Условия работы и расчет стенок топки

Описание устройства и основные принципы работы паровозов, фотографии паровозов

Стенки топки работают в очень тяжелых температурных условиях. Температура стенок при загрязненной поверхности нагрева (накипь) может подниматься до опасных величин, в особенности опасных для медных топок, как известно теряющих часть своей прочности при нагреве уже за 140-160° С. Между прочим, постепенное уменьшение прочности стенки из красной меди при повышении температуры стенки явилось также одной из причин отказа от применения медных топок. Конечно основными причинами остаются все те же дефицитность красной меди и большой вес медных топок.

Все дальнейшие расчеты предусматривают только стальные стенки [ст.-2 (ОСТ 4134)].

Ст выпучивания и разрушения все плоские стенки топки предохраняются тем или иным способом: боковые листы, шуровочный лист и нижняя часть решетки (топка без камеры догорания) укрепляются боковыми (или распорным^) связями, потолок топки-анкерными болтами. Радиальный потолок топки укрепляется анкерными болтами, так же, как и плоский. В расчете радиального потолка на прочность влиянием выпуклости пренебрегают и рассчитывают его как плоскую стенку. В реальных условиях работы выпуклость потолка будет обусловливать только большую надежность его работы.

Потолок камеры догорания работает в тех же условиях, что и потолок топки, естественным продолжением которого он и является. Весь барабан камеры догорания, в том числе и переходные участки стенок, соединяющие потолок с нижним 'полубарабаном камеры догорания, рассчитываются так же, как плоские стенки.

Решеточный лист топки, не имеющий камеры догорания, в верхней своей (решеточной) части надежно укреплен дымогарными и жаровыми трубами. При наличии камеры догорания решетка целиком укреплена трубами.

Разбивка связей как боковых, так и в особенности анкерных, делается в основном по квадрату или прямоугольнику, близкому к квадрату. Если вся стенка имеет прямоугольный контур, то разбивка всех связей производится именно таким однотипным образом. Если же стенка имеет форму неправильного четырехугольника или вообще неправильного многоугольника, как это часто и бывает (например, отдельные участки боковых стенок топки), то на ряду с прямоугольной может иметь место и разбивка по вершинам неправильного четырехугольника.

Деформированная давлением пара плоская стенка показана (утрированно) на фиг. 64. Величину показанной на фиг. 64 выпуклости точно подсчитать невозможно, так как мы не знаем, насколько жестко связь заделана в лист: ничтожные, всегда неизбежные отступления в точности нарезки или плотности прилегания головки к стенке, наконец характер деформации листа, укрепленного по вершинам квадрата,-все эти обстоятельства делают невозможным точный подсчет величины выпуклости и, следовательно, имеющегося напряжения материала листа на изгиб.

Поэтому расчет толщины стенок топки приходится вести по формулам, в основу вывода которых положены те или иные допущения; полученные напряжения проверяются по имеющимся на существующих паровозах, долголетняяработа которых оправдала принятые величины. Заметим, что эту проверку полученных расчетом размеров следует вести по подходящим существующим паровозам, например, немецким или американским, так как последние уже давно снабжаются стальными топками. Конечно при таком сравнении учитывается разница в механических свойствах стали, применяемой для изготовления топок.

Заметим, что увеличение толщины стенок топки не всегда дает более надежную конструкцию, так как толстые стальные листы обусловливают значительную жесткость всей топки. Нагреваясь, такие листы будут испытывать большие внутренние напряжения, которые, складываясь с напряжениями от действия котлового давления, могут привести к появлению трещин.

На основании своих опытов Бах составил простую и получившую огромное распространение и у нас полуэмпирическую формулу для расчета толщины плоских стенок: __

в=сУ~р^Ть3), (4)

где:

д - толщина стенки в см;

С- опытный коэфициент; С = 0,017 (только для стенок топки); а и Ь -стороны прямоугольника разбивки связей в см; рк-котловое давление в атм. изб. При разбивке связей по квадрату (а = Ь):

в=С- С,']/2/',;. (5)

1. Условия работы и расчет стенок топки

Эти формулы пригодны для расчета плоских стенок как топки, так и кожуха, находящихся под давлением и укрепленных связями, разбитыми по прямоугольнику или квадрату. В обоих случаях выбираются лишь различные значения коэфициентов С; цифры приведены в соответствующем параграфе (2).

Если разбивка связей произведена в отдельных местах по вершинам неправильного четырехугольника, пользуются другой формулой для расчета толщины стенки:

д = 0,5С{т1 + т2)/рк, (б)

где т1 и т2-диагонали четырехугольника разбивки в см, показанные на фиг. 65. Величина коэфициента С-прежняя.

Обычно формулой (6) пользуются для проверки вариантов разбивки связей, когда толщина стенки уже определена по формулам (4) и (5). В этом случае формуле (6) придают вид:

т1 + то==-д = 8Урь =аш (7)

0.5С Уръ 0,5 - С ■ р„

Подсчитав правую часть равенства, обозначенную А, подбирают затем нужные величины диагоналей четырехугольников.

Для того, чтобы узнать приближенную величину напряженной стенки на изгиб, можно воспользоваться другой формулой Баха г:

3.6-(1-0,7Т).(Т)

о _---

Здесь:

Яь-напряжение на изгиб в кг/'см2; в существующих паровозах допущенодо 450-520 кг'см2; й-диаметр отверстия для связи (по наружному диаметру нарезки) в см; а-сторона квадрата разбивки связей в см. В заключение заметим, что иногда в старых паровозах встречаются отдельные экземпляры топок со связями, разбитыми по вершинам ромба.

1. Условия работы и расчет стенок топки1. Условия работы и расчет стенок топки
Фиг. 65.
Фиг. 66.

а будет: °ЛУЧае °ТеНКИ ПР0ИЗВ°ДИТСЯ ™™ по формул! (8), но величина

a=^-(db + bc),

Дру^^~ ™ арифметическому сторон прямоугА

Здесь А-величина диагонали de.

- k (sin а -f cosa).

1 Вывод см. М. Н. Берлов, Детали машин, вып. 3, изд. 1928 г., стр. 47.

Пользоваться формулой (8) для проверки напряжения стенки на изгиб можно и при прямоугольной разбивке связей; в этом случае стороны db и Ьс будут сторонами прямоугольника разбивки.

Итак, рассчитывая на прочность стенки топки, мы замечаем, что толщина листов находится в тесной зависимости от ч а с т о т ы расстановки связей. Обычная разбивка связей-квадрат со сторонами 10 х 10 см, хотя в очень многих местах любой топки приходится по условиям равномерности размещения связей отступать в ту или другую сторону от этих величин (в пределах 9-И1 см).

Расчет ухватного листа топки при наличии камеры догорания не производится вовсе, так как толщину листа приходится назначать не по условиям прочности работы листа на изгиб, а по условиям возможности штамповки и по величине вытяжки материала в самом процессе штамповки. Толщина 12-14 мм обычно бывает достаточной. Так, эти листы у паровозов сер. «ФД» и «ИС» имеют толщину 13 мм, у паровоза типа 2-6-1 и многих других американских-12,7. мм (Va дм).

Что касается огневой решетки, то точно обосновать расчетом ее толщину представляется также затруднительным.

Котловое давление нагружает на изгиб участки решетки между смежными дымогарными или жаровыми трубами точно так же, как и изгибает стенку топки между смежными связями. Но большой диаметр труб, в особенности жаровых, наличие узких, но хорошо прижатых к плоскости стенки буртов труб и в особенности получившая огромное распространение обварка буртов труб значительно усложняет вопрос о величине действительных напряжений в решетках.

Ориентировочный выбор толщины решетки производится по эмпирической формуле:

cJ=0,5 + -°~ms-, (10) 8

где dom,-диаметр отверстия для наибольших труб в см.

Недостатком этой формулы является отсутствие фактора, учитывающего котловое давление. Правда, последнее не столь чувствительно отзывается на толщине листа, как это мы видели из предыдущей формулы (4), где pk находилось под корнем, но все же полиостью пренебречь величиной котлового давления конечно нельзя, тем более, что котловое давление в паровозостроении имеет определенную тенденцию к росту. Поэтому, определив по формуле (10) толщину решетки, необходимо проверить найденную величину по уже известной нам формуле Баха:

r =--- . (8)

3,6.(l-0,7T)(T)

Здесь d-диаметр отверстия трубы в см, а-сторона квадрата в см (при расположении труб по вершинам квадрата), или а-среднее арифметическое из сторон прямоугольника при расположении труб по вершинам прямоугольника или ромба [формула (9)] в см.

В существующих паровозах Rb допущено до 580-600 кг/см2.

Решетку следует проверять по формуле (8) как в области дымогарных, так и в области жаровых труб,-так как обычно напряжения Rb в этих областях различны. При проверке «области> жаровых труб дымогарными трубами, расположенными между жаровыми, пренебрегают.

Все полученные расчетом толщины листов должны быть согласованы с ОСТом. Округления допускаются до 0,5 мм (в большую сторону).

⇐ | Конструктивные особенности топок мощных котлов || Конструкции паровозов || Расчет стенок кожуха топки | ⇒