.jpg/1280px-Yarrow_boiler_tubes_(Rankin_Kennedy,_Modern_Engines,_Vol_VI).jpg)
Котлы Yarrow являются важным классом водотрубных котлов высокого давления . Они были разработаны компанией Yarrow & Co. (Лондон), Shipbuilders and Engineers и широко использовались на судах, особенно военных .
Конструкция котла Yarrow характерна для трехбарабаньного котла : два ряда прямых водяных труб расположены в треугольном ряду с одной топкой между ними. Один паровой барабан установлен наверху между ними, с меньшими водяными барабанами в основании каждого ряда. Циркуляция, как вверх, так и вниз, происходит внутри этого же трубного пучка. Отличительными особенностями Yarrow было использование прямых труб, а также циркуляция в обоих направлениях, происходящая внутри трубного пучка, а не с использованием внешних опускных труб. [1] [2] [3]
Раннее использование водотрубных котлов в Королевском флоте временами вызывало споры, что привело к «Битве котлов» около 1900 года. [4] Эти первые котлы, такие как Belleville и Niclausse , имели крупнотрубную конструкцию с простыми прямыми трубами диаметром около 4 дюймов, расположенными под небольшим углом к горизонтали. [5] Эти трубы были соединены в чугунные коллекторы и создавали много проблем с утечкой в этих соединениях. В то время предполагалось, что тепловое расширение в этих прямых трубах напрягало соединения. Эти котлы также были большими, и хотя они были установлены на многих додредноутных линкорах , их нельзя было установить на небольших торпедных катерах и ранних эсминцах, которые тогда находились в очень активной разработке.
Чтобы обеспечить более легкий котел для небольших судов, были разработаны типы «Экспресс» . Они использовали меньшие водяные трубы диаметром около 2 дюймов, что давало большее соотношение площади нагрева к объему (и весу). Большинство из них имели трехбарабанную схему , особенно конструкции Du Temple и Normand . [5] Это давало более вертикальное расположение водяных труб, тем самым способствуя термосифонной циркуляции в этих узких трубах. Предыдущие проблемы расширения труб все еще были теоретическими, и поэтому трубы были либо изогнуты, либо даже свернуты в шпильки и S-образные формы, чтобы увеличить площадь нагрева. На практике эти формы породили еще две практические проблемы: трудности с очисткой труб, а также трудности с формированием надежного соединения в водяных барабанах, особенно там, где трубы входили в барабан под разными углами.
.jpg/1280px-Yarrow_boiler,_diagram_(Heat_Engines,_1913).jpg)
Альфред Ярроу разработал свой котел в ответ на другие, которые уже разработали водотрубные котлы . Это был долгий процесс, основанный на теоретическом эксперименте, а не на развитии практических котлов. Работа началась в 1877 году, и первый коммерческий котел был поставлен только 10 лет спустя, торпедный катер 1887 года. [6]
Несмотря на столь долгое созревание, происхождение котла, по-видимому, было самым прямым. Первоначальный разговор Ярроу с Уильямом Крашем, главой отдела котлов, как записано, включал довольно прямой подход, и заявления Ярроу: «Мы должны проснуться и задуматься о водотрубных котлах», «Почему бы не сделать такой котел?» (сложив пальцы вместе, как будто молясь) и «Прямые трубы?» уже выражали два из трех основных принципов конструкции котла. [6]
Ранние конструкторы водотрубных котлов были обеспокоены расширением труб котла при нагревании. Были предприняты усилия, чтобы позволить им свободно расширяться, особенно так, чтобы те, что ближе к печи, могли расширяться относительно больше, чем те, что дальше. Обычно это делалось путем расположения труб в больших петлевых кривых, как в котле Торникрофта . Они были сложны в производстве и требовали поддержки при использовании.
Ярроу осознал, что температура заполненной водой трубки поддерживалась относительно низкой и была постоянной среди них, при условии, что они оставались заполненными водой и не допускалось кипение внутри самих трубок. Высокие температуры и колебания возникали только тогда, когда трубки заполнялись паром, что также нарушало циркуляцию.
Таким образом, он пришел к выводу, что прямые водяные трубы приемлемы и имеют очевидные преимущества для производства и очистки в процессе эксплуатации. [6]
Получение труб, способных выдерживать возрастающее давление в котле, было сложным, и большинство производителей уже испытывали проблемы со сварными швами в трубах. Менее очевидным преимуществом прямых труб было то, что они могли использовать недавно разработанные бесшовные тянутые трубы, которые теперь производятся для производства велосипедов . [6]
.jpg/1280px-Yarrow's_boiler_tube_circulation_experiment_(Rankin_Kennedy,_Modern_Engines,_Vol_VI).jpg)
Уже было признано, что водотрубный котел работает за счет непрерывного потока воды через водяные трубы, и что это должно осуществляться за счет термосифонного эффекта, а не за счет непрактичного использования насоса.
Нагретые водяные трубы представляли собой большое количество труб малого диаметра, установленных между большими барабанами: водяные барабаны внизу и паровые барабаны вверху. Исследования Фейрберна уже показали важность диаметра труб и то, как трубы малого диаметра могли легко выдерживать гораздо более высокое давление, чем трубы большого диаметра. Барабаны могли выдерживать давление благодаря своей прочной конструкции. Установленные на них люки позволяли проводить регулярный внутренний осмотр.
Предполагалось, что поток через водяные трубы будет направлен вверх из-за их нагрева печью, и что уравновешивающий нисходящий поток потребует внешних необогреваемых опускных труб . В большинстве конструкций водяных труб это были несколько внешних труб большого диаметра от парового барабана до водяного барабана. Таким образом, эти трубы большого диаметра представляли собой проблему для надежности из-за их жесткости и сил, действующих на них.
Альфред Ярроу провел знаменитый эксперимент, в ходе которого он опроверг это предположение. [7] [8] Источники неясны относительно того, обнаружил ли он это во время эксперимента или провел эксперимент просто для того, чтобы продемонстрировать теорию, которой он уже придерживался.
Вертикальная U-образная трубка была установлена так, чтобы ее можно было нагревать серией горелок Бунзена с каждой стороны. Простой расходомер показывал направление и приблизительную силу любого потока через резервуар в верхней части, соединяющий два плеча U.
Когда нагревалась только одна сторона U-образной трубы, в этом плече трубы, как и ожидалось, наблюдался восходящий поток нагретой воды.
Когда тепло также было приложено к ненагретому рукаву, традиционная теория предсказывала, что циркуляционный поток замедлится или полностью остановится. На практике поток фактически увеличился . При условии, что была некоторая асимметрия нагрева, эксперимент Ярроу показал, что циркуляция может продолжаться, а нагревание более холодного нисходящего канала может даже увеличить этот поток.
Затем Ярроу повторил эксперимент, сначала с U-образной трубкой под небольшим углом к горизонтали, а затем со всей системой под давлением. [7] Результаты были такими же, и циркуляция сохранялась.
Таким образом, котел Ярроу мог обойтись без отдельных внешних опускных труб. Поток полностью проходил внутри нагреваемых водяных труб, вверх по тем, что были ближе всего к печи, и вниз по тем, что были во внешних рядах пакета.
.jpg/1280px-Yarrow_boiler,_end_view_in_hull_(Heat_Engines,_1913).jpg)
Производственный котел Ярроу имел простую и характерную конструкцию, которая в целом осталась неизменной впоследствии. Три барабана были расположены в треугольной формации: один большой паровой барабан наверху и два меньших водяных барабана внизу. Они были соединены прямыми водяными трубами в многорядный блок с каждым водяным барабаном.
Печь размещалась в пространстве между трубными пучками. Ранние котлы топились вручную углем, позднее — нефтью. Котел был заключен в герметичный стальной кожух, облицованный огнеупорным кирпичом. Кирпичные торцевые стенки этого кожуха вмещали топочные дверцы или каменки масляной горелки, но не имели поверхности нагрева. Дымоход от котла находился в центре верхней части кожуха, выхлопные газы проходили вокруг парового барабана. Чтобы уменьшить коррозию от дымовых газов над барабаном, его иногда обертывали простым дефлекторным кожухом. Обычно нижняя часть водяных барабанов выставлялась за пределы кожуха, но наружу выходили только концы парового барабана. Уровень воды составлял около одной трети диаметра парового барабана, что было достаточно, чтобы покрыть концы погруженных водяных труб.
Вес котла опирался на водяные барабаны и, таким образом, на опоры с палубы топочной плоскости. Паровой барабан поддерживался только водяными трубами и мог свободно перемещаться с тепловым расширением. При перегреве элементы пароперегревателя подвешивались к этому барабану. По сравнению с более ранними шотландскими и локомотивными котлами, водотрубные котлы с их уменьшенным объемом воды считались легкими и не требовали обширных опор.
.jpg/1280px-Straight_watertube_marine_boiler_(Rankin_Kennedy,_Modern_Engines,_Vol_VI).jpg)
Первые бочки для воды Yarrow или «корыта» имели D-образную форму с плоской трубной пластиной, что обеспечивало легкое крепление труб. Трубная пластина крепилась болтами к корыту и могла быть демонтирована для обслуживания и очистки труб.
Однако эта форма D не идеальна для барабана давления, поскольку давление будет иметь тенденцию деформировать его в более круглую секцию. Опыт взрывов котлов показал, что острые внутренние углы внутри котлов также подвержены эрозии из-за образования канавок.
Более поздние котлы использовали более округлую секцию, несмотря на трудности вставки и герметизации концов труб, когда они больше не были перпендикулярны. Эти более поздние барабаны имели люк на концах для доступа.
Циркуляция в котле Ярроу зависела от разницы температур между внутренними и внешними рядами труб батареи и, в частности, от скорости кипения. Хотя это легко поддерживать при низких мощностях, котел Ярроу с более высоким давлением будет иметь меньшую разницу температур и, таким образом, будет иметь менее эффективную циркуляцию. [2] Этот эффект можно нейтрализовать, предусмотрев внешние опускные трубы за пределами зоны нагрева дымохода.
Хотя большинству котлов Ярроу не требовались опускные трубы, некоторые из них были оснащены ими. [9]
Первый двухконтурный котел был построен в 1905 году для испанского правительства. Конструкция уже была хорошо приспособлена для сжигания с двух сторон, и было обнаружено, что двухконтурные котлы были немного более эффективны в использовании.
Верфь Ярроу всегда была ограничена в размерах кораблей, которые она могла построить. Многие из их котлов предназначались для более крупных военных кораблей, и Ярроу поставляла их в качестве компонентов на верфи с большими стапелями.
.jpg/1280px-Yarrow_boiler_with_superheater,_coloured_(Warships_To-day,_1936).jpg)
Первые котлы Ярроу не были перегреваемыми, но с появлением паровых турбин возникла потребность во все более высоких температурах пара.
Пароперегреватель Yarrow состоял из трубок-шпилек, параллельных существующим трубкам парогенератора. Один блок трубок генератора был разделен на две части, с отдельными нижними водяными барабанами для них. Пароперегреватель был помещен в зазор, образованный между ними, причем оба конца его трубок были соединены с одним коллекторным барабаном пароперегревателя и внутренней перегородкой для разделения влажного и сухого пара. [10]
Вторичным эффектом пароперегревателя было увеличение разницы температур между внутренними и внешними трубами пакета, тем самым способствуя циркуляции. Два водяных барабана часто соединялись необогреваемыми сливными трубами, чтобы обеспечить этот поток между барабанами. Этот эффект позже был использован в котле Адмиралтейства , где трубы пакета были изогнуты в стороны, чтобы оставить место для пароперегревателя, при этом сохраняя один водяной барабан.
Только один пароперегреватель был установлен только на одной стороне котла. Самые простые и самые маленькие котлы перемещали свой дымоход на эту сторону, пропуская все выхлопные газы через кучу с пароперегревателем. Теперь асимметричный котел мог пропускать все свои выхлопные газы через перегретую сторону как однопоточный тип. [10] Другая гора оставалась используемой для чисто радиационного нагрева, часто с меньшим количеством рядов труб.
В качестве альтернативы котел «двойного потока» сохранял полный поток газа через обе стороны, хотя только одна из них содержала пароперегреватель. Управляемая перегородка на неперегретой стороне могла быть закрыта для увеличения потока через пароперегреватель. [10] Эти котлы обычно включали дополнительные нагреватели питательной воды в восходящей тяге над этими перегородками. [10]
Более поздней разработкой Ярроу стал трехбарабанный котел Адмиралтейства , разработанный для Королевского флота в период между войнами. [11] [12]
Это было в целом похоже на более поздние версии Yarrow, работающие на мазуте и высоком давлении. Водяные барабаны были цилиндрическими, а сливные трубы иногда, но не всегда, использовались. Единственное существенное отличие заключалось в трубных пучках. Вместо прямых труб каждая труба была в основном прямой, но изогнутой к своим концам. Они были установлены двумя группами внутри пучка, так что они образовывали зазор между собой внутри пучка. Пароперегреватели были размещены внутри этого зазора. Преимущество размещения пароперегревателей здесь состояло в том, что они увеличивали разницу температур между внутренними и внешними трубами пучка, тем самым способствуя циркуляции.
.jpg/1280px-Yarrow_boilers_for_Chilian_battleship_(Rankin_Kennedy,_Modern_Engines,_Vol_VI).jpg)
HMS Hornet (1893) , эсминец класса Havock . HMS Havock (1893) , головной корабль класса, был построен с современным на тот момент типом локомотивного котла , Hornet — с котлом Yarrow для сравнения. [13]
Первые котлы Yarrow предназначались для небольших эсминцев и заполняли всю ширину корпуса. В ранних классах использовались три котла, расположенных тандемом, каждый с отдельной дымовой трубой . Более поздние наборы, поставляемые для крупных кораблей, использовали несколько котлов, и они часто группировались в наборы по три, разделяя вытяжку.
В 1922 году Гарольд Ярроу решил использовать растущий бум производства электроэнергии в качестве рынка для Yarrows, чтобы построить наземные котлы. [14] Первые котлы на электростанции Данстон и в Брайтоне были того же морского образца. Что касается их успеха на море, то они были признаны за большую площадь лучистого нагрева и быстрое поднятие пара.
Большие наземные турбины требовали высокой эффективности и повышенного перегрева , поэтому морская модель была пересмотрена в сторону отличительного наземного котла Ярроу. Он стал асимметричным. Одно крыло было увеличено и получило большую часть потока газа. Внутренние пучки труб остались и получили лучистое тепло от печи, но газы затем протекали через один из них, через пучок пароперегревателя, затем через дополнительный третий пучок для увеличения извлекаемого тепла.
Рабочее давление также возросло. От рабочего давления 575 фунтов на квадратный дюйм в 1927 году, к 1929 году экспериментальный котел работал при 1200 фунтов на квадратный дюйм. [14]
Только один котел «Ярроу» использовался в железнодорожном локомотиве, экспериментальном двигателе 10000 Найджела Гресли 1924 года для компании LNER . [15] Наблюдая преимущества более высоких давлений и составных двигателей в морской практике , Гресли был заинтересован в эксперименте с этим подходом в железнодорожном локомотиве . Как и в случае с наземными котлами, Гарольд Ярроу был заинтересован в расширении рынка для котла Ярроу.
Котел не был обычной конструкцией Yarrow. В эксплуатации, особенно в плане циркуляционных путей, котел имел больше общего с другими трехбарабанными конструкциями, такими как Woolnough . Его также описывали как эволюцию водотрубной топки Brotan-Deffner , при этом топка была расширена, чтобы стать всем котлом.
