Полный текст книги
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 3
Глава 1. Однодисковая паровая турбина 5
Глава 2. Одноцилиндровая паровая машина с парораспределением через вал кривошипа 23
Глава 3. Одноцилиндровая паровая машина с качающимся цилиндром 35
Глава 4. Расчет паровой машины и парового котла 50
Добровольное общество содействия армии, авиации и флоту (Досааф) в своих организациях широко развивает морской моделизм. Тысячи юношей и девушек — членов Досаафа — с огромным интересом строят самоходные, парусные и настольные модели кораблей и судов. Чтобы сделать моделизм массовым, выявить наиболее интересные конструкции, комитеты Общества ежегодно проводят соревнования, смотры, выставки. Для того, чтобы уравнять возможности соревнующихся, разработана и утверждена Единая всесоюзная классификация моделей. Большинство моделей согласно Классификации является самоходным, т. е. таким, которое снабжено различными двигателями.
Особенно интересно строить самоходные морские модели с паровыми двигателями. Изготовляя такую модель, моделист-конструктор не только приобретает навыки, но и познает основы техники.
Паровые двигатели шмеют широкое применение в нашем народном хозяйстве. Они устанавливаются на пароходах, паровозах, паровых автомобилях, приводят в движение генераторы на электростанциях.
Занимаясь постройкой миниатюрных паровых машин, юный конструктор должен помнить, что паровой двигатель — русское изобретение. Его сконструировал и построил в 1765 году в Барнауле, на Алтае, наш соотечественник — выдающийся изобретатель Иван Иванович Ползунов. Много трудностей пришлось пережить русскому изобретателю в борьбе за свою идею: «облегчить труд по нас грядущим». Сам вычерчивал, сам рас-считывал свою паровую машину Иван Иванович Ползунов, самому ему ее пришлось и строить. Однако запустить и испытать свою машину изобретателю так и не пришлосп. В результате чрезмерного и непосильного труда и без того слабое здоровье И. И. Ползунова сильно подточилось, и в 1766 году великий русский изобретатель скончался. Его работу продолжили ученики и последователи.
В 1766 году машина И. И. Ползунова была пущена в ход и проработала, приводя в движение воздуходувки 12 медеплавильных печей, несколько лет.
Сейчас даже трудно себе представить многие отрасли промышленности и транспорта без парового двигателя.
Большое распространение получила паровая машина и в моделировании.
Глава 1
ОДНОДИСКОВАЯ ПАРОВАЯ ТУРБИНА КОНСТРУКЦИЯ ТУРБИНЫ
Самым простым по конструкции паровым двигателем является однодисковая паровая турбина.
Основными элементами установки являются паровой котел и паровая турбина (рис. 1).
Паровой котел представляет собой закрытый сосуд, заполненный приблизительно на две трети объема водой. Под котлом помещается топка.
Принцип действия установки следующий. Вода, находящаяся в котле, подогревается пламенем и преобразовывается в пар. По мере образования пара количество его увеличивается и давление в котле повышается. Пар под давлением начинает поступать в паропровод и затем в сопло турбины.
Сопло паровой турбины представляет конус с очень маленьким входным отверстием. Пар, попадая через маленькое отверстие в часть сопла, имеющую больший диаметр, расширяется и его давление падает, при этом сильно возрастает его скорость. При выходе из сопла пар почти не имеет давления, но зато выходит из него с большой скоростью.
Таким образом, становится совершенно ясным значение сопла — преобразовывать энергию давления пара в энергию скорости.
При выходе из сопла пар встречает на пути лопаточки паровой турбины и, ударяясь о последние, вращает диск паровой турбины. Для лучшего использования энергии выходящего пара лопаточки паровой турбины делаются изогнутыми.
Однодисковая паровая турбина (рис. 2) состоит из корпуса (дет. №№ 1,2, 13), в котором вращается на валу (дет. № 7) диск с лопаточками (дет. № 9). Ось диска паровой турбины соединяется через понижающую зубчатую передачу
Рис. 1. Схема тепловой установки с паровой турбиной
Рис. 2. Однодисковая паровая турбина: 1 — кольцо корпуса паровой турбины; 2 — крышка корпуса; 3 — ведущая трибка; 4 — гайка; 5 — ограничительная втулка; 6 — поводковое зубчатое колесо; 7 — вал диска; 8 — сопло; 9 — диск паровой турбины; 10 — винт; 11 — кронштейн оси поводкового зубчатого колеса; 12 — ось вала диска; 13 — крышка корпуса; 14 — скобка крепления паровой турбины; 15 — пароотводные трубки; 16 — поводок (дет. №№ 3, 6) с поводком паровой турбины (дет. № 16). Такая зубчатая передача необходима для понижения числа оборотов и увеличения момента на гребном валу. Пар поступает в турбину через сопло (дет. № 8), укрепленное в крышке корпуса (дет. № 13), а выходит через отводные трубочки (дет. № 15), укрепленные во второй крышке паровой турбины (дет. № 2).
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ
Постройку паровой турбины следует начинать с изготовления самых сложных деталей. Одной из таких деталей в нашей паровой турбине является диск. Поэтому и начнем постройку с его изготовления.
Диск паровой турбины (рис. 3, дет. № 9) делают из листовой латуни толщиной 0,4 — 0 6 мм.
Изготовлять диск удобнее всего в такой последовательности. Сначала размечают заготовку по чертежу, затем сверлят центральное отверстие, а также отверстия у основания лопаточек и вырезают диск ножницами по контуру.
Вырезав заготовку, переходят к выгибанию лопаточек. Для этого изготовляют из стального бруска сечением 6X15 мм и длиной 50X80 мм специальное приспособление — пуансон (рис. 4). Диск кладут на торец деревянного бруска и, поставив пуансон на лопаточку, ударяют по нему молотком. При этом лопаточка, вдавливаясь в торец дерева, примет форму пуансона (рис. 5). Выгнув лопаточки по форме, разворачивают их под углом 15° к плоскости диска и опиливают.
Рис. 5. Выгибание лопаточек с помощью пуансона
Рис. 6. Кольцо корпуса турбины
Лопаточки диска паровой турбины должны иметь острые края и должны быть хорошо отполированы. Это значительно повышает мощность паровой турбины.
Сделав диск, следует перейти к изготовлению корпуса. Корпус паровой турбины состоит из трех деталей: двух крышек и кольца. Сначала следует изготовить кольцо.
Кольцо корпуса паровой турбины (рис. № 6, дет. №1) изготовляют из полоски латуни толщиной 0,4 — 0,6 мм, шириной 20 мч и длиной 160 мм. Для этого берут железную или деревянную болванку диаметром 50 мм и огибают заготовку вокруг нее. Концы заготовки спаивают и зачищают напильником и шкуркой.
Огибать заготовку следует ровно и не допускать изломов.
Рис. 7. Крышка корпуса
Крышку корпуса паровой турбины (рис. 7, дет. № 2) изготовляют из листовой латуни 0,4 — 0,5 мм. Вначале вырезают из листа круглую заготовку диаметром 65 мм и края ее за-вальцовывают на токарном станке. Для этого вставляют в патрон токарного станка круглую болванку (стальную или латунную) диаметром 51 — 55 мм и на длину 10 — 15 мм протачивают до диаметра 50 мм (внутренний диаметр кольца корпуса), затем ее торцуют. К торцу оправки прикладывают заготовку для крышки таким образом, чтобы ее края выступали одинаково, и прижимают через кольцо вращающимся центром (рис. 8). Прижав заготовку, включают станок и протачивают ее до диаметра 58 — 60 мм. Затем берут стальной пруток диаметром 10 — 12 мм и опиливают его конец таким образом, чтобы он имел округленную форму. После этого зажимают его в резцедержатель станка опиленным концом к заготовке. Смазав круглый конец прутка маслом, подводят его к краю заготовки и, включив станок, загибают им края заготовки, двигая резцедержатель к патрону токарного станка. Если при этом края заготовки неплотно обогнули оправку, то пруток следует поджать сильнее и повторить операцию сначала (рис. 9).
После этой операции делают разметку, сверлят отверстия согласно чертежу и зачищают крышку.
Изготовление второй крышки (рис. 10, дет. № 13) совершенно аналогично первой и поэтому особого описания не требует.
Сопло паровой турбины (рис. 10, дет. № 8) представляет трубочку, в один конец которой вставлена свинцовая пробка с коническим отверстием.
Конец трубочки со стороны пробки срезан под углом 30°. Срез этот необходим для того, чтобы конец сопла подходил как можно ближе к лопаточкам паровой турбины.
Удобнее всего изготовить сопло из латунной или медной трубочки длиной 40 мм и диаметром 3 ми, В один конец трубочки вставляют свинцовую пробку на глубину 4 — 6 мм. Прежде чем вставить пробку, внутреннюю поверхность трубки на глубину 6 — 8 мм зачищают шкуркой и смазывают паяльной жидкостью. После этого нужно в пробке проделать коническое отверстие. Делать отверстие в сопле лучше всего при помощи специального приспособления (рис. 11).
Стальной гвоздь длиной 30 — 40 мм и диаметром 2 — 2,5 мм затачивают под углом 5 — 7° и вбивают его в доску. Выступающий конец гвоздя натирают графитом (можно грифелем карандаша) и обматывают верезочным асбестом. Сверху на его острие накладывают листовой асбест и надавливают деревянным брусочком, чтобы острие гвоздя, проколов листовой асбест, выступило поверх него на 0,3 — 0,5 мм.
На выступающий конец острия ставят трубочку с пробкой так, чтобы острие приходилось в центре пробки. После этого нижний конец трубочки с пробкой нагревают. При нагревании свинцовая пробка расплавится и трубочка от легкого нажатия будет опускаться вниз, сжимая веревочный асбест, острие проволоки будет входить в расплавленную свинцовую пробку.
Опустив трубочку на 7 — 8 мм, ее охлаждают и затем снимают с гвоздя. Так как конец острия был натерт графитом, свинцовая пробка свободно снимется с гвоздя, а застывший свинец образует коническое отверстие по форме острия.
Наименьший диаметр отверстия в пробке должен быть 0,25 — 0,3 мм; измерить его можно калиброванной проволокой. Если отверстие сопла получилось меньше, то его можно расширить, насадив трубку снова на острие и ударяя по ней слегка маленьким молоточком. После этого конец сопла со стороны пробки запиливают на конус согласно чертежу и зачищают. Если при опиловке отверстие сопла засорится опилками, то очищать его следует этим же гвоздем.
После того, как будет изготовлено сопло, можно переходить к изготовлению остальных, более простых деталей паровой турбины.
Скобка крепления паровой турбины (рис. 10, дет. № 14) и поводок (дет. № 16) делают из латуни толщиной 0,5 — 1 мч. Их изготовление не представляет сложности и ясно из чертежа.
Вал диска паровой турбины (рис. 10, дет. № 7) изготовляется из латунной или стальной проволоки диаметром 4.5 — 5 мм и длиной 40 — 50 мм. Заготовку вставляют в станок, торцуют, а затем сверлят в ней отверстие диаметром 1,5 мм на глубину 25 мм. Затем, поджав ее центром задней бабки, протачивают до диаметра 4 мм на длину 25 мм и отрезают от заготовки втулку длиной 20 мм, которую зачищают напильником и шкуркой.
Ось вала диска паровой турбины (рис. 10, дет. № 12) изготовляется из серебрянки или рояльной проволоки диаметром 1,6 мм. Для этого отрезают кусочек проволоки длиной 8 мм и зачищают его концы. После чего заготовку вставляют в токарный станок, чтобы она выступала на 5 — 6 мм, и, включив станок, выступающий конец оси опиливают мелким (лич-невым или бархатным) напильником до тех пор, пока ось не будет плотно входить в отверстие вала паровой турбины.
Ограничительная втулка (рис. 10, дет. № 5) делается из латуни или поделочной стали. Изготовление ее несложно и понятно из чертежа.
Винт с гайкой (рис. 10, дет. № 10) подбирают готовый из «конструктора». Если винт не подходит по длине, то его можно отрезать ножовкой или спилить напильником.
Кронштейн оси поводкового зубчатого колеса (рис. 12, дет. № 11) изготовляется из листовой латуни толщиной 1 мм. Из листа латуни вырезают полоску длиной 40 мм и шириной 10мм, загибают ее согласно чертежу, сверлят отверстия, запиливают напильником и зачищают шкуркой.
Рис. 12. Кронштейн оси поводкового зубчатого колеса
Ведущая трибка (рис. 2, дет. № 3) подбирается готовая из часового механизма или часового механизма «конструктора». Ось трибки с одной стороны откусывается до длины 1 — 1,5 мм, а с другой до 7 — 8 мм.
В нашей паровой турбине взята трибка с шестью шпильками из механизма конструктора, но можно использовать трибку и с восемью шпильками.
Поводковое зубчатое колесо (рис. 2, дет. № 6) подбирается готовое из часового механизма «конструктора» или механизма старого будильника.
В нашем образце установлено зубчатое колесо с сорока зубьями, взятое из часового механизма «конструктора». Однако можно применить зубчатое колесо и с другим количеством зубьев, но при этом необходимо иметь в виду, что расположение отверстий на крышке корпуса (рис. 2, дет. № 2) ив кронштейне оси поводка должно соответствовать расстоянию осей трибки от вала диска и зубчатого колеса.
В нашей конструкции отверстия в крышках и в кронштейне просверлены с расчетом на установку зубчатого колеса с сорока зубьями и трибки с шестью шпильками.
СБОРКА ТУРБИНЫ
Изготовив все детали паровой турбины, можно приступить к ее сборке.
Сборку турбины следует начинать с впаивания вала (дет. № 7) в диск паровой турбины (дет. № 9). Удобнее всего производить впайку вала в центрах токарного станка. Для этого, вставив вал в диск, зажимают его в центрах токарного станка с таким расчетом, чтобы он мог легко проворачиваться. Затем» установив диск паровой турбины на равном расстоянии от концов вала, устраняют биение диска, вращая его в центрах, а затем припаивают диск к валу паровой турбины. Хорошо пропаяв место соединения вала с диском, диск снова проверяют, вращая его в центрах. Если при этом наблюдается хотя бы легкое биение, его следует устранить, изгибая диск, постукивая по нему деревянным молоточком. Устранив биение, диск с валом снимают с центров, место спайки зачищают шкуркой и промывают керосином.
В конец вала со стороны сопла (рис. 2) запрессовывают ось (дет. № 12). В другой конец вала вставляют ось ведущей трибки (дет. № 3). Если последняя не входит, то ее следует опилить мелким напильником. Ось ведущей трибки должна входить в отверстие вала от легких ударов молотка (плотная посадка). В случае, когда ось трибки входит в отверстие вала слишком легко, ее следует слегка расклепать. При расклепывании нужно следить за тем, чтобы ось трибки не погнулась. Более плотной посадки оси в отверстии вала можно добиться, также поставив несколько кернов на поверхность оси трибки.
Подогнав ось трибки к отверстию вала, приступают к укреплению сопла в крышке корпуса.
При установке необходимо стремиться к тому, чтобы конец сопла подходил как можно ближе к лопаточкам диска паровой турбины. Чтобы найти правильное положение сопла, нужно собрать корпус. Для этого, взяв крышку корпуса и вставив в центральное отверстие с наружной стороны крышки ось ведущей трибки (дет. № 3), насаживают на нее вал диска (дет. № 12), после чего надевают обе крышки корпуса (дет. № 2 и дет. № 13) на кольцо корпуса (дет. № 1).
При сборке корпуса паровой турбины следует следить, чтобы ось вала (дет. № 12) попала в отверстие крышки (дет. № 13).
Собрав корпус с диском, в крышку (дет. № 13) вставляют сопло под углом 20° до упора в лопаточки. При этом диск паровой турбины вращают за ведущую трибку. Если лопаточки диска задевают за конец сопла, сопло отодвигают на 0,3 — 0,5 мм и припаивают. Припаяв сопло, опять проверяют, не задевает ли конец сопла за лопаточки диска. Если сопло задевает за лопаточки, то его следует отпаять, немного отодвинуть, а затем припаять заново.
Следующими устанавливают пароотводные трубки (дет. № 15) и скобку для крепления (дет. № 14) паровой турбины на модели.
После того, как детали припаяны на корпусе турбины, устанавливают подводковое зубчатое колесо (дет. № 6).
Для установки зубчатого колеса крышку (дет. № 2) следует снять с корпуса и с внутренней стороны против отверстия для винта припаять гайку. После чего крышку надевают обратно на корпус и, вставив в отверстие крышки ось поводкового колеса, привинчивают кронштейн (дет. № 11). При привинчивании кронштейна следует следить за тем, чтобы ось поводкового колеса стояла правильно и зацепление трибки и колеса было нормальным. На выступающий над кронштейном конец оси ведущего колеса припаивают поводок (дет. № 16), после чего турбину окончательно зачищают шкуркой, промывают в керосине, сушат и смазывают маслом.
Пробовать работу турбины, вдувая в сопло ртом воздух, не рекомендуется, так как от этого правильно изготовленная турбина работать не будет.
ПОСТРОЙКА ПАРОВОГО КОТЛА ДЛЯ ТУРБИНЫ
Простейший цилиндрический котел для однодисковой паровой турбины состоит из следующих основных элементов: цилиндра, закрытого с двух сторон крышками, на верхней части которого укреплен предохранительный клапан и паропровод; топки и спиртовки (рис. 13). Изготовляется паровой котел из белой жести или латуни толщиной 0,25 — 0,3 мм. Сначала изготавливают крышки цилиндра (рис. 14, дет. №№6,7). Их следует делать тем же способом, каким нами изготавливались крышки паровой турбины.
Затем из жести делают цилиндр (рис. 14, дет. № 8). Для этого вырезают заготовку, затем размечают и вырезают отверстия для паропровода, предохранительного клапана и дымовой трубы. После этого огибают заготовку на круглой болванке, делают шов, надевают крышки и пропаивают их. При пропаивании особенно следует следить за тем, чтобы места спайки хорошо прогревались и олово затекало в места соединений. Затем впаивают в котел дымовую трубу; ее край не должен выступать за нижнюю стенку цилиндра более чем на 2 мм.
После того, как котел будет готов, проверяют его на герметичность. Делается это так: наливают в котел воду и, зажав отверстие для паропровода, в отверстие для предохранительного клапана вдувают ртом воздух; если при этом окажется, что котел пропускает воду, то места течи следует снова хорошо пропаять.
Убедившись, что котел не имеет течи, переходят к изготовлению топки (рис. 14, дет. №№ 9, 10). Сделав топку, в нее
вставляют котел, опустив его в топку на 5 — 10 мм ниже диаметра. После того, как котел и топка будут спаяны, устанавливают и припаивают паропровод (дет. № 1), предварительно пропустив его через стенки топки, как показано на рис. 13. На конец паропровода надевают резиновую пробку с отверстием (дет. № 4). Изготовление спиртовки не представляет сложности и понятно из чертежа (рис. 15).
Наиболее ответственным узлом парового котла является предохранительный клапан (рис. 16), который устроен следующим образом. Во втулку (дет. № 2) вставлен винт (дет. № 1). На его конце навинчена гайка (дет. № 7), поджимающая через шайбу (дет. № 6) пружину (дет. № 5). Таким образом, головка винта прижимается к плоскости втулки силой давления пружины.
Втулка ввинчивается в гайку (дет. № 4), которая припаивается к верхней стенке котла на отверстие для предохранительного клапана. Между втулкой и гайкой прокладывается свинцовая шайба (дет. № 3) для уплотнения.
Рис. 14. Чертежи деталей парового котла: деталь М 1 — паропровод; деталь М 4 — резиновая пробка для соединения паропровода с соплом турбины; деталь М 5 — дымовая труба; детали ММ 6 и 7 — крышки цилиндра; деталь М 8 — цилиндр котла; деталь М 9 — топка; деталь N° 10 — дно топки
Предохранительный клапан служит для предупреждения разрыва парового котла от давления пара. При повышении давления пара в котле до критического (давление, при увеличении которого котел может разорваться) предохранительный клапан открывается, часть пара из котла выходит и давление падает. Если клапан изготовлен неправильно, то он может не открыться при критическом давлении и котел разорвется. Поэтому весьма важно особенно внимательно отнестись к изготовлению деталей предохранительного клапана, выдерживая точно размеры, указанные на чертежах.
Винт клапана (дет. № 1) и втулка (дет. № 2) во избежание ржавления и порчи клапана изготавливают из латуни.
Детали №№ 4, 6, 7 можно изготавливать как из латуни, так и из стали. Шайба (дет. № 3) делается из свинца. Пружина клапана (дет. № 5) навивается из рояльной проволоки диаметром 0,5 мм. При сжимании витков пружины до соприкосновения друг с другом пружина должна оказывать сопротивление в 0,6 кг. Если пружина слаба, то ее нужно растянуть или изготовить новую. Следует заметить, что пружина большего диаметра слабее пружины меньшего диаметра, изготовленной из той же проволоки.
Изготовив все детали клапана, притирают головку винта ко-втулке. Притирку винта ко втулке производят следующим образом: вставляют винт во втулку, предварительно смазав головку винта смесью масла с наждаком, и, вставив в шлиц винта отвертку, вращают его, прижимая ко втулке. Притирать винт ко втулке следует до тех пор, пока не будет твердой уверенности, что пар в месте соприкосновения головки винта со втулкой при закрытии клапана проходить не будет.
Закончив притирку, клапан собирают и регулируют. Регулировка клапана заключается в подвинчивании гайки (дет. № 7). При навинчивании гайки сила давления пружины увеличивается, при отвинчивании — уменьшается.
При регулировании клапана гайку (дет. № 7) следует установить в таком положении, чтобы головка винта прижималась ко втулке с силой в 0,5 кг.
Силу давления головки винта на втулку очень легко определить, пользуясь обыкновенными весами. При этом поступают так: берут собранный клапан за втулку (дет. № 2) и ставят на чашку весов таким образом, чтобы при поднимании чашки пружина клапана сжималась и головка винта отходила от втулки. Затем, удерживая клапан за втулку строго в вертикальном положении, другую чашку весов погружают до тех пор, пока пружина клапана не начнет сжиматься и клапан не откроется. Вес груза и определит силу давления пружины.
Отрегулировав клапан, припаивают гайку клапана (дет. № 4) и снова проверяют котел на герметичьость. Заполнив котел водой через отверстия для клапана, ввинчивают клапан и, поворачивая котел в разных направлениях, вдувают в паропровод ртом воздух. Убедившись, что котел не дает течи, можно приступить к испытанию котла.
ИСПЫТАНИЕ ПАРОВОГО КОТЛА
Особенно важным и ответственным моментом в моделировании паровых установок является испытание парового котла.
Испытание нужно проводить крайне осторожно, чтобы разрыв котла не мог быть причиной несчастного случая. На испытании обязательно должен присутствовать руководитель кружка или преподаватель физики.
Производят испытание в следующем порядке. Заполнив котел на 2/3 объема водой, запаивают выходное отверстие паропровода и регулируют предохранительный клапан, подвинчивая гайку таким образом, чтобы давление головки клапана на втулку было в три раза больше, чем при рабочем положении клапана. Если пружина клапана не в состоянии оказывать такое давление, то ее следует на время испытания заменить более сильной. Затем, ввернув клапан, устанавливают паровой котел на место испытания (в отдельную комнату или в открытом месте, но с таким расчетом, чтобы от него можно было отойти на 15 — 20 м) и, заполнив спиртовку техническим или денатурированным спиртом, предварительно вставив в трубочки горелки спиртовки кусочки ватки, ставят ее в топку парового котла. Убедившись, что пламя горелки не погасло, от места испытания отходят на 15 — 20 м и ведут наблюдение. Через 10 — 15 минут вода в котле закипит и давление пара повысится.
Если котел выполнен правильно, то он выдержит давление пара в три раза больше рабочего. При давлении пара в котле в три раза больше рабочего (9 атм) предохранительный клапан откроется и давление в котле дальше повышаться не будет.
Однако подходить к испытываемому котлу раньше, чем клапан закроется и спиртовка погаснет, не следует.
После испытания котла при трехкратной перегрузке клапан вывинчивают и регулируют снова на рабочее положение, т. е. на такое положение, при котором клапан будет открываться от давления пара в котле, в три раза меньшего давления пара в котле при испытании. Отрегулировав клапан, гайку (дет. № 7) припаивают, после чего котел можно установить для эксплоатации на модель.
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ПАРОВОЙ УСТАНОВКИ
Устанавливать паровой котел лучше совершенно свободно, не укрепляя его на модели, так как это значительно упростит эксплоатацию и даст возможность заполнять котел водой вне модели.
Соединять паропровод парового котла с соплом паровой турбины очень удобно резиновой пробкой, в которой предварительно просверливается отверстие в 2,5 — 3 мм.
Заполнять котел водой следует перед каждым запуском модели. Ни в коем случае не следует запускать модель, если котел заполнен водой меньше, чем наполовину.
Запуск модели с малым количеством воды в котле может привести к распаиванию котла.
По окончании запуска модели воду из котла необходимо выливать.
Оси турбины после запуска следует смазывать машинным маслом — это значительно увеличит срок службы турбины. При работе на полной мощности вал паровой турбины должен вращаться со скоростью 7000 — 10 000 об/мин.
Паровая турбина, построенная по нашим чертежам, может быть рекомендована для установки на модели размером до 1 м и водоизмещением до 1 кг.
Глава 2
ОДНОЦИЛИНДРОВАЯ ПАРОВАЯ МАШИНА С ПАРОРАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ЧЕРЕЗ ВАЛ КРИВОШИПА
УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ
На рис. 17 и 18 приводится общий вид одноцилиндровой паровой машины с парораспределением через вал кривошипа. Она состоит из следующих основных частей: станины, цилиндра с поршнем, маховика и подшипника, в котором вращается вал.
Паровая машина имеет следующую конструкцию. На станине дет. № 15), в ее средней части, укреплен подшипник (дет. № 3), в котором имеется три отверстия: одно сверху и два по бокам — одно против другого. Верхнее отверстие в подшипнике соединяется паропроводом (дет. № 2) с цилиндром паровой машины (дет. № 12), который укреплен в верхней части станины двумя винтами (дет. № 1). К боковым отверстиям припаяны две трубочки (дет. № 4): одна соединяется с котлом, другая — с атмосферой.
В подшипнике вращается вал кривошипа (дет. № 9), на одном конце которого плотно насажен маховик (дет. № 7), а на другом укреплена муфта (дет. № 5). На валу кривошипа, против верхнего отверстия в подшипнике, имеется кольцевая проточка, от которой идет небольшой срез до боковых отверстий. С противоположной стороны вала кривошипа в маховик запрессован палец (дет. № 8), смещенный относительно вала кривошипа и образующий с маховиком кривошип.
В цилиндре паровой машины двигается поршень (дет. № 13), подвижно соединенный шатуном (дет. № 10) с пальцем.
Работает одноцилиндровая паровая машина следующим образом. Через впускной патрубок, соединенный с котлом, в подшипник поступает пар. Попадая на вал кривошипа, пар по срезу поступает в цилиндр. В цилиндре пар давит на поршень, двигая его. Поршень, двигаясь в цилиндре, через шатун вращает маховик паровой машины.
При вращении маховика срез, находящийся на оси кривошипа, перемещается, и в тот момент, когда поршень приближается к нижней мертвой точке (крайнее нижнее положение поршня), тело вала закрывает отверстие, котел автоматически отключается от машины и пар в подшипник не поступает.
Ввиду того, что поршень сообщил маховику инерцию, кривошип продолжает вращаться, двигая при этом поршень к верхней мертвой точке (крайнее верхнее положение маховика).
В момент, когда поршень находится в нижней мертвой точке или начинает отходить от нее, срез на оси кривошипа начинает перекрывать второе боковое отверстие в подшипнике вала кривошипа.
При движении поршня к верхней мертвой точке отработанный пар выталкивается из цилиндра, проходит по паропроводу, попадает в проточку на валу кривошипа и, проходя по срезу, выбрасывается наружу через второе боковое отверстие в подшипнике вала кривошипа.
В момент, когда поршень находится в верхней мертвой точке, срез на валу кривошипа начинает совмещаться с выпускным боковым отверстием в подшипнике вала кривошипа, свежий рабочий пар из котла снова поступает в цилиндр, толкает поршень к нижней мертвой точке, и процесс повторяется сначала.
Рис. 18. Чертеж одноцилиндровой паровой машины в трех проекциях: 1 — винты крепления цилиндра; 2 — паропровод; 3 — подшипник; 4 — впускной и выпускной патрубки; 5 — муфта; 6 — стопор; 7 — маховик; 8 — палец кривошипа; 9 — вал кривошипа; 10 — шатун; 11 — палец; 12 — цилиндр; 13 — поршень; 14 — кольцо; 15 — станина
Пар из котла может подаваться в любое из боковых отверстий в подшипнике вала кривошипа, но от этого будет зависеть направление вращения вала паровой машины.
Модельная одноцилиндровая паровая машина может быть построена только при наличии токарного станка. Для удобства описание изготовления деталей паровой машины приводится в порядке их нумерации на чертеже общего вида паровой машины (рис. 17).
Винты для крепления цилиндра (рис. 19, дет. № 1) изготавливаются из поделочной стали. Для этой пели можно использовать материал старых винтов. Из заклепок винты делать не рекомендуется, так как этот металл очень вязкий и резьба на винтах, изготовленных из заклепок, быстро срабатывается.
Лучше всего винты подобрать готовые, а если они не подходят по длине, их следует отрезать.
Паропровод (рис. 19, дет. № 2) удобнее всего изготовить из латунной или медной трубки диаметром 4 мм. Отрезок трубки длиной 100 — 150 чм загибают согласно чертежу, затем обрезают концы и зачищают. Если нет готовой трубки подходящих размеров, ее можно спаять из жести или тонкой латуни.
Подшипник (дет. № 3) делается из бронзового прутка диаметром 17 мм и длиной 50 — 70 мм. Заготовку зажимают в патрон токарного станка, оставив конец 40 — 45 мм, и сверлят отверстие диаметром 6,8 мм. Просверленное отверстие развертывают до диаметра 7 мм. Затем заготовку обрабатывают по наружному диаметру, после чего подшипник отрезают, торцуют, производят разметку и сверлят боковые отверстия для прохода пара.
Впускной и выпускной патрубки (дет. № 4) лучше изготовить из готовой трубки диаметром 4 мм. Если нет готовой трубки, ее можно выточить на токарном станке или спаять из жести.
Муфта (дет. № 5) вытачивается из поделочной стали или латуни диаметром 25 мм. Заготовку зажимают в патрон токарного станка, оставив конец 15 — 25 мм, торцуют и сверлят отверстие диаметром 5 мм, после чего шайбу обрабатывают по наружному контуру, отрезают, сверлят отверстие, нарезают резьбу 2,6 X 0,3 и пропиливают паз шириной 3 мм.
Стопорный винт (дет. № 6) подбирается готовый или изготавливается из стальной проволоки диаметром 2,6 мм. Кусок проволоки зажимают в тиски и нарезают резьбу 2,6 X 0,3 на расстоянии 8 — 10 мм, затем нарезанную часть отрезают, запиливают концы и прорезают шлиц для отвертки.
Маховик (дет. № 7) изготавливается из любой поделочной стали диаметром 75 мм. Делать маховик лучше в такой последовательности. Зажимают заготовку в патрон токарного станка, протачивают ее до диаметра 70 мм, затем торцуют, сверлят отверстие диаметром 4,9 мм и развертывают его разверткой диаметром 5 мм. Развернув отверстие, вытачивают внутреннюю полость маховика и отрезают. После чего, снова зажав маховик в патрон токарного станка, обрабатывают его вторую сторону. Закончив обработку маховика на токарном станке, сверлят отверстие для пальца диаметром 2,5 мм.
Палец (рис. 20, дет. № 8) вытачивается из стальной проволоки диаметром 3,5 мм.
При изготовлении пальца особое внимание следует обратить на то, чтобы конец пальца диаметром 2,5 мм входил плотно в отверстие маховика.
Вал кривошипа (дет. № 9) изготавливается из стального прутка диаметром 7,5 — 8 мм. Обработку вала кривошипа следует производить в такой последовательности. Сначала заготовку протачивают по наружному диаметру 7 мм с таким расчетом, чтобы вал кривошипа входил плотно в подшипник (дет. № 3), затем протачивают конец на расстоянии 7 мм до диаметра 5,1 мм и опиливают его мелким напильником, подгоняя к отверстию диаметром 5 мм в маховике. Этот конец должен входить с запрессовкой в отверстие маховика.
Обработав конец вала, делают проточку шириной 3 чм на расстоянии 23,5 мм от конца вала, после чего притирают вал кривошипа к подшипнику.
Притирку вала кривошипа производят специальным притиром. Он представляет собой две латунные пластинки, концы которых соединены кольцом (рис. 21) с таким расчетом, что пластинки могут сжиматься и разжиматься. С внутренних сторон на пластинках имеются две радиальные канавки, одна против другой, глубина которых должна быть на 1 — 2 мм меньше радиуса притираемого вала.
Обработку притиром производят следующим образом. На притираемую поверхность вала надевают притир, канавки которого предварительно смазывают наждаком с маслом. Затем, включив станок, притир водят по обрабатываемой поверхности, сжимая пластинки. По мере притирания на притир следует добавлять наждак с маслом.
Обрабатывается вал кривошипа таким образом до тех пор, пока его поверхность не станет ровной и он не будет легко входить в подшипник. После притирки вал отрезают и, зажав снова в патрон токарного станка, обрабатывают второй конец до диаметра 5 мм. Затем вал зажимают в тиски и спиливают срез согласно чертежу.
При зажимании вала в тисках под губки тисков следует подкладывать свинцовые или алюминиевые пластинки.
Рис. 21. Притир
Шатун (рис. 20, дет. № 10) вытачивается из прутковой стали диаметром 6,5 — 7 мм. Сначала обрабатывают заготовку на токарном станке поверху и сверлят центральное отверстие диаметром 2,5 мм, затем заготовку отрезают, размечают и сверлят отверстия для пальцев. При сверлении последних особенно следует следить за тем, чтобы их оси были параллельны.
Поршневой палец (дет. №11) делается из рояльной проволоки диаметром 2 мм. Пруток рояльной проволоки хорошо выпрямляют деревянным молотком, из хорошо выпрямленного участка вырезают кусочек длиной 12 мм и концы хорошо зачищают мелким напильником и шкуркой.
Цилиндр (дет. № 12) изготовляется из стального прутка диаметром 15 мм и длиной 50 — 60 мм. Заготовку зажимают в патрон токарного станка так, чтобы ее конец длиной 40 — 45 мм остался свободным, и сверлят отверстие диаметром 11,8 мм на глубину 31 мм. Донышко отверстия зенкуют плоским зенкером и развертывают цилиндрической разверткой диаметром 12 мм. Если нет под руками зенкера, можно воспользоваться тем же сверлом, которым было просверлено отверстие цилиндра, заточив его под прямым углом. После обработки отверстия цилиндра обтачивают цилиндр сверху до диаметра 14 мм и заготовку обрезают.
Торец цилиндра запиливают напильником, размечают, сверлят отверстия и нарезают резьбу 0,3X2,6.
Поршень (дет. № 13) делается из бронзы диаметром не менее 13 мч и длиной 30 мм. Зажав заготовку в патрон токарного станка, сверлят отверстия диаметром 11 мм на глубину 10 мм и донышко зенкуют плоским зенкером. Затем протачивают поршень по наружному диаметру до 12,1 мм и обрабатывают его поверхность мелким (бархатным) напильником и наждачной бумагой. Бумагу следует накладывать на плоскость напильника и затем водить по обрабатываемой поверхности, слегка нажимая на напильник.
Обрабатывать поршень напильником и шкуркой нужно до тех пор, пока он не будет свободно входить в цилиндр.
Поршень должен свободно двигаться в цилиндре, как говорят, проваливаться от собственного веса, но при этом не пропускать воздуха (если зажать отверстие в головке цилиндра, то поршень при этом должен останавливаться).
Не рекомендуется притирать поршень к цилиндру, так как при притирке мелкие частицы наждака въедаются в бронзу и остаются в ней, разрабатывая цилиндр.
Поршневой вкладыш (кольцо) (дет. № 14) изготовляется из бронзы или поделочной стали. На токарном станке вытачивают заготовку диаметром И мм и толщиной 4 мм, затем размечают торец и сверлят два отверстия диаметром 4 мм. Металл между отверстиями выпиливают круглым надфилем согласно чертежу. Сверлить отверстие во вкладыше под поршневой палец диаметром 2 мм следует совместно с поршнем.
Станина (рис. 22, дет. № 15) делается из листовой поделочной стали толщиной 4 мм. Сначала вырезают заготовку по контуру станины, затем загибают согласно чертежу, после чего размечают отверстия, сверлят их, опиливают напильником и шлифуют шкуркой.
СБОРКА ПАРОВОЙ МАШИНЫ
Сборку паровой машины следует начинать с укрепления подшипника вала кривошипа (дет. № 3) на станине (дет. № 15).
Подшипник вала кривошипа припаивается к станине оловянным припоем. Для этого место на подшипнике, которое входит в отверстие на станине, залуживают. Затем смазывают его травленой кислотой, после чего подшипник вставляют в отверстие и место спайки прогревают до тех пор, пока олово не расплавится и не зальет место соединения подшипника со станиной. Укрепив подшипник, припаивают к нему паропровод и впускной и выпускной патрубки.
Припаивать паропроводы следует так же, как и подшипник, т. е. сначала залудить концы трубок, смазать их травленой кислотой и затем, приставив к месту спайки, прогреть.
Прогревать паропроводы удобнее всего февкой, так как она дает тоненький язычок пламени и нагревает только место спайки.
Припаяв подшипник и паропроводы, станину зачищают шкуркой и смазывают маслом. Смазывать станину маслом необходимо во избежание ее ржавления от действия травленой кислоты.
Затем переходят к сборке кривошипа. В центральное отверстие маховика запрессовывают вал кривошипа таким образом, чтобы срез на валу был обращен в противоположную сторону от отверстия для пальца кривошипа на маховике. С противоположной стороны вала в отверстие на маховике запрессовывают палец кривошипа (дет. №8), после чего вставляют вал кривошипа в подшипник.
На другой конец вала надевают поводковую шайбу и укрепляют ее стопорным винтом. Кривошип с надетой поводковой шайбой должен свободно и без заеданий вращаться в подшипнике. Если кривошип вращается слишком туго, то необходимо, ослабив стопорный винт поводковой шайбы, отодвинуть ее немного от подшипника и снова закрепить стопорным винтом.
Вставив кривошип и укрепив поводковую шайбу, переходят к сборке поршневой группы с цилиндром. В поршень впаивают поршневой вкладыш и сверлят отверстие для пальца. Затем поршневым пальцем соединяют поршень с шатуном и вставляют его в цилиндр. После этого нижнюю головку шатуна надевают на палец кривошипа и укрепляют цилиндр винтами на верхней части станины.
Укрепив цилиндр, проверяют качество сборки паровой машины, вращая вал кривошипа за поводковую шайбу. Вал кривошипа собранной паровой машины должен вращаться легко и без заеданий. Заедания могут быть от неправильной установки цилиндра или подшипника. Если при проверке оказалось, что имеются перекосы, то их необходимо устранить. Затем проверяют машину в работе, для этого ее присоединяют к паровому котлу и, провернув маховик, запускают машину.
При испытании паровой машины паром может оказаться, что пар выходит где-нибудь в местах спайки паропровода или проходит между станиной и головкой цилиндра. Если пар проходит через места спайки, то швы необходимо еще раз пропаять. В случае утечки пара в месте соединения головки цилиндра со станиной рекомендуется проложить прокладку из хорошо промасленной бумаги. Прокладку вырезают по размеру плоскости головки цилиндра и проделывают отверстия для прохода пара и винтов.
После устранения дефектов машину присоединяют к мотору или станку и обкатывают в течение двух-трех часов. Затем ее разбирают, хорошо промывают керосином, собирают вновь, смазывают маслом и устанавливают на модель.
Для одноцилиндровой паровой машины можно применить паровой котел, описанный в первой главе нашей брошюры.
Устанавливая паровую машину на модели, ее нужно отделить от парового котла перегородкой. Это необходимо для того, чтобы отработанный пар, выходящий из паровой машины, не мог проникнуть в топку.
После каждого запуска паровую машину следует смазывать машинным маслом. При продолжительном хранении применяется смазка густым маслом (автол, солидол и т. д.), и машину рекомендуется завертывать в промасленную бумагу.
Испытание модели этой паровой машины показало, что она может развить до 800 об/мин.
Паровая машина, построенная по нашим чертежам, может быть рекомендована для установки на моделях длиной до 1 м и водоизмещением до 2,5 кг.
Глава 3
ОДНОЦИЛИНДРОВАЯ ПАРОВАЯ МАШИНА С КАЧАЮЩИМСЯ ЦИЛИНДРОМ
УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ
Паровая машина с качающимся цилиндром (рис. 23) имеет следующие основные части: станину, качающийся цилиндр, маховик, кривошип.
Представляет эта машина следующую конструкцию. На станине (дет. № 16) укреплены подшипник оси кривошипа (дет. № 19) и подшипник оси качания цилиндра (дет. № 14). В головке подшипника оси качания цилиндра имеются шесть отверстий, два из которых идут по бокам центрального отверстия подшипника и оканчиваются, не проходя насквозь на 1 — 1,5 мм. Остальные отверстия просверлены с торца головки подшипника попарно против вертикальных отверстий в головке подшипника.
В подшипнике вращается ось качания цилиндра (дет. № 12). На одном конце оси имеется грибок с выемкой для цилиндра и с двумя отверстиями; на другом конце надета ограничительная втулка (дет. № 15), которая удерживает ось качания цилиндра от осевого перемещения. К выемке грибка оси качания цилиндра припаян цилиндр (дет. № 8). Отверстия в цилиндре соединяются с отверстиями в грибке оси качания цилиндра, причем нижнее отверстие в цилиндре соединяется с отверстиями в грибке простым совмещением при при-паивании цилиндра к грибку, а верхнее отверстие в цилиндре соединяется отверстием в грибке оси качания цилиндра перепускным каналом (дет. № 11). который припаивается к цилиндру и грибку оси качания цилиндра.
Цилиндр закрывается крышками (дет. №№ 5 и 9), которые стягиваются между собой двумя винтами (дет. № 1).
В нижней крышке цилиндра, в центре, имеются отверстия для прохода штока. В цилиндре паровой машины ходит поршень (дет. № 6), неподвижно соединенный со штоком (дет. № 4).
Рис. 23. Чертеж одноцилиндровой паровой машины с качающимся цилиндром: 1 — винт крепления крышек цилиндра; 2 — маховик; 3 — палец кривошипа; 4 — шток; 5 — нижняя крышка цилиндра; 6 — поршень; 7 — пробка штока; 8 — цилиндр; 9 — верхняя крышка цилиндра; 10 — трубки впуска и выпуска пара; 11 — перепускной канал; 12 — ось качания цилиндра; 13 — стопорный винт; 14 — подшипник оси качания цилиндра; 15 — ограничительная втулка оси качания цилиндра; 16 — станина; 17 — ограничительная втулка оси кривошипа; 18 — ось кривошипа; 19 — подшипник оси кривошипа
Шток паровой машины внутри облегчен и закрыт пробкой (дет. № 7). В нижнем конце штока просверлено отверстие, в которое вставляется палец (дет. № 3). Палец кривошипа запрессован в маховик (дет. № 2), который в то же время является щекой кривошипа. В маховик запрессована ось (дет.
№ 18), вращающаяся в подшипнике (дет. № 19). На свободный конец оси укрепляется ограничительная втулка (дет. № 17) с прорезью для соединения с гребным валом.
В данной конструкции паровой машины при вращении вала кривошипа цилиндр вследствие неподвижного соединения поршня со штоком (шатуном) паровой машины будет качаться на оси цилиндра. Такая паровая машина называется машиной с качающимся цилиндром.
Парораспределение в паровой машине с качающимся цилиндром производится следующим образом (рис. 24): при
работе паровой машины цилиндр, качаясь, занимает правое и левое положения. В крайних положениях отверстия в грибке оси качания цилиндра совмещаются с отверстиями в головке подшипника оси качания цилиндра.
В одно из вертикальных отверстий в головке подшипника поступает пар и попадает в торцовые отверстия подшипника, из которых при совмещении отверстий грибка оси качания цилиндра поступает поочередно в полости цилиндра, толкая поршень. Причем в тот момент, когда пар поступает в верхнюю полость цилиндра, из нижней полости пар выталкивается и наоборот.
Необходимо заметить, что в тот момент, когда поршень находится в верхней или в нижней мертвой точке, цилиндр должен находиться в вертикальном положении и отверстия в грибке оси качания цилиндра (дет. № 12) не должны совмещаться с отверстиями в головке подшипника (дет. № 14).
Для лучшего понимания распределения пара и работы паровой машины с качающимся цилиндром разберем конкретный случай подключения паровой машины к паровому котлу.
Пусть пар поступает по правому вертикальному отверстию в головке подшипника оси качания цилиндра и попадает в торцовые отверстия в головке подшипника. Представим себе, что поршень находится в верхней мертвой точке, а маховик машины вращается против часовой стрелки, если смотреть на машину со стороны цилиндра. Палец кривошипа при вращении маховика будет перемещаться из верхнего положения в нижнее по левой части окружности, описываемой пальцем кривошипа при вращении маховика. Цилиндр по мере передвижения пальца кривошипа от верхнего положения к нижнему будет перемещаться в правое крайнее положение, если смотреть на машину со стороны цилиндра. В то время, когда палец кривошипа будет находиться в точке касания прямой линии, проведенной к окружности, описываемой пальцем кривошипа через ось качания цилиндра, цилиндр будет находиться в крайнем правом положении.
При дальнейшем перемещении пальца кривошипа к нижней крайней точке цилиндр будет передвигаться к своему вертикальному положению. При передвижении цилиндра от вертикального положения к своему крайнему отверстия в грибке оси качания цилиндра будут совмещаться с отверстиями в головке подшипника. При крайнем положении цилиндра эти отверстия совместятся полностью. Верхнее отверстие в грибке оси качания цилиндра совместится с верхним правым отверстием в головке подшипника оси качания цилиндра; нижнее отверстие в грибке оси совместится с нижним левым отверстием в головке подшипника.
Но так как через правые отверстия в головке подшипника поступает свежий пар из котла, то, следовательно, пар при совмещении отверстий будет поступать в верхнюю полость цилиндра и толкать поршень от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке. Пар, находящийся под поршнем, будет выталкиваться через отверстие в грибке оси, совмещенное с отверстием в головке подшипника, и попадать в левое вертикальное отверстие в головке подшипника оси качания цилиндра и выталкиваться наружу.
Совмещение отверстий в грибке оси качания цилиндров с отверстиями в головке подшипника оси качания цилиндра начнется в тот момент, когда поршень отойдет от верхней мертвой точки на 15 — 20° по углу поворота кривошипа, и прекратится, когда поршень не дойдет до своей нижней мертвой точки на 15 — 20° по углу поворота кривошипа.
При дальнейшем вращении маховика нижнее отверстие в грибке оси совместится с впускным отверстием в головке подшипника, а верхнее отверстие в грибке оси совместится с левым выпускным отверстием в головке подшипника. Следовательно, в тот период времени, когда палец кривошипа будет проходить по правой половине окружности, свежий пар будет поступать в нижнюю полость цилиндра и толкать поршень вверх. Из верхней полости цилиндра отработанный пар будет выталкиваться наружу. Кстати следует заметить, что вал машины при впуске пара через правое отверстие будет вращаться против часовой стрелки, если смотреть на машину со стороны цилиндра. В случае подачи свежего пара в машину через левое отверстие вал машины будет вращаться по часовой стрелке.
Таким образом, становится совершенно ясно, что для реверсирования хода машины достаточно переключить впуск пара в машину.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ
Построить паровую машину с качающимся цилиндром по чертежам, которые приводятся в брошюре, не представляет больших трудностей, однако для изготовления деталей обязательно потребуется токарный станок.
Для удобства описание конструкции и изготовление деталей приводится в порядке их нумерации на чертеже общего вида паровой машины (рис. 23). Строить детали в порядке их описания совершенно необязательно и даже рекомендуется изготовлять сначала более трудоемкие детали, а потом более простые.
Винт крепления крышек цилиндра (рис. 25, дет. № 1) изготовляется из поделочной стали или латуни. Если трудно изготовить винт с головкой из целого куска металла, можно взять проволоку толщиной 3 мм и длиной 40 мм, нарезать резьбу с обоих концов на расстоянии по 5 мм от концов и на
один из кондов навинтить гайку диаметром 3 мм. Шпилька с гайкой успешно заменит винт с головкой.
Маховик (дет. № 2) можно сделать из любой поделочной стали. Вначале заготовку, зажав в патрон токарного станка, обтачивают до диаметра маховика, затем обрабатывают торец по чертежу и сверлят центральное отверстие диаметром 5 мм, после чего маховик отрезают, торцуют и сверлят отверстие для пальца диаметром 2,8 мм.
Палец кривошипа (дет. № 3) изготовляется из серебрянки диаметром 3 мм.
Шток (дет. № 4) изготовляется из серебрянки или стали марки У7А-г~ У12А. Сначала заготовку обтачивают до диаметра 6 мм с припуском 0,1 — 0,15 мм, затем сверлят отверстие диаметром 4 мм, опиливают по диаметру б мм, шлифуют шкуркой, притирают, отрезают и сверлят 3-мм отверстие для пальца кривошипа.
Нижняя крышка цилиндра (рис. 26, дет. № 5) представляет собой втулку с фланцем для крепления. Отверстие втулки диаметром 6 мм со стороны фланца рассверливается на 7 мм на глубину 10 мм. Это необходимо для того, чтобы предотвратить от заедания шток с поршнем паровой машины при положении поршня в нижней мертвой точке. В фланце нижней крышки имеются два отверстия с нарезкой 3 мм.
Изготовляется нижняя крышка цилиндра из бронзы диаметром 25 мм. Сначала протачивают заготовку до нужного диаметра и торцуют, затем протачивают с торца по диаметру 16 мм на 1 мм. В центре заготовки сверлят отверстие диаметром 5,9 мм и развертывают разверткой 6 мм. Отверстие диаметром 6 мм рассверливают сверлом диаметром 7 мм на глубину 10 мм.
После обработки торцовой части и отверстия крышки обрабатывают наружную поверхность до диаметра 10 мм, оставляя фланец толщиной 2 мч, и отрезают. Затем размечают фланец, сверлят отверстия, нарезают резьбу М3 X мм и обрабатывают по контуру фланца.
Поршень (дет. № 6) изготовляется из бронзы. Сначала вытачивают поршень с припуском по наружному диаметру на 0,5 — 1 мм. Затем насаживают его на оправку, протачивают до размера, шлифуют и притирают.
Пробка штока (дет. № 7) изготовляется из латуни или поделочной стали. Ее изготовление не представляет сложности и понятно из чертежа.
Цилиндр (дет. № 8) изготовляют из стали диаметром 15,8 мм на глубину 50 мм, после чего развертывают до 16 мм. Зажав заготовку в патрон, сверлят отверстие, затем протачивают цилиндр по наружному диаметру и отрезают. После чего размечают и сверлят отверстия 0,2 мм.
Верхняя крышка цилиндра (дет. № 9) изготовляется из бронзы или поделочной стали диаметром 31 мм. Сначала протачивают заготовку до диаметра 30 мм и обрабатывают ее торец со сферической стороны согласно чертежу, затем отрезным резцом обрабатывают вторую сторону крышки и отрезают ее от заготовки. После этого размечают фланец, сверлят отверстия и обрабатывают контур фланца.
Трубка впуска и выпуска пара (дет. № 10) отрезается от готовой трубки подходящих размеров или спаивается из листового материала.
Перепускной канал (рис. 27, дет. № 11) делают из трубочки, которую сначала сгибают пополам и разрезают в месте изгиба. От изогнутого конца отрезают заготовку длиной 16 ммт нижнюю часть которой спиливают напильником до половины диаметра трубочки. Если нет готовой мягкой трубочки подходящих размеров, перепускной канал можно сделать из белой жести или латуни толщиной 0,1 — 0,15 мм.
Ось качания цилиндра (дет. № 12) изготовляется из стали (ст. 40 — 50) диаметром 20 мм. Сначала заготовку протачивают до диаметра 3,5 мм и шлифуют, после чего деталь отрезают от заготовки, торцуют, размечают, сверлят в ней отверстия диаметром 2 мм и выпиливают гнездо по наружному диаметру цилиндра согласно чертежу.
Стопорный винт (дет. № 13) делается из серебрянки или поделочной стали. Его изготовление понятно из чертежа.
Подшипник оси качания цилиндра (дет. № 14) делают из бронзы диаметром 27 мм. Сначала заготовку протачивают до диаметра 26 мм, затем ее торцуют. После этого сверлят центральное отверстие диаметром 3,5 мм. Просверлив центральное отверстие и обработав торец, отступают на 6 мм от торца и протачивают втулку подшипника до диаметра 10 мм, после чего отрезают и фрезеруют или опиливают головку подшипника. Затем размечают и сверлят отверстия — сначала два вертикальных, затем четыре торцовых.
Ограничительная втулка оси качания цилиндра (дет. № 15) изготовляется из поделочной 11 -мм стали.
Станина (рис. 28, дет. № 16) делается из листового поделочного железа толщиной 4 мм и размером 35Х?5 мм. Сначала край заготовки загибают под прямым углом, согласно чертежу на ней размечают контур и выпиливают из нее деталь, после чего размечают и сверлят отверстия, затем зачищают заусенцы.
Ограничительная втулка оси кривошипа (рис. 27, дет. № 17)
изготовляется из поделочной 11 -мм стали. Сначала заготовку вытягивают до размеров чертежа, затем в ней сверлят отверстия, в которых нарезают резьбу М ЗХ0>5 мм и прорезают канавку для соединения с гребным валом.
Ось кривошипа (рис. 28, дет. № 18) делается из серебрянки диаметром 6 мм, ее изготовление не представляет сложности.
Подшипник оси кривошипа (дет. № 19) делают из бронзы.
СБОРКА И РЕГУЛИРОВКА ПАРОВОЙ МАШИНЫ С КАЧАЮЩИМСЯ ЦИЛИНДРОМ
Когда все детали паровой машины будут готовы, приступают к сборке паровой машины. Сборку удобнее всего начинать с укрепления подшипника оси качания цилиндра и подшипника вала машины. Подшипник оси качания цилиндра ставится вертикальными отверстиями вверх.
Укрепляются подшипники в станине на оловянном припое. При установке подшипников следует следить за тем, чтобы их оси были строго параллельны между собой и перпендикулярны к станине. После укрепления подшипников припаивают верхние паропроводы. Припаивать их следует тем же методом, который разбирался нами при сборке одноцилиндровой паровой машины.
Собрав станину, переходят к сборке цилиндра и поршневой группы. Сначала припаивают цилиндр к выемке грибка оси качания цилиндра. То место цилиндра, которым он крепится к выемке, лудят, затем, смазав травленой кислотой, прижимают цилиндр к выемке грибка таким образом, чтобы отверстие в цилиндре совпало с отверстием в грибке оси качания цилиндра. После этого место спайки накаливают до тех пор, пока олово не расплавится. Припаяв ось качания к цилиндру, припаивают перепускной канал.
Шток слегка запрессовывают в поршень и в отверстие его загоняют заглушку. Заглушка (пробка) должна туго входить в шток и расклинивать его конец. Поршень должен быть плотно насажен на шток. В случае, если поршень проворачивается на штоке, то следует пропаять соединение штока с поршнем со стороны пробки. Затем вставляют поршень в цилиндр, надевают крышки и свинчивают их винтами. Свернув крышки цилиндра, проверяют движение поршня в цилиндре. Поршень должен легко двигаться от верхней крышки до нижней. Если поршень заедает около нижней крышки цилиндра, то следует отпустить немного винты, удерживающие крышки и, дви-
гая крышки, отрегулировать движение поршня в цилиндре. После того, как будет найдено положение крышек цилиндра, при котором поршень двигается без заеданий, зажимают винты, стягивающие крышки.
Собрав поршневую группу с цилиндром, переходят к сборке главного вала (вал кривошипа) маховика и пальца кривошипа. Главный вал и палец кривошипа должны быть хорошо запрессованы в маховик.
После того, как собраны основные узлы, переходят к сборке паровой машины и регулировке.
Вставляют главный вал машины в подшипник и надевают ограничительную вильчатую втулку, которую закрепляют стопорным винтом.
Вращая вал за маховик, проверяют легкость и плавность вращения вала. Маховик должен делать 5 — 10 оборотов от одного толчка рукой. Убедившись в том, что главный вал машины вращается легко и без заеданий, вставляют ось качания цилиндра в подшипник. Вставляя ось качания, необходимо помнить, что при этом следует одновременно надевать нижнюю головку штока (шатуна) на палец кривошипа. На выступающий конец оси крепят стопорным винтом ограничительную втулку с таким расчетом, чтобы ось качания цилиндра не имела осевых перемещений, но имела легкость и плавность хода.
Собрав машину, проверяют правильность сборки с помощью пара. Для этого подводят пар к одной из верхних трубочек и, поставив цилиндр в вертикальное положение, смотрят за тем, чтобы пар не выходил из другой верхней трубочки и из щели между грибком оси качания цилиндра и головкой подшипника оси качания цилиндра. Затем, поставив поочередно цилиндр в правое крайнее положение и в левое, проверяют, проходит ли пар из-под верхней или нижней крышки цилиндра.
После проверки паровой машины ее подвергают обкатке. После чего промывают керосином, смазывают маслом и устанавливают на модель.
ПАРОВОЙ КОТЕЛ ДЛЯ ОДНОЦИЛИНДРОВОЙ ПАРОВОЙ МАШИНЫ С КАЧАЮЩИМСЯ ЦИЛИНДРОМ
На рис. 29 приводится котел для паровой машины с качающимся цилиндром. Отличается этот паровой котел от котла паровой турбины тем, что топка его помещается не под котлом, а сзади него, и горячие газы омывают всю нижнюю часть котла. В силу такой конструкции этот котел называется жаротрубным. Преимущество его заключается в большей производительности пара с единицы площади обогрева (площадью обогрева парового котла называется его площадь, омываемая с внутренней стороны водой, а с наружной горячими газами).
Изготовляется паровой котел из листовой латуни толщиной 0,5 мм.
Предохранительный клапан (дет. № 4), устанавливаемый на жаротрубный паровой котел, ничем не отличается от предохранительного клапана простейшего цилиндрического котла паровой турбины (см. рис. 16). Поэтому строить его следует по чертежам клапана парового котла.
Постройку котла следует производить в такой последовательности. Сначала изготовляют цилиндр парового котла (дет. № 3). Для этого сворачивают цилиндр и пропаивают шов, затем надевают и припаивают крышки (дет. № 7), после чего вставляют и запаивают жаровую трубу (дет. № 5). Впаяв жаровую трубу, проверяют котел на герметичность. Убедившись, что котел запаян хорошо, к нему припаивают паропровод (дет. № 2), дымовую трубу (дет. № 1), заглушку (дет. № 8) и топку парового котла (дет. Хя 9).
Технология изготовления котла не представляет сложности и поэтому приведена выше весьма кратко. Детали котла
и их размеры приведены на рис. 30, детали топки показаны на рис. 31.
Закончив постройку котла, его следует испытать и только после этого устанавливать на модель.
При эксплоатации паровой машины с качающимся цилиндром следует соблюдать правила, рекомендованные для одноцилиндровой паровой машины с распределением через вал кривошипа.
Паровая одноцилиндровая машина с качающимся цилиндром, построенная по нашим чертежам, на полной мощности развивает 600 — 800 об/мин и может быть рекомендована для установки на модели размером до 2 м.
Глава 4
РАСЧЕТ ПАРОВОЙ МАШИНЫ И ПАРОВОГО КОТЛА ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ ПАРОВОЙ МАШИНЫ
Зачастую моделисту приходится строить модель под имеющуюся уже готовую паровую машину. В этом случае он сталкивается с трудностью выбора размеров модели.
Размер модели в основном зависит не от конструкции и типа паровой машины, а от ее мощности. Поэтому весьма важно уметь определять мощность уже имеющейся готовой паровой машины, не прибегая к каким-то экспериментам и догадкам, а находить ее по формуле, подставляя известные величины.
Необходимо также заметить, что умение определять мощность уже имеющейся паровой машины поможет юному конструктору находить и основные размеры паровой машины при проектировании повой машины по заданной мощности.
Для определения мощности паровой машины необходимо знать следующие величины:
1) i — количество цилиндров.
2) Т — тип машины — простого или двойного действия.
Под машиной простого действия подразумевают машину, в которой пар давит только с одной стороны на поршень. Машиной двойного действия называется машина, в которой пар давит поочередно с двух сторон на поршень.
3) S — ход поршня, т. е. путь движения поршня от верхней мертвой точки до нижней, выраженной в метрах.
4) D — внутренний диаметр цилиндра, выраженный в сантиметрах.
5) Р — давление пара в котле при работе паровой машины.
6) гг — количество оборотов, развиваемое паровой машиной в минуту.
Имея вышеперечисленные величины, нетрудно рассчитать мощность паровой машины.
Вспомним, что мощность — это работа в единицу времени (секунду). Таким образом, определение мощности паровой машины сводится к определению работы, которую она может произвести в одну секунду. Но в свою очередь работает машина потому, что в нее поступает пар, а следовательно, работа, которую совершает машина, производит и пар, но в большем объеме, чем машина, так как работа пара заключается в прямолинейном перемещении поршня машины. Работа паровой машиной производится вследствие преобразования прямолинейного движения поршня во вращательное движение вала.
Преобразование прямолинейного движения поршня во вращательное движение вала связано с большими потерями в процессе механического преобразования. В результате этого работа, производимая паром в цилиндре, значительно больше той работы, которую может произвести паровая машина.
Различают ДЕе мощности паровой машины: индикаторную и эффективную.
Индикаторная мощность определяется работой пара в цилиндре. Эффективная мощность — это мощность на валу паровой машины.
Индикаторная мощность паровой машины больше эффективной. В паровых машинах модельного типа индикаторная мощность с эффективной связана таким уравнением:
Для определения мощности паровой машины необходимо определить работу, производимую паром в секунду, а затем, пользуясь уравнением (1), определить мощность на валу паровой машины.
Машины модельного типа обычно строятся с полным наполнением пара. Это значит, что пар начинает поступать в цилиндр в тот момент, когда поршень находится в верхней мертвой точке или около нее, и поступает до тех пор, пока поршень не достигнет нижней мертвой точки или по крайней мере будет находиться около нее.
Таким образом, давление пара в цилиндре в процессе движения поршня от верхней мертвой точки к нижней остается постоянным и почти равным давлению в котле.
Индикаторная мощность определяется по формуле:
Для определения эффективной мощности паровой машины следует воспользоваться уравнением (1).
Пример. Определить мощность на валу одноцилиндровой паровой машины простого действия, у которой:
Решение. Сначала, воспользовавшись уравнением (2), определим индикаторную мощность паровой машины:
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ПАРОВОЙ МАШИНЫ ПО ЗАДАННОЙ МОЩНОСТИ
Наиболее интересной задачей, которую приходится решать юному конструктору, — это проектирование паровой машины по заданной мощности.
При проектировании наибольшее затруднение встречается при выборе основных размеров цилиндра паровой машины, которые должны быть подобраны так, чтобы машина развивала необходимую мощность.
Для определения основных размеров цилиндра паровой машины заданной мощности необходимо задаться давлением пара в котле, при котором будет работать паровая машина; отношением хода поршня к диаметру цилиндра и количеством оборотов вала паровой машины.
При выборе рабочего давления в котле не рекомендуется последнее выбирать больше 3 атм.
Количество оборотов, развиваемое валом паровой машины модельного типа, в среднем равняется 500 — 1000 об/мин, в зависимости от качества изготовления паровой машины.
Отношение хода поршня S к диаметру цилиндра D в машинах модельного типа обычно бывает 1,5 — 2. Это отношение выражается формулой:
Задавшись давлением пара в котле Р, отношением хода поршня к диаметру цилиндра К и количеством оборотов паровой машины п и выбрав количество цилиндров паровой машины i и тип действия Г, определяют ход поршня паровой машины, пользуясь формулой:
Определив ход поршня и диаметр цилиндра, можно приступить к проектированию паровой машины.
РАСЧЕТ ПАРОВОГО КОТЛА
Главным при расчете парового котла является определение его размеров. Размер парового котла должен быть выбран с таким расчетом, чтобы он мог обеспечить нормальную работу парового двигателя на полной мощности, т. е. произ-
водительность пара паровым котлом должна быть равна количеству пара, расходуемого паровой машиной. Следовательно, производительность котла находится в прямой зависимости от паровой машины. Но в свою очередь производительность парового котла зависит от размера его площади обогрева. Естественно, что чем больше площадь обогрева котла, тем больше его производительность пара. Площадью обогрева котла называется его поверхность, омываемая с одной стороны водой, а с другой — горячими газами.
Производительность промышленных котлов современной конструкции достигает 40 — 50 кг пара в час с 1 м2 площади обогрева. Это значит, что паровой котел, у которого площадь обогрева равняется 1 м2, может вырабатывать 40 — 50 кг пара в час.
В котлах модельного типа производительность пара с 1 м2 значительно ниже и равняется в среднем 5 — 10 кг пара в час.
Площадь обогрева парового котла для паровой машины определяется по формуле:
где 5 — необходимая площадь обогрева;
т: — отношение длины окружности к своему диаметру, равное 3,14;
D — диаметр цилиндра машины, выраженный в метрах; 5 — ход поршня паровой машины, выраженный в метрах; п — количество оборотов паровой машины в минуту; i — количество цилиндров паровой машины;
Т — тип действия паровой машины (для машин простого действия — 1, а для машин двойного действия — 2);
Wl — удельный объем пара, т. е. объем 1 кг пара, выраженный в м3 (взято из таблицы, см. в конце брошюры);
W — удельная производительность котла, т. е. производительность с 1 м2 площади обогрева.
Пример. Определить размер площади обогрева парового котла для машины, у которой ход поршня 5 = 0,03 ж, диаметр цилиндра 1) = 0,015 ж. На полной мощности машина развивает п= 1000 об/мин при давлении в котле Р — 3 атм. Машина одноцилиндровая и простого действия.
Решение. Площадь обогрева парового котла определяется по формуле (5), но прежде чем воспользоваться ею, необходимо задаться удельной производительностью пара нашего котла, т. е. W, и определить, пользуясь таблицей, удельный объем пара при давлении в котле 3 атм.
Удельную производительность нашего котла примем W= 10 кг пара с 1 м2 площади обогрева.
Пользуясь таблицей, определяем удельный объем пара: Wx 0,47.
Теперь, имея все величины, входящие в правую часть формулы, находим 5 — площадь обогрева котла:
Зная площадь обогрева нашего котла, можно приступить к проектированию и определению основных размеров котла.
При проектировании парового котла следует помнить, что его площадью обогрева является только та часть его поверхности, которая омывается с одной стороны водой, а с другой — горячими газами.
Вторым и весьма важным этапом расчета парового котла является его расчет на прочность. Расчет парового котла на прочность заключается в определении давления в котле, выше которого котел может разорваться.
Максимально допустимое давление в котле определяется по формуле:
где Р пр — предельно допустимое давление в котле в атмосферах;
Н — толщина стенок котла в сантиметрах;
D — диаметр котла в сантиметрах;
а — допускаемое напряжение для материала, из которого изготовлен котел. Для железа оно равно 1200 кг!см2, а для латуни — 800 кг/см2.
Пример. Определить предельно допустимое давление в цилиндрическом котле, диаметр которого 8 см. Изготовлен паровой котел из латуни толщиной 0,5 мм.
Решение. Предельно допустимое давление в котле определяется по формуле (6), оно равно:
Это значит, что повышение давления в котле выше 10 атм может привести к разрыву парового котла.
Эксплоатировать котел при давлении, равном предельно допустимому давлению, категорически запрещается. Каждый
модельный котел должен работать с трехкратным запасом прочности. Это значит, что рабочее давление в котле должно быть равно !/з предельно допустимого давления.
При повышении давления в котле за 1/3 должен открываться предохранительный клапан парового котла.
Расчет предохранительного клапана является третьим этапом расчета парового котла и заключается в определении давления пружины клапана. Сила давления пружины клапана находится по формуле:
где F — сила давления пара на клапан в килограммах;
1с — отношение длины окружности к своему диаметру, равное 3,14;
D — диаметр клапана в сантиметрах;
Р — давление в котле, при котором клапан должен открываться.
Пример. Рассчитать силу давления пружины клапана, если известно, что максимальное давление в котле не должно превышать 3 атм.
Внутренний диаметр клапана D = 5 мм.
Решение. Силу давления пружины определяют по формуле (7):
Приведенные расчеты, несмотря на их примитивность, помогут юным конструкторам привыкнуть к техническому анализу своих конструкций, к грамотной оценке деталей машин, к разумному выбору основных размеров модельных паровых установок. |||||||||||||||||||||||||||||||||
Распознавание текста книги с изображений (OCR) —
творческая студия БК-МТГК.
|
