Небольшая самодельная паровая турбина (таблица 36, рис. 1) может приводить в движение модели кораблей.
Таблица 36. Конструкция паровой турбины.
Турбина проста по устройству, и построить ее нетрудно.
Но прежде чем приступить к постройке турбины, разберемся, как устроена и как работает настоящая паровая турбина.
Первая паровая турбина, пригодная для практического применения, была построена в 1883 году шведским инженером Лавалем. Главная часть турбины Лаваля (рис. 2) — это колесо, или диск, с закрепленными по ободу лопатками.
Лопатки изогнуты в виде желобков и имеют заостренные края. Пар из котла под большим давлением подводится к трубкам-наконечникам, расположенным сбоку колеса под некоторым углом к лопаткам турбины. Эти трубки называются соплами. Струи пара вырываются из сопел с громадной скоростью и бьют в лопатки турбины. Проходя между лопатками, пар оказывает на них сильное давление. Под давлением пара лопатки вместе с колесом начинают вращаться.
Диск турбины Лаваля вращается с громадной скоростью, от 10 тысяч до 30 тысяч оборотов в минуту. При таком быстром вращении в колесе турбины возникают огромные напряжения. Если колесо турбины не сделано из особо прочного материала, оно может разлететься на куски.
Турбины Лаваля строят небольших размеров, а следовательно, и небольшой мощности. Кроме того, громадное большинство машин и станков требует значительно меньшего числа оборотов, их нельзя соединять непосредственно с валом турбины Лаваля, а приходится применять промежуточную зубчатую передачу — редуктор.
Чтобы уменьшить число оборотов турбины Лаваля и увеличить ее мощность и экономичность, американский инженер Кертис предложил использовать скорость пара не в одном ряде лопаток, а постепенно в двух или трех рядах, называемых ступенями скорости и отделенных друг от друга неподвижными направляющими лопатками. В такой турбине (рис. 3) струя пара, пройдя первый ряд лопаток, делает поворот, так как встречает на своем пути другой, неподвижный направляющий ряд лопаток, соединенный уже не с ободом колеса, а с корпусом и крышкой турбины.
По выходе из этого ряда пар входит в следующий ряд лопаток, опять прикрепленных к ободу колеса, насаженного на вал турбины. Струя пара давит на эти лопатки в том же направлении, что и на лопатки первого колеса. Этим она отдает колесу еще некоторую долю своей энергии.
Наша маленькая турбина примерно копирует турбину Кертиса с двумя ступенями скорости. На рис. 4 она показана в полуразобранном виде. Два диска 7 и 2 с рабочими лопатками закреплены на валу 3. Неподвижный диск с направляющими лопатками состоит из двух частей 4 и 5, закрепленных в верхней и нижней частях кожуха 6 и 7.
Турбинка имеет два сопла 8 и 9. Вал с дисками вращается в двух разъемных подшипниках 10 и 11.
Проходя между лопатками рабочих дисков, пар оказывает на них, кроме основного давления, направленного на вращение дисков, еще некоторое давление, направленное вдоль оси турбины. Это давление называется осевым. Чтобы под влиянием этого давления вал с рабочими дисками не перемещался вдоль оси, устанавливается упор 12. Этот упор является одновременно подшипником малого вала 13, на котором закрепляется большая шестерня 14, сцепляющаяся с маленькой шестеренкой 15, закрепленной на валу турбины. Смещению вала с рабочими дисками в обратную сторону препятствует стенка 16, закрепляющая паропроводы сопел. Вся турбина вместе с шестереночной передачей устанавливается на деревянной подставке 17.
При постройке турбины особое внимание обратите на изготовление самых ответственных частей ее — сопел и лопаток. От правильного изготовления их зависит мощность турбины.
Проходя через сопло, пар должен приобрести большую скорость. От скорости струи пара, выходящей из сопла, будет зависеть сила, с которой пар будет давить на лопатки турбины: чем больше скорость пара, тем больше эта сила.
Скорость выхода пара из сопла в большой мере зависит от формы сопла. Если мы сделаем сопло в виде прямой трубочки (рис. 5, А), то до какого бы большого давления мы ни доводили пар в котле, мы не получим большой скорости выхода пара из сопла, так как пар будет идти не струей, а вырываться клубами. Такое устройство сопла неправильное.
На рис. 5, Б показано сопло Лаваля. Проходя по такому соплу, пар постепенно расширяется, при этом частички пара приобретают все большую скорость, вылетают из сопла ровной струей с громадной скоростью и не клубятся. Выходное отверстие в сопле лучше делать не круглым, а прямоугольным. Такое отверстие дает лучшее распределение пара по длине лопатки.
Сопла (рис. 5, В) для нашей маленькой турбинки можно изготовить из чистого и гладкого кусочка латуни или, в крайнем случае, жести. Полоска латуни сгибается вдвое. Вплотную к изгибу вставляется узенький, тоже латунный, угольничек (рис. 6). Если перерубить зубилом латунь по краю угольничка, верхний слой латуни под давлением острия зубила обожмет находящийся внутри угольничек, и получится полый внутри конус. Место соединения краев латуни в сопле пропаивается.
Узкий конец сопла немного спиливается напильником (рис. 7, А), и в нем тонкой булавкой делается маленькое отверстие (рис. 7, Б). Концы сопел должны иметь косые срезы, для того чтобы их можно было поставить как можно ближе к лопаткам. Эти срезы делаются напильником (рис. 7, В). После спиливания концов образовавшиеся в отверстиях заусенцы осторожно соскабливаются.
Когда оба сопла изготовлены, их впаивают в изогнутую медную трубочку (таблица 37, рис. 8).
Таблица 37. Изготовление кожуха, колес и других деталей паровой турбины.
Чтобы легче было изогнуть трубочку, ее нагревают докрасна и опускают в холодную воду. После этого она становится мягче. Гнуть трубку надо заполненной песком.
Сопла устанавливаются под углом в 18–20° к плоскости диска турбины и закрепляются при помощи деревянной накладки — стенки 16 —с канавками для паропроводных трубок. В стенках верхней и нижней частей кожуха для сопел делаются небольшие прорезы.
Форма лопаток также сильно влияет на мощность турбины. На рис. 9, А показано действие струи пара на плоскую лопатку, а на рис. 9, Б — на изогнутую желобком. Струя пара, ударяя вкось о плоскую поверхность лопатки, отражается от нее. Часть пара ударяет в обратную (тыльную) сторону следующей лопатки, задерживая вращение диска. Пройдя первый ряд таких лопаток, пар разлетается во все стороны. Плоские лопатки плохо используют энергию пара. Вот почему сейчас все турбины строятся с лопатками, изогнутыми желобками.
Попадая на правильно изогнутые лопатки, струя пара плавно изменяет направление и не разбивается. Пройдя первый ряд лопаток и потеряв часть своей скорости, пар может быть использован во втором и третьем ряду. Кроме того, изогнутые лопатки можно ставить значительно чаще, что также увеличивает мощность турбины. Края лопаток должны быть обязательно заостренными: если они тупые, то струя пара, ударяясь о них, бесполезно теряет часть своей энергии.
В нашей маленькой турбине диск и лопатки изготовляются из одного куска жести или тонкой латуни. Каждый диск с лопатками составляется из двух или трех дисков, сложенных вместе (рис. 10, Г ). Это делается для того, чтобы лопатки были расположены возможно более часто. При редком расположении лопаток много пара будет бесполезно проходить мимо лопаток и турбина будет работать с меньшей мощностью. Для простоты и скорости изготовления все диски делаются одного размера и с одинаковым числом лопаток.
Лопатки размечаются при помощи циркуля и транспортира сначала на одном диске (рис. 10, А ). По первому диску размечаются остальные. После разметки в дисках сверлят отверстия, ножницами делают прорезы, а затем выгибают лопатки. На рис. 10, Б показано устройство приспособления для выгибания лопаток.
После выгибания лопатки на всех дисках поворачиваются круглогубцами (рис. 10, В). Поворачивать лопатки надо аккуратно, чтобы можно было сложить вместе два или три диска. Боковые края лопаток заостряются напильником. Сложенные диски скрепляются несколькими заклепками из маленьких гвоздиков. Когда диски с рабочими лопатками готовы, к лопаткам припаивается обод из полоски жести или нескольких витков проволоки (рис. 10, Г ).
Диск с направляющимися лопатками сначала изготовляется так же, как и диски с рабочими лопатками. Затем он разрезается на две части и в каждой части вырезается небольшой полукруг. По окружности напаиваются половины обода. При помощи лапок (рис. 11) обе части неподвижного диска закрепляются в верхней и нижней частях корпуса. При этом под обод предварительно следует подложить полоску промасленного картона.
Корпус турбины (рис. 12) состоит из двух частей и вырезается из сухого дерева: липы, осины или березы. Верхняя часть корпуса — крышка — точно устанавливается на нижней части при помощи четырех деревянных круглых направляющих колонок, так называемых свеч, плотно входящих в отверстия, просверленные в крышке. Крышка крепится к корпусу двумя винтами. Для выхода отработанного пара сбоку в нижней части корпуса делается прорез.
Разъемные подшипники 10 и 17 и упор-подшипник 12 выпиливаются из латуни, алюминия, меди или железа толщиной 1,5–2 мм. Подшипники 10 и 11 состоят из двух половинок каждый; одна половинка прикрепляется маленькими шурупами к нижней части корпуса, другая — к верхней. В подшипнике 11 сделано второе отверстие для малого вала. Оба вала турбины изготовляются из оси набора «металлоконструктор» или из стальной проволоки толщиной 4–5 мм.
Все деревянные части турбины перед сборкой хорошо пропитываются олифой или другим маслом, чтобы они не впитывали воду.
Диски с рабочими лопатками припаиваются к валу. Расстояние между лопатками рабочих дисков должно быть таким, чтобы между рабочими и направляющими лопатками оставался зазор до 1 мм.
Наша турбина дает очень большое число оборотов. Для вращения гребного винта модели корабля требуется значительно меньшее число оборотов, поэтому передача от турбины к гребному валу производится через промежуточную зубчатую передачу. Зубчатая передача состоит из двух шестерен из набора «металлоконструктор» или от старых часов ходиков. На валу турбины закрепляется маленькая шестеренка, сцепляющаяся с большой, закрепленной на втором, малом валу. С этим валом и соединяется вал гребного винта. Соединение производится эластичной резиновой или кожаной муфтой или гибкой передачей — стальной пружинкой или резиновой трубочкой.
Благодаря шестереночной передаче мы получаем значительно меньшее число оборотов, но зато, по правилу механики, за счет уменьшения скорости выигрываем в силе.
Шестереночная передача турбины (редуктор) закрывается крышкой 18. Перед пуском подшипники турбины и другие трущиеся части смазываются жидким машинным маслом, а трубочка, идущая к соплам, соединяется с паропроводом.
Чтобы уменьшить охлаждение пара во время прохождения его по паропроводу, трубку надо обернуть слоем ваты, а сверху обмотать изоляционной лентой или лентой из какой-либо ткани. Сверху теплоизоляция окрашивается масляной краской.
Пар пускается в турбину открыванием маленького краника. Если краника нет, можно легко построить простое и хорошо действующее пусковое приспособление. Устройство его ясно видно на рис. 13, и объяснять его нет нужды. Относительно резиновой трубки учтите замечания в предыдущей статье.
После испытания турбины и исправления замеченных недостатков наружные части, кроме шестерен и валов, окрашиваются масляной или эмалевой краской.
По окончании работы турбины крышка кожуха снимается и вынимается вал с рабочими дисками, чтобы лучше могли обсохнуть все лопатки. Остальные части турбины вытираются чистой сухой тряпочкой и смазываются жидким маслом. Это делается для предохранения металлических частей от ржавчины.