Nadmierna prędkość - Overspeed
Nadmierna prędkość to stan, w którym silnik może obracać się poza wyznaczone granice projektowe lub jest zmuszony do tego. Konsekwencje zbyt szybkiej pracy silnika różnią się w zależności od typu i modelu silnika i zależą od kilku czynników, z których najważniejsze to czas trwania przekroczenia prędkości i osiągnięta prędkość. W przypadku niektórych silników chwilowe przekroczenie prędkości może spowodować znaczne skrócenie żywotności silnika lub katastrofalną awarię. Prędkość silnika jest zwykle mierzona w obrotach na minutę (obr / min).
Przykłady przekroczenia prędkości
- W samolocie śmigłowym nadmierna prędkość wystąpi, jeśli śmigło , zwykle podłączone bezpośrednio do silnika, jest zmuszone do obracania się zbyt szybko przez przepływ powietrza o dużej prędkości, gdy statek powietrzny jest w nurkowaniu, przesuwa się do płaskiego skoku łopatek podczas lotu przelotowego z powodu awaria regulatora lub awaria wtapiania lub odłączenie od silnika.
- W samolotach odrzutowych nadmierna prędkość występuje, gdy sprężarka osiowa przekracza maksymalną roboczą prędkość obrotową. Prowadzi to często do mechanicznej awarii łopatek turbiny, zgaśnięcia płomienia i całkowitego zniszczenia silnika.
- W pojazdach naziemnych silnik może być zmuszony do zbyt szybkiego skręcania poprzez zmianę na niewłaściwie niski bieg .
- Większość nieregulowanych silników osiąga nadmierne obroty, jeśli moc jest podawana bez obciążenia lub z niewielkim obciążeniem .
- W przypadku niekontrolowanej pracy silnika wysokoprężnego (spowodowanej nadmiernym poborem substancji palnych), silnik wysokoprężny osiągnie nadmierną prędkość obrotową, jeśli sytuacja nie zostanie szybko naprawiona. Przykładem jest urządzenie napędzające silnik wysokoprężny przy głowicy szybu naftowego . Jeśli operatorzy uderzą w kieszeń gazu ziemnego, wypłynie on na powierzchnię, a silnik pobierze łatwopalny gaz i gwałtownie zwiększy prędkość, aż silnik zostanie zniszczony, chyba że wlot powietrza zostanie odcięty, co pozbawi silnik paliwa i tlenu .
Ochrona przed nadmierną prędkością
Czasami montowany jest regulator lub regulator, który uniemożliwia lub zmniejsza prawdopodobieństwo nadmiernej prędkości obrotowej silnika. Na przykład:
- Wiele silników parowych wykorzystuje regulator odśrodkowy , który zamyka przepustnicę przy wysokich obrotach, aby ograniczyć przepływ pary w miarę wzrostu prędkości silnika.
- W pojazdach silnikowych automatyczne skrzynie biegów zmienią bieg, aby zapobiec zbyt szybkiemu obrotowi silnika. Ponadto prawie wszystkie nowoczesne pojazdy są wyposażone w elektroniczny ogranicznik obrotów , który odcina dopływ paliwa lub iskry do silnika, aby zapobiec nadmiernej prędkości.
- Niektóre samoloty mają jednostki o stałej prędkości, które automatycznie zmieniają skok śmigła, aby utrzymać optymalną prędkość silnika.
Duże silniki wysokoprężne są czasami wyposażone w dodatkowe urządzenie zabezpieczające, które uruchamia się w przypadku awarii regulatora. Składa się z zaworu klapowego na wlocie powietrza. Jeśli silnik przekroczy prędkość, przepływ powietrza przez wlot wzrośnie do nienormalnego poziomu. Powoduje to, że zawór klapowy zatrzaskuje się, pozbawiając silnik powietrza i wyłączając go.
Różne przypadki przekroczenia prędkości i zapobieganie
Silniki z zapłonem wewnętrznym
Fragment przedstawiony przez San Francisco Maritime National Park Association ilustruje typy systemów nadmiernej prędkości z regulatorem i sterowaniem silnika. Regulatory nadmiernej prędkości są odśrodkowe lub hydrauliczne. Regulatory odśrodkowe zależą od siły obrotowej wytwarzanej przez jego własny ciężar. Regulatory hydrauliczne wykorzystują siłę odśrodkową, ale kierują medium, aby wykonać to samo zadanie. Regulator nadmiernej prędkości jest stosowany w większości okrętowych silników wysokoprężnych. Regulator to środek bezpieczeństwa, który działa, gdy silnik zbliża się do nadmiernej prędkości i wyłączy silnik, jeśli ulegnie awarii. Wyłącza silnik, odcinając wtrysk paliwa poprzez oddziaływanie siły odśrodkowej na dźwignie połączone z kołnierzem regulatora.
Turbiny
Nadmierna prędkość turbin elektrowni może być katastrofalna, powodując awarię z powodu wyważenia wałów i łopatek turbin i potencjalnie wyrzucania łopatek i innych metalowych części z bardzo dużą prędkością. Istnieją różne zabezpieczenia, które obejmują mechaniczny i elektryczny system ochrony.
Mechaniczne zabezpieczenie przed przekroczeniem prędkości ma postać czujników. System opiera się na sile dośrodkowej wału, sprężynie i ciężarze. W zaprojektowanym punkcie nadmiernej prędkości punkt równowagi ciężarka zostaje przesunięty, powodując zwolnienie zaworu przez dźwignię, co powoduje, że głowica olejowa wyłączająca traci ciśnienie z powodu opróżnienia. Ta utrata oleju wpływa na ciśnienie i porusza mechanizm wyzwalający, który następnie wyłącza system.
Elektryczny system wykrywania nadmiernej prędkości obejmuje przekładnię z zębami i sondami. Sondy te wykrywają, jak szybko poruszają się zęby, a jeśli poruszają się poza wyznaczoną prędkość obrotową , przekazują to do rozwiązania logicznego (wykrywanie nadmiernej prędkości). Układ logiczny wyłącza system, wysyłając przekroczenie prędkości do przekaźnika wyzwalającego , który jest podłączony do zaworu sterowanego elektromagnesem .
Mechaniczne a elektryczne regulatory turbin
W turbinach i wielu innych urządzeniach mechanicznych wykorzystywanych do wytwarzania energii krytyczne jest, aby czasy reakcji systemów zapobiegania nadmiernej prędkości były jak najbardziej precyzyjne. Jeśli odpowiedź zostanie przerwana nawet na ułamek sekundy, może to doprowadzić do katastrofalnych uszkodzeń turbin i ich napędzanego obciążenia (tj. Sprężarki, generatora, pompy itp.) I narazić ludzi na niebezpieczeństwo.
Mechaniczny
Mechaniczne systemy nadobrotów turbin opierają się na równowadze między siłą dośrodkową obracającego się wału wywieraną na ciężar przymocowany do końca łopatki turbiny. W określonym punkcie wyzwalania obciążnik ten styka się fizycznie z dźwignią zwalniającą wyłącznik hydrauliczny, która bezpośrednio przesuwa śrubę wyzwalającą i / lub obwód hydrauliczny w celu uruchomienia zaworów odcinających w celu zamknięcia. Ponieważ kontakt z dźwignią występuje pod stosunkowo niewielkim kątem, maksymalny czas odpowiedzi wyzwolenia wynosi 15 ms (tj. 0,015 s). Problem z tymi urządzeniami ma mniej wspólnego z czasem odpowiedzi, ale z opóźnieniem odpowiedzi i zmiennością punktu wyzwalania z powodu przywierania systemów. Niektóre systemy dodają dwa bolce wyzwalające w celu zapewnienia redundancji, co umożliwia zmniejszenie opóźnienia odpowiedzi o połowę.
Elektryczny
Elektryczne systemy nadobrotowe turbin opierają się na wielu sondach, które wykrywają prędkość poprzez pomiar przejść zębów koła czołowego. Korzystając z cyfrowego rozwiązania logicznego, system nadmiernej prędkości określa prędkość obrotową wału napędowego przy stosunku przekładni do wału. Jeśli obroty wału są zbyt wysokie, wysyła polecenie wyłączenia, które odłącza zasilanie przekaźnika wyzwalającego. Reakcja na nadmierną prędkość różni się w zależności od systemu, dlatego kluczowe jest sprawdzenie specyfikacji producenta oryginalnego sprzętu, aby odpowiednio ustawić czas wyzwalania nadmiernej prędkości. Zwykle, o ile nie określono inaczej, czas odpowiedzi na zmianę przekaźnika wyjściowego wynosi 40 ms. Ten czas obejmuje czas potrzebny sondom na wykrycie prędkości, porównanie jej z wartością zadaną nadmiernej prędkości, obliczenie wyników i na koniec wydanie polecenia wyłączenia.
Omówienie systemu wykrywania przekroczenia prędkości
Podczas konfigurowania, testowania i uruchamiania systemów nadmiernej prędkości w turbinach lub silnikach wysokoprężnych jednym z czynników branych pod uwagę jest synchronizacja. Dzieje się tak, ponieważ reakcja na nadmierną prędkość jest zwykle zbyt szybka, aby ludzie mogli to zauważyć.
Istnieje mocny argument za instrumentowaniem systemów wyzwalania w taki sposób, aby można było zmierzyć całkowitą odpowiedź systemu. W ten sposób podczas testu zmiana odpowiedzi może wskazywać na degradację, która może zagrozić ochronie systemu lub wskazywać na uszkodzony komponent.
- Scott, 2009, s.161
Odpowiedzialność za skalibrowanie prawidłowej reakcji na nadmierną prędkość dla określonego systemu spoczywa na producencie. Jednak zmienność jest zawsze obecna i ważne jest, aby właściciel / operator rozumiał system w przypadku konserwacji, wymiany lub modernizacji przestarzałych lub zużytych części. Po wystąpieniu nadmiernej prędkości konieczne jest sprawdzenie wszystkich części maszyny pod kątem naprężeń. Pierwszym miejscem, od którego należy zacząć w przypadku turbin impulsowych, jest wirnik. Na wirniku znajdują się otwory równoważące, które wyrównują różnicę ciśnień między turbinami, a jeśli są wypaczone, wymagałyby wymiany całego wirnika.