Kotel řebříčku -Yarrow boiler

Kotle Yarrow jsou důležitou třídou vysokotlakých vodotrubných kotlů . Byly vyvinuty Yarrow & Co. (Londýn), Shipbuilders and Engineers a byly široce používány na lodích, zejména válečných .

Konstrukce kotle Yarrow je charakteristická pro tříbubnový kotel : dvě řady rovných vodních trubek jsou uspořádány v trojúhelníkové řadě s jedním topeništěm mezi nimi. Jeden parní buben je namontován nahoře mezi nimi, s menšími vodními bubny na základně každého bloku. Cirkulace, a to jak nahoru, tak dolů, probíhá v rámci stejné banky trubic. Charakteristickým rysem Yarrow bylo použití přímých trubek a také cirkulace v obou směrech, která se odehrávala uvnitř trubky trubek, spíše než použití externích svodů.

Rané vodotrubné kotle

Časné použití vodního trubkového kotle v rámci královského námořnictva bylo občas kontroverzní, což dalo vzniknout „ bitvě kotlů “ kolem roku 1900. Tyto první kotle, jako Belleville a Niclausse , byly velkotrubkové konstrukce s jednoduchým přímým trubky o průměru kolem 4" pod malým úhlem k vodorovné rovině. Tyto trubky byly spojeny do litinových sběračů a způsobovaly velké problémy s netěsnostmi v těchto spojích. V té době se předpokládalo, že tepelná roztažnost těchto rovných trubek namáhá Tyto kotle byly také velké, a přestože byly vybaveny mnoha bitevními loděmi před dreadnoughty , nemohly být namontovány na malé torpédové čluny a rané torpédoborce, které byly tehdy ve velmi aktivním vývoji.

Pro zajištění lehčího kotle pro menší nádoby byly vyvinuty typy 'Express' . Používaly menší vodní trubky o průměru asi 2 palce, což dávalo větší poměr ohřívací plochy k objemu (a hmotnosti). Většina z nich byla tříbubnového vzoru , zejména konstrukce Du Temple a Normand . vertikální uspořádání vodních trubek, čímž se podporuje termosifonová cirkulace v těchto úzkých trubicích. Předchozí problémy s rozpínáním trubek byly stále teoretickým problémem, a proto byly trubky buď zakřivené, nebo dokonce stočené do vlásenek a tvaru S, aby se zvýšilo zahřívání V praxi tyto tvary vyvolaly další dva praktické problémy: potíže s čištěním trubek a také potíže s vytvořením spolehlivého spoje do vodních bubnů, zejména tam, kde trubky vstupovaly do bubnu pod různými úhly.

Vodotrubný kotel Yarrowův

Alfred Yarrow vyvinul svůj kotel jako odpověď na ostatní, kteří již vyvinuli vodotrubné kotle . Byl to dlouhý proces založený spíše na teoretickém experimentu než na vývoji praktických kotlů. Práce začaly v roce 1877 a první komerční kotel byl dodán až o 10 let později, torpédový člun z roku 1887.

Přes toto dlouhé těhotenství se zdá, že původ kotle byl nejpřímější. První rozhovor Yarrowa s Williamem Crushem, vedoucím oddělení kotlů, je zaznamenán tak, že zahrnoval poměrně přímý přístup a Yarrowova prohlášení: "Musíme se probudit ohledně vodotrubných kotlů", "Proč ne kotel jako je tento?" (přiloží prsty k sobě, jako by se modlil) a "Přímé trubky?" již vyjádřil dva ze tří základních konstrukčních principů kotle.

Rovné trubky

Raní konstruktéři vodních trubek se zabývali rozpínáním trubek kotle při zahřívání. Bylo vynaloženo úsilí, aby se jim umožnilo volně expandovat, zejména tak, aby se ti, kteří jsou nejblíže pece, mohli roztahovat relativně více než ti vzdálenější. Typicky se to provádělo uspořádáním trubek ve velkých smyčkových křivkách, jako u kotle Thornycroft . Ty měly potíže při výrobě a vyžadovaly podporu při používání.

Řebříček rozpoznal, že teplota zkumavky naplněné vodou byla udržována relativně nízko a byla konzistentní mezi nimi, za předpokladu, že zůstaly plné vody a v trubicích samotných nebylo dovoleno dojít k varu. Vysoké teploty a kolísání se objevily pouze tehdy, když se trubky naplnily párou, což také narušilo cirkulaci.

Jeho závěr byl tedy takový, že rovné vodní trubky jsou přijatelné a mají zjevné výhody pro výrobu a čištění v provozu.

Získání trubek schopných odolat rostoucím tlakům kotlů bylo obtížné a většina výrobců již měla problémy se svary v trubkách. Méně zřejmou výhodou rovných trubek bylo, že mohly využívat nově vyvinuté bezešvé tažené trubky, které se nyní vyrábějí pro výrobu jízdních kol .

Experimenty s řebříčkovým oběhem

Již bylo zjištěno, že vodní trubkový kotel se spoléhá na kontinuální průtok vodními trubkami a že to musí být způsobeno termosifonovým efektem, spíše než neprakticky vyžadovat čerpadlo.

Vyhřívané vodní trubky byly velké množství trubek malého průměru namontovaných mezi velkými bubny: vodní bubny dole a parní bubny nahoře. Fairbairnovy studie již ukázaly důležitost průměru trubky a to, jak malé průměry trubek mohly snadno odolat mnohem vyšším tlakům než velké průměry. Bubny mohly odolat tlaku díky své robustní konstrukci. Šachty na nich osazené umožňovaly pravidelnou vnitřní kontrolu.

Předpokladem bylo, že průtok vodními trubkami bude vzhledem k jejich ohřevu pecí směrem nahoru a že vyvažující sestupný tok bude vyžadovat vnější nevyhřívané svodiče . Ve většině konstrukcí vodních trubek to bylo několik vnějších trubek o velkém průměru z parního bubnu do vodního bubnu. Tyto trubky o velkém průměru tak představovaly problém pro spolehlivost kvůli jejich tuhosti a silám, které na ně působí.

Alfred Yarrow provedl slavný experiment, kde tuto domněnku vyvrátil. Zdroje nejsou jasné, zda to objevil během experimentu, nebo experiment provedl pouze proto, aby demonstroval teorii, kterou již zastával.

Vertikální trubka ve tvaru U byla uspořádána tak, aby mohla být ohřívána řadou Bunsenových hořáků na každé straně. Jednoduchý průtokoměr ukazoval směr a přibližnou sílu jakéhokoli průtoku skrz nádrž v horní části spojující dvě ramena U.

Když byla ohřívána pouze jedna strana U, došlo k očekávanému vzestupu toku ohřáté vody v tomto rameni trubky.

Když bylo teplo aplikováno také na nevyhřívanou paži, konvenční teorie předpovídala, že cirkulační tok se zpomalí nebo úplně zastaví. V praxi se průtok skutečně zvýšil . Za předpokladu, že došlo k určité asymetrii ohřevu, Yarrowův experiment ukázal, že cirkulace může pokračovat a ohřev chladnějšího spádového potrubí může tento průtok dokonce zvýšit.

Yarrow poté experiment opakoval, nejprve s U-trubicí pod malým úhlem k horizontále, nakonec s celým systémem pod tlakem. Výsledky byly stejné a oběh byl zachován.

Kotel Yarrow se tak mohl obejít bez samostatných externích svodů. Proudění bylo zcela uvnitř vyhřívaných vodních trubek, nahoru v těch nejblíže k peci a dolů skrz ty ve vnějších řadách břehu.

Popis

Výrobní kotel Yarrow měl jednoduchý a výrazný design, který poté zůstal v podstatě nezměněn. Tři bubny byly uspořádány do trojúhelníkové formace: jeden velký parní buben nahoře a dva menší vodní bubny dole. Byly spojeny rovnými vodními trubkami ve víceřadé bance s každým vodním bubnem.

Pec byla umístěna v prostoru mezi trubkami. V dřívějších kotlích se spalovalo ručně uhlí, později olej. Kotel byl uzavřen v utěsněném ocelovém plášti vyloženém šamotovými cihlami. Koncové stěny tohoto pláště vyzděné z cihel ukrývaly krbová dvířka nebo žaluzie olejových hořáků, ale neměly žádnou topnou plochu. Sací kouřovod z kotle byl ve středu horní části pláště, výfukové plyny procházely kolem parního bubnu. Aby se snížila koroze ze spalin nad bubnem, byl někdy zabalen do jednoduchého deflektorového pláště. Obvykle byla spodní část vodních bubnů odkryta mimo plášť, ale vycházely pouze konce parního bubnu. Hladina vody byla přibližně v jedné třetině průměru parního bubnu, což stačilo k pokrytí konců ponořených vodních trubek.

Váha kotle spočívala na vodních bubnech, a tedy na podpěrách z paluby topeniště. Parní buben byl podepřen pouze vodními trubkami a mohl se volně pohybovat s tepelnou roztažností. Při přehřátí byly přehřívací prvky zavěšeny na tomto bubnu. Ve srovnání s dřívějšími skotskými a lokomotivními kotli byly vodotrubné kotle se sníženým vodním objemem považovány za lehké a nevyžadovaly rozsáhlé podpěry.

Pozdější evoluce v designu

Vodní bubny

První vodní bubny nebo „žlaby“ Yarrow byly ve tvaru D s plochou trubkovnicí, aby bylo možné trubky snadno namontovat. Trubkovnice byla přišroubována ke žlabu a mohla být demontována pro údržbu a čištění trubky.

Tento tvar D však není ideální pro tlakový buben, protože tlak bude mít tendenci jej deformovat do kruhovitější části. Zkušenosti s výbuchy kotlů ukázaly, že ostré vnitřní rohy uvnitř kotlů byly také náchylné k erozi v důsledku drážkování.

Pozdější kotle používaly zaoblenější část, a to i přes obtížnost vkládání a utěsnění konců trubek, když už nebyly kolmé. Tyto pozdější bubny měly na koncích průlez pro přístup.

Svodiče

Cirkulace v kotli Yarrow závisela na teplotním rozdílu mezi vnitřní a vnější řadou trubek banky a zejména na rychlostech varu. Zatímco toto je snadné udržovat při nízkých výkonech, vyšší tlakový kotel Yarrow bude mít tendenci mít menší teplotní rozdíl, a proto bude mít méně efektivní cirkulaci. Tomuto efektu lze čelit umístěním externích svodů mimo vyhřívanou oblast kouřovodu.

Přestože většina kotlů Yarrow nevyžadovala svodiče, některé jimi byly vybaveny.

Oboustranné kotle

První oboustranný kotel byl postaven v roce 1905 pro španělskou vládu. Konstrukce byla již vhodná pro odpalování z obou konců a bylo zjištěno, že oboustranné kotle byly při použití o něco efektivnější.

Yarrowova loděnice měla vždy omezenou velikost lodí, které mohla postavit. Mnohé z jejich kotlů byly určeny pro větší válečné lodě a Yarrow je dodával jako komponenty na stavební dvory s většími skluzy.

Přehříváky

Rané kotle Yarrow nebyly přehřívány, ale se zavedením parních turbín se objevil požadavek na stále vyšší teploty páry.

Asymetrické kotle

Přehřívák Yarrow sestával z vlásenkových trubek, paralelních se stávajícími trubkami parního generátoru. Jedna řada trubek generátoru byla rozdělena na dvě, pro ně byly samostatné spodní vodní bubny. Přehřívák byl umístěn v mezeře vytvořené mezi nimi, přičemž oba konce jeho trubek byly připojeny k jedinému bubnu sběrače přehříváku a vnitřní přepážce pro oddělení mokré a suché páry.

Sekundárním účinkem přehříváku bylo zvýšení teplotního rozdílu mezi vnitřními a vnějšími trubkami banky, čímž se podpořila cirkulace. Dva vodní bubny byly často spojeny nevyhřívanými svody, aby bylo umožněno proudění mezi bubny. Tento efekt byl později podporován v kotli Admirality , kde byly trubky banky zakřiveny, aby ponechaly prostor pro přehřívač, přičemž zůstal zachován jediný vodní buben.

Řízený průtok

Vždy byl instalován pouze jeden přehřívák, pouze na jedné straně kotle. Nejjednodušší a nejmenší kotle přesunuly svůj výfukový kouřovod na tuto stranu a všechny výfukové plyny prošly přes banku s přehřívačem. Nyní asymetrický kotel mohl propouštět všechny své výfukové plyny přes přehřátou stranu jako typ s jedním průtokem. Druhý břeh zůstal v použití pro čistě sálavé vytápění, často s méně řadami trubek.

Alternativně si „dvouproudý“ kotel zachoval plný průtok plynu oběma stranami, ačkoli pouze jedna z nich obsahovala přehřívák. Řiditelná přepážka na nepřehřívané straně by mohla být uzavřena pro zvýšení průtoku přehřívákem. Tyto kotle obvykle zabudovávaly přídavné ohřívače napájecí vody do tahu nad těmito přepážkami.

Tříbubnový kotel Admirality

Pozdějším vývojem z Yarrow byl tříbubnový kotel Admirality , vyvinutý pro Royal Navy mezi válkami.

To bylo v podstatě podobné pozdějším, vysokotlakým a olejovým verzím Yarrow. Vodní bubny byly válcové a někdy, ale ne vždy, se používaly svodiče . Jediný větší rozdíl byl v bankách trubek. Spíše než rovné trubky byla každá trubka většinou rovná, ale zalomená směrem ke svým koncům. Ty byly instalovány ve dvou skupinách v rámci banky tak, že mezi nimi v rámci banky tvořily mezeru. Uvnitř této mezery byly umístěny přehříváky . Výhodou umístění přehřívačů zde bylo, že zvyšovaly teplotní rozdíl mezi vnitřní a vnější trubkou banky, čímž podporovaly cirkulaci.

Námořní použití

HMS  Hornet  (1893) , torpédoborec třídy Havock . HMS  Havock  (1893) , vedoucí loď třídy, byla postavena s tehdy aktuální podobou lokomotivního kotle Hornet s kotlem Yarrow pro srovnání.

První kotle Yarrow byly určeny pro malé torpédoborce a vyplňovaly celou šířku trupu. V raných třídách se používaly tři kotle uspořádané v tandemu, každý se samostatným trychtýřem . Pozdější sady dodávané pro kapitálové lodě používaly více kotlů a ty byly často seskupeny do sad po třech, které sdílely příjem.

Pozemní kotle

V roce 1922 se Harold Yarrow rozhodl využít rostoucí boom výroby elektřiny jako trh pro Yarrows k výstavbě pozemních kotlů. První kotle v Dunston Power Station a Brightonu byly stejného námořního vzoru. Pokud jde o jejich námořní úspěch, byli uznáváni za to, že mají velkou sálavou topnou plochu a rychle zvyšovali páru.

Velké pozemní turbíny vyžadovaly vysokou účinnost a zvýšené přehřátí , takže námořní vzor byl revidován na charakteristický suchozemský kotel Yarrow. To se stalo asymetrickým. Jedno křídlo bylo zvětšeno a přijímalo většinu proudu plynu. Skupiny vnitřních trubek zůstaly a přijímaly sálavé teplo z pece, ale plyny pak proudily přes jednu z nich, přes přehřívač, pak přes další třetí banku, aby se zvýšilo odebrané teplo.

Zvýšil se i pracovní tlak. Od pracovního tlaku 575 psi v roce 1927 byl v roce 1929 experimentální kotel provozován na 1 200 psi.

Motor 10000

V železniční lokomotivě byl použit pouze jeden kotel "Yarrow", experimentální Engine 10000 Nigela Gresleyho z roku 1924 pro společnost LNER . S pozorováním výhod vyšších tlaků a složených motorů v námořní praxi , Gresley chtěl experimentovat s tímto přístupem v železniční lokomotivě . Stejně jako u pozemních kotlů , Harold Yarrow chtěl rozšířit trh pro kotle Yarrow.

Kotel nebyl obvyklým provedením Yarrow. V provozu, zejména svými cirkulačními cestami, měl kotel více společného s jinými tříbubnovými konstrukcemi, jako je Woolnough . Byl také popsán jako evoluce topeniště Brotan-Deffner s vodními trubkami, přičemž topeniště bylo rozšířeno tak, aby se stalo celým kotlem.

Reference