Паровоз "Ракета" победил на состязаниях в 1829 году не только потому, что его строитель Джордж’ Стефенсон удачно сконструировал машину, — очень большое значение имела новая конструкция котла.
Со времени изобретения первой паровой машины многие изобретатели совершенствовали ее, а на котел никто не обращал внимания. Как был он "кастрюлей", так до Стефенсона "кастрюлей" и. остался. Но перед Стефенсоном стояла совсем особая задача. Его котел был на колесах. Машина расходовала много пара, и в обычных установках приходилось делать большой котел. Большой котел получался очень тяжелым и перетяжелял паровоз, а при маленьком котле машина паровоза не могла долго работать. Сначала приходилось "нагонять" пар в котле: закрывать вентиль, чтобы поднять давление пара. Затем открывали вентиль; машина работала, но вскоре останавливалась: пара опять нехватало. Машинист снова "нагонял" пар, опять паровоз шел и снова останавливался. На такой машине далеко не уедешь.
Котел "Ракеты" Стефенсона был устроен иначе. От топки вдоль всего котла шли трубы. Спереди паровоза все они выходили в особую коробку, из которой вверх шла дымовая труба. Нагретые-газьг из топки должны были пройти по трубам внутри котла и только тогда попадали в дымовую трубу. Таким образом топка нагревала сразу всю воду.
В таком котле очень сильно увеличилась, как говорят, площадь нагрева. Ведь все знают, что вода в низком чайнике или в кастрюльке закипает гораздо скорее, чем в высоком кофейнике такого же объема. Это потому, что дно чайника — его площадь нагрева — гораздо больше дна кофейника. Вот и в котле Стефенсона при большой площади нагрева очень быстро шло парообразование, и машина паровоза работала без перебоев. Оказалось, что при таком котле на нагревание воды идет гораздо меньше топлива, чем при простых котлах. Для паровоза это особенно важно.
Со времени Стефенсона прошло уже около ста лет. Сейчас есть очень много различных систем жаротрубных котлов, но почти все котлы паровозов устроены примерно так же, как и у "Ракеты" Стефенсона.
В котле нашей паровой машины тоже можно сделать несколько жаровых труб. Сверните их из жести, спаяйте "внакладку", проделайте отверстия в дне и в крышке котла, вставьте трубки в котел и припаяйте к крышке и ко дну. Трубки сделайте диаметром 8—9 мм. Котел станет давать гораздо больше пара, чем раньше. Но тут вот что может случиться: если пламя спиртовок будет очень большим и пройдет в трубки, они могут распаяться наверху, там, где кончается уровень воды.
Вода при нагревании отнимает тепло у стенок котла, и температура ее медленно повышается лишь при увеличении давления. В верхней части котла воды нет, а пар легко можно нагреть до очень высокой температуры. Когда пламя лижет те места котла, тде нет воды, они нагреваются до температуры плавления олова. Бывает, что от чайника, в котором налито мало воды, вдруг отваливается носик: значит, пламя прогрело места, не защищенные водой. Поэтому, когда подставите спиртовку под котел, следите за тем, чтобы пламя не попадало в трубки; пусть в них идут только нагретые газы. В настоящих котлах трубы не припаивают, а приклепывают или приваривают к стенкам котла, поэтому там нечему распаиваться.
Самодельные котлы часто выходят из строя потому, что не видно, когда в них выкипела почти вся вода. Совсем нетрудно сделать самому водомерное стекло.
Достаньте толстостенную стеклянную трубку внутренним диаметром 5—б мм. Из жести спаяйте две трубки", изогнутые под прямым углом. Впаяйте их у дна и у крышки котла и отрежьте стеклянную трубку такой длины, чтобы она как раз входила между ними. Наденьте на стеклянную трубку два кусочка резиновой трубки, вставьте ее на место и натяните резиновые трубки на жестяные (рис. 94, а). Перевяжите места соединений прочной ниткой и можете спокойно пользоваться котлом. Только следите за уровнем воды в стекле — и котел никогда не испортится.
Если решите поставить на котел всю полагающуюся арматуру, сделайте еще вентиль и предохранительный клапан.
Самый простой вентиль можно сделать, пристроив механизм, зажимающий резиновую трубку, идущую из котла. Устройство такого вентиля показано на рисунке 94, в.
В котел впаяйте трубку длиной 10 мм и наружным диаметром 7 мм. Она должна выступать на 5—6 мм над крышкой котла. Сделайте еще одну трубку такого же диаметра, но длиной 35—40 мм. На трубку котла наденьте обрезок резиновой трубки. В эту трубку вставьте заготовленную жестяную так, чтобы она не доходила до трубки котла на 10 мм. Места соединений хорошенько перевяжите ниткой или проволокой.
Из полумиллиметровой латуни или кровельного железа сверните цилиндр диаметром 25 мм, высотой 30 мм. Этот цилиндр нельзя делать из жести: она слишком тонка. Поставьте цилиндр на крышку котла и против середины свободного промежутка резиновой трубки отметьте на нем высоту установки двух направляющих проволок. Вставьте эти проволоки поперек цилиндра на расстоянии 15 мм одна от другой.
Из такой же латуни, как и цилиндр, сверните две "губки", которые будут зажимать резиновую трубку: одна "губка" — это трубка диаметром 4—5 мм и длиной 20 мм; вторая "губка" — полутрубка такой же длины. В обеих "губках" проткните шилом отверстия, точно совпадающие с положением направляющих проволок в цилиндре. Теперь вытащите прО)волоки из цилиндра и вставьте их опять" надев одновременно обе "губки". Припаяйте проволоки к цилиндру и сделайте маховичок вентиля с винтом. Маховичок сверните из проволоки и обожмите его крестообразным кусочком латуни. В центр впаяйте какой-нибудь длинный винт, а гайку винта припаяйте к цилиндру между направляющими проволоками.
Рис. 94. Самодельная арматура парового котла.
Готовое приспособление наденьте на трубку котла и припаяйте цилиндр к крышке котла в двух-трех местах.
Когда будете ввинчивать винт, он передвинет на проволоках круглую "губку" и прижмет ко второй "губке" резиновую трубку котла. Когда вывинтите винт, резиновая трубка будет стремиться снова стать круглой и оттолкнет "губку" обратно.
В других конструкциях самодельных вентилей из-за неточного изготовления частей кое-где проходит пар, а здесь этого быть не может. Сработается резиновая трубка, ее нетрудно заменить новой, и вентиль снова готов к действию.
Верхнюю трубку, на которую наденется резиновая трубка паропровода, можете прикрепить проволочкой к цилиндру вентиля.
Предохранительный клапан можно сделать рычажный или, как сейчас часто делают, пружинный.
Рычажный клапан показан на рисунке 94, б. Он так прост, что объяснять устройство его не нужно. Трубку, идущую из котла, можете сделать из патрончика мелкокалиберной винтовки, пробив снаружи дно патрончика большим гвоздем. Для пробки отрежьте кусочек пули мелкокалиберной винтовки и обработайте отверстие патрончика так, чтобы пулька плотно прилегала к нему. Рычаг выгните из толстой проволоки. Две стойки — для оси рычага и направляющую — сделайте из жести. Груз можете отлить из свинца.
Трубка и пробка пружинного клапана (рис. "94, г) — те же патрончик и пулька мелкокалиберной винтовки. Здесь надо предусмотреть возможность изменения давления пружины. Впаяйте в пульку обрезок велосипедной спицы с нарезкой, надев на нее предварительно укороченный ниппель спицы. Спица должна быть впаяна в пульку нарезным концом. Над клапаном припаяйте проволочный треножник, а на стержень пробки наденьте пружинку, свернутую из толстой балалаечной струны. Когда поднимете гайку вверх по резьбе, давление пружины увеличится; опустите вниз — давление пружины уменьшится.
Для маленькой паровой машины с цилиндром из патрона от револьвера "наган" объем котла, сделанного из консервной банки, достаточен. Но для машины с цилиндрами большего диаметра пар в таком котле образуется недостаточно быстро, и машина работает так, как в неудачных конструкциях первых паровозов, — все время приходится нагонять пар в котле. Если захотите сделать паровые машины большего размера, объем котла нужно сильно увеличивать.
Можно сделать водотрубный котел, например-такой, как показан на рисунке 95. Это котел системы инженера - Ярроу. Он называется водотрубным потому, что почти вся вода помещается в трубах, обогреваемых горячими газами топки, и таким образом сильно увеличивается поверхность нагрева.
Рис. 95. Фото самодельного котла Ярроу.
Рис. 96. Схема циркуляции воды в кастрюле.
Еще по одной причине этот котел дает много пара: в нем очень хорошо циркулирует вода. В обыкновенной кастрюле подогревается дно, вода нагревается внизу, поднимается вверх, а навстречу ей сверху спускается более холодная. Потоки воды смешиваются, мешают друг другу, вода в котле бурлит, и много тепла тратится зря (рис. 96).
В котле Ярроу дело происходит иначе. Больше всего нагреваются внутренние, ближайшие к огню трубки, и так как они расположены под большим углом вверх, нагретая вода легко поднимается по ним в барабан котла. Более холодная вода из барабана спускается вниз по наружным трубкам, не мешая потоку нагретой воды (рис. 97, слева). В котле Ярроу вода непрерывно циркулирует, хорошо поглощая тепло топки, и очень быстро обращается в пар.
Сделать такой котел нелегко и браться за него стоит только в том случае, если достанете цельные медные трубки подходящего диаметра. Спаивать трубки самому нельзя: они быстро дают течь и весь котел выходит из строя. Если достанете трубки и возьметесь за изготовление котла Ярроу, обратите самое серьезное внимание на впайку трубок. Лучше всего припаивать их не снаружи, а изнутри до свертывания барабана и нижних соединительных пол утру бок. Когда заложите трубки в отверстия заготовок барабана и * полутрубок, оберните каждую трубку медным проволочным кольцом и залейте оловом. После впайки всех трубок сверните и спаяйте барабан котла и соединительные полутрубки. Такой способ изготовления обеспечит надежную работу котла.
Рис. 97. Слева—схема циркуляции воды в котле Ярроу, справа — схема котла Ярроу с U-образными трубками.
Котел Ярроу можно сделать и проще. Медные трубки изгибаются в виде буквы U и обоими концами впаиваются в барабан котла (рис. 97, справа). Это дает возможность обойтись без соединительных полутрубок внизу и вдвое уменьшает число впаек.
Такой котел, даже небольших размеров, будет давать очень много пара, и его выгодно ставить на движущиеся модели, где вес котла имеет очень большое значение.
Очень хорошо работает котел Ярроу, но есть у него один существенный недостаток: на большое количество воды он получается слишком громоздким. В настоящих котлах этого недостатка нет, потому что в них все время подкачивается вода, а нам в модели этого не сделать. Вместе с тем котлы, вмещающие много воды, нужны для мощных паровых машин — скажем, для двухцилиндровой машины, описанной в этой книге.
Рис. 98. Фото самодельного вертикального парового котла.
Юные техники часто делают простые паровые котлы с жаровой трубой посредине. Мы попробовали сделать такой котел больших размеров из литровой консервной банки (рис. 98), но он оказался совсем негодным: все время отпаивалась жаровая труба в месте соприкосновения ее с верхней крышкой котла.
Такие котлы маленького размера работают потому, что тяга в них значительно меньше и температура газов, доходящих до верхней крышки, ниже. А в этом котле, объемом в 1 л, никак нельзя уберечься от распайки.
Самый простой котел, емкостью в 1,5—2 л воды, мы сделали из... кастрюли (рис. 99). Этот котел обладает многими недостатками, о которых мы уже говорили, но если нагревать его на примусе, он дает столько пара, что наша двухцилиндровая машина работает полным ходом сколько угодно времени.
Пожалуй, не стоит описывать, как сделать этот котел. Ведь 4 арматура котла уже описана, а припаять крышку к кастрюле всякий сумеет.
Если достанете большой лист латуни толщиной 0,5 мм, можете сделать очень хороший так называемый корнваллийский котел (рис. 100).
Рис. 99. Фото. Паровой котел из кастрюли.
Рис. 100. Схема простого корнваллийского котла.
Это горизонтальный жаротрубный котел с одной большой жаровой трубой. Труба в нем помещена не в центре, а смещена в сторону и вниз, благодаря чему создается хорошая круговая циркуляция воды (рис.
100, справа). Этот котел можно нагревать спиртовкой с несколькими фитилями только у передней стенки котла; дальше огонь будет втягиваться в трубу и омывать всю ее. Корнваллийский котел можете сделать любых размеров, придерживаясь таких соотношений: диаметр жаровой трубы берется в два раза меньший, чем диаметр котла, а длина котла должна быть хотя бы в два раза больше диаметра котла. В настоящих котлах длина обычно берется в четыре-пять раз больше диаметра.
Еще лучше будет работать самодельный корнваллийский котел, если в свободную часть жаровой трубы вставить трубчатую батарею для увеличения поверхности нагрева.
Ее можно сделать в виде спирали, один конец которой впаян снизу котла, а другой сквозь верхнюю стенку жаровой трубы входит в котел (рис. 101, вверху).
В маленьком корнваллийском котле трубку можно не свертывать спиралью, а просто изогнуть так, как показано на рисунке 101 (в середине). Если позволит место, можно впаять рядом две такие трубки.
Выходящие из котла газы имеют еще довольно высокую температуру, и их можно использовать для перегрева пара (рис. 101, внизу), что значительно улучшает работу котла.
Теперь вам остается только выбрать конструкцию котла, в зависимости от имеющихся материалов, и можете браться за изготовление.
Рис. 101. Наверху — корнваллийский котел со спиралью, ниже—у котла вместо спирали две трубки, внизу — котел со спиралью и пароперегревателем.