Барабаны котла

Описание устройства и основные принципы работы паровозов, фотографии паровозов

Цилиндрическая часть котла является основной его частью, заполненной на определенную высоту жаровыми и дымогарными трубами. Размещение, количество и размеры последних определяют диаметр и длину цилиндрической части. После того, как в результате теплового расчета окончательно выбраны размеры и точно установлено количество труб, производят их разбивку на задней и передней решетках котла и очерчивают окружностями разбивочные площади так, чтобы с боков и снизу разбивки передней решетки были нужные зазоры (не меньше 55-70 мм, считая от стенки трубы до стенки барабана).

Диаметр заднего барабана бывает обычно несколько больше переднего, и зазоры между крайними трубами и стенкой барабана здесь также увеличиваются (65-85 мм). Учтя затем длину труб, намечают длину цилиндрической части. При наличии камеры догорания конструирование цилиндрической части котла начинается с ориентировочной разбивки труб на задней решетке; при этом выясняется самый контур решетки и затем диаметр заднего барабана. Наличие камеры догорания обычно вызывает необходимость постановки одного из барабанов, выполненного в виде усеченного конуса. В этом случае нижние дымогарные трубы местами могут проходить очень близко к головкам заклепок поперечных швов цилиндрических барабанов. Расчертив расположение нижних труб, необходимопроверить, насколько близко подходят трубы к заклепкам; минимальное расстояние, при котором еще оказывается возможным надежное удаление накипи из этих участков,-40-45 мм.

Вся цилиндрическая часть котла составляется из нескольких (чаще всего два-четыре) барабанов, вдвинутых один в другой на глубину, необходимую для образования двух- или трехрядного поперечного заклепочного шва.

Наилучшим является соединение барабанов так, чтобы передний барабан (у дымогарной коробки) входил во второй, второй-в третий ит. д. В этом случае мы имеем постепенно увеличивающийся к кожуху топки диаметр барабанов; соответственно увеличивается и объем водяного и парового пространств. В том месте, где мы имеем наиболее напряженную работу котла, у топки, и диаметр барабанов оказывается наибольшим. При наличии камеры догорания, когда в заднем барабане (ближайшем к топке) располагается барабан камеры догорания, задний барабан должен быть в особенности большим по сравнению с передним, так как между полубарабаном камеры догорания и барабаном котла должен быть, как мы уже знаем, минимальный зазор в 140- ПО мм, и кроме того нижние ряды дымогарных труб не должны подходить ближе чем на 40-45 мм к наружной образующей барабана камеры догорания, как это показано на фиг. 105. Поэтому обычные барабаны в котлах с камерами догорания имеют увеличенный водяной объем в нижней части всех барабанов. Между тем вода в этом месте является инертной, не получающей тепла непосредственно от площади нагрева и потому не принимающей участия в непосредственной работе котла (испарение). На фиг. 105 показано, что задние участки нижних дымогарных труб отстоят от стенки барабана на расстоянии

1. Барабаны котла
Фиг. 105.

(40 + 140)-з-(45+ 180)= 180-^225 мм. Чтобы не делать столь значительной высоты водяного объема по всей длине котла, очень часто в котлах, имеющих камеры догорания, и применяют конические барабаны. Наличие конического барабана удачно разрешает, как показано на фиг. 105, вопрос об уменьшении нижнего водяного объема в передней части котла.

При наличии конического барабана оказывается возможным уменьшить диаметры передних барабанов котла и,, следовательно, облегчить вес его.

Облегчение веса получается, во-первых, за счет меньшего объема воды, во-' вторых, за счет меньшего диаметра передних барабанов и, в-третьих, за счет соответственно меньшей толщины стенки барабанов; толщина последней зависит от диаметра барабана.

Конические барабаны широко применяются и в наших мощных паровозах, и в паровозах США. По расположению продольной средней оси конического барабана различают три случая, показанные на фиг. 106. Первый случай-барабан с горизонтальной средней осью, второй-с поднимающейся к передней части котла, так что верхняя образующая конуса располагается горизонтально, и третий-с осью, наклонной вниз; в этом случае нижняя образующая конуса_горизонтальная. Первый способ образования конического барабана несколько проще с технологической точки зрения, так как развертка барабана производится-как и всякого прямого усеченного конуса. Недостатком такого барабана является уменьшение парового пространства в передней части котла. Так как американцы ставят сухопарный колпак не впереди котла, как это обычно мы делаем до сих пор, а по середине длины его, уменьшение парового пространства котла в передней части последнего не является недостатком их конструкций, тем более, что» и парообразование в передней части котла наименее интенсивно. Для нашего же принятого пока расположения сухопарника уменьшение парового пространства в передней части котла, т. е. там, где помещается сухопарник, конечно нежелательно.

1. Барабаны котла
Фиг. 106.

Вторая и третья конструкции конического барабана несколько сложнее в изготовлении. Здесь мы имеем наклонное положение оси конуса и вертикальное расположение секущих плоскостей А-А и Б-Б. Развертка конуса, т. е. контур плоской фигуры, из которой свертывается в дальнейшем барабан, определяется по правилам начертательной геометрии. Для соединения конического барабана со смежными цилиндрическими у первого производятся подсадка большого основания и раздача малого. Эта операция производится в специальных штампах (до недавнего времени-вручную) при местном нагреве. Все поперечные'заклепочные швы оказываются расположенными таким образом на цилиндрических поверхностях, что облегчает «обладку» швов и кромок листов.

При расположении конического барабана по второму варианту мы имеем достаточно большой и почти не уменьшающийся паровой объем в передней части котла. Это, как видно из предыдущего, наилучший вариант размещения конуса, применяемый в котлах паровозов сер. «ФД» и «ИС» (см. фиг. 44).

Третий вариант наименее удачен и имеет незначительное распространение; барабан по третьему способу установлен лишь на некоторых крупнейших американских паровозах, когда по габаритным соображениям приходится сухопарный колпак делать очень небольшой высоты, располагая его на коническом барабане: только такое расположение барабанов позволяет поставить дымовую трубу, и то с трудом вписав ее в габарит. При такой конфигурации цилиндрической части приходится располагать камеру догорания сравнительно близко к нижней стенке барабана, и кроме того нижние ряды дымогарных труб располагать горизонтально, без всякого, даже самого незначительного, их подъема к передней части котла. О необходимости подъема труб сказано ниже, в соответствующем параграфе.

Конический барабан должен быть расположен по возможности ближе к топке, так как это дает наибольшее облегчение веса котла. При небольших камерах догорания, когда они сравнительно недалеко заходят в задний барабан котла, американцы размещают конический барабан у самой топки, как показано на фиг. 107. Здесь экономия веса наибольшая, хотя применение короткой камеры догорания вызывает сомнение в самой целесообразности ее постановки.

Если в современных мощных котлах наличие постепенно уменьшающихся к передней части котла барабанов (так называемое телескопическое соединение барабанов) может считаться вполне обоснованным и во всяком случае вполне установившимся, то на многих паровозах старых серий и даже на паровозах сер. «С» и части паровозов сер. «Су» это требование не соблюдалось. Вообще говоря, в старинных котлах стремились сохранить примерно одинаковый диаметр всех барабанов. Этим объясняются применявшиеся раньше соединение барабанов встык и наличие попарно одинаковых диаметров четырех барабанов котла паровозов сер. «Ов», показанных схематически на фиг. 108.

На паровозах сер. «С» и большей части паровозов сер. «Су» цилиндрическая часть составлена тремя барабанами, из которых средний имеет наименьший диаметр и вдвигается в передний и задний барабаны.

1. Барабаны котла
Фиг. 107.

Телескопическое соединение барабанов имеет еще и то положительное качество, что при спуске воды из котла последняя сливается целиком, в то время как у паровозов сер. «С», «Су» и «Ов» несколько застаивается в передних барабанах (у паровозов сер. «Ов»-в первом и третьем).

Увеличение диаметра переднего барабана котла на некоторых старых паровозах связывалось иногда со стремлением увеличить диаметр дымовой коробки, чтобы сделать последнюю более удобной и просторной для помещения находящихся в ней деталей, обеспечивая вместе с тем свободный проход газов сгорания. Это увеличение диаметра переднего барабана невсегда полностью достигало цели, и дымовую коробку приходилось соединять с передним барабаном при посредстве массивного прокладного кольца.

1. Барабаны котла
Фиг. 108.

Число барабанов должно быть по возможности небольшим, с тем, чтобы уменьшить число заклепочных швов котла. Если не представляет .затруднений получать из прокатных мастерских листы любой длины, практически необходимой для постройки котлов любых диаметров, то по ш и р и н е листов, т. е. по длине барабанов, имеются очень жесткие ограничения. В США катают листы шириной до 3,7 м и даже больше; мы пока ограничены шириной, как максимум, 2,7 м.

Паровозы сер. «ФД» и «ИС» имеют листы барабанов шириной не свыше 2 307 мм.

Заметим, что при составлении спецификации на котельную сталь нужно обязательно определить ширину листа для конического барабана. Развертка последнего схематически показана на фиг. 109, из которой видно, что ширина листа В значительно больше длины конического барабана в. Это обстоятельство заставляет при конструировании барабанов назначать соответственно уменьшенную длину конического барабана, в особенности если размеры листов всех барабанов близки к предельным для прокатных устройств наших заводов.

Сокращение числа барабанов-чрезвычайно желательное мероприятие в эксплуатационном отношении, так как швы барабанов, в особенности поперечные, иногда дают течь.

Количество барабанов котла на всем протяжении развития паровоза в течение целого ряда десятилетий остается как бы стабильным,-три-четыре, имея тенденцию во многих случаях постройки современных паровозов падать до двух. Это объясняется увеличением длины валков и мощности современных прокатных станов. В Англии, Германии и США ряд небольших паровозов, уже не говоря о мелких промышленных, имеет цилиндрическую часть, свернутую изодного листа. Цилиндрическая часть котлов паровозов сер. «Э», заказанных в Германии, была изготовлена не из трех барабанов (см., например, фиг. 4), а из двух. Паровозы сер. «Су» последних выпусков также имеют цилиндрическую часть котлов из двух барабанов. ; '

При наличии полукруглого потолка кожуха топки задний барабан обычно имеет форму, показанную на фиг. ПО. Вырез в нижней части делается для вклепки ухватного листа; вся конструкция соединения видна на фиг. 44 и 46. Для ясности изображения на фиг. 110 дан продольный разрез барабанов котла и передней части кожуха, при чем ухватный лист не показан вовсе. На этой фигуре ясно видно то место, где располагается ухватный лист и где он соединяется внахлестку с задним барабаном.

Продольные швы барабанов необходимо располагать в верхней части барабана, желательно -за пределами водяного пространства, так как в этом случае швы не так подвержены разъеданию котельной водой и вообще закипанию. Для удобства соединений смежных барабанов продольные швы на них делают вразбежку, не располагая их один против другого.

Если поперечные швы барабанов делаются двух- и трехрядными внахлестку, то продольные швы, работающие в очень тяжелых условиях из-за огромных величин действующих в них усилий, делаются всегда в стык с двумя накладками. В современных котлах, с давлением пара в 15-18 атм и диаметром барабанов до 2,2 м и более, приходится обращать серьезное внимание на выбор типа и расчет шва. Если шаг и диаметр заклепок являются типовыми и расчет шва производится всецело согласно правилам и формулам, даваемым в общем курсе деталей машин, то о выборе типа шва нужно сказать несколько слов.

Прежде всего укажем, что до сих пор продольные швы барабанов паровозных котлов делаются клепаными; сварные швы пока как правило не практикуются, за исключением опытных цельносварных котлов. Огромные усилия, развивающиеся в продольных швах, и в особенности значительные толщины свариваемых листов, вызывающие необходимость наложения многослойных швов, с неизбежными внутренними напряжениями в самом шве, как уже указано раньше, заставляют крайне осторожно решать вопрос о сварке продольных швов барабанов. Но преимущества сварки перед клепкой заставляют работать над внедрением цельносварных котлов. Ворошиловградский завод впервые выпускает несколько паровозов сер. «ФД» со сваоными котлами.

1. Барабаны котла
Фиг. 110.

В виду того, что в современных больших котлах приходится принимать все меры к облегчению веса барабанов, нужно стремиться к всемерному увеличению коэфициента прочности заклепочного шва, как наиболее слабого места каждого клепаного барабана. У всякого клепаного шва этот коэфициент всегда меньше единицы. Обычно применяются многорядные швы с двумя накладками, у которых коэфициенты прочности наибольшие, порядка 0,8-0,91. Например, если на паровозах сер. «Эу» и« Су» мы имеем трехрядные продольные швы (точнее 21/а-рядные), то уже на паровозах сер. «ФД» и «ИС», а также и на паровозах сер. «ТА» мы имеем четырехрядные продольные швы, как показано на развертке швов на фиг, 44. На этой фигуре показаны типы и устройство всех швов котла.

1. Барабаны котла

Для получения высококачественного шва соединяемые в стык продольные кромки барабанов провариваются или во всю длину, или на расстоянии 300- 350 мм, считая от торцов барабана. Помимо большей надежности работы шва, это позволяет отказаться от применения ласок (ласка - оттяжка углов листов с постепенным уменьшением до нуля толщины листа) на накладках и тем самым значительно упростить сборку котла. Ласки всегда делались у швов котлов наших старых паровозов, и лишь применение сварки позволило отказаться от них. При клепальных работах без применения сварки ласки оказывались нужными для того, чтобы пропустить внутреннюю широкую накладку (фиг. Ill, I, а) между соединяемыми внахлестку барабанами (б и в фиг. 111,1). Внутренняя накладка а заканчивалась оттянутыми концами, сходившими на-нет.

Применение сварки кромок значительно упрощает форму накладок, облегчает пригонку их, ускоряет и удешевляет сборку котла. Накладки в этом случае имеют простой контур, близкий к прямоугольному.

Стремление уменьшить количество отдельных деталей цилиндрической части котла вместе с необходимостью увеличения надежности работы их побудило объединить в одно изделие внутренние накладки продольных швов с различными подклепками котла (под сухопарный колпак и др.). Фиг. 44 ясно показывает сложные контуры таких накладок. Так, на этой фигуре (паровозы сер. «ФД» и «ИС») показана внутренняя накладка переднего барабана, изготовленная за одно целое с подклепкой сухопарника; внутренняя накладка третьего барабана изготовлена за одно целое с подклепкой лаза.

Что касается продольного шва четвертого барабана, показанного на той же фиг. 44, то здесь применены для одного и того же соединения кромок барабана различные типы швов: на участке барабана, снабженном радиальными анкерными болтами, придающими, как мы знаем, значительную прочность самому барабану, применен простой двухрядный шов (правда, нарезанные концы анкерных болтов, проходя через барабан и внутреннюю накладку, как бы дают третий ряд «заклепок»), за пределами же анкерных болтов мы имеем уширяющиеся накладки и обычный четырехрядный шов.

Наконец укажем, что в нижней части одного или нескольких барабанов к целому месту снаружи приклепываются поперечные накладки, служащие для устройства гибких подбрюшников котла. Так, у паровозов сер. «Э » сделана одна накладка (на среднем барабане), у паровозов сер. «ИС»-три, у паровозов сер. «ФД»-четыре. Эти накладки и способ их крепления показаны на фиг. 44. О целесообразности и необходимости постановки гибких подбрюшников котла сказано в главе «Укрепление котла на раме».

Перейдем к вопросу о материале, из которого изготовляются барабаны котла, и к расчету их на прочность.

Материал, из которого изготовляются листы барабанов, так же, как и других частей котла (за исключением топок)-ст.-2 по ОСТ 4133. За границей получает распространение легированная сталь с присадком никеля (Германия, Англия) или силиция (США). Присадок силиция (кремния), практикуемый американцами, несколько повышает крепость стали и значительно уменьшает разъеда ние (коррозию) стенок котельной водой. Это позволяет значительно уменьшить расчетный запас стенок на износ-почти до нуля и тем самым еще более облегчить котел.

Положительные результаты применения силициевой стали 1 в США (а также и на паровозах сер. «ТА», барабаны которых изготовлены из этой стали) заставляют форсировать разрешение вопроса о применении этой стали в котлах нашей постройки.

При расчете барабанов надо учитывать ослабление их заклепочным швом и допускать определенный запас прочности в наиболее слабом месте, т. е. в шве. Кроме того учитывается и износ котельной стенки от коррозии при работе котла.

Представим себе тонкостенный барабан с образующей длиной в 1 см диаметром £> 8 см, нагруженный изнутри давлением пара, которое, как известно,

распределено равномерно по всей поверхности барабана. При такой нагрузке барабан может разорваться по диаметральной плоскости (например АВ, см. фиг. 112). Разрывающее усилие, равное сумме проекций всех элементарных давлений, нормальных к поверхности барабанана линию, перпендикулярную диаметру АВ, равно, как известно, ркхОт, где рк - давление пара в кг/см2.

Напряжение в верхней и нижней стенках на разрыв по целому месту:

Я =-£- = _£■• Р'" . (37)

1. Барабаны котла

По этой формуле можно рассчитывать тонкостенные барабаны, изготовленные притом из мягкой (с большим удлинением) стали. В этом случае можно предположить, что все сечение стенки имеет одинаковые напряжения на разрыв, т. е. расчетное усилие нагружает на разрыв всю толщу металла. В виду этого предположения и нужно применять для изготовления котлов очень мягкую и вязкую сталь.

При расчете толщины стенки формуле (37) придают вид:

<?= Р*-Ч&_т (37')

Обычно во всех расчетах барабанов котлов оперируют не допускаемым напряжением, а запасом прочности, что позволяет, во-первых, выбирать те или иные марки мягкой стали для изготовления котла без соответствующих пересчетов допускаемого напряжения, и, во-вторых, при этом удобно сравнивать прочность тех или иных котлов.

Если аер-временное сопротивление и п-запас прочности, то:

О - °'Р

А2----,

П

и формула для определения толщины стенки приобретает вид:

6= Рк ■ °™ ' " (38)

По этой формуле, зная величины п, вообще говоря, уже можно рассчитать стенку барабана. Если мы рассчитываем сварной барабан, то формула (38) является расчетной, при условии конечно, что сварной продольный шов будет иметь прочность не меньшую, чем по целому листу, и, кроме того, толщина листа будет несколько увеличена на износ котельной водой.

1 У нас часто силицневая сталь не вполне правильно называется «силиконовой» сталью.

Окончательно формула для расчета толщины стенки клепаного барабана напишется так:

6= Рх' °т ' " + С. (39) 2 • а,р ■ <р

В этой формуле:

Ц,м - внутренний диаметр барабана в см; п - запас прочности, принимаемый равным 3,8-^-4,0 при современных методах клепки;

авР - временное сопротивление стали (ст.-2), принимаемое согласно ОСТ: 0-^ = 3400^-4 200 кг/см2 в расчетах следует брать <твр=3 850 кг/см2; <р-коэфициент прочности шва, равный 0,7 - 0,91, в зависимости оттипа шва; рк-давление в котле в кг/см2; С - увеличение толщины стенки на износ:

С = 0,15 см для ст.-2 и С ^ 0,00 -ч- 0,05 см для силициевой стали (принято в США).

Полученную толщину б нужно увязать с ОСТом; отклонения допускаются в ±0,5 мм. Частично согласование с ОСТом может быть произведено за счет изменения слагаемого С (в узких пределах). Заметим, что при проектировании паровоза с конденсацией мятого пара вполне возможно запас на износ уменьшить почти до нуля и для ст.-2, так как питание котла дистиллированной водой, не содержащей в себе солей, оказывает чрезвычайно благоприятное влияние на сохранность стенок.

Практически стенка барабана получается в пределах 15-28 мм.

Для сварных барабанов принимают коэфициент прочности шва <р = \ (т. е. шов равнопрочен с целым сечением листа). Расчетная формула в этом случае преобразовывается:

6 = Рк' °т ' " + С. (40)

2<гвр

При расчете конического барабана под Двя подразумевается наибольший внутренний диаметр его, так как именно здесь во время работы возникают наибольшие разрывающие усилия.

⇐ | Лапчатые, наклонные и поперечные связи; продольные тяжи и контрфорсы || Конструкции паровозов || Сухопарник | ⇒