Тысячелистник котел

Котлы Тысячелистника представляют собой важный класс водотрубных котлов высокого давления . Они были разработаны компанией Yarrow & Co. (Лондон), Shipbuilders and Engineers и широко использовались на кораблях, особенно на военных .

Конструкция котла Ярроу характерна для трехбарабанного котла : два ряда прямых водотрубных труб расположены в треугольном ряду с единой топкой между ними. Вверху между ними установлен один паровой барабан, а у основания каждого ряда - меньшие водяные барабаны. Кровообращение как вверх, так и вниз происходит внутри одного и того же ряда трубок. Отличительными особенностями Yarrow было использование прямых трубок, а также циркуляция в обоих направлениях внутри блока трубок, а не использование внешних сливных трубок. ^[1]^[2]^[3]

Ранние водотрубные котлы

Раннее использование водотрубного котла в Королевском флоте временами вызывало споры, что привело к «Битве котлов» примерно в 1900 году . ^[4] Эти первые котлы, такие как Belleville и Niclausse , имели конструкцию с большими трубами, с простыми прямыми трубками диаметром около 4 дюймов, расположенными под небольшим углом к горизонту. ^[5] Эти трубы были соединены в чугунные коллекторы и создавали большие проблемы с утечками в этих соединениях. В то время предполагалось, что тепловое расширение в эти прямые трубы напрягали суставы.Эти котлы были также большими и, хотя и устанавливались на многие линкоры до дредноутов , их нельзя было установить на небольшие торпедные катера и первые эсминцы , которые тогда находились в стадии очень активной разработки.

Чтобы сделать котлы более легкими для небольших судов, были разработаны модели «Экспресс» . В них использовались меньшие по размеру водяные трубки диаметром около 2 дюймов, что обеспечивало большее соотношение площади нагрева к объему (и весу). Большинство из них имели трехбарабанную конструкцию , особенно конструкции Дю Темпла и Нормана . ^[5] Это Обеспечивало более вертикальное расположение водопроводных трубок, тем самым способствуя термосифонной циркуляции в этих узких трубках. Предыдущие проблемы расширения трубок все еще оставались теоретическими проблемами, поэтому трубки были либо изогнуты, либо даже свернуты в шпильки и S-образную форму, чтобы На практике эти формы породили еще две практические проблемы: трудности с очисткой трубок, а также трудности с формированием надежного соединения с водяными барабанами, особенно там, где трубы входили в барабан под разными углами.

Водотрубный котел Ярроу

Альфред Ярроу разработал свой котел как ответ на разработки других водотрубных котлов . Это был длительный процесс, основанный на теоретическом эксперименте, а не на развитии практических котлов. Работы начались в 1877 году, а первый коммерческий котел был поставлен лишь 10 лет спустя — торпедный катер 1887 года. ^[6]

Несмотря на столь долгую разработку, происхождение котла, похоже, было самым прямым. Записано, что первоначальный разговор Ярроу с Уильямом Крашем, главой котельного цеха, включал довольно прямой подход и заявления Ярроу: «Мы должны осознать необходимость водотрубных котлов», «Почему не такой котел?» (складывает пальцы вместе, словно молится) и «Прямые трубки?» уже выразил два из трех основных принципов конструкции котла. ^[6]

Прямые трубы

Первые проектировщики водотрубных систем были обеспокоены расширением труб котла при нагревании. Были предприняты усилия, чтобы позволить им свободно расширяться, в частности, чтобы те, которые были ближе всего к печи, могли расширяться относительно больше, чем те, которые находились дальше. Обычно это делалось путем расположения труб в виде больших петлевых кривых, как в котле Торникрофт . Они имели трудности в производстве и требовали поддержки при использовании.

Ярроу признал, что температура заполненных водой трубок поддерживалась относительно низкой и была одинаковой среди них при условии, что они оставались заполненными водой и внутри самих трубок не допускалось кипение. Высокие температуры и колебания возникали только тогда, когда трубы заполнялись паром, что также нарушало циркуляцию.

Таким образом, он пришел к выводу, что прямые водопроводные трубы приемлемы и имеют очевидные преимущества для производства и очистки в процессе эксплуатации. ^[6]

Получить трубы, способные выдержать возрастающее давление в котле, было сложно, и большинство производителей уже сталкивались с проблемами со сварными швами труб. Менее очевидным преимуществом прямых труб было то, что они могли использовать недавно разработанные бесшовнотянутые трубы, которые сейчас производятся для производства велосипедов . ^[6]

Эксперименты тысячелистника по кровообращению

Уже было признано, что водотрубный котел основан на непрерывном потоке через водопроводные трубы и что это должно происходить за счет термосифонного эффекта , а не из-за непрактичной необходимости использования насоса.

Нагретые водяные трубы представляли собой большое количество трубок небольшого диаметра, установленных между большими барабанами: водяными внизу и паровыми сверху. Исследования Фэйрберна уже показали важность диаметра трубки и то, что трубки малого диаметра могут легко выдерживать гораздо более высокие давления, чем трубки большого диаметра. Барабаны могли выдержать давление благодаря своей прочной конструкции. Установленные на них люки позволяли осуществлять регулярный внутренний осмотр.

Предполагалось, что поток через водяные трубы будет идти вверх из-за их нагрева в печи, и что для уравновешивания нисходящего потока потребуются внешние необогреваемые сливные трубы . В большинстве водотрубных конструкций это были несколько внешних труб большого диаметра, идущих от парового барабана к водяному барабану. Таким образом, эти трубы большого диаметра представляли проблему с точки зрения надежности из-за их жесткости и действующих на них сил.

Альфред Ярроу провел знаменитый эксперимент, в котором 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 устроена так, что ее можно было нагревать с помощью нескольких бунзеновских горелок с каждой стороны. Простой расходомер показывал направление и приблизительную силу любого потока через резервуар наверху, соединяющий два рукава U.

Когда нагревалась только одна сторона U, в этом ответвлении трубки возник ожидаемый восходящий поток нагретой воды.

Если к ненагретой руке также приложить тепло, традиционная теория предсказывала, что кровоток замедлится или полностью остановится. На практике поток действительно увеличился . При условии некоторой асимметрии нагрева, эксперимент Ярроу показал, что циркуляция может продолжаться, а нагрев более холодной сливной трубы может даже увеличить этот поток.

Затем Ярроу повторил эксперимент, сначала с U-образной трубкой, расположенной под небольшим углом к горизонту, а затем со всей системой под давлением. ^[7] Результаты были теми же, и циркуляция сохранилась.

Таким образом, котел Ярроу может обойтись без отдельных внешних сливных труб. Поток полностью находился внутри нагретых водопроводных труб, вверх - в тех, которые были ближе всего к печи, и вниз - через те, что находились во внешних рядах берега.

Описание

Производственный котел Ярроу имел простую и своеобразную конструкцию, которая впоследствии практически не изменилась. Три барабана были расположены треугольником: один большой паровой барабан вверху и два меньших водяных барабана внизу. Они соединялись прямыми водотрубами в многорядный ряд с каждым водяным барабаном.

Печь размещалась в пространстве между трубными рядами. Первые котлы вручную топились углем, позже - маслом. Котел был заключен в герметичный стальной кожух, облицованный огнеупорным кирпичом. В торцевых стенах этого корпуса, облицованных кирпичом, располагались противопожарные дверцы или камеры для масляных горелок, но не было поверхности нагрева. Воздухозаборник котла находился в центре верхней части корпуса, выхлопные газы проходили вокруг парового барабана. Чтобы уменьшить коррозию от дымовых газов над барабаном, его иногда оборачивали простым дефлекторным кожухом. Обычно за пределы корпуса выходила нижняя часть водяных барабанов, а парового барабана выходили только концы. Уровень воды составлял около трети диаметра парового барабана, чего было достаточно, чтобы покрыть концы погруженных водяных трубок.

Вес котла опирался на бочки с водой и, следовательно, на опоры палубы топки. Паровой барабан поддерживался только водяными трубками и мог свободно перемещаться с тепловым расширением. В случае перегрева элементы пароперегревателя подвешивались к этому барабану. По сравнению с более ранними шотландскими и локомотивными котлами водотрубные котлы с уменьшенным объемом воды считались легкими и не требовали обширных опор.

Более поздняя эволюция дизайна

Водяные бочки

Первые бочки или «корыта» для воды тысячелистника имели D-образную форму с плоской трубной пластиной, чтобы обеспечить легкий монтаж трубок. Трубная пластина была прикреплена болтами к желобу и могла быть демонтирована для технического обслуживания и очистки труб.

Однако эта D-образная форма не идеальна для напорного барабана, поскольку давление будет иметь тенденцию искажать его, делая его более круглым. Опыт взрывов котлов показал, что острые внутренние углы внутри котлов также подвержены эрозии из-за образования канавок.

В более поздних котлах использовалось более закругленное сечение, несмотря на трудности вставки и герметизации концов трубок, когда они переставали быть перпендикулярными. Эти более поздние барабаны имели на концах люки для доступа.

Стоки

Циркуляция в котле Ярроу зависела от разницы температур между внутренним и внешним рядами труб блока и, в частности, от скорости кипения. Хотя его легко поддерживать на низкой мощности, котел Ярроу с более высоким давлением будет иметь меньшую разницу температур и, следовательно, будет иметь менее эффективную циркуляцию. ^[2] Этому эффекту можно противодействовать, установив внешние сливные трубы за пределами обогреваемой зоны дымохода.

Хотя большинству котлов Ярроу не требовались сливные трубы, некоторые из них были оснащены ими. ^[9]

Двухсторонние котлы

Первый двусторонний котел был построен в 1905 году для правительства Испании. Конструкция уже хорошо подходила для топки с обоих концов, и было обнаружено, что двусторонние котлы 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 поставлял их в качестве компонентов на строительные площадки с более крупными стапелями.

Пароперегреватели

Ранние котлы Ярроу не перегревались, но с появлением паровых турбин возникла потребность в более высоких температурах пара.

Асимметричные котлы

Пароперегреватель Ярроу состоял из шпилек, параллельных существующим трубкам парогенератора. Один ряд 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, а также внутренней перегородкой для разделения влажного и сухого пара. ^[10]

Вторичным эффектом пароперегревателя было увеличение разницы температур между внутренними и внешними трубами батареи, что способствовало циркуляции. Два водяных барабана часто соединялись необогреваемыми сливными трубами, чтобы обеспечить поток воды между барабанами. Этот эффект позже был реализован в котле Адмиралтейства , где трубы ряда были изогнуты в стороны, чтобы оставить место для пароперегревателя, сохранив при этом единственный водяной барабан.

Контролируемый поток

Когда-либо был установлен только один пароперегреватель, только на одной стороне котла. В самых простых и самых маленьких котлах выхлопной дымоход перемещался в эту сторону, пропуская все выхлопы через батарею с пароперегревателем. Теперь асимметричный котел мог пропускать весь выхлопной газ через перегретую сторону как однопоточный котел. ^[10] Другой берег продолжал использоваться для чисто радиационного отопления, часто с меньшим количеством рядов трубок.

В качестве альтернативы котел с «двухпоточным потоком» сохранял полный поток газа через обе стороны, хотя только в одной из них был пароперегреватель. Управляемую перегородку на неперегретой стороне можно закрыть, чтобы увеличить поток через пароперегреватель. ^[10] Эти котлы обычно включали дополнительные нагреватели питательной воды в восходящем потоке над этими перегородками. ^[10]

Адмиралтейский трехбарабанный котел

Более поздней разработкой «Ярроу» стал трехбарабанный котел Адмиралтейства , разработанный для Королевского флота в период между войнами. ^[11]^[12]

Это было во многом похоже на более поздние версии Yarrow, работающие под высоким давлением и работающие на жидком топливе. Водяные барабаны были цилиндрическими, иногда, но не всегда, использовались сливные трубы. Единственное существенное отличие заключалось в банках трубок. Вместо прямых трубок каждая трубка была в основном прямой, но изогнутой к концам. Они были установлены внутри банка двумя группами, так что между ними образовался зазор внутри банка. Внутри этого зазора размещались пароперегреватели . Преимущество размещения здесь пароперегревателей заключалось в том, что они увеличивали разницу температур между внутренними и внешними трубами батареи, тем самым стимулируя циркуляцию.

Морское использование

HMS Hornet (1893) — эсминец класса «Хавок» . HMS Havock (1893 г.) , головной корабль этого класса, был построен с использовавшейся на тот момент формой локомотивного котла , Hornet с котлом Ярроу для сравнения. ^[13]

Первые котлы «Ярроу» предназначались для небольших эсминцев и заполняли всю ширину корпуса. На первых занятиях использовались три котла, расположенные тандемно, каждый с отдельной воронкой . В более поздних комплектах, поставляемых для крупных кораблей, использовалось несколько котлов, и они часто группировались в комплекты по три, разделяя потребление.

Наземные котлы

В 1922 году Гарольд Ярроу решил использовать растущий бум производства электроэнергии в качестве рынка для Ярроуза для строительства наземных котлов.^[14] Первые котлы на электростанции Данстон и в Брайтоне были одного и того же морского образца. Что касается их военно-морского успеха, они были отмечены большой площадью лучистого обогрева и способностью быстро поднимать пар.

Большие наземные турбины требовали высокой эффективности и повышенного перегрева , поэтому морская модель была изменена на характерный наземный котел Ярроу. Это стало асимметричным. Одно крыло было увеличено и приняло большую часть потока газа. Ряды внутренних труб остались и получали лучистое тепло от печи, но затем газы проходили через один из них, через ряд пароперегревателей, а затем через дополнительный третий ряд для увеличения отводимого тепла.

Рабочее давление также возросло. При рабочем давлении 575 фунтов на квадратный дюйм в 1927 году к 1929 году экспериментальный котел работал при давлении 1200 фунтов на квадратный дюйм. ^[14]

Двигатель 10000

Только один котел «Тысячелистник» использовался в железнодорожном локомотиве, экспериментальном двигателе 10000 Найджела Гресли 1924 года для компании LNER . ^[15] Наблюдая за преимуществами более высокого давления и составных двигателей в морской практике , Гресли захотел поэкспериментировать с этим подходом на железнодорожном локомотиве . Как и в случае с наземными котлами, Гарольд Ярроу стремился расширить рынок котлов Ярроу.

Котел не был обычной конструкции Ярроу. В работе, особенно в путях циркуляции, котел имел больше общего с другими трехбарабанными конструкциями, такими как Woolnough . Его также описывают как эволюцию водотрубной топки Бротана-Деффнера , в которой топка расширена и теперь представляет собой весь котел.