các thông số của động cơ và các hệ số của phơng trình động:

Hằng số thời gian Tđ phụ thuộc vào mô men quán tính J và tỉ số giữa vận tốc góc định

h là tỉ số giữa công suất cản của phụ tải ở chế độ định mức và trị

số thanh răng nhiên liệu định mức, nghĩa là phụ thuộc vào đặc điểm của phụ tải và của

hệ thống nhiên liệu

2.2 Khảo sát đặc tính động học của động cơ điêzel

2.2.1 Đặc tính thay đổi tốc độ quay của động cơ khi thay đổi đột ngột lợng cấp nhiên liệu, công suất của phụ tải không thay đổi

Lúc này phơng trình 2.5 có thể viết thành Tđ

dt

dϕ + K

đ φ = λ

Khi thay đổi đột ngột lợng cấp nhiên liệu (thay đổi tay ga/thanh răng), có thể coi tín hiệu vào

λ là một hàm đột biến đơn vị 1(t) Vì vậy khảo sát phơng trình vi phân:

→ Nghiệm tổng quát của 2.5 là φ =

Xây dựng đờng cong đặc tính thay đổi tốc độ (thờng đợc gọi là đặc tính tăng tốc)

Từ nghiệm của phơng trình vi phân xây dựng đờng cong biểu thị sự thay đổi tốc độ quay

φ khi tín hiệu vào (lợng nhiên liệu cấp) là hàm bớc nhảy đơn vị Đờng cong này có dạng

nh hình 2.2

Đờng cong biểu thị đặc tính thay đổi vòng quay của động cơ khi thay đổi đột ngột lợng cấp nhiên liệu còn hay đợc gọi là đặc tính tăng tốc của động cơ độ dốc của đờng đặc tính thay đổi tốc độ phụ thuộc vào hằng số thời gian Tđ, Tđ nhỏ thì thời gian phản ứng của

động cơ ngắn (vòng quay của động cơ nhanh đạt tới vòng quay tơng ứng với lợng cấp nhiên liệu mới) và ngợc lại Tđ đợc gọi là thời gian thay đổi tốc độ của động cơ

Trên thực tế tồn tại thời gian trễ τ (thời gian tính từ khi có sự thay đổi đột ngột tay ga λ cho tới khi động cơ bắt đầu có phản ứng (vòng quay của động cơ bắt đầu thay đổi).

Đặc tính thay đổi tốc độ và thời gian trễ của động cơ thay đổi theo tình trạng kỹ thuật của hệ động lực

Với động cơ hoạt động độc lập, khi tình trạng kỹ thuật của động cơ kém đi, nếu cứ giữ nguyên quy luật thay đổi nhiên liệu (thời gian điều chỉnh) của bộ điều tốc nh khi động cơ còn mới sẽ dẫn tới sự hoạt động không ổn định của hệ thống động cơ - bộ điều tốc Với động cơ hoạt động song song, nếu đặc tính thay đổi tốc độ của các động cơ không giống nhau quá trình làm việc đồng bộ sẽ bị ảnh hởng xấu.

Vì vậy phải hiệu chỉnh lại bộ điều tốc cho phù hợp với tình trạng kỹ thuật của động cơ 2.2.2 Đặc tính thay đổi tốc độ quay của động cơ khi không thay đổi lợng cấp nhiên liệu vào động cơ, nhiễu phụ tải xuất hiện rồi biến mất

Phơng trình động của động cơ trong trờng hợp này có thể viết nh sau:

Tđ.dt

→ sự thay đổi của φ hay phản ứng của động cơ có dạng hàm mũ

Do J luôn có giá trị dơng, đờng cong biểu thị phản ứng của động cơ phụ thuộc vào dấu

(phụ tải thay đổi đột ngột sau đó lại trở về trạng thái bình thờng) thì vòng quay ω của

động cơ có khả năng trở lại trạng thái cân bằng (ωo) mà không cần có tác động điều chỉnh nào

Hình 2.3: Đặc tính thay đổi vòng quay của động cơ khi Fđ > 0

Hình 2.4: Đặc tính thay đổi vòng quay của động cơ khi Fđ = 0

Hình 2.5: Đặc tính thay đổi vòng quay của động cơ khi Fđ < 0Trong trờng hợp này động cơ làm việc không ổn định Nếu xuất hiện tác động nhiễu trạng thái cân bằng ban đầu sẽ bị phá vỡ, vòng quay của động cơ ngày càng lệch xa khỏi giá trị ban đầu (dễ dẫn tới trạng thái dừng máy (lịm máy) đột ngột hoặc quá tốc).

2.2.3 Xác định hệ số tự chỉnh F đ của động cơ điêzel

Với năng lợng thoát là E1 = Mpt, năng lợng cấp là E2 = Mđ, đại lợng đợc điều chỉnh là y =

n, áp dụng công thức xác định hệ số tự chỉnh của đối tợng điều chỉnh bất kỳ (xem lại giáo trình Cơ sở lý thuyết - phần tử tự động):

716 e =

n

p.n.C2,

716 1 e = K.pe, ω =

30

n.60

n

từ đây có thể thấy rằng động cơ hoạt động càng gần chế độ vòng quay định mức thì hệ số

tự chỉnh của nó càng cao, nghĩa là động cơ hoạt động càng ổn định và tin cậy hơn

Fd >0

Fd =0

Fd < 0

Vòng quay tối thiểu ổn định

-B

Đ3 Khái niệm và phân loại các bộ điều tốc của động cơ điêzel tàu thuỷ

Mục tiêu của bài học

Sau khi hoàn thành tốt bài học này sinh viên sẽ có khả năng:

- Nêu đợc tên và chức năng của các nhóm chi tiết chính của bộ điều tốc

- Nêu đợc một số cách phân loại bộ điều tốc

- Định nghĩa và giải thích đợc các khái niệm về đặc tính điều chỉnh

- Định nghĩa đợc các thông số chính của bộ điều tốc

3.1 Khái niệm về bộ điều tốc động cơ điêzel tàu thuỷ

Bộ điều chỉnh tốc độ quay của động cơ điêzel (bộ điều tốc) là một thiết bị có cấu tạo bao gồm hàng loạt các nhóm chi tiết có chức năng khác nhau

Nhóm điều chỉnh: cảm biến tốc độ quay, phần tử cảm biến có thể là

− Kiểu cơ học nh quả văng ly tâm (flyweight, flyball), hoặc

− Kiểu điện nh tachogenerator, pulse generator (pick-up sensor), hoặc

− Kiểu thuỷ lực

Nhóm chi tiết này tạo nên phần chính của bộ điều tốc

Động cơ trợ động: khuyếch đại tín hiệu ra của bộ điều tốc, gồm hai cơ cấu chính là

− Thiết bị điều khiển (pilot valve) và,

− Piston lực (power piston, servo piston)

Các cơ cấu phản hồi: tăng tính ổn định

− Phản hồi cứng, hoặc

− Phản hồi mềm, hoặc

− Phản hồi tổng hợp

Hình 3.1 là một ví dụ về bộ điều tốc Đây là một bộ điều tốc một chế độ

1 Động cơ 2 Quả văng 3 Vòng bi chặn 4 Lò xo tốc độ 5 Thanh truyền

6 Thanh răng bơm cao áp (thanh răng nhiên liệu)

Nguyên lý hoạt động của bộ điều tốc này sẽ đợc giải thích trong các bài tiếp theo

Hình 3.1: Bộ điều tốc một chế độ

3.2 Phân loại các bộ điều tốc

− Phân loại theo phơng thức truyền động từ nhóm thiết bị điều chỉnh đến cơ cấu

điều chỉnh: bộ điều tốc hoạt động trực tiếp, bộ điều tốc hoạt động gián tiếp

− Phân loại theo số lợng chế độ hoạt động của bộ điều tốc: bộ điều tốc một chế độ,

bộ điều tốc hai chế độ, bộ điều tốc nhiều chế độ, bộ điều tốc giới hạn

− Phân loại theo tín hiệu ra của nhóm điều chỉnh: bộ điều tốc cơ học, bộ điều tốc thuỷ lực, bộ điều tốc điện - điện tử

− Phân loại theo nguyên lý xây dựng: bộ điều tốc hoạt động theo nguyên lý độ lệch,

bộ điều tốc hoạt động theo nguyên lý bù nhiễu và bộ điều tốc hoạt động theo nguyên lý kết hợp

− Phân loại theo tính chất của phản hồi (liên hệ ngợc): bộ điều tốc sử dụng liên hệ ngợc cứng, bộ điều tốc sử dụng liên hệ ngợc mềm, bộ điều tốc sử dụng liên hệ ng-

ợc tổng hợp

Đặc tính điều chỉnh là tập hợp các điểm biểu thị các trạng thái làm việc cân bằng của

động cơ trên đồ thị công suất - vòng quay khi có sự hoạt động của bộ điều tốc

Hình 3.2 biểu thị đặc tính điều chỉnh hữu sai Tơng ứng với các chế độ tải khác nhau vòng quay của động cơ bị sai lệch so với giá trị đặt

A 4 , A 2 , A 5 : điểm phối hợp công tác giữa động cơ và chân vịt khi động cơ không đợc

trang bị bộ điều tốc (vòng quay thay đổi từ n4 đến n5),

A 1 , A 2 , A 3 : điểm phối hợp công tác giữa động cơ và chân vịt khi động cơ đợc trang bị

bộ điều tốc hữu sai (vòng quay đợc duy trì ổn định ở no và lân cận khi tải thay đổi trong khả năng của động cơ)

Hình 3.3 biểu thị đặc tính điều chỉnh vô sai, với mọi chế độ tải nằm trong khả năng công tác của động cơ thì bộ điều tốc sẽ duy trì vòng quay ổn định chính xác bằng giá trị đặt.

A 4 , A 2 , A 5 : điểm phối hợp công tác giữa động cơ và chân vịt khi động cơ không đợc

trang bị bộ điều tốc (vòng quay thay đổi từ n4 đến n5),

A 1 , A 2 , A 3 : điểm phối hợp công tác giữa động cơ và chân vịt khi động cơ đợc trang bị

bộ điều tốc vô sai (vòng quay đợc duy trì ổn định ở no với mọi chế độ tải nằm trong khả năng của động cơ)

3.4 Các thông số đặc trng của bộ điều tốc

3.4.1 Hệ số không đều về tốc độ δ (speed droop)

Hệ số không đều về tốc độ đặc trng cho khả năng duy trì ổn định vòng quay của động cơ

so với vòng quay cho trớc (vòng quay đặt - setting speed) khi phụ tải thay đổi Giả sử vòng quay của động cơ ở chế độ tĩnh khi không mang tải là no, vòng quay của động cơ ở chế độ tĩnh khi mang 100% tải là n1 thì:

21

nn

1 o

Với bộ điều tốc có δ = 0 (bộ điều tốc phi tĩnh hay bộ điều tốc vô sai) vòng quay của

động cơ ở các chế độ tĩnh sẽ đợc duy trì ở giá trị đặt no với mọi chế độ tải nằm trong phạm vi công tác của động cơ Nói cách khác khi phụ tải của động cơ thay đổi trong khả năng làm việc của nó thì vòng quay ở các chế độ tĩnh luôn đợc duy trì nh giá trị đặt mà không có sai lệch

Bộ điều tốc có δ ≠ 0 (bộ điều tốc tĩnh học hay bộ điều tốc hữu sai) không có khả năng

duy trì vòng quay của động cơ ở các chế độ tĩnh chính xác bằng giá trị đặt no khi phụ tải nằm trong phạm vi công tác của động cơ Khi phụ tải của động cơ thay đổi trong khả

năng làm việc của nó thì vòng quay sẽ bị sai lệch một lợng nhỏ so với giá trị đặt khi

trạng thái cân bằng đợc lặp lại Nói cách khác bộ điều tốc chỉ có khả năng duy trì vòng quay của động cơ ở lân cận no khi phụ tải thay đổi Hình 3.4 biểu thị đặc tính điều chỉnh trong các trờng hợp

Với bộ điều tốc có δ > 0 vòng quay của động cơ ở chế độ cân bằng tĩnh sẽ giảm đi một ít

N(PS)

δ=0100%

no

N(PS)

n

δ > 0100%

no n1Hình 3.4: Đặc tính tĩnh của bộ điều tốc δ=0, δ>0 và δ<0

so với giá trị đặt khi phụ tải tăng Sai lệch vòng quay của động cơ (sau khi thiết lập lại chế độ cân bằng tĩnh) có chiều ngợc với sự thay đổi tải

Ngợc lại nếu bộ điều tốc có δ < 0 sai lệch vòng quay của động cơ (sau khi thiết lập lại

chế độ cân bằng tĩnh) cùng chiều với sự thay đổi phụ tải Trên thực tế bộ điều tốc có δ

< 0 thờng không đợc sử dụng do nó có thể dẫn tới trờng hợp vòng quay của động cơ không ổn định đợc.

Giá trị của hệ số không đều δ thờng đợc qui định trực tiếp hoặc gián tiếp bởi các cơ quan

Đăng kiểm Các bộ điều tốc trang bị cho các động cơ điêzel lai máy phát điện thờng yêu cầu có δ < 5% và các động cơ điêzel lai chân vịt thì δ < 10%

Hệ số không đều về tốc độ có vai trò rất quan trọng với các động cơ điêzel làm việc song song Chúng ta sẽ xét đến điều này trong các bài sau

3.4.2 Vùng không nhạy (dead zone) và hệ số không nhạy

Trên thực tế do các chi tiết của bộ điều tốc có khối lợng và giữa các chi tiết chuyển động

có ma sát, quán tính nên có hiện tợng có sự thay đổi về vòng quay nhng bộ điều tốc cha

có tác động điều chỉnh, vùng này đợc gọi là vùng không nhạy của bộ điều tốc Hình 3.5 biểu thị vùng không nhạy của đặc tính điều chỉnh

Nếu sự thay đổi của phụ tải làm thay đổi vòng quay của động cơ nhng vòng quay cha

v-ợt ra khỏi vùng không nhạy thì bộ điều tốc cha làm việc, chỉ khi nào sự thay đổi của phụ tải làm cho vòng quay vợt ra khỏi vùng không nhạy thì bộ điều tốc mới hoạt động và có tác động điều chỉnh Vùng không nhạy đợc đặc trng bởi hệ số không nhạy ε

Công thức xác định hệ số không nhạy: (n' n'') 100

21

''n'n

ì+

−

=ε

(%)

N(PS)100%

<1~5%

Hình 3.6: ảnh hởng của vùng không nhạy đến δ

Hình vẽ 3.6 đợc dùng để xét ảnh hởng của ε tới δ: khi ε = 0 thì (n n ) 100

21

nn

1 o

1 o

+

−

=δ

Khi ε ≠ 0 thì (n n ) 100

21

nn

12 1

Giả sử no1+n12=2∆n và ∆n=const trong mọi trờng hợp Với no1=no+∆n, n12=n1-∆n có:

n’’

N(PS)100%

21

)nn()nn

(

1 o

1

∆

−+

∆+

∆

−

−

∆+

=δ

∆+

ì+

−

=

1 o 1

o

1

nn21

n2100

nn21

nn

δε: thành phần gia tăng hệ số không đều do ảnh hởng của vùng không nhạy

Từ việc phân tích trên đây có thể thấy công tác bảo dỡng, vệ sinh định kỳ cũng góp phần làm giảm δ

3.4.3 Độ phi tuyến (nonlinearity)

Sở dĩ có độ phi tuyến là do quan hệ giữa công suất và vòng quay không phải là tuyến tính Nguyên nhân có thể là do quan hệ phi tuyến giữa tín hiệu ra và vào của phần tử cảm biến vòng quay (do lò xo tốc độ - speeder spring), do truyền động từ bộ điều tốc

đến thanh răng bơm cao áp, do truyền động từ động cơ đến bộ điều tốc Đờng đặc tính

điều chỉnh do đó có dạng cong

Hình 3.7: Độ phi tuyến

Thông số đặc trng cho độ phi tuyến là hệ số phi tuyến ξ: (n' n'') 100

21

''n'n

ì+

−

=ξ

(%)

Quá trình động hay quá trình chuyển tiếp là quá trình mà tốc độ quay của động cơ chuyển từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác Hình 3.8 biểu thị một dạng quá trình động Thông số đặc trng quan trọng nhất của quá trình động là thời gian

điều chỉnh và độ quá điều chỉnh hay còn đợc gọi là độ lệch động

3.4.4 Độ lệch động (overdamping/overshooting)

Độ lệch tức thời cực đại của vòng quay của động cơ khi đột ngột cắt hoàn toàn phụ tải

3.4.5 Thời gian điều chỉnh

Thời gian điều chỉnh là thời gian tính từ khi xuất hiện nhiễu loạn (thay đổi phụ tải) làm thay đổi vòng quay của động cơ tới khi vòng quay của động cơ đợc điều chỉnh ổn định trở lại Vòng quay của động cơ đợc coi là ổn định trở lại khi sự thay đổi của nó nằm trong vùng không nhạy của bộ điều tốc

Thời gian điều chỉnh biểu hiện sự phối hợp công tác giữa bộ điều tốc và động cơ Thời gian điều chỉnh thờng đợc tính bằng giây Nó phụ thuộc vào các yếu tố nh kiểu loại bộ

điều tốc (cơ học, thuỷ lực, điện-điện tử), sự phù hợp giữa bộ điều tốc và động cơ, việc hiệu chỉnh bộ điều tốc và công tác bảo dỡng

Hình 3.8: Đặc tính độngNgoài các thông số kể trên bộ điều tốc còn các thông số đặc trng khác nh độ suy giảm biên độ, giới hạn vùng vòng quay hoạt động, khả năng chịu tải của trục ra

Các thông số δ, ε, ξ là các thông số đặc trng cho chế độ tĩnh của bộ điều tốc còn tđc, σđ

là các thông số đặc trng cho chế độ động của bộ điều tốc

Đ4 Bộ điều tốc một, hai, nhiều chế độ và bộ điều tốc giới hạn

(Chế độ hoạt động của bộ điều tốc ở đây đợc hiểu là chế độ vòng quay)

Mục tiêu của bài học

Sau khi hoàn thành tốt bài học này sinh viên sẽ có khả năng:

- Nêu đợc khái niệm về

điều tốc không có tác dụng điều chỉnh, lúc đó động cơ làm việc theo đặc tính ngoài không

có bộ điều tốc Vòng quay làm việc của bộ điều tốc một chế độ thờng là vòng quay định mức, vòng quay tối thiểu ổn định hoặc vòng quay cực đại

Hình vẽ 4.2 minh họa một bộ điều tốc một chế độ hoạt động trực tiếp

Mâm quay và cặp quả văng đợc dẫn động từ trục khuỷu thông qua cơ cấu bánh răng côn Khi động cơ hoạt động với vòng quay ổn định ở vòng quay làm việc của bộ điều tốc, lực

ly tâm do cặp quả văng 2 tạo ra cân bằng với sức căng của lò xo 4 tại vòng bi chặn 3

Giả sử phụ tải của động cơ tăng, vòng quay của động cơ tức thời sẽ bị giảm, lực ly tâm

do cặp quả văng tạo ra giảm đi, lò xo sẽ đẩy vòng bi chặn đi xuống, thanh truyền ABC

do đó bị kéo quay cùng chiều kim đồng hồ quanh điểm tựa A, thanh răng bơm cao áp

đ-ợc đẩy theo chiều (+) tăng lợng nhiên liệu cấp vào động cơ Khi nhiên liệu cấp vào động cơ đã tăng lên thì vòng quay của động cơ sẽ dần tăng lên, lực ly tâm do cặp quả văng tạo

ra sẽ dần cân bằng với sức căng lò xo trên vòng bi chặn Khi trạng thái cân bằng đợc

2

3 5

6 4

thiết lập lại thì thanh răng bơm cao áp ở một vị trí khác tơng ứng với phụ tải mới, sức căng của lò xo tốc độ bị thay đổi một ít Liên kết giữa thanh truyền ABC (trục ra của bộ

điều tốc) và thanh răng nhiên liệu thờng là liên kết mềm (qua lò xo hoặc xy lanh giảm chấn)

Hình 4.2: Bộ điều tốc một chế độ

Chú thích hình vẽ: 1 Động cơ 2 Quả văng 3 Vòng bi chặn 4 Lò xo tốc độ

5 Thanh truyền 6 Thanh răng bơm cao áp (thanh răng nhiên liệu)

Khi phụ tải giảm thì bộ điều tốc hoạt động ngợc lại

Đặc điểm cơ bản của bộ điều tốc một chế độ là sức căng của lò xo tốc độ không thay đổi Trên thực tế bộ điều tốc nhiều chế độ có thể đợc dùng nh bộ điều tốc một chế độ khi động cơ chỉ hoạt động ở một vòng quay nhất định, ngời khai thác sẽ ấn định tốc độ đặt ở một giá trị cố

định Trong quá trình khai thác động cơ ngời khai thác không tác động để thay đổi tốc độ đặt của bộ điều tốc (không thay đổi sức căng của lò xo tốc độ)

Bộ điều tốc một chế độ thờng đợc trang bị cho các động cơ điêzel lai máy phát điện, các động cơ

điêzel cỡ nhỏ nh động cơ lai máy nén, lai bơm, các động cơ điêzel thấp tốc lai chân vịt

điều tốc không có tác dụng, động cơ làm việc theo đặc tính ngoài.

4.2 Bộ điều tốc hai chế độ

Từ yêu cầu thực tế với động cơ điêzel lai chân vịt là cần phải làm việc ổn định không chỉ

ở chế độ vòng quay khai thác (hoặc vòng quay định mức) mà còn phải làm việc ổn định cả ở chế độ vòng quay nhỏ (nh vòng quay tối thiểu ổn định) bộ điều tốc hai chế độ đợc

sử dụng để đáp ứng yêu cầu này

Bộ điều tốc hai chế độ có hai loại kết cấu: loại có hai cặp quả văng và loại có hai lò xo

ở chế độ vòng quay nhỏ chỉ có một cặp quả văng hoặc một lò xo làm việc, còn ở chế độ vòng quay lớn hơn cả hai cặp quả văng hoặc hai lò xo đều làm việc

Hình 4.3 minh họa một bộ điều tốc hai chế độ kiểu có hai lò xo

Mâm quay và cặp quả văng đợc dẫn động từ trục khuỷu thông qua cơ cấu bánh răng côn Khi vòng quay của động cơ tơng ứng với vòng quay làm việc thứ nhất của bộ điều tốc thì lực ly tâm do cặp quả văng 2 tạo ra cân bằng với sức căng của lò xo thứ nhất 4-1 tại vòng bi chặn 3 Lò xo thứ hai 4-2 tự do Khi vòng quay của động cơ tơng ứng với vòng quay làm việc thứ hai của bộ điều tốc thì lực ly tâm do cặp quả văng 2 tạo ra cân bằng với sức căng của lò xo thứ nhất 4-1 và lò xo thứ hai 4-2 tại vòng bi chặn 3 Cả hai lò xo

đều có tác dụng lên vòng bi chặn

2

35

6

4-1

4-2

Hình 4.4: Bộ điều tốc hai chế độ Chú thích hình vẽ: 1 Động cơ 2 Quả văng 3 Vòng bi chặn 4-1 Lò xo tốc độ thứ nhất 4-2 Lò xo tốc độ thứ hai 5 Thanh truyền 6 Thanh răng bơm cao áp (thanh răng nhiên liệu)

Giả sử động cơ đang hoạt động ổn định ở vòng quay làm việc thứ nhất của bộ điều tốc Giả sử phụ tải của động cơ tăng, vòng quay tức thời của động cơ sẽ bị giảm, lực ly tâm

do cặp quả văng tạo ra giảm đi, lò xo thứ nhất sẽ đẩy vòng bi chặn đi xuống, thanh truyền ABC do đó bị kéo quay cùng chiều kim đồng hồ quanh điểm tựa A, thanh răng bơm cao áp đợc đẩy theo chiều (+) tăng lợng nhiên liệu cấp vào động cơ Khi nhiên liệu cấp vào động cơ đã tăng lên thì vòng quay của động cơ sẽ dần tăng lên, lực ly tâm do cặp quả văng tạo ra sẽ dần cân bằng với sức căng lò xo trên vòng bi chặn Khi trạng thái cân bằng đợc thiết lập lại thì thanh răng bơm cao áp ở một vị trí khác tơng ứng với phụ tải mới, sức căng của lò xo tốc độ bị thay đổi một ít

Trờng hợp động cơ đang hoạt động ổn định ở vòng quay làm việc thứ hai của bộ điều tốc

và có sự thay đổi phụ tải, bộ điều tốc sẽ hoạt động tơng tự chỉ khác là lực ly tâm của cặp quả văng tạo ra phải cân bằng với lực đàn hồi của hai lò xo

Khi phụ tải giảm thì bộ điều tốc hoạt động ngợc lại

Bộ điều tốc loại này có thể đợc trang bị trên các động cơ điêzel lai chân vịt hoặc lai bơm

4.3 Bộ điều tốc nhiều chế độ

Bộ điều tốc nhiều chế độ cho phép thay đổi vòng quay đặt trớc và nó sẽ tác động để duy trì ổn định vòng quay của động cơ theo giá trị đặt khi phụ tải nằm trong khả năng phát ra công suất của động cơ

Việc đặt vòng quay cho bộ điều tốc đợc thực hiện bằng cách thay đổi độ lớn giá trị tín hiệu cho trớc (với bộ điều tốc kiểu cơ khí, thủy lực là sức căng lò xo tốc độ và với bộ

điều tốc kiểu điện - điện tử là điện áp đặt)

Hình 4.6 minh họa một bộ điều tốc nhiều chế độ kiểu cơ khí đơn giản

Mâm quay và cặp quả văng đợc dẫn động từ trục khuỷu thông qua cơ cấu bánh răng côn Khi vòng quay của động cơ tơng ứng với vòng quay làm việc của bộ điều tốc thì lực ly tâm do cặp quả văng 2 tạo ra cân bằng với sức căng của lò xo tại vòng bi chặn 3

Giả sử động cơ đang hoạt động ổn định ở vòng quay làm việc của bộ điều tốc Giả sử phụ tải của động cơ tăng, vòng quay tức thời của động cơ sẽ bị giảm, lực ly tâm do cặp quả văng tạo ra giảm đi, lò xo sẽ đẩy vòng bi chặn đi xuống, thanh truyền ABC do đó bị

kéo quay cùng chiều kim đồng hồ quanh điểm tựa A, thanh răng bơm cao áp đợc đẩy theo chiều (+) tăng lợng nhiên liệu cấp vào động cơ Khi nhiên liệu cấp vào động cơ đã tăng lên thì vòng quay của động cơ sẽ dần tăng lên, lực ly tâm do cặp quả văng tạo ra sẽ dần cân bằng với sức căng lò xo trên vòng bi chặn Khi trạng thái cân bằng đợc thiết lập lại thì thanh răng bơm cao áp ở một vị trí khác tơng ứng với phụ tải mới, sức căng của lò

6 4

7

Hình 4.6: Bộ điều tốc nhiều chế độ Chú thích hình vẽ: 1 Động cơ 2 Quả văng 3 Vòng bi chặn 4 Lò xo tốc độ

5 Thanh truyền 6 Thanh răng bơm cao áp (thanh răng nhiên liệu) 7 Tay điều khiển

Tay điều khiển 7 đợc dùng để thay đổi sức căng của lò xo tốc độ Khi đẩy tay điều khiển lên lò xo tốc độ sẽ bị nén lại đẩy vòng bi chặn 3 đi xuống Thanh truyền ABC bị kéo đi xuống sẽ đẩy thanh răng nhiên liệu theo chiều (+), cấp thêm nhiên liệu vào động cơ để tăng vòng quay của động cơ Trạng thái cân bằng đợc lập lại khi vòng quay của động cơ

đạt tới giá trị đặt mới (tạo ra lực ly tâm của cặp quả văng cân bằng với sức căng mới của

lò xo)

Đờng đặc tính tĩnh của bộ điều tốc ở các chế độ vòng quay khác nhau lập thành họ các

đờng đặc tính Mỗi đờng đặc tính tơng ứng với một giá trị vòng quay đặt trớc của bộ

điều tốc

Bộ điều tốc nhiều chế độ có thể đợc trang bị cho các động cơ điêzel lai chân vịt hoặc lai bơm, khi trang bị cho động cơ điêzel lai máy phát điện thì vòng quay đặt trớc đợc đặt ở vòng quay định mức của máy phát điện

Bộ điều tốc giới hạn thờng là giới hạn vòng quay cực đại, nghĩa là chỉ khi nào phụ tải thay đổi nhiều làm vòng quay của động cơ lớn hơn vòng quay cực đại thì bộ điều tốc mới làm việc Cũng có thể gặp bộ điều tốc giới hạn vòng quay cực đại và cực tiểu Các

bộ điều tốc giới hạn có thể là bộ điều tốc một chế độ, hai chế độ, hoặc nhiều chế độ với cơ cấu truyền động đặc biệt từ trục ra của bộ điều tốc tới thanh răng nhiên liệu để đảm

Thanh răng nhiên liệu Thanh truyền từ trục ra của

bộ điều chỉnh tới thanh răng nhiên liệu

Rãnh Chốt

bảo bộ điều tốc chỉ có tác dụng giới hạn vòng quay của động cơ

Hình 4.7: Cơ cấu giới hạn của bộ điều tốc giới hạnHình 4.7 minh họa một cơ cấu liên kết từ trục ra của bộ điều tốc tới thanh răng nhiên liệu Giả sử vòng quay của động cơ vợt quá vòng quay cực đại, trục ra của bộ điều tốc kéo thanh liên kết tới vị trí làm chốt tì vào đầu rãnh và kéo thanh răng nhiên liệu ra để giảm nhiên liệu cấp vào động cơ, giảm vòng quay của động cơ Khi vòng quay của động cơ đã giảm xuống dới vòng quay cực đại thì chốt đợc nhả ra không tì vào đầu rãnh nữa,

động cơ lại hoạt động bình thờng không có sự can thiệp của bộ điều tốc

Đ5 Bộ điều tốc có liên hệ ngợc phụ cứng

Mục tiêu của bài học

Sau khi hoàn thành tốt bài học này sinh viên sẽ có khả năng:

- Nêu đợc khái niệm về bộ điều tốc có liên hệ ngợc phụ cứng

- Nêu đợc đặc điểm cấu tạo và giải thích đợc nguyên lý hoạt động của một số bộ điều tốc

có liên hệ ngợcphụ cứng

- Vẽ đợc dạng đờng đặc tính điều chỉnh của bộ điều tốc có liên hệ ngợc phụ cứng

5.1 Khái niệm và sơ đồ chức năng của bộ điều tốc có liên hệ ngợc phụ

Phần tử phản hồi phụ trong bộ điều tốc là phần tử truyền tác động từ đầu ra của một phần tử nào đó đến đầu vào của chính phần tử này hoặc đầu vào của một phần tử khác nằm trớc nó với mục đích tăng chất lợng hoạt động của hệ thống

Trong bộ điều tốc phản hồi phụ đợc dùng để tăng chất lợng điều chỉnh và thờng đợc gọi là liên hệ ngợc Có hai dạng liên hệ ngợc là liên hệ ngợc cứng và liên hệ ngợc mềm

Liên hệ ngợc cứng (còn có các tên gọi khác là phản hồi cứng, hồi tiếp cứng): là phần tử phản hồi có tín hiệu ra xrht tỷ lệ với tín hiệu vào xvht:

xrht = Kht.xvht

Tác động của liên hệ ngợc cứng không mất đi theo thời gian (không phụ thuộc vào thời gian

mà chỉ phụ thuộc vào độ lớn tín hiệu vào xvht) và xuất hiện cả ở chế độ động và chế độ tĩnh.Liên hệ ngợc mềm (còn có các tên gọi khác là phản hồi mềm, hồi tiếp mềm): là phần tử phản hồi có tín hiệu ra xrht tỷ lệ với tốc độ thay đổi của tín hiệu vào xvht:

xrht = Kht.(dxvht/dt)Tác động của liên hệ ngợc mềm chỉ xuất hiện ở chế độ động khi tín hiệu vào thay đổi Hình vẽ 5.1 minh họa sơ đồ khối của bộ điều tốc cơ khí - thủy lực với phần tử phản hồi phụ Đây là một sơ đồ tổng quát của bộ điều tốc có cả liên hệ ngợc cứng và mềm Trên thực tế bộ điều tốc có thể chỉ có liên hệ ngợc mềm hoặc liên hệ ngợc cứng

Các tín hiệu giới hạn để nâng cao an toàn và tăng chất lợng hoạt động của động cơ nh giới hạn nhiên liệu theo áp suất khí tăng áp, giới hạn nhiên liệu theo tốc độ đặt sẽ tác

động vào thiết bị điều khiển là van trợt

Hình 5.1: Sơ đồ khối của bộ điều tốc cơ khí - thủy lực với phần tử phản hồi phụ

Hình 5.2: Sơ đồ khối của bộ điều tốc điện - điện tử với phần tử phản hồi phụ

Hình 5.2 là sơ đồ khối của một bộ điều tốc điện - điện tử với các phản hồi

Các tín hiệu giới hạn để nâng cao an toàn và tăng chất lợng hoạt động của động cơ nh giới hạn nhiên liệu theo áp suất khí tăng áp, giới hạn nhiên liệu theo tốc độ đặt sẽ tác

động vào bộ xử lý PID để khống chế tín hiệu ra

5.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một bộ điều tốc có liên hệ ngợc cứng

Hình vẽ 5.3 thể hiện sơ đồ nguyên lý của một bộ điều tốc có liên hệ ngợc cứng

5.2.1 Chú thích hình vẽ

Flyweights: cặp quả văng ly tâm Speeder spring: lò xo tốc độ

ĐIấZEL BCA

XYLANH TRỢ ĐỘNG

VAN TRƯỢT

Lề XO TỐC ĐỘ TRƯỢT KHỚP

QUẢ VĂNG

LHN MỀM

LHN CỨNG

BỘ SO SÁNH

KHUẾCH ĐẠI

THỰC HIỆN

PHẢN HỒI PHỤ

BỘ SO SÁNH

CẢM BIẾN VỊ TRÍ

BIẾN TRỞ

ĐẶT TỐC ĐỘ

ĐỘNG CƠ ĐIấZEL

CẢM BIẾN VềNG QUAY

A Feedback lever B

Power piston

Output shaft

Pilot control valve bush

Pilot control valve plunger

To sump

From pump

C Speeder

Spring

Flyweights

Spring holder

Thrust bearing Ballhead

Driving

gear

Adjusting nut: đai ốc điều chỉnh sức căng lò xo tốc độ

Thrust bearing: Vòng bi chặn (khớp trợt)

Ball head: mâm đỡ quả văng Driving gear: bánh răng truyền động từ động cơ

Feedback lever: thanh truyền liên hệ ngợc cứng

Hình 5.3: Bộ điều tốc có liên hệ ngợc cứng

To sump: về két sump Oil supply from gear pump: dầu cấp từ bơm

Pilot control valve: van trợt điều khiển

Pilot control valve bush: xilanh (ống bao) van trợt điều khiển

Power piston: piston lực

Output shaft: trục ra của bộ điều tốc (nối với thanh răng nhiên liệu)

5.1.2 Nguyên lý hoạt động:

ở trạng thái cân bằng (vòng quay của động cơ không thay đổi) sức căng lò xo tốc độ cân bằng với lực ly tâm do cặp quả văng tạo ra, khớp trợt và đầu bên trái (A) của thanh truyền liên hệ ngợc cứng đứng yên ở một vị trí nhất định Van trợt điều khiển khi đó đợc duy trì ở vị trí che kín các cửa dầu vào và ra khỏi xi lanh lực Piston lực do đó đợc giữ ở một vị trí nhất định qui định vị trí của thanh răng nhiên liệu tơng ứng với phụ tải hiện tại của động cơ

Trong trờng hợp phụ tải tăng, vòng quay của động cơ tức thời bị giảm đi, lực ly tâm do

cặp quả văng tạo ra nhỏ hơn sức căng lò xo làm cho khớp trợt bị đẩy đi xuống kéo theo

đầu bên trái (A) của thanh truyền liên hệ ngợc cứng đi xuống vị trí (A’) Thanh ABC quay tức thời quanh đầu bên phải C, điểm (B) đi xuống vị trí (B’) kéo van trợt điều khiển

đi xuống Do đó khoang phía bên dới của xi lanh lực đợc thông với đờng dầu cấp từ bơm còn khoang phía trên xilanh lực lại thông về két sump Dầu đợc cấp vào khoang bên dới

và xả ra từ khoang trên của xilanh lực đẩy piston lực đi lên kéo trục điều khiển thanh răng nhiên liệu quay theo chiều tăng lợng nhiên liệu cấp vào động cơ Lúc đó đầu C của thanh ABC đi lên vị trí C” (thanh ABC quay tức thời quanh A) vì vậy B’ đợc kéo lên, tác

động này có xu hớng kéo cho van trợt điều khiển trở về vị trí che kín các cửa dầu (ngợc với tác động trong giai đoạn trớc)

Hình 5.4: Phân tích chuyển động của thanh truyền liên hệ ngợc cứng ABC

Khi nhiên liệu cấp vào động cơ đã tăng lên, vòng quay của động cơ sẽ tăng dần lên, lực li tâm do cặp quả văng tạo ra do đó tăng dần lên cân bằng với sức căng lò xo, khớp trợt do

đó lại đợc đẩy dần lên, đầu A của thanh truyền ABC thay đổi vị trí từ A’ tới A” Quá trình

điều chỉnh kết thúc khi van trợt điều khiển đợc kéo về vị trí đóng kín các cửa dầu và cố

định vị trí của piston lực tức là vị trí của điểm B lại thay đổi từ B’ tới B”=B Trạng thái cân bằng đợc thiết lập với vị trí thanh ABC bây giờ là A”BC” Sức căng của lò xo tốc độ bị thay đổi một ít tơng đơng với việc giá trị đặt của bộ điều tốc bị thay đổi đi một ít

Trờng hợp thay đổi tốc độ đặt bộ điều tốc hoạt động tơng tự nhng kết quả là vòng quay của động cơ tăng lên và ổn định ở giá trị đặt mới

Trờng hợp phụ tải giảm và giảm tốc độ đặt bộ điều tốc hoạt động ngợc lại

Những mô tả trên đây chỉ thể hiện một cách tuần tự các quá trình, trên thực tế các

quá trình xảy ra đồng thời và rất phức tạp.

5.1.3 Đặc điểm của bộ điều tốc có liên hệ ngợc phụ cứng

Bộ điều tốc có liên hệ ngợc phụ cứng có hệ số không đều δ ≠ 0 (đặc tính điều chỉnh có dạng nh hình vẽ 5.5) ở các trạng thái cân bằng tơng ứng với các phụ tải có công suất khác nhau thì vị trí của điểm C (vị trí thanh răng nhiên liệu) sẽ thay đổi (C => C”) do đó

vị trí của A cũng thay đổi (A => A”) Hậu quả là sức căng lò xo cũng bị thay đổi đi một lợng nhỏ tức là vòng quay của động cơ sau khi trạng thái cân bằng đợc thiết lập sẽ bị sai lệch so với giá trị đặt một lợng nhỏ Có thể thay đổi δ bằng cách thay đổi vị trí của điểm

B Nếu dịch B về phía A thì δ sẽ giảm đi do sự thay đổi sức căng lò xo ứng với các phụ tải khác nhau giảm đi Ngợc lại nếu đa B về gần C sẽ làm tăng δ

Hình 5.5: Đặc tính điều chỉnh và đặc tính cấp nhiên liệu

của bộ điều tốc có liên hệ ngợc cứng

Bộ điều tốc có liên hệ ngợc phụ cứng có tác động điều chỉnh nhanh và mang tính xung

do tính chất hoạt động của liên hệ ngợc là theo qui luật tỷ lệ Hình 5.3 biểu thị quy luật thay đổi lợng nhiên liệu cấp

Thời gian điều chỉnh của bộ điều tốc không thay đổi đợc, do đó mỗi loại động cơ lại phải có bộ điều tốc phù hợp Thời gian điều chỉnh của bộ điều tốc thay đổi theo tình trạng kỹ thuật vì vậy khi bộ điều tốc và động cơ đã cũ sẽ dẫn tới trờng hợp thời gian điều chỉnh và thời gian thay đổi tốc độ của động cơ không còn phù hợp Khi đó động cơ sẽ có khói đen khi tăng tải hoặc vòng quay của động cơ lâu trở về trạng thái cân bằng

Bộ điều tốc có liên hệ ngợc cứng có thể đợc trang bị cho các động cơ điêzel lai máy phát

điện, các động cơ điêzel lai chân vịt, lai bơm, máy nén, tua bin hơi nớc, tua bin khí

Lò xo bù

Từ phần tử cảm biến tốc độ quay

Từ piston lực

Đ6 Bộ điều tốc có liên hệ ngợc phụ mềm

Mục tiêu của bài học

Sau khi hoàn thành tốt bài học này sinh viên sẽ có khả năng:

- Nêu đợc khái niệm về bộ điều tốc có liên hệ ngợc phụ mềm

- Nêu đợc đặc điểm cấu tạo và giải thích đợc nguyên lý hoạt động của một số bộ điều tốc

có liên hệ ngợcphụ mềm

- Vẽ đợc dạng đờng đặc tính điều chỉnh của bộ điều tốc có liên hệ ngợc phụ mềm

6.1 Sơ đồ chức năng của các bộ điều tốc có sử dụng liên hệ ngợc mềm

Liên hệ ngợc phụ mềm (còn có các tên gọi khác là phản hồi mềm, hồi tiếp mềm): là phần tử phản hồi có tín hiệu ra xrht tỷ lệ với tốc độ thay đổi của tín hiệu vào xvht:

dt

dx.Kx

ht v ht

ht

r =

Tác động của liên hệ ngợc mềm chỉ xuất hiện ở chế độ động khi tín hiệu vào thay đổi Liên hệ ngợc mềm có tác dụng tăng tính ổn định của quá trình chuyển tiếp và triệt tiêu sai số tĩnh

Một số kiểu kết cấu của liên hệ ngợc mềm:

− Kiểu bộ giảm chấn thuỷ lực: bao gồm piston-xilanh giảm chấn, thanh truyền và lò

xo Lò xo này ở trạng thái tự do (không chịu kéo, nén) khi bộ điều tốc ở trạng thái cân bằng Xem chi tiết ở hình vẽ 5.3

− Kiểu cặp piston bù trong hệ thống bình thông nhau: bao gồm piston chủ động, piston

bị động, van tiết lu Hình 6.1 thể hiện cấu tạo của một liên hệ ngợc mềm kiểu này

Hình 6.1: Liên hệ ngợc mềm kiểu bình thông nhau (bù thuỷ lực - cơ học)

Từ bơm dầu Vành bù

Dịch chuyển từ phần tử cảm biến tốc độ quay

Van kim tiết luu

Piston đệm

Lò xo đệm

Piston lực

Về két

− Kiểu cặp piston ngăn kéo: bao gồm một cặp piston (piston bù và piston đệm), cặp

lò xo đệm và van kim tiết lu Hình 6.2 thể hiện cấu tạo của một liên hệ ngợc mềm kiểu này

Hình 6.2: Liên hệ ngợc mềm kiểu cặp piston ngăn kéo (bù thuỷ lực)

6.2 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của một bộ điều tốc có liên hệ ngợc mềm

Hình vẽ 6.3 thể hiện nguyên lý cấu tạo của một bộ điều tốc có liên hệ ngợc mềm

6.2.1 Chú thích hình vẽ

Flyweights: cặp quả văng ly tâm Speeder spring: lò xo tốc độ

Adjusting nut: đai ốc điều chỉnh sức căng lò xo tốc độ

Thrust bearing: Vòng bi chặn (khớp trợt)

Ball head: mâm đỡ quả văng Driving gear: bánh răng truyền động từ động cơ

Floating lever: thanh truyền tự do To sump: về két chứa ở đáy

Oil supply from gear pump: dầu cấp từ bơm

Pilot control valve: van trợt điều khiển

Pilot control valve bush: xilanh (ống bao) van trợt điều khiển

Power piston: piston lực

Compensating needle valve: van kim tiết lu

Compensating spring: lò xo của cơ cấu bù

Output shaft: trục ra của bộ điều tốc (nối với thanh răng nhiên liệu)

6.2.2 Nguyên lý hoạt động:

ở trạng thái cân bằng (vòng quay của động cơ không thay đổi) sức căng lò xo tốc độ cân bằng với lực ly tâm do cặp quả văng tạo ra, khớp trợt và đầu bên trái (A) của thanh

A Floating lever B

Compensating spring

Compensating needle valve

Power piston

Output shaft

Pilot control valve bush

Pilot control valve plunger

To sump

From pump

C Speeder

Spring

Flyweights

Spring holder

Thrust bearing Ballhead

Driving

gear

truyền ABC đứng yên ở một vị trí nhất định Van trợt điều khiển khi đó đợc duy trì ở vị trí che kín các cửa dầu vào và ra khỏi xi lanh lực Piston lực do đó đợc giữ ở một vị trí nhất định qui định vị trí của thanh răng nhiên liệu tơng ứng với phụ tải hiện tại của động cơ ở trạng thái cân bằng lò xo của cơ cấu bù ở trạng thái tự do không chịu kéo và không chịu nén

Hình 6.3: Bộ điều tốc có liên hệ ngợc mềmTrong trờng hợp phụ tải tăng, vòng quay của động cơ bị giảm đi, lực ly tâm do cặp quả văng tạo ra nhỏ hơn sức căng lò xo làm cho khớp trợt bị đẩy đi xuống kéo theo đầu bên trái (A) của thanh truyền ABC đi xuống vị trí (A’) Thanh ABC này quay tức thời quanh

đầu bên phải (C), điểm (B) đi xuống vị trí (B’) kéo theo van trợt điều khiển đi xuống Do

đó khoang bên dới của xi lanh lực thông với đờng dầu cấp từ bơm còn khoang phía trên xilanh lực lại thông về két sump Dầu đợc cấp vào khoang phía bên dới và xả ra ở khoang trên của xilanh lực làm cho piston lực bị đẩy đi lên kéo trục điều khiển thanh răng nhiên liệu quay theo chiều tăng lợng nhiên liệu cấp vào động cơ

Tác động của liên hệ ngợc mềm: khi piston lực đi lên đầu (C) của thanh truyền ABC

cũng đi lên (C’=>C”), thanh ABC quay tức thời quanh (A’) làm (B) đi lên (B’=>B”) Tác

động này có xu hớng kéo cho van trợt điều khiển trở về vị trí che kín các cửa dầu (ngợc

ra đẩy dầu từ khoang trên qua van kim tiết lu xuống khoang dới của xilanh bù làm cho piston bù chuyển động xuống dới (nghĩa là điểm (C) đi xuống (C”=>C’”)) Tốc độ chuyển động của piston bù (tốc độ chuyển động của điểm (C)) phụ thuộc vào độ mở của van kim tiết lu, vào độ nhớt của dầu và độ cứng của lò xo Nếu tốc độ đi lên của điểm (A) và tốc độ đi xuống của điểm (C) phù hợp nhau thì thanh ABC sẽ quay quanh B”’=B nghĩa là van trợt điều khiển sẽ đợc duy trì ở vị trí đóng kín các cửa dầu Piston lực do đó

đợc cố định và xác lập một vị trí thanh răng nhiên liệu mới tơng ứng với sự thay đổi của phụ tải

Hình 6.3: Phân tích chuyển động của thanh truyền ABCNếu tốc độ chuyển động của (A) và (C) không phù hợp nhau thì van trợt điều khiển sẽ dao động quanh vị trí cân bằng, quá trình điều chỉnh cứ thế lặp đi lặp lại cho tới khi van trợt đợc định vị tại vị trí đóng kín các cửa dầu Trong trờng hợp này vòng quay của động cơ sẽ bị dao động

Trạng thái cân bằng đợc thiết lập khi van trợt điều khiển che kín các cửa dầu ra, vào xilanh lực tức là điểm B’ lại trở về điểm B’”=B”=B Vị trí của thanh ABC ở trạng thái cân bằng mới A’”B”’C”’=ABC Lò xo bù lại trở về trạng thái tự do không chịu kéo, nén Chỉ có vị trí tơng đối của piston và xilanh bù là thay đổi

Trờng hợp thay đổi tốc độ đặt bộ điều tốc hoạt động tơng tự nhng kết quả là vòng quay

N(PS)

δ=0 100%

của động cơ tăng lên và ổn định ở giá trị đặt mới

Trờng hợp phụ tải giảm và giảm tốc độ đặt bộ điều tốc hoạt động ngợc lại

Trên đây chỉ là những mô tả một cách tuần tự hoạt động của bộ điều tốc trên thực

tế các quá trình xảy ra đồng thời và rất phức tạp.

6.2.3 Đặc điểm

Bộ điều tốc có liên hệ ngợc mềm với cấu trúc nh trong hình 6.3 có hệ số không đều δ = 0

Hình 6.5: Đặc tính điều chỉnh của bộ điều tốc có liên hệ ngợc mềm

Thời gian điều chỉnh của bộ điều tốc có liên hệ ngợc mềm có thể thay đổi đợc thông qua việc thay đổi độ mở của van kim tiết lu Đặc điểm này rất quan trọng vì cùng một loại

bộ điều tốc có thể trang bị cho các động cơ khác nhau mà không cần thay đổi cấu trúc của bộ điều tốc và khi động cơ, bộ điều tốc đã cũ vẫn có thể hiệu chỉnh để có thể phối hợp tốt với nhau

Hình 6.6: Đặc tính cấp nhiên liệu của bộ điều tốc có liên hệ ngợc mềm

Tác động của bộ điều tốc để thay đổi lợng nhiên liệu cấp khi phụ tải thay đổi đợc thực hiện từng bớc cho nên quá trình điều chỉnh mềm hơn so với bộ điều tốc có liên hệ ngợc cứng

Bộ điều tốc có liên hệ ngợc mềm có thể đợc trang bị cho các động cơ điêzel lai chân vịt, lai máy phát điện hoạt động độc lập

Power cylinder

Transmitting piston

Receiving piston

Compensating spring

Flyweights

Thrust bearing

Speeder spring Adjusting nut

Power piston Ballhead

Đ7 Bộ điều tốc có liên hệ ngợc tổng hợp

Mục tiêu của bài học

Sau khi hoàn thành tốt bài học này sinh viên sẽ có khả năng:

- Nêu đợc khái niệm về bộ điều tốc có liên hệ ngợc tổng hợp

- Nêu đợc đặc điểm cấu tạo và giải thích đợc nguyên lý hoạt động của một số bộ điều tốc

có liên hệ ngợc tổng hợp

- Vẽ đợc dạng đờng đặc tính điều chỉnh của bộ điều tốc có liên hệ ngợc tổng hợp

7.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ điều tốc có liên hệ ngợc tổng hợp

Hình vẽ 7.1 thể hiện sơ đồ nguyên lý cấu tạo của bộ điều tốc có liên hệ ngợc tổng hợp

Hình 7.1: Bộ điều tốc có liên hệ ngợc tổng hợp

7.2.1 Chú thích hình vẽ

Flyweights: cặp quả văng ly tâm Speeder spring: lò xo tốc độ Adjusting nut: đai ốc

điều chỉnh sức căng lò xo tốc độ Thrust bearing: Vòng bi chặn (khớp trợt) Ballhead:

mâm đỡ quả văng Driving gear: bánh răng truyền động từ động cơ Feedback lever: thanh truyền liên hệ ngợc cứng To sump: về két sump From pump: dầu cấp từ bơm

Pilot control valve bush: xilanh (ống bao) van trợt điều khiển

Power piston: piston lực Pivot: khớp quay Compensating needle valve: van kim tiết

l-u Receiving piston: Piston bù thụ động (bị động) Transmitting piston: piston bù chủ

động Compensating spring: lò xo của cơ cấu bù Floating lever: thanh truyền tự do

Output shaft: trục ra của bộ điều tốc (nối với thanh răng nhiên liệu)

7.2.2 Nguyên lý hoạt động

ở trạng thái cân bằng (vòng quay của động cơ không thay đổi) sức căng lò xo tốc độ cân bằng với lực ly tâm do cặp quả văng tạo ra, khớp trợt và đầu (E) của thanh truyền tự do EFG (floating lever) đứng yên ở một vị trí nhất định Van trợt điều khiển khi đó đợc duy trì ở vị trí che kín cửa dầu vào xi lanh lực Piston lực do đó đợc giữ ở một vị trí nhất định qui định vị trí của thanh răng nhiên liệu tơng ứng với phụ tải hiện tại của động cơ ở trạng thái cân bằng lò xo của cơ cấu bù (compensating spring) ở trạng thái tự do không chịu kéo và không chịu nén

Trong trờng hợp phụ tải tăng, vòng quay của động cơ bị giảm đi, lực ly tâm do cặp quả văng tạo ra nhỏ hơn sức căng lò xo làm cho khớp trợt bị đẩy đi xuống kéo theo đầu bên trái (E) của thanh truyền tự do đi xuống vị trí (E’) Thanh EFG này quay tức thời quanh

đầu bên phải (G) Điểm (F) đi xuống vị trí (F’) kéo van trợt điều khiển đi xuống, khoang dới của xi lanh lực đợc nối thông với đờng cấp từ bơm Dầu đợc cấp vào khoang phía bên dới của xilanh lực làm cho piston lực bị đẩy đi lên kéo thanh răng nhiên liệu quay theo chiều tăng lợng nhiên liệu cấp vào động cơ Khi nhiên liệu cấp vào động cơ tăng lên vòng quay của động cơ cũng sẽ tăng dần lên (theo đặc tính thay đổi tốc độ)

Tác động của liên hệ ngợc cứng: khi piston lực đi lên đầu (B) của thanh truyền liên hệ

ngợc cứng cũng đi lên (B=>B’), thanh ABC quay tức thời quanh khớp quay (pivot) làm (A) đi lên (A=>A’) Tác động này có xu hớng giảm sức căng của lò xo tốc độ Kết quả

là giảm tín hiệu độ lệch (giữa lực ly tâm và sức căng lò xo tốc độ), và van trợt điều khiển

sẽ có xu hớng đợc kéo lên đóng kín cửa dầu điều khiển Khi đó thanh truyền tự do EFG dịch chuyển nh sau: E=>E’, F=>F’

Hình 7.2: Phân tích chuyển động của thanh truyền tự do EFG (floating lever)

Tác động của liên hệ ngợc mềm: khi piston lực đi lên piston bù chủ động (transmitting

piston) sẽ bị đẩy đi xuống nhờ thanh truyền DC Do dầu phải tiết lu qua van kim tiết lu (compensating needle valve) nên tức thời piston bù bị động (receiving piston) bị đẩy đi lên làm cho lò xo bù (compensating spring) bị nén lại, đầu (G) của thanh truyền EFG sẽ

đi lên Một khi nhiên liệu cấp vào động cơ tăng lên, vòng quay của động cơ sẽ tăng dần lên, lực li tâm do cặp quả văng tạo ra do đó tăng dần lên cân bằng với sức căng lò xo, khớp trợt do đó lại đợc đẩy dần lên, đầu (E) của thanh truyền EFG đi lên (E”=>E’”) Trong khi đó lò xo bù khi trớc bị nén bây giờ giãn ra đẩy dầu từ phía trong bình thông nhau qua van kim tiết lu ra ngoài làm cho piston bù bị động chuyển động xuống dới (nghĩa là điểm (G) đi xuống (G”=>G’”)) Tốc độ chuyển động của piston bù bị động (tốc độ chuyển động của điểm (G)) phụ thuộc vào độ mở của van kim tiết lu, vào độ nhớt của dầu và độ cứng của lò xo Nếu tốc độ đi lên của điểm (E) và tốc độ đi xuống của điểm (G) phù hợp nhau thì thanh EFG sẽ quay quanh F”’=F nghĩa là van trợt điều khiển sẽ đợc duy trì ở vị trí đóng kín cửa dầu điều khiển Piston lực do đó đợc cố định và xác lập một vị trí mới của thanh răng nhiên liệu tơng ứng với sự thay đổi của phụ tải Nếu tốc độ chuyển động của (E) và (G) không phù hợp nhau thì van trợt điều khiển sẽ dao động quanh vị trí cân bằng, quá trình điều chỉnh cứ thế lặp đi lặp lại cho tới khi van trợt đợc định vị tại vị trí đóng kín các cửa dầu Trong trờng hợp này vòng quay của động cơ bị dao động

Trạng thái cân bằng đợc thiết lập khi van trợt điều khiển che kín các cửa dầu ra, vào xilanh lực tức là điểm F’ lại trở về điểm F”’=F”=F Vị trí của thanh EFG ở trạng thái cân bằng mới là E”’F”’G”’=EFG Lò xo bù lại trở về trạng thái tự do không chịu kéo, nén Chỉ có vị trí của piston bù chủ động và piston lực là thay đổi so với ban đầu

Trờng hợp thay đổi tốc độ đặt bộ điều tốc hoạt động tơng tự nhng kết quả là vòng quay