Перегревательные элементы

Описание устройства и основные принципы работы паровозов, фотографии паровозов

Общие сведения об элементах Шмидта, Чусова и Элеско

Как указано раньше, на паровозах пользуются почти исключительным распространением элементы трех названных систем. Старейшим из них и до сих пор вполне конкурентоспособным является элемент Шмидта, схематическое расположение которого показано на фиг. 243, лит. а.

Элемент Шмидта-четырехтруб ный, двухоборотный, так как в жаровой трубе расположены четыре элементных трубки, при чем пар делает в. жаровой трубе два оборота (две петли).

Элемент Чусова (фиг. 243, лит.б) шеститрубный, однооборотный, труба от коллектора перед самым входом в жаровую трубу разветвляется на три тонких трубки; по всем трем мы имеем параллельное движение пара. Сделав один оборот (одну петлю), трубки по выходе из жаровой трубы соединяются опять в одну трубу, присоединяемую к коллектору.

Эти две системы применяются на всех без исключения наших старых паровозах с перегревом пара. Элементы Шмидта составляются из более крупных труб (обычно 36/29 мм, хотя этот размер в ОСТ не вошел) по сравнению с элементами Чусова (обычно 24/18 мм, тоже не ОСТовский размер, см. ниже). Наиболее подходящий диаметр жаровых труб для* обоих перегревателей-133/125 мм при расстоянии между решетками не свыше 5,5 м. Разница в количестве получаемого паром тепла в обоих элементах настолько велика, что, несмотря на вдвое более длинный путь пара в элементах Шмидта, последние дают перегрев несколько ниже, чем элементы Чусова, как об этом детально говорится в «Тепловом процессе паровоза». Но больший размер труб элементов Шмидта все же оказывается чрезвычайно положительным моментом в эксплуатации паровоза и то, что проигрывается на тепловом кпд паровоза, с избытком окупается большей надежностью их работы, меньшими простоями паровоза и стоимостью ремонта таких перегревателей.

3. Перегревательные элементы
Фиг. 243.

Элементы Чусова, раздробляющие струю пара на три тонких струи, дают более высокий перегрев, но малый диаметр трубок обусловливает их сравнительно быстрое закипание и перегорание, в особенности при плохой жесткой воде.

Этот недостаток элементов Чусова, оказавшийся настолько серьезным, что перегреватели этой системы перестали применяться на вновь строящихся серийных паровозах (сер. «СО» и «СУ»), не имеет места при применении конденсации отработавшего пара.

В США фирмой Элеско был предложен элемент (названный по имени фирмы), заводящийся сразу в четыре жаровых трубы,-см. фиг. 243, лит.в, но имеющий в каждой трубе только по одной петле. Заметим, что для ясности схемы все четыре жаровых трубы расположены в одной плоскости. Рассматривая фиг. 243, лит. в, мы видим, что здесь элемент выполнен как бы дублированным, при чем каждая половина элемента представляет собой разновидность элемента Шмидта, расположенного в двух жаровых трубах. Элемент Элеско может быть назван восьмитрубным двухоборотным элементом, размещающимся в четырех жаровых трубах. Именно в таком выполнении элементы Элеско получили значительное распространение в США.

Основным достоинством элементов Элеско считалась большая надежность кх работы, возможность обойтись без постановки крупных жаровых труб, требующихся для элементов Шмидта и Чусова, очень жестких и несколько ослабляющих решетки, возможность постановки в котел жаровых и дымогарных труб приближающихся друг к другу диаметров, некоторое облегчение выхода пузырьков пара из водяного пространства котла (шахматная разбивка жаровых труб).

Вместе с тем существенным дефектом этих элементов являются затруднения в получении достаточно высокого перегрева; это заставляет ставить в котел значительное количество элементных трубок, и все же приходится мириться с несколько пониженным перегревом (не выше 360-390° С). Пониженный перегрев объясняется значительным экранированием элементных трубок относительно холодной стенкой жаровой трубы.

Учитывая перечисленные выше положительные качества элементов Элеско, мы пока оборудуем наши мощные паровозы сер. «ФД» и «ИС» такими перегревателями. Стремление повысить экономичность паровозов, и в особенности мощных, заставляет изыскивать для них новые разновидности перегреватель-ных элементов - типа Шмидта или Чусова с измененными размерами. Так, если серийные паровозы сер. «ФД» и «ИС» выпускаются в настоящее время с жаровыми трубами 89/82,5 мм и диаметр трубок Элеско равен 30/24 мм, то уже выпущено несколько паровозов сер. «ФД» с широкотрубным перегревателем (Чусова). Тепловой подсчет и произведенные испытательные поездки показывают целесообразность постановки такого перегревателя. Элементные трубы этих паровозов имеют размер 30/24, жаровые 152/143 мм (40 штук).

В заключение укажем, что ведомственным стандартом НКПС предусматривает 6952\

ваются только три стандартных ^ньшс/92) ДиаметРа элементных труб (мате-

/ ОСТ 6388 \

риал \Тштг1---27Г")'■ 29/23> 35/28 и 38/31 мм-

Устройство элементов

Общее расположение элементов систем Шмидта и Чусова, их размеры и устройство в применении к паровозам сер. «Эу» показаны на фиг. 244 и 245.

Расположение элементных трубок в жаровых трубах показаны на поперечных разрезах. Для уменьшения засаривания жаровых труб средняя ось пучка элементных труб должна быть расположена несколько выше продольной оси жаровой трубы.

3. Перегревательные элементы

По длине элементы не доходят до заднего конца жаровой трубы примерно на 0,35-0,5 м, при чем задние петли элементных труб делаются несколько смещенными одна относительно другой по длине элемента. Это облегчает проток газов по жаровой трубе, уменьшая их завихрение.

3. Перегревательные элементы
Фиг. 246. Фиг. 247.

На фиг. 246 и 247 показано сечение жаровой трубы с расположенными в нейэлементами Шмидта и Чу-сова. Фиксирование показанных на этих чертежах расстояний между элементными трубами и общего положения их в жаровой трубе производится различными типами скобок и распорок, показанных на тех же чертежах.

Если у Шмидта элементная труба присоединяется тем или иным способом непосредственно к коллектору,то в элементах Чусова необходимо сделать разветвление потока пара на три струи. Прежде для этого разветвления применялись громоздкие и мало рациональные «соединительные коробочки», в которые ввертывались и заваривались как конец соединительной трубы, так и концы трех элементных мелких трубок. Соединительные коробочки изготавливались отливкой или штамповкой, обходились дорого; в работе они оказались недостаточно удовлетворительными, создавая большие завихрения пара. Из соединительных коробочек отметим лишь сверленую коробочку системы П. И. Петрова, показанную на фиг. 248. Стоимость такой сверленой коробочки ниже, чем.

3. Перегревательные элементы

Фигизготовленных другими способами, но особенно рациональной ее нельзя признать.

Наиболее рациональным устройством разветвления оказалось цельносварное соединение, показанное на фиг. 249. Здесь в соединительной трубе делаются два отверстия с последующей косой разверткой; конец соединительной трубы обжимается настолько, чтобы ее внутренний диаметр оказался равным наружному диаметру элементной трубы. Приваркой элементных труб, как показано на фиг. 249, получается очень надежная конструкция, получившая исключительное распространение в элементах Чусова. При тщательной пригонке труб и аккуратной заварке завихрения пара здесь ничтожны.

Перегреватель, состоящий из элементов Элеско, частью показан на фиг. 162-163, изображающей дымовую коробку паровозов сер. «ФД» и «ИС». На основной проекции показаны передние концы элементов, на поперечной видно размещение элементов в решетке. Ромбами очерчены четыре смежных жаровых трубы, обслуживающие один элемент х. Отдельно элемент Элеско для паровозов «ФД» и «ИС» изображен на фиг. 250, на которой показано и размещение элемента в четырех смежных жаровых трубах.

Что касается задних концов (колпачков) элементов всех рассматриваемых систем, то здесь применяется целый ряд различных способов соединения труб (петли); это-одно из самых ответственных мест перегревателя, и на нем нужно остановиться несколько подробнее.

Задняя петля элемента образуется или приваркой колпачка, внутренний канал которого повертывает струю на 180°, или же этот колпачок образуется непосредственной сваркой концов труб.

Задние колпачки прежде отливались из стали (марки ст. л.-1), обходились очень дорого (большой брак такого мелкого фасонного литья) и отличались,

3. Перегревательные элементы

громоздкостью, заполняя собой большую часть сечения жаровой трубы и вызывая тем самым добавочное сопротивление проходу газов и ее быстрое засари-вание. Штамповка колпачков-более рациональный способ их изготовления, хотя стоимость штампованных колпачков очень высока. На фиг. 251 показан такой штампованный колпачок. Изготовление колпачка насчитывает целый ряд. операций (фиг. 252): отрезок заготовки (сортовая сталь) 7 штампуется в чашку 2, несколько затем сплющиваемую (дет. 3). Борты этой сплющенной чашки в своей средней части прижимаются один к другому (дет. 4), при чем для получения

1 По американской терминологии элементы, поставленные на паровозах сер. «ФД», «ИС», «ТА» и «ТЕ», называются «Элеско, тип Е». Так как иные типы элементов Элеско-не характерны ни с тепловой, ни с эксплуатационной стороны, они не получили у нас распространения и нами не рассматриваются.

правильных круглых отверстий (для труб) перед этой операцией в чашку вставляют две оправки, по диаметру равные элементным трубам.

Значительно более дешевый и рациональный способ изготовления заднихсверленых колпачков предложен П. И. Петровым. Такой колпачок показан на фиг. 253. Легкость изготовления и дешевизна этого колпачка обусловили широкое его распространение: Во-рошиловградский и б. Брянский заводы (а одно время и Сормовский) изготовляли целый ряд лет такие колпачки для своих паровозов.

Колпачки Петрова изготовляются простой штамповкой болванки-корпуса-с последующей сверловкой каналов под углом, как показано на фиг. 253. Концы элементных труб при этом должны быть несколько загнуты навстречу один другому; это последнее обстоятельство, во-первых, облегчает сварку элементных труб, так как колпачок прочно сам держится с на месте; во-вторых, почти не с5 вызывает загромождения жаро-с вой трубы, так как колпачок © получается очень компактным (фиг. 254). ,

В месте поворота струи в самом колпачке, конечно, неизбежны завихрения из-за наличия острых кромок каналов, но площадь сечения канала здесь значительно увеличена, и тем самым завихрения дают незначительное торможение пара.

Стенка колпачка, обращенная навстречу топочным газам, должна иметь достаточную толщину («запас на износ», т. е. на обгорание). Износ здесь очень велик, так как, помимо «теплового» износа (обгорания), здесь имеется и механический-из-за беспрестанной бомбардировки стенки колпачка летящими ку-- сочками угля, к тому же горячими. Для получения долговечного элемента толщина «лобовой» стенки колпачка должна быть не меньше 13-20 мм. В штампованных колпачках, и в особенности в колпачках Петрова, это утолщение может быть получено без труда.

Заметим, что за последнее время предложена разновидность сверленых колпачков Петрова, где заготовка еще больше упрощается по контуру и приближается к простейшей трапеции (фиг. 255). Предварительного изгиба труб здесь не требуется. В виду того, что изгиб труб во всех мастерских производится всегда самыми элементарными средствами без всяких затруднений, большим достоинством колпачка отсутствие изгиба труб считаться не может. Зато габарит колпачка здесь больше; особых других технологических или эксплуатационных преимуществ эта конструкция не имеет.

3. Перегревательные элементы

До самого последнего времени соеди-нениял<олпачками имели самое широкое распространение. Правда, делались длительные попытки изготовления элементов Шмидта или Чусова непосредственной сваркой в стык изогнутых и косо срезанных концов трубок, но положительных регультатов эти способы не дали; изготовление таких петель элементов теперь запрещено. Глубокая обсадка концов труб, производившаяся

3. Перегревательные элементы
Фиг. 255. на горизонтально-ковочных ма шинах, оказывалась неудовлетворительной по качеству; уменьшить обсадку было невозможно, так как толщина стенки недостаточно осаженной трубы была не велика и элементы оказывались недолговечными.

За самое последнее время, начиная примерно с 1934 г., в СССР новым

Ворошиловградским заводом освоен новый для нас процесе изготовления задней петли элемента-к узнечным способом. Обсадка материала получается достаточной, сварной шов-прочным и работа элементов-вполне удовлетворительной. Этот способ уже ряд лет освоен за границей, и там все крупнейшие мастерские по изготовлению перегревательных элементов перешли на этот способ. На фиг. 256 показаны разные стадии изготовления соединения. Две параллельныетрубы зажимаются в обоймах на Нужном расстоянии одна от другой и после нагрева до сварочного жара вкладываются концами в горизонтально-ковочную машину (Аякс), где за один удар штампов получается распарывание, развертывание и кузнечная сварка развернутых на определенной глубине стенок, как показано на втором справа эскизе фиг. 256. Заметим, что стенки обеих труб здесь не разрезаются, а распарываются нажимающим на них штампом с полукруглой лобовой кромкой. Это дает нужную осадку материала и надежную сварку также и в полукруглой стыковой поверхности начального участка сварки (откуда начинаются цилиндрические трубы). Это-сложная операция, долго не удававшаяся на Ворошиловградском заводе. Для лучшего уяснения операции на фиг. 257, лит. а, дается перспективный эксиз разреза заготовки петли в том виде, как она выходит после этой основной операции, и на фиг. 257, лит. б, -эскиз бойка штампа, заходящего внутрь труб и распарывающего их стенки.

3. Перегревательные элементы
Фиг. 256.

Вторая и третья операции (третий и четвертый справа эскизы на фиг. 256)- подкатка на фасонных роликах сваренного конца. Здесь стенки получают увеличенную толщину. Затем заготовка колпачка несколько расплющивается для того, чтобы по ширине колпачок лишь немного выдавался за контур двух элементных труб и таким образом не загромождал жаровой трубы. Наконец, среднее небольшое отверстие заваривается. Утолщение лобовой стенки здесь получается также очень большое, до 20 мм; элемент долговечен.

3. Перегревательные элементы
Фиг. 257.

Присоединение элементов к коллектору

Если задний колпачок элемента является одной из самых ответственных частей перегревателя, то укрепление элемента к коллектору является другим ответственным местом всего перегревателя. Опыт показывает, что в эксплуатациипаровоза элемент иногда настолько пригорает к стенкам жаровой трубы, что как бы заклинивается в ней, и все его температурные деформации поглощаются в основном передним концом элемента, в месте его укрепления в камере коллектора. Поэтому применявшийся издавна способ укрепления элемента на плоских медных прокладках, показанный на фиг. 258, не давал положительных результатов из-за часто происходившего парения в местах соединения элементов с коллектором.

Заметим, что укрепление концов соединительных труб в колодках осуществлялось развальцовкой. £

Для обеспечения некоторой подвижности соединительных труб без нарушения герметичности в США уже ряд лет с успехом применяют шаровые наконечники соединительных труб, по типу показанных на фиг. 259. Здесь наконечник соединительной трубы осажен на Аяксе и обточен по шару. Это хороший, но сложный по своей технологии способ соединения. Старые заводы (Сормово) еще с 1925 г. делали попытки глубокой осадки крупной соединительной трубы Чусова, но неудачно. Многократные испытания элементов с нарощенными наконечниками (приварка, развальцовка) оказались также неудачными из-за обрывов труб, и заводам даже пришлось временно вернуться к самому старому, мало удовлетворительному креплению труб на плоских прокладных кольцах.

Предложенное машинистом Рязанцевым втулочное «коническое» соединение элементов с коллектором оказалось довольно рациональным. На фиг. 260 показаны два варианта крепления элементов: справа-соединительные трубы развальцовываются в колодке, и коническая втулка зажата в соединительную трубу; слева - соединительная труба приваривается к колодке, и коническая втулка вставляется непосредственно в колодку.

Соединение по способу Рязанцева получает широкое распространение как на вновь строящихся паровозах, так и на проходящих заводский ремонт.

3. Перегревательные элементы
Фиг. 259.

Заметам, что соединение по способу Рязанцева является хорошим лишь по сравнению со всеми другими старыми способами. В настоящее время Воро-шиловградский завод осваивает соединение по американскому способу-на сферических цельнокованых наконечниках, имеющих несколько более:

3. Перегревательные элементы
Фиг. 260.

простую для изготовления форму (с относительна меньшим диаметром шара), чем применявшиеся раньше. Новый сферический наконечник, требующий меньшей осадки материала, показан на левой нижней проекции фиг. 250. Временно завод ставит приваренные наконечники,недающие-впол-не надежного присоединения.

В заключение укажем, что болты, крепящие колодку к коллектору, имеют в наших старых конструкциях квадратную головку со скошенными в виде шипа двумя параллельными гранями для заведения в паз плиты коллектора (см. например фиг. 259 и 260). Иногда для уменьшения станочной обработки (строжка) применяются шпильки, наглухо ввернутые снизу в плиту коллектора. В обоих случаях плита коллектора должна иметь большую толщину (45" мм) для возможности наде-жно*укрепить в ней болт или шпильку.

"Более совершенным является применение сквозных болтов, проходящих через весь коллектор. Здесь большая длина затянутого болта дает некоторое упругое его удлинение, благоприятно влияющее на длительность герметичного соединения. Кроме того, сквозные болты позволяют уменьшить толщину нижней плиты коллектора до 30 мм, не увеличивая при этом толщины верхней плиты.

Сквозные болты всегда снабжаются Т-образными головками, удерживающими болты от провертывания при затягивании гайки. Существуют два способа постановки болтов: первый способ-головкой вниз (как, показано на фиг 261,

3. Перегревательные элементы
Фиг. 261.

Т-образная головка болта входит в неглубокий поперечный паз колодки). Сверху под гайку болта подкладываются сферические шайбы для устранения изгиба болта при его перекосах. Подтягивание соединений по такому способу может быть осуществлено сверху дымовой коробки.

В США большое распространение успело получить менее рациональное в эксплуатации паровоза расположение Т-образной головки болта-сверху коллектора. В этом случае с боков щелей делаются небольшие прямоугольные выступы-платики, показанные в виде целого ряда мелких прямоугольников на фиг. 232. Между этими платиками располагается Т-образная головка болта, удерживающая его от провертывания.

Материал болтов и гаек-ст.-5. Гайка для облегчения отвертывания делается или глухой (с колпачком) или открытой обыкновенной, но в этом случае болт делается такой длины, чтобы он не выступал за пределы гайки.

Камерные перегреватели

Расположение перегревательных элементов в жаровых трубах все же имеет некоторые недостатки, и главным из них является зависимость степени перегрева пара от форсировки котла, невозможность иегулировки перегрева пара. Инж.

3. Перегревательные элементы
Фиг. 261а.

Пирин предложил и осуществил (опытный паровоз сер. «Е») иной тип перегревателя-«камерный», несколько напоминающий старинные камерные перегреватели1, но имеющий ряд преимуществ.

Основная идея этого перегревателя-вынесение элементов за пределы цилиндрической части котла и обогревание их отдельным газовым потоком.

На фиг. 261а показана схема устройства котла паровоза с перегревателем Пирина.

Под цилиндрической частью котла размещаются две больших продольных камеры, одна из которых попала в разрез фиг. 261а. Эти камеры, заполненные элементами перегревателя, обогреваются потоками газов, выходящих из топки через дополнительные отверстия в ухватном и решеточном листах. Отверстия по своему конструктивному выполнению напоминают кольцо О'Конора.

В камерах располагаются внутренние элементы и периферийные, как это обозначено на схеме. Газы сгорания, выйдя из камер, попадают в дымовую коробку перегревателя и далее выходят в особую дымовую трубу. Дымовых труб две: первая-для отвода газов из камер перегревателя, а вторая-из дымогарных труб.

Пар из котла поступает по паропроводу в камеру насыщенного пара периферийного коллектора, входит в периферийные элементы, частично перегревается в них и возвращается в камеру перегретого пара этого же коллектора. Далее по трубе пар переходит в коллектор внутренних элементов, перегревается до высокой температуры в этих элементах, и, наконец, через регулятор перегретого пара по трубам уходит в цилиндры.

Два типа элементов (внутренние и периферийные) применены как для получения высокого перегрева, так и для облегчения условий работы изоляционного материала стенок камер.

Для регулирования газового потока могут быть применены заслонки в дымовой коробке, хотя установленная доля газов, которая должна итти в камеры (со 35%), может быть получена путем подбора диаметра входного отверстия и учета гидравлического сопротивления как дымогарных труб, так и заполненных элементами камер перегревателя.

Перегреватель Пирина может дать очень высокий перегрев, ограничиваемый только по условиям смазки золотников и поршней (пока не свыше 420-440° С). Положительным качеством перегревателя является также возможность уменьшения диаметра цилиндрической части котла из-за вынесения элементов за ее пределы. Здесь основная трубчатая часть котла работает по своему прямому назначению-и с п а р я е т воду. Уменьшение диаметра котла в особенности окажется желательным при переходе на повышенное давление, когда котел большого диаметра получается очень тяжелым.

Заметим, что переделанный паровоз сер. «Е» имеет углубленную на 550 мм топку, котел очень высоко поднят над уровнем рельса (3 600 мм). Последнее является недостатком расположения перегревателя под котлом, так как наши мощные паровозы с трудом вписываются в габарит подвижного состава и без камерного перегревателя. Конечно, вынесение элементов за пределы цилиндрической части позволит несколько уменьшить диаметр последней, но вряд ли вписывание в габарит особенно облегчится. Во всяком случае перегреватель Пирина представляет собой оригинальное разрешение вопроса как в тепловом отношении (высокий перегрев, почти независимый от режима), так и в конструктивном.

РАЗДЕЛ Д. ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ (ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ) ОБОРУДОВАНИЕ КОТЛА

ГЛАВА XIII

ПРИБОРЫ ПИТАНИЯ КОТЛА ПОДОГРЕТОЙ ВОДОЙ

⇐ | Перегревательные коллекторы || Конструкции паровозов || Приборы питания котла подогретой водой. Общие сведения | ⇒