ТЕРМОСИФОН ПАРОВОЗНОГО КОТЛА Советский патент 1939 года по МПК F22D7/14 

Изобретение относится к термосифонам паровозного котла, представляющим собой плоскую водяную коробку с прямоугольным поперечным сечением, открытую с неба топки и закрытую снизу, причем дно имеет наклон вниз и вперед и заканчивается спереди закрытой угловой частью.

Настоящее предложение имеет в виду дальнейшее усовершенствование подобного рода термосифонов с целью достижения: 1) увеличения лучистой теплопоглотительной способности поверхности паровозной топочной коробки и усиления этим путем активности и увеличения коэфициента полезного действия котла; 2) обеспечения равномерной циркуляции воды во всех участках топочной коробки, для избежания появления трещин в ее листах; 3) осуществления питания термосифонов водой с высоким теплосодержанием, готовой для быстрого превращения в пар, с той целью, чтобы паровоз являлся быстрым парообразователем, обладая вместе с тем высоким коэфициентом полезного действия; 4) получения возможности продувания твердых частиц, попадающих в термосифоны или образующихся в них; 5) предупреждения аварий вследствие понижения водяного уровня в котле, когда он падает ниже потолка топочной коробки, путем опрыскивания или смачивания оголившегося участка топочного листа.

Для разрешения поставленной задачи нижняя часть предлагаемого термосифона жестко соединена с задней и верхней частью топки. В то же время конец ее у ухватного листа имеет возможность свободного перемещения по отношению к ухватному листу. Для периодического выдувания скопляющейся грязи в нижней части термосифона имеется трубка.

На чертеже фиг. 1 изображает вертикальный продольный разрез паровозного котла и его топочной коробки, снабженного предлагаемым термосифоном; фиг. 2 - вертикальное сечение, в несколько большем масштабе, нижней части термосифона соответственно фиг. 1; фиг. 3 - вид сверху на фиг. 2; фиг. 4 - поперечный разрез по линии 4-4 фиг. 2; фиг. 5 - вертикальный поперечный разрез в более увеличенном масштабе заднего конца термосифона; фиг. 6 - задний концевой вид котла, согласно фиг. 1; фиг. 7 - поперечный разрез топочной коробки по линии 7-7 фиг. 1; фиг. 8 - горизонтальный разрез фиг. 1, причем верхняя часть кожуха котла удалена для показания потолочного листа топочной коробки; фиг. 9, 10 и 11 - вертикальные поперечные разрезы вариантов термосифона; фиг. 12 - вертикальный разрез по линии 12-12 фиг. 9 и 10; фиг. 13 - горизонтальный разрез по линии 13-13 фиг. 10; фиг. 14 - вариант верхней части термосифона по фиг. 10; фиг. 15 - вариант термосифона; фиг. 16 - частичный горизонтальный разрез фиг. 15; фиг. 17 - концевой вид и разрез топочной коробки частично по линии 17-17 фиг. 15; фиг. 18 - поперечный разрез по линии 18-18 фиг. 15; фиг. 19 подобна фигурам 1 и 15, но отличается от них тем, что показывает термосифоны со слегка изогнутым вверх дном; фиг. 20 изображает в большем масштабе поперечный разрез по линии 20-20 фиг. 19; фиг. 21 изображает еще один вариант, согласно которому термосифон является простым карманом, свисающим с прореза в наклонном потолочном листе топочной коробки; фиг. 22 иллюстрирует приспособление настоящего изобретения к термосифону, форма которого получила известность благодаря появлению термосифона Никольсона; фиг. 23 - горизонтальный разрез по линии 23-23 фиг. 22; фиг. 24, 25, 26 и 27 - частичные вертикальные продольные разрезы, показывающие различные варианты нижних частей термосифонов.

На чертеже показаны задние концы различных паровозных котлов, каждый из которых снабжен внутренней топочной коробкой, укрепленной распорными связями или связными болтами надлежащей формы.

Листы топочной коробки, находящиеся под действием пламени, плотно соединены по швам и образуют задний лист 1 (фиг. 1), боковые листы 3, потолочный лист 4, ухватный лист 5 и трубную решетку. Потолочный и боковые листы, будучи продолжены, образуют вместе с нижним листом 6 камеру горения С. В этом случае лист трубной решетки 7 расположен довольно далеко впереди ухватного листа 5. В противоположность этому плоская топочная коробка имеет трубную решетку 8, представляющую собой продолжение вверх ухватного листа 5 (фиг. 19, 24, 25 и 26). Во время работы котла огонь поддерживается в пространстве, образуемом этими листами, а газы уходят по дымогарным трубам 9.

Находящийся под давлением кожух котла имеет цилиндрический участок 10, заканчивающийся листом лобовой трубной решетки (не показанным на чертеже). Задний конец кожуха котла имеет головку 11 котла и боковой лист, имеющий плоские бока 12 и округленный верх 13. Кожух котла заканчивается наружным ухватным листом 14, примыкающим к нижней части цилиндрического участка 10 котла. Вертикальные листы одного и того же названия соединены внизу прямоугольной рамой 15.

Листы, подверженные действию огня, и кожух котла разъединены между собой, образуя в промежутке водяные пространства, а именно: в горловине (т.е. между ухватными листами) пространства 16, между боковыми листами, так называемые, водяные стены 17 и между лобовыми листами - заднюю водяную стену 18. Потолочный лист 4 и верх 13 бокового листа разобщены пространственно в гораздо большей степени и образуют, благодаря этому, достаточный промежуток как для воды, так и для свободно накопившегося пара, причем топочная коробка и дымогарные трубы нормально погружены в воду котла. Пространство поверх водяного уровня, так называемое, паровое пространство S по размеру колеблется в зависимости от положения водяного уровня. Водяной уровень WL (фиг. 1) поддерживается нормально на надлежащем расстоянии от потолочного листа 4. Если по какой-либо неблагоприятной причине водяной уровень опустится ниже потолка топки, то потолочный лист оголится от воды и, получив перегрев, может прогнуться под действием давящего на него сверху пара. Для устранения возможности появления такого рода дефектов потолочный лист поддерживается под действием впрыскивания или под водяной пленкой котловой воды в такие именно промежутки времени и, тем самым, предупреждается появление трещин или разрушение потолочного листа.

В задних листах кожуха котла имеется топливное окно 2, закрываемое дверцей 2¹ (фиг. 1). Так как все листы топочной коробки подвержены давлению пара внутри котла, то для предупреждения их выпучивания расположенные друг против друга огневые и наружные листы соединены между собой распорными связями 19 и потолочными болтами 20.

Термосифон A представляет собой полую плоскостенную, укрепленную распорными связями коробку в виде узкого глубокого и свисающего с потолочного листа кармана. Каждый такой термосифон закрыт внизу, но наверху он открыт сквозь потолочный лист, так что как вода, так и образующийся пар могут свободно подниматься в расположенное наверху пространство S. Термосифоны занимают продольные вертикальные положения в топочной коробке, образуя продольные щели A³ (фиг. 8) в потолочном листе. Таких щелей может быть одна или несколько, причем число их определяется шириной и очертанием топочной коробки, в которой они устраиваются.

Термосифоны занимают только верхний участок топочной коробки, оставляя огневую камеру F, простирающуюся от одного бока до другого и от одного до другого конца топочной коробки. На дне топочной коробки может помещаться колосниковая решетка для сжигания твердого топлива или же топка, может быть устроена для сжигания нефти.

Помимо использования термосифонов в качестве водоциркуляционных и парообразующих органов они служат также поддержками для кирпичных сводов В (фиг. 7). Свод В простирается поперечно к топочной коробке, а также взад и вверх от ухватного листа 5 до уровня выше топливного окна 2. Такой свод препятствует прямому проходу продуктов горения к дымогарным трубам и заставляет пламя двигаться взад, прежде чем газы смогут начать свой путь по направлению к трубной решетке; таким образом свод фактически удлиняет траекторию пламени и содействует лучшему сгоранию в пределах топочного пространства коробки.

Для образования удобной поддержки для свода В термосифон снабжен выпуклой днищевой частью A¹, образуя таким образом боковые опоры A², на которых могут покоиться концы кирпичного свода. В варианте термосифона на фиг. 11 поддержка свода В образована при помощи вправки в U-образный термосифон ряда распорных связей 27. Днищевая часть A¹ термосифона (фиг. 1, 7, 9, 10, 12 и 13) состоит, предпочтительно, из бесшовной трубы, нижний конец которой закрыт, например, заглушкой A⁴, тогда как верхний задний конец оставлен открытым. Верх этой трубы имеет длинную щель A⁵, образованную продольным вскрытием верха или спинки трубы и отгибом кромок A⁶ вверх (фиг. 9, 10, 12 и 13). После придания кромкам такой формы их скашивают (A⁷), после чего они готовы для присоединения к боковым листам A⁸ термосифона.

Боковые листы A⁸ простираются вертикально вверх между наклонной днищевой частью A¹ и потолочным листом 4 топочной коробки, к которому они прикрепляются. Боковые листы A⁸ захватывают такую же длину, как и щель A⁵ наверху трубы, а нижние кромки их плотно пригоняются к отвороченным вверх и скошенным кромкам A⁶. Поместив нижние кромки листов в надлежащее положение, их приваривают к спинке трубы автогенным способом (A⁹). Следует заметить, что помещенные на определенном взаимном расстоянии плоские листы А⁸ соединены группой коротких распорных связей 19¹ и что самые нижние из них расположены непосредственно над скошенными трубными кромками A⁶ для обеспечения большей прочности. Кроме того, передние и задние кромки А¹⁰ и А¹¹ боковых листов A⁸ загнуты навстречу друг другу и соединены автогенной сваркой A¹² (фиг. 13), причем внизу приварены к спинке трубы, как обозначено буквой A¹³ на фиг. 12.

Как можно усмотреть из чертежа, донные элементы термосифонов могут иметь различную длину, обусловленную размерами топочной коробки, размерами применяющихся кирпичных сводов В и, особенно, тем способом, который избирается для удаления твердых частиц и грязи из нижних частей термосифонов. Большая часть поступающих в термосифоны твердых частиц накопляется, очевидно, в их нижних передних углах. Удаление таких твердых частиц может производиться вверх и по потолочному листу, но все же рациональнее удалять их непосредственно, по мере того, как они накопляются, через нижний передний угол термосифона. Наилучшие результаты получаются, если предоставить твердым частицам возможность спокойно отстояться в нижних частях термосифона до наступления момента очередного их удаления. Для обеспечения такого отстоя устраняется поступление в эту часть термосифона какой-либо воды извне, тогда как обычно подобные термосифоны находятся всегда в сообщении с горловиной или с другими нижними участками котла, откуда они непосредственно получают воду. Помимо отсутствия циркуляционного сообщения с горловиной или с нижней областью котла предлагаемый термосифон может свободно расширяться и сокращаться, подниматься и опускаться вместе с задним и потолочным листами топочной коробки, без всякого ограничения или уменьшения какими-нибудь нижними передними частями топочной коробки. Такой свободой перемещения имеется в виду уменьшить разрушительные температурные напряжения в материале как самой топочной коробки, так и термосифонов и обеспечить их продолжительную службу.

Настоящее предложение предусматривает возможность снабжения или питания термосифонов водой из котла только после того, как теплосодержание воды увеличилось приблизительно до точки ее парообразования. Цель этого мероприятия заключается в улучшении парообразовательной способности котла и осуществляется тем, что термосифоны снабжаются водой, которая берется от задней водяной стены топочной коробки или по крайней мере от ее заднего конца. При этом циркуляционное движение воды в котле (показано стрелками а) становится более активным, захватывая все боковые и задние участки поверхности нагрева топочной коробки. Вышеприведенные положения являются общими для всех показанных на чертеже конструкций, в которых верхний задний конец каждого термосифона (за исключением случая на фиг. 21) открыт непосредственно из задней водяной стены 18 топочной коробки, откуда забирает воду.

Соединение между задней водяной стеной топочной коробки и термосифоном осуществляется путем удлинения открытого верхнего заднего конца части A¹ при посредстве соответствующего отверстия в заднем листе 1. Часть А¹ и лист 1 соединяются, предпочтительно, автогенной сваркой, так как лист 1 достаточно гибок для имеющей место незначительной подвижности в этом месте. По желанию, соединение можно защитить применением гибкого диафрагмового элемента 29 (фиг. 19), пользуясь для этого соответственно обусловленным распределением распорных связей. Во всяком случае должен быть предусмотрен соразмеренный широкий проход между задней водяной стеной 18 и внутренним пространством термосифона. Открытый верхний задний конец термосифона может быть удлинен насквозь и приварен к заднему листу 1, равно как и к потолочному листу. Эта конструкция изображена на фиг. 15, 16, 17, где открытый задний конец каждого термосифона обозначен буквами A^X.

Вертикальное удлинение заднего конца термосифона по отношению к заднему листу 1 топочной коробки ограничено только пространством поверх топливного окна 2, а лобовый конец термосифона может двигаться свободно вместе с потолочным листом и все же вызывать очень незначительное движение в заднем конце.

Когда, как уже было объяснено, водяной уровень WL в котле падает ниже верхушки потолочного листа, вода продолжает еще струиться вверх от термосифонов, смачивая потолочный лист и предупреждая его аварию. Относительно низко расположенное отверстие между задней водяной стеной 18 и термосифоном обеспечивает не прекращающееся снабжение водой, пока уровень воды не достигнет нижней точки этого отверстия.

В устройстве на фиг. 21 использован наклон потолочного листа и вода нормально притекает к термосифону A^Y через задний конец щели А³ в потолочном листе. В остальном же функционирование термосифона то же, что и в описанных выше случаях, но эта конструкция не может рассчитывать на полную защищенность потолочного листа после того, как водяной уровень упадет ниже, чем задний конец потолочного листа.

Фиг. 22 и 23 изображают топочную коробку, снабженную термосифоном A^Z, имеющим форму находящихся ныне в употреблении термосифонов. Однако его донная часть А¹ закрыта на его нижнем переднем конце и не присоединена к горловине котла. Напротив, здесь предусмотрены трубчатые соединения 30 между водяной стеной 18 топочной коробки и верхней задней частью термосифона.

Хотя вода, опускающаяся в задние концы термосифонов, находится в чрезвычайно нагретом состоянии, она, тем не менее, всегда гораздо тяжелее, чем пар, который образуется внутри термосифона, а потому в каждом случае она опускается на дно его. Другими словами, входящая вода естественно течет вниз и попутно выделяет и перемещает паровые пузырьки от внутренней поверхности термосифона, сметая оседающие твердые частицы в нижний передний угол.

Для предупреждения значительного скопления твердых частиц термосифон снабжен продувательным прибором для удаления твердых накоплений, пока они еще находятся в суспендированном состоянии и прежде чем они пристанут к поверхности нагрева в виде накипи.

Как уже было объяснено выше, нижний передний угол термосифона всегда закрыт. Он может оканчиваться как раз перед ухватным листом, как показано на фиг. 1, 21, 24, 26 и 27, в каковом случае ухватный лист не задевается. Равным образом донная часть А¹ может быть удлинена за пределы горловой или ухватной части котла (фиг. 15, 16, 17, 18, 19, 20, 22 и 25). Продувательные соединения ведут от нижних углов термосифонов и расположены так, чтобы было удобно удалять грязь из котла.

В термосифонах на фиг. 15-20 удлиненная и суженная часть расположена внутри рукава 32, установленного в горловине котла. Рукав 32 обладает большим диаметром, чем суженная часть, предоставляя термосифону свободу движения без напряжений.

Если бы термосифон покоробился или имел боковое движение, то это угрожало бы поддержкам свода В; поэтому (фиг. 20) бока более широких рукавов снабжены направляющими линейками 33, ограничивающими боковое движение сердечника в рукаве. Равным образом из фиг. 1, 2 и 3 видно, что такое боковое закрепление термосифона может быть осуществлено, когда он приближается вплотную к ухватному листу топочной коробки. Применительно к такому случаю к концу заглушки А⁴ приварены вертикально чурбашка 34 и дополнительные чурбашки 34¹ на соседнем листе топочной коробки. Эти чурбашки, сопрягаясь с термосифоном, задерживают от бокового смещения термосифон, но не мешают его вертикальному движению. Иногда такие чурбашки приходится поместить в таком положении, при котором они могли бы перекрыть головки некоторых распорных связей. Для избежания этого в подобных случаях огневой лист (фиг. 1, 2 и 3) снабжается вдавленностью 35; к которой прикрепляются чурбашки. При этом внутренние концы распорных связей 36, раздвинутые, чтобы оставить место для такой вдавленности, могут быть размещены так, чтобы быть доступными, не задевая конца термосифона. Для сохранения со стороны наружного ухватного листа 14 без изменения правильного размещения распорных связей их приходится слегка развести зонтообразно против вдавленности (фиг. 2 и 3).

Твердые частицы, получая возможность скопляться в углу термосифона, находящемся полностью внутри огневой камеры, подвергаются действию пламени (фиг. 1, 21, 24, 26 и 27). Поэтому для защиты этого углового участка от огня предусмотрен башмак 37, который в виде гильзы надет на нижний конец угла термосифона.

Устройство для удаления грязи со дна термосифона состоит из трубки 38 (фиг. 1), центрально поддерживаемой внутри более широкого трубчатого элемента. Трубка 38 вправлена сквозь центральную втулку 40, укрепленную в конце котла, и простирается почти до дна термосифона, где она заканчивается открытым торцом 38¹. Нижний конец трубки 38 поддерживается крылышками 38а (фиг. 4), приваренными к внутренней поверхности части А¹, прежде чем концевая заглушка А⁴ будет приварена к своему месту. Внутренние концы крылышек скошены, так что трубку можно легко извлечь и сменить, например, при промывке котла.

Верхний конец 39 трубки 38 расширен или отбортован, чтобы удерживать свое положение во втулке 40, и закрыт стаканом 41, имеющим продувательное отверстие 43 и приболченным к сальнику 42, помещающемуся между втулкой 40 и стаканом 41. Конец стакана 41 закрывается промывательной пробкой 44. Несколько стаканов 41 (фиг. 6) могут быть объединены магистралью 45 и обслуживаться единой грязеспускной трубой, снабженной вентилем 46 (фиг. 8); можно, разумеется, снабдить и каждый отдельный термосифон своим собственным вентилем. Во время работы достаточно открыть вентиль 45, чтобы твердые частицы, накопившиеся в нижних частях термосифона, удалить наружу.

В тех случаях, когда передний конец термосифона простирается вглубь горловины котла, может быть применена для освобождения термосифона от грязи трубка 47, снабженная вентилем (фиг. 15, 19 и 22). Карманообразный термосифон A^Y (фиг. 21) снабжен внутренней продувательной трубой 48, ведущей вверх, а оттуда назад через задний корпус котла. Термосифон, не проникающий в горловину когда, может обслуживаться снабженной вентилем продувательной трубой 49 (фиг. 24). Эта труба расположена внутри топочной коробки в конце колосниковой решетки и должна быть защищена кирпичной обмуровкой.

В устройстве на фиг. 25 применен грязевой барабан расположенный у нижнего конца термосифона, причем этот грязевик снабжен своей собственной продувательной трубой 50. На фиг. 26, аналогичной фиг. 24, продувательная труба 51 ведет наружу сквозь короткую распорную трубку 32а. Фиг. 27 изображает грязевой барабан для нескольких термосифонов, помещенных в длинной топочной коробке. Колосниковая решетка такой топочной коробки короче самой коробки, причем применена кирпичная стенка B^X для пополнения наклонного свода В. Грязевой барабан помещен в частично удаленном зольнике 52, а продувательная труба 53 ведет отсюда вниз.

Неиспарившаяся вода, поднимающаяся наверху топочной коробки, особенно та, что выходит из термосифонов, очень горяча и достигает температуры, приблизительно равной температуре парообразования. Из этого места она движется вперед под поверхностью уровня WL. Теряя в передней части котла теплоту, вода падает или возвращается ко дну, и затем перетекает назад вокруг топочной коробки для получения вновь теплоты.

Верхние части фиг. 9, 11, 12 и 14 показывают несколько форм верхних концов термосифонов и соединений их с потолочным листом. В отношении своего верхнего конца термосифон на фиг. 9 походит на верхний конец общеупотребительного термосифона, имея боковые фланцы 55, пригнанные к отверстиям, расположенным в потолочном листе 4, к которому они приварены, как показано в точках 56. Эти фланцы несут ряды широко расставленных потолочных связных болтов. Равнозначущую конструкцию изображает фиг. 11, на которой видна вваренная в потолок заплаточная полоса 57. Эта часть сама образует щель 58, в которую непосредственно вварен верх термосифона А, причем приварка 59 захватывает заплату сверху и снизу, Заплаточная полоса приваривается к термосифону А в указанном виде до монтажной пригонки его в надлежащее положение и до того, как выполнена сварка 60.

При сравнении фигур можно усмотреть, что термосифон по фиг. 10 гораздо уже, чем термосифон по фиг. 9, причем общая конструкция остается та же, а более тесно сдвинутое положение боковых листов A⁸ имеет последствием уменьшение объема содержащейся внутри воды и соответственное увеличение нормы подъема таковой. Как видно, поверхность нагрева термосифона не уменьшилась и паропроизводительность этого узкого термосифона равняется паропроизводительности более широкого термосифона. Равным образом улучшена очистка для сварочных операций поверхностей нагрева. Более тесные (узкие) термосифоны по фиг. 10 и 14 выгодны тем, что каждый из них можно присоединить к потолочному листу 4 путем вырезывания в этом листе узкой щели между любым соседним рядом потолочных связных болтов 20. В этом случае приварки 59 производятся только на нижней стороне потолочного листа. Этим путем имеется в виду достигнуть экономии в затратах и обеспечить устойчивость готового сооружения. С этой же целью можно снабдить верхние концы тонких простенков узкими фланцами 61 для помещения соседних рядов болтовых связей и для приварки к потолочному листу (фиг. 14).

Описанные узкие водяные термосифоны, особенно же те, которые имеют сравнительно большие трубчатые донные части А¹, рекомендуются автором к употреблению на основании перечисленных выше соображений. Если же обнаруживается, что вода слишком бурно бросается в пространство S поверх топочного листа, то эту неисправность легко упорядочить.

Фронт термосифона можно продолжить в камеру сгорания, как показано на фиг. 1 и 21, а также пунктирной линией 62 на фиг. 15.

1. Термосифон паровозного котла, представляющий собой плоскую водяную коробку с прямоугольным поперечным сечением, открытую с неба топки и закрытую снизу, причем дно имеет наклон вниз и вперед и заканчивается спереди закрытой угловой частью, отличающийся тем, что для уменьшения температурных напряжений нижняя часть термосифона жестко соединена с задней и верхней частью топки, в то время как ее конец у ухватного листа имеет свободное перемещение по отношению к ухватному листу.

2. Форма выполнения термосифона по п. 1, отличающаяся тем, что в нижней части термосифона расположена трубка для периодического выдувания скопляющейся грязи.