Kocioł krwawnika
.jpg)
Kotły Yarrow są ważną klasą wysokociśnieniowych kotłów wodnorurowych . Zostały opracowane przez Yarrow & Co. (Londyn), Shipbuilders and Engineers i były szeroko stosowane na statkach, zwłaszcza okrętach wojennych .
Konstrukcja kotła Yarrow jest charakterystyczna dla kotła trójbębnowego : dwa rzędy prostych rur wodnych są ułożone w trójkątny rząd z pojedynczym paleniskiem między nimi. Pojedynczy bęben parowy jest zamontowany u góry między nimi, z mniejszymi bębnami wodnymi u podstawy każdego brzegu. Cyrkulacja, zarówno w górę, jak iw dół, zachodzi w obrębie tego samego zespołu rur. Charakterystycznymi cechami Krwawnika było użycie prostych rur, a także cyrkulacja w obu kierunkach w obrębie brzegu rur, zamiast korzystania z zewnętrznych spadków.
Wczesne kotły wodnorurowe
Wczesne użycie kotła wodnorurowego w Królewskiej Marynarce Wojennej było czasami kontrowersyjne, co dało początek „Bitwie kotłów” około 1900 roku. Te pierwsze kotły, takie jak Belleville i Niclausse , były konstrukcjami wielkorurowymi, z prostymi prostymi rury o średnicy około 4 cali, ustawione pod małym kątem do poziomu. Rury te były łączone w żeliwne głowice i powodowały duże problemy z przeciekami na tych złączach. W tamtym czasie zakładano, że rozszerzalność cieplna w tych prostych rurkach napinało stawy. Kotły te były również duże i chociaż były montowane na wielu pancernikach sprzed drednotów , nie można ich było zamontować na małych łodziach torpedowych i wczesnych niszczycielach , które były wówczas bardzo aktywnie rozwijane.
Aby zapewnić lżejszy kocioł dla mniejszych statków, opracowano typy „Express” . Wykorzystywały one mniejsze rurki wodne o średnicy około 2 cali, co zapewniało większy stosunek powierzchni grzewczej do objętości (i wagi). Większość z nich miała wzór trzech bębnów , szczególnie w Du Temple i Normand projekty. Dało to bardziej pionowy układ rurek wodnych, sprzyjając w ten sposób cyrkulacji termosyfonu w tych wąskich rurkach. Poprzednie problemy z rozszerzaniem się rur były nadal problemem teoretycznym, dlatego rury były albo zakrzywione, albo nawet skręcone w spinki do włosów i kształty S, aby zwiększyć powierzchnię grzewczą. W praktyce kształty te powodowały dwa dodatkowe problemy praktyczne: trudności w czyszczeniu rur, a także trudności w tworzeniu niezawodnego połączenia z bębnami na wodę, szczególnie tam, gdzie rury wchodziły do bębna pod różnymi kątami.
Kocioł wodnorurowy Yarrowa
.jpg)
Alfred Yarrow opracował swój kocioł jako odpowiedź na inne, które już opracowały kotły wodnorurowe . Był to długi proces oparty raczej na teoretycznym eksperymencie niż na ewolucji praktycznych kotłów. Prace rozpoczęto w 1877 r., a pierwszy komercyjny kocioł dostarczono dopiero 10 lat później, kuter torpedowy z 1887 r.
Pomimo tego długiego okresu ciąży, pochodzenie kotła wydaje się być najbardziej bezpośrednie. Zarejestrowano, że początkowa rozmowa Yarrowa z Williamem Crushem, szefem działu kotłów, obejmowała raczej bezpośrednie podejście i stwierdzenia Yarrowa: „Musimy się obudzić w sprawie kotłów wodnorurowych”, „Dlaczego nie taki kocioł?” (składając palce razem, jakby się modlił) i „Proste rurki?” wyraził już dwie z trzech podstawowych zasad projektowania kotła.
Proste rurki
Pierwsi projektanci rur wodnych martwili się rozszerzaniem rur kotła po podgrzaniu. Starano się umożliwić im swobodną ekspansję, zwłaszcza tak, aby te znajdujące się najbliżej pieca mogły rozszerzać się stosunkowo bardziej niż te dalej. Zwykle robiono to, układając rury w duże zapętlone krzywe, jak w przypadku kotła Thornycroft . Miały one trudności w produkcji i wymagały wsparcia w użytkowaniu.
Yarrow zauważył, że temperatura rurek wypełnionych wodą była utrzymywana na stosunkowo niskim poziomie i była taka sama między nimi, pod warunkiem, że pozostawały wypełnione wodą i nie dopuszczano do wrzenia w samych rurkach. Wysokie temperatury i wahania pojawiały się dopiero wtedy, gdy rurki wypełniły się parą, co również zakłóciło krążenie.
Doszedł do wniosku, że proste rury wodne są dopuszczalne i mają oczywiste zalety w produkcji i czyszczeniu podczas eksploatacji.
Uzyskanie rur zdolnych do wytrzymania rosnących ciśnień w kotle było trudne, a większość producentów miała już problemy ze spawami w rurach. Mniej oczywistą zaletą rur prostych było to, że można było wykorzystać nowo opracowane rury ciągnione bez szwu, obecnie produkowane do rowerów .
Eksperymenty z krążeniem Yarrowa
.jpg)
Uznano już, że kocioł wodnorurowy opiera się na ciągłym przepływie przez rury wodne i że musi to być raczej efektem termosyfonu niż niepraktycznym wymaganiem pompy.
Podgrzewane rury wodne były dużą liczbą rur o małej średnicy zamontowanych między dużymi bębnami: bębnami wodnymi poniżej i bębnami parowymi powyżej. Badania Fairbairna pokazały już, jak ważna jest średnica rury i jak rury o małej średnicy mogą z łatwością wytrzymać znacznie wyższe ciśnienie niż rury o dużych średnicach. Bębny mogły wytrzymać ciśnienie dzięki swojej solidnej konstrukcji. Zamontowane w nich włazy umożliwiały regularną kontrolę wewnętrzną.
Założono, że przepływ przez rurki wodne będzie skierowany w górę, ze względu na ich ogrzewanie przez piec, a równoważący przepływ w dół będzie wymagał zewnętrznych nieogrzewanych rur opadowych . W większości projektów rur wodnych było to kilka rur zewnętrznych o dużej średnicy od bębna parowego do bębna wodnego. Te rury o dużej średnicy stanowiły zatem problem dla 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 też przeprowadził eksperyment jedynie po to, aby zademonstrować teorię, którą już posiadał.
Pionowa rura w kształcie litery U została umieszczona tak, aby mogła być ogrzewana przez szereg palników Bunsena z każdej strony. Prosty przepływomierz wskazywał kierunek i przybliżoną siłę dowolnego przepływu przez zbiornik u góry, łącząc dwa ramiona litery U.
Gdy tylko jedna strona U była podgrzewana, w tym ramieniu rury nastąpił oczekiwany przepływ podgrzanej wody w górę.
Tradycyjna teoria przewidywała, że gdy ciepło zostanie zastosowane również do nieogrzewanego ramienia, przepływ krwi zwolni lub całkowicie się zatrzyma. W praktyce przepływ faktycznie wzrósł . Zakładając, że ogrzewanie miało pewną asymetrię, eksperyment Yarrowa wykazał, że cyrkulacja może trwać, a ogrzewanie chłodnicy opadowej może nawet zwiększyć ten przepływ.
Następnie Yarrow powtórzył eksperyment, najpierw z rurką w kształcie litery U pod małym kątem do poziomu, a na koniec z całym systemem pod ciśnieniem. Wyniki były takie same, a krążenie zostało utrzymane.
Kocioł Yarrow mógłby więc zrezygnować z oddzielnych zewnętrznych rur spustowych. Przepływ odbywał się całkowicie w podgrzewanych rurach wodnych, w górę w rurach znajdujących się najbliżej pieca i w dół przez rurki w zewnętrznych rzędach brzegu.
Opis
.jpg)
Kocioł produkcyjny Yarrow miał prostą i charakterystyczną konstrukcję, która pozostała później zasadniczo niezmieniona. Trzy bębny ułożono w trójkąt: jeden duży bęben parowy na górze i dwa mniejsze bębny na wodę poniżej. Były połączone prostymi rurami wodnymi w wielorzędowym rzędzie z każdym bębnem wodnym.
Piec umieszczono w przestrzeni między rzędami rur. Wczesne kotły były ręcznie opalane węglem, później olejem. Kocioł był zamknięty w szczelnej obudowie stalowej, wyłożonej cegłą szamotową. Wyłożone cegłą ściany końcowe tej obudowy mieściły drzwiczki paleniska lub palniki olejowe, ale nie miały powierzchni grzewczej. Pobór spalin z kotła znajdował się w środkowej górnej części obudowy, a spaliny przechodziły wokół bębna parowego. Aby zmniejszyć korozję powodowaną przez gazy spalinowe nad bębnem, czasami był on owinięty prostą osłoną deflektora. Zwykle dolna część bębnów wodnych była odsłonięta 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 więc 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 zawieszano na tym bębnie. W porównaniu z wcześniejszymi szkockimi i lokomotywowymi, kotły wodnorurowe o zmniejszonej objętości wody były uważane za lekkie i nie wymagały rozległych podpór.
Późniejsza ewolucja w projektowaniu
Bębny wodne
.jpg)
Pierwsze bębny lub „koryta” na wodę Yarrow miały kształt litery D z płaską płytą rurową, aby zapewnić łatwy montaż rur. Płyta rurkowa była 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 z eksplozjami kotłów pokazały, że ostre narożniki wewnętrzne wewnątrz kotłów były również podatne na erozję przez rowkowanie.
Późniejsze kotły wykorzystywały bardziej zaokrąglony przekrój, pomimo trudności z wkładaniem i uszczelnianiem końców rur, gdy nie były już prostopadłe. Te późniejsze bębny miały na końcach właz umożliwiający dostęp.
upadki
Cyrkulacja w kotle Yarrow zależała od różnicy temperatur między wewnętrznymi i zewnętrznymi rzędami rur banku, a zwłaszcza od szybkości wrzenia. Chociaż jest to łatwe do utrzymania przy niskich mocach, kocioł Yarrow o wyższym ciśnieniu będzie miał zwykle mniejszą różnicę temperatur, a tym samym będzie miał mniej efektywną cyrkulację. Zjawisku temu można przeciwdziałać, instalując zewnętrzne kanały opadowe, poza ogrzewanym obszarem spalin.
Chociaż większość kotłów Yarrow nie wymagała zjazdów, niektóre były w nie wyposażone.
Kotły dwustronne
Pierwszy dwustronny kocioł został zbudowany w 1905 roku dla rządu hiszpańskiego. Konstrukcja była już dobrze przystosowana do opalania z obu końców i odkryto, że kotły dwustronne były nieco bardziej wydajne w użyciu.
Stocznia Yarrowa zawsze była ograniczona pod względem wielkości statków, które mogła zbudować. Wiele z ich kotłów było przeznaczonych dla większych okrętów wojennych, a 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 rurek spinki do włosów, równoległych do istniejących rur generatora pary. Jeden rząd rur generatora został podzielony na dwie części, z osobnymi dolnymi bębnami wodnymi. Przegrzewacz umieszczono w szczelinie utworzonej między nimi, przy czym oba końce jego rur były podłączone do pojedynczego bębna głowicy przegrzewacza oraz wewnętrznej przegrody do oddzielania pary mokrej i suchej.
Wtórnym skutkiem przegrzewacza było zwiększenie różnicy temperatur między wewnętrznymi i zewnętrznymi rurami banku, pobudzając w ten sposób krążenie. Dwa bębny z wodą były często połączone nieogrzewanymi rurami opadowymi, aby umożliwić ten przepływ między bębnami. Efekt ten został później wzmocniony w kotle Admiralicji , gdzie rury banku zostały zakrzywione, aby pozostawić miejsce na przegrzewacz, zachowując jednocześnie pojedynczy bęben na wodę.
Kontrolowany przepływ
Tylko jeden przegrzewacz został kiedykolwiek zainstalowany, tylko po jednej stronie kotła. Najprostsze i najmniejsze kotły przenosiły swój kanał spalinowy na tę stronę, przepuszczając całość spalin przez zespół z przegrzewaczem. Asymetryczny teraz kocioł mógł przepuszczać wszystkie swoje spaliny przez stronę przegrzaną jako typ z pojedynczym przepływem. Drugi bank pozostawał w użyciu do ogrzewania czysto radiacyjnego, często z mniejszą liczbą rzędów rur.
Alternatywnie kocioł „dwuprzepływowy” zachowywał pełny przepływ gazu przez obie strony, chociaż tylko jedna z nich zawierała przegrzewacz. Kontrolowana przegroda po stronie nieprzegrzanej mogłaby zostać zamknięta w celu zwiększenia przepływu przez przegrzewacz. Kotły te zwykle zawierały dodatkowe podgrzewacze wody zasilającej w ciągu wstępującym nad tymi przegrodami.
Trójbębnowy kocioł Admiralicji
Późniejszym rozwinięciem Yarrow był trzybębnowy kocioł Admiralicji , opracowany dla Royal Navy w okresie międzywojennym.
Było to zasadniczo podobne do późniejszych, wysokociśnieniowych i opalanych olejem wersji Yarrow. Bębny wodne były cylindryczne, a czasami , ale nie zawsze, używano zjazdów. Jedyna istotna różnica dotyczyła banków rur. Zamiast prostych rur, każda rura była w większości prosta, ale wygięta w kierunku ich końców. Zostały one zainstalowane w dwóch grupach w banku, tak że tworzyły między nimi lukę w banku. Wewnątrz umieszczono przegrzewacze ta luka. Zaletą umieszczenia przegrzewaczy w tym miejscu było to, że zwiększały różnicę temperatur między wewnętrzną i zewnętrzną rurą banku, pobudzając w ten sposób cyrkulację.
Zastosowanie morskie
.jpg)
HMS Hornet (1893) , niszczyciel klasy Havock . HMS Havock (1893) , wiodący statek tej klasy, został zbudowany z ówczesnej formy kotła lokomotywy , dla porównania Hornet z kotłem Yarrow.
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 lejem . Późniejsze zestawy dostarczane dla statków kapitałowych wykorzystywały wiele kotłów i często były one grupowane w zestawy po trzy, dzieląc pobór.
Kotły lądowe
W 1922 roku Harold Yarrow postanowił wykorzystać rosnący boom na wytwarzanie energii elektrycznej jako rynek dla Yarrows do budowy kotłów na lądzie. Pierwsze kotły w Dunston Power Station i Brighton miały ten sam morski wzór. Jeśli chodzi o ich sukcesy na morzu, uznano je za dużą powierzchnię ogrzewania promieniującego i szybkie wytwarzanie pary.
Duże turbiny lądowe wymagały wysokiej wydajności i zwiększonego przegrzania , więc wzór morski został zmieniony na charakterystyczny lądowy kocioł Yarrow. To stało się asymetryczne. Jedno skrzydło zostało powiększone i odbierało większość przepływu gazu. Wewnętrzne rzędy rur pozostały i otrzymywały ciepło promieniowania z pieca, ale gazy przepływały następnie przez jeden z nich, przez zespół przegrzewaczy, a następnie przez dodatkowy trzeci rząd, aby zwiększyć odprowadzane ciepło.
Wzrosło również ciśnienie robocze. Od ciśnienia roboczego 575 psi w 1927 r. Do 1929 r. Eksperymentalny kocioł pracował przy 1200 psi.
Silnik 10000
W lokomotywie kolejowej zastosowano tylko jeden kocioł „Yarrow”, eksperymentalny silnik 10000 Nigela Gresleya z 1924 r. Dla firmy LNER . Zauważywszy zalety wyższych ciśnień i silników złożonych w praktyce morskiej , Gresley chciał poeksperymentować z tym podejściem w lokomotywie kolejowej . Podobnie jak w przypadku kotłów lądowych , Harold Yarrow chciał rozszerzyć rynek kotłów Yarrow.
Kocioł nie był typowym projektem Yarrowa. W działaniu, a zwłaszcza jego ścieżkach obiegowych, kocioł miał więcej wspólnego z innymi konstrukcjami trójbębnowymi, takimi jak Woolnough . Zostało to również opisane jako ewolucja paleniska wodnorurowego Brotan-Deffner , z paleniskiem rozszerzonym, aby stał się całym kotłem.