Kocioł na krwawnik - Yarrow boiler
.jpg)
Kotły Yarrow to ważna klasa wysokociśnieniowych kotłów wodnorurowych . Zostały opracowane przez Yarrow & Co. (Londyn), stoczniowców i inżynierów i były szeroko stosowane na statkach, zwłaszcza okrętach wojennych .
Konstrukcja kotła Yarrow jest charakterystyczna dla kotła trójbębnowego : dwa rzędy prostych rur wodnych ułożone są w trójkątnym rzędzie z jednym paleniskiem pomiędzy nimi. Pojedynczy bęben parowy jest zamontowany u góry między nimi, a mniejsze bębny z wodą znajdują się u podstawy każdego brzegu. Cyrkulacja, zarówno w górę, jak i w dół, zachodzi w tym samym rzędzie rur. Charakterystycznymi cechami Yarrowa było użycie prostych rurek, a także cyrkulacja w obu kierunkach zachodząca w obrębie zespołu rurek, zamiast stosowania zewnętrznych rur opadowych.
Wczesne kotły wodnorurowe
Wczesne użycie kotła wodnorurowego w Royal Navy było czasami kontrowersyjne, co doprowadziło do „ bitwy kotłów ” około 1900 roku. Te pierwsze kotły, takie jak Belleville i Niclausse , były konstrukcjami wielkorurowymi, z prostymi prostymi rury o średnicy około 4 cali, pod niewielkim kątem do poziomu. Rury te zostały połączone w żeliwne nadproża i powodowały duże problemy z przeciekaniem w tych złączach. W tamtym czasie zakładano, że rozszerzalność cieplna tych prostych rur obciąża Kotły te były również duże i chociaż montowano je na wielu pancernikach przed-drednotów , nie można było ich zamontować na małych łodziach torpedowych i wczesnych niszczycielach , które były wówczas bardzo aktywnie rozwijane.
Aby zapewnić lżejszy kocioł dla mniejszych jednostek pływających, opracowano typy „Express” . Używały one mniejszych rurek wodnych o średnicy około 2 cali, co zapewniało większy stosunek powierzchni grzewczej do objętości (i wagi). Większość z nich miała wzór trójbębnowy , szczególnie projekty Du Temple i Normand . Dało to więcej pionowe ułożenie rurek wodnych, co sprzyja cyrkulacji termosyfonów w tych wąskich rurkach.Poprzednie problemy z rozszerzaniem się rurek nadal stanowiły problem teoretyczny, więc rurki były albo zakrzywione, a nawet zwinięte w spinki do włosów i kształty S, aby zwiększyć nagrzewanie W praktyce kształty te doprowadziły do dwóch innych praktycznych problemów: trudności w czyszczeniu rur, a także trudności w utworzeniu niezawodnego połączenia z bębnami z wodą, zwłaszcza tam, gdzie rury wchodziły do bębna pod różnymi kątami.
Kocioł wodnorurkowy Yarrow
.jpg)
Alfred Yarrow opracował swój kocioł jako odpowiedź na inne, które już opracowały kotły wodnorurowe . Był to długi proces oparty na teoretycznym eksperymencie, a nie na ewolucji praktycznych kotłów. Prace rozpoczęły się w 1877 roku, a pierwszy komercyjny kocioł został dostarczony dopiero 10 lat później, torpedowiec z 1887 roku.
Pomimo tak długiego okresu ciąży, początki bojlera wydają się być najbardziej bezpośrednie. Pierwsza rozmowa Yarrowa z Williamem Crushem, szefem wydziału kotłowni, zawierała raczej bezpośrednie podejście i stwierdzenia Yarrowa: „Musimy obudzić się na temat kotłów wodnorurowych”, „Dlaczego nie taki kocioł?” (składając palce, jakby się modlił) i „Proste rurki?” wyraził już dwie z trzech podstawowych zasad konstrukcyjnych kotła.
Rury proste
Wcześni projektanci rur wodnych zajmowali się rozszerzaniem rur kotła po podgrzaniu. Podjęto wysiłki, aby umożliwić im swobodne rozszerzanie się, szczególnie po to, aby osoby znajdujące się najbliżej pieca mogły rozszerzać się stosunkowo bardziej niż te dalej. Zazwyczaj odbywało się to poprzez ułożenie rur w dużych łukach pętli, jak w przypadku kotła Thornycroft . Miały one trudności w produkcji i wymagały wsparcia w użytkowaniu.
Yarrow uznał, że temperatura rurki wypełnionej wodą była utrzymywana na stosunkowo niskim poziomie i była między nimi stała, pod warunkiem, że pozostawały one pełne wody i nie dopuszczano do wrzenia w samych rurkach. Wysokie temperatury i wahania pojawiły się dopiero wtedy, gdy rury wypełniły się parą, co również zakłóciło cyrkulację.
Jego wniosek był zatem taki, że proste rurki wodne są dopuszczalne i mają oczywiste zalety w produkcji i czyszczeniu w eksploatacji.
Uzyskanie rur zdolnych wytrzymać rosnące ciśnienie w kotle było trudne, a większość producentów miała już problemy ze spawami rur. Mniej oczywistą zaletą rur prostych była możliwość wykorzystania nowo opracowanych rur ciągnionych bez szwu, które są obecnie produkowane do produkcji rowerów .
Eksperymenty z krążeniem krwawnika
.jpg)
Zrozumiano już, że kocioł wodnorurkowy opiera się na ciągłym przepływie przez rurki wodne i że musi to być raczej efekt termosyfonu niż niepraktyczne wymaganie pompy.
Ogrzewane rurki wodne składały się z dużej liczby rurek o małej średnicy zamontowanych między dużymi bębnami: bębny wodne poniżej i bębny parowe powyżej. Badania Fairbairna wykazały już, jak ważna jest średnica rurek i jak rurki o małej średnicy mogą z łatwością wytrzymać znacznie wyższe ciśnienia niż rury o dużych średnicach. Bębny mogły wytrzymać nacisk dzięki swojej solidnej konstrukcji. Zamontowane w nich włazy umożliwiały regularne przeglądy wewnętrzne.
Założono, że przepływ przez wężownice będzie w górę, ze względu na ich nagrzewanie przez piec, a równoważący przepływ w dół będzie wymagał zewnętrznych nieogrzewanych rur opadowych . W większości konstrukcji rur wodnych było to kilka rur zewnętrznych o dużej średnicy od bębna parowego do bębna z wodą. Te rury o dużej średnicy były zatem problemem pod względem niezawodności ze względu na ich sztywność i działające na nie siły.
Alfred Yarrow przeprowadził słynny eksperyment, w którym obalił to założenie. Źródła nie są jasne, czy odkrył to podczas eksperymentu, czy przeprowadził eksperyment tylko po to, aby zademonstrować teorię, którą już posiadał.
Pionową rurkę w kształcie litery U ułożono tak, aby mogła być ogrzewana przez szereg palników Bunsena z każdej strony. Prosty przepływomierz wskazywał kierunek i przybliżoną siłę dowolnego przepływu przez zbiornik w górnej części łączącej dwa ramiona U.
Gdy tylko jedna strona U była podgrzewana, oczekiwany był przepływ podgrzanej wody w tym ramieniu rury.
Kiedy ciepło zostało również doprowadzone do nieogrzewanego ramienia, konwencjonalna teoria przewidywała, że przepływ krążenia spowolni lub całkowicie się zatrzyma. W praktyce przepływ faktycznie się zwiększył . Pod warunkiem, że istniała pewna asymetria ogrzewania, eksperyment Yarrowa wykazał, że cyrkulacja może być kontynuowana, a ogrzewanie chłodniejszego kanału opadowego może nawet zwiększyć ten przepływ.
Yarrow następnie powtórzył eksperyment, najpierw z rurką w kształcie litery U pod niewielkim kątem do poziomu, a na koniec z całym systemem pod ciśnieniem. Wyniki były takie same, a krążenie zostało utrzymane.
Kocioł Yarrow mógł więc zrezygnować z oddzielnych zewnętrznych rur opadowych. Przepływ odbywał się całkowicie w ogrzewanych rurach wodnych, w górę w tych najbliżej pieca i w dół przez te w zewnętrznych rzędach banku.
Opis
.jpg)
Kocioł produkcyjny Yarrow miał prostą i charakterystyczną konstrukcję, która później pozostała zasadniczo niezmieniona. Trzy bębny ustawiono w trójkątny układ: jeden duży bęben parowy na górze i dwa mniejsze bębny na wodę poniżej. Były one połączone prostymi rurami wodnymi w wielorzędowym brzegu z każdym bębnem na wodę.
Piec został umieszczony w przestrzeni między pęczkami rur. Wczesne kotły były opalane ręcznie węglem, później olejem. Kocioł został zamknięty w szczelnej stalowej obudowie wyłożonej cegłami ogniotrwałymi. Wyłożone cegłami ściany końcowe tej obudowy mieściły drzwi przeciwpożarowe lub palniki olejowe, ale nie miały powierzchni grzewczej. Czop kominowy z kotła znajdował się w środkowej górnej części obudowy, spaliny przepływały wokół walczaka parowego. Aby zmniejszyć korozję powodowaną przez gazy spalinowe nad bębnem, czasami owijano go w prostą osłonę deflektora. Zwykle dolna część bębnów z wodą była odsłaniana na zewnątrz obudowy, ale wychodziły tylko końce bębna parowego. Poziom wody wynosił około jednej trzeciej średnicy bębna parowego, co wystarczało do zakrycia końców zanurzonych rur wodnych.
Ciężar kotła spoczywał na bębnach z wodą, a tym samym na wspornikach z pokładu paleniska. Bęben parowy był podtrzymywany tylko przez rury wodne i mógł się swobodnie poruszać z rozszerzalnością cieplną. W przypadku przegrzania elementy przegrzewacza były zawieszone na tym bębnie. W porównaniu z wcześniejszymi kotłami szkockimi i lokomotywowymi, kotły wodnorurowe o zmniejszonej objętości wody były uważane za lekkie i nie wymagały dużych podpór.
Późniejsza ewolucja w projektowaniu
Bębny wodne
.jpg)
Pierwsze beczki na wodę Yarrow lub „koryta” miały kształt litery D z płaską płytą rurową, aby zapewnić łatwy montaż rur. Płytka rurowa została przykręcona do koryta i można ją było zdemontować w celu konserwacji i czyszczenia rur.
Ten kształt litery D nie jest jednak idealny dla bębna ciśnieniowego, ponieważ ciśnienie będzie miało tendencję do zniekształcania go w bardziej okrągły przekrój. Doświadczenia wybuchów kotłów wykazały, że ostre wewnętrzne narożniki wewnątrz kotłów są również podatne na erozję w wyniku rowkowania.
Późniejsze kotły wykorzystywały bardziej zaokrąglony przekrój, pomimo trudności z wkładaniem i uszczelnianiem końców rur, gdy nie były one już prostopadłe. Te późniejsze bębny miały na końcach właz umożliwiający dostęp.
Spadek
Cyrkulacja w kotle Yarrow zależała od różnicy temperatur pomiędzy wewnętrznym i zewnętrznym rzędem rurek, a zwłaszcza od szybkości wrzenia. Chociaż jest to łatwe do utrzymania przy niskich mocach, kocioł Yarrow o wyższym ciśnieniu będzie miał tendencję do mniejszej różnicy temperatur, a tym samym będzie miał mniej efektywną cyrkulację. Efektowi temu można przeciwdziałać poprzez zapewnienie zewnętrznych kanałów opadowych, poza ogrzewaną strefą kominową.
Chociaż większość kotłów Yarrow nie wymagała instalacji opadowych, niektóre zostały w nią wyposażone.
Kotły dwukierunkowe
Pierwszy kocioł dwukierunkowy został zbudowany w 1905 roku dla rządu hiszpańskiego. Konstrukcja była już dobrze przystosowana do opalania z obu stron i odkryto, że kotły z podwójnymi końcami były nieco bardziej wydajne w użyciu.
Stocznia Yarrowa zawsze była ograniczona wielkością statków, które mogła zbudować. Wiele z ich kotłów było przeznaczonych dla większych okrętów wojennych i Yarrow dostarczał je jako komponenty na place budowy z większymi pochylniami.
Przegrzewacze
.jpg)
Wczesne kotły Yarrow nie były przegrzewane, ale wraz z wprowadzeniem turbin parowych pojawiło się zapotrzebowanie na coraz wyższe temperatury pary.
Kotły asymetryczne
Przegrzewacz Yarrow składał się z rur w kształcie szpilki, równoległych do istniejących rur generatora pary. Jeden rząd rur generatora został podzielony na dwie części, z indywidualnymi dolnymi bębnami z wodą. Przegrzewacz został umieszczony w szczelinie utworzonej pomiędzy nimi, z obydwoma końcami jego rur połączonych z pojedynczym bębnem przegrzewacza oraz wewnętrzną przegrodą w celu oddzielenia pary mokrej i suchej.
Wtórnym efektem działania przegrzewacza było zwiększenie różnicy temperatur między rurami wewnętrznymi i zewnętrznymi banku, co sprzyjało cyrkulacji. Dwa bębny z wodą były często połączone nieogrzewanymi kanałami opadowymi, aby umożliwić przepływ między bębnami. Efekt ten został później wzmocniony w kotle Admiralicji , w którym rury banku zostały wygięte, aby pozostawić miejsce na przegrzewacz, jednocześnie zachowując pojedynczy bęben na wodę.
Kontrolowany przepływ
Zainstalowano tylko jeden przegrzewacz, tylko po jednej stronie kotła. Najprostsze i najmniejsze kotły przesunęły czopuch na tę stronę, przepuszczając całość spalin przez wał z przegrzewaczem. Kocioł obecnie asymetryczny może przepuszczać wszystkie spaliny przez stronę przegrzaną jako kocioł z pojedynczym przepływem. Drugi zespół był używany do ogrzewania czysto radiacyjnego, często z mniejszą liczbą rzędów rur.
Alternatywnie kocioł „podwójny przepływ” utrzymywał pełny przepływ gazu przez obie strony, chociaż tylko jeden z nich zawierał przegrzewacz. Kontrolowana przegroda po stronie nieprzegrzanej może być zamknięta w celu zwiększenia przepływu przez przegrzewacz. Kotły te zwykle zawierają dodatkowe podgrzewacze wody zasilającej w ciągu wstępnym nad tymi przegrodami.
Kocioł Admiralicji trzybębnowy
Późniejszym rozwinięciem Yarrowa był trójbębnowy kocioł Admiralicji , opracowany dla Royal Navy w okresie międzywojennym.
Było to zasadniczo podobne do późniejszych, wysokociśnieniowych i opalanych olejem wersji Yarrowa. Bębny wodne były cylindryczne i czasami , ale nie zawsze, używano bębnów. Jedyna znacząca różnica dotyczyła pęczków rur. Zamiast prostych rur, każda rura była w większości prosta, ale zakrzywiona w kierunku ich końców. Zostały one zainstalowane w dwóch grupach w banku, tworząc lukę między nimi w banku. Wewnątrz tej szczeliny umieszczono przegrzewacze. Zaletą umieszczenia tu przegrzewaczy było to, że zwiększały one różnicę temperatur między wewnętrzną i zewnętrzną rurą zbiornika, co sprzyjało cyrkulacji.
Zastosowanie morskie
.jpg)
HMS Hornet (1893) , niszczyciel klasy Havock . HMS Havock (1893) , statek wiodący tej klasy, został zbudowany z ówczesnej formy kotła lokomotywy Hornet z kotłem Yarrow dla porównania.
Pierwsze kotły Yarrow były przeznaczone dla małych niszczycieli i wypełniały całą szerokość kadłuba. We wczesnych klasach stosowano trzy kotły ustawione w tandemie, każdy z osobnym lejkiem . Późniejsze zestawy dostarczane do statków kapitałowych wykorzystywały wiele kotłów, które często były pogrupowane w zestawy po trzy, dzielące absorpcję.
Kotły lądowe
W 1922 roku Harold Yarrow postanowił wykorzystać rosnący boom na wytwarzanie energii elektrycznej jako rynek dla Yarrows do budowy kotłów lądowych. Pierwsze kotły, w Dunston Power Station i Brighton , miały ten sam wzór morski. Jeśli chodzi o ich sukces na morzu, uznano je za posiadanie dużego obszaru ogrzewania promiennikowego i szybkie wytwarzanie pary.
Duże turbiny lądowe wymagały wysokiej wydajności i zwiększonego przegrzania , więc wzór morski został zmieniony na charakterystyczny lądowy kocioł Yarrow. Stało się to asymetryczne. Jedno skrzydło zostało powiększone i otrzymało większość przepływu gazu. Wewnętrzne zespoły rur pozostały i odbierały ciepło promieniowania z pieca, ale gazy przepływały następnie przez jeden z nich, przez zespół przegrzewaczy, a następnie przez dodatkowy trzeci zespół, aby zwiększyć odprowadzane ciepło.
Wzrosły również ciśnienia robocze. Od ciśnienia roboczego 575 psi w 1927 r. do 1929 r. eksperymentalny kocioł działał przy 1200 psi.
Silnik 10000
Tylko jeden kocioł „Yarrow” był używany w lokomotywie kolejowej, eksperymentalnym silniku 10000 Nigela Gresleya z 1924 roku dla firmy LNER . Po zaobserwowaniu korzyści płynących z zastosowania silników o wyższym ciśnieniu i sprzężonych w praktyce morskiej , Gresley chciał poeksperymentować z tym podejściem w lokomotywie kolejowej . Podobnie jak w przypadku kotłów lądowych , Harold Yarrow chciał rozszerzyć rynek na kocioł Yarrowa.
Kocioł nie był zwykłym projektem Yarrowa. W eksploatacji, a zwłaszcza w kanałach cyrkulacyjnych, kocioł miał więcej wspólnego z innymi konstrukcjami trójbębnowymi, takimi jak Woolnough . Został również opisany jako ewolucja paleniska wodnorurowego Brotan-Deffner , z rozciągniętą skrzynią, aby stać się całym kotłem.