蒸汽机原理与构造部件详解

1 2 蒸汽机原理与构造部件详解 蒸汽机的结构 图 258 上所示为蒸汽机的结构。该图所示为卧式蒸汽机。它由机座、汽 缸、活塞、连杆曲柄机构、蒸汽分配装置和飞轮组成。 蒸汽机的工作原理如下。 蒸汽从蒸汽锅炉经蒸汽管路和蒸汽分配装置(滑阀室)进入汽缸、汽缸内 的活塞在蒸汽压力作用下按次序地自一端到另一端作往复运动。当活塞的一 面在进汽时，废汽从活塞的另一面排出。活塞借活塞杆与连杆的一端相连接 。 连杆的另一端与曲柄轴相迎接，蒸汽分配装置(滑阀)是由安装在蒸汽机曲柄 轴上的偏心轮来带动的。当活塞在蒸汽压力作用下向右移动时，滑阀向左移 动；当活塞向左移动时，滑阀则向右移动。 现在来研究一下盒式滑阀配汽装置的蒸汽分配图(图 259)。滑阀室和汽 缸相连接。在此滑阀室中有一抛光的平面 2---滑阀面，在滑阀面内开有三条 汽路：两条 3在两侧，一条 4在中间。蒸汽经过中间的汽路向外排出，而经 3 过两侧的汽路进入汽缸内。滑阀借偏心轮可以在滑阀面上沿滑阀室纵方向作 往复运动。滑阀如一盒子，在其移动时能关闭汽路的所有的三个汽口、或者 其中两个汽口。 从锅炉进入滑 阀室的蒸汽经汽路 中的一条，例如， 经左侧汽路进入汽 缸。此时，右侧的 汽路 3 被滑阀关 闭：并且在滑阀下 与排汽汽路 4 相连 通。从锅炉出来的蒸汽往汽缸内进汽，直到滑阀向左移动，把左侧的汽路 3 关闭，并使左侧汽路 3与排汽汽路 4相连通时为止。使滑阀作往复运动的偏 心轮应正确地安装在曲柄轴上；即当活塞移至死点时，滑阀能使蒸汽开始从 活塞的一侧进汽，而从另一侧排汽。 蒸汽在蒸汽机汽缸内的工作可以分成四个阶段：1、进汽；2、膨胀；3、 排汽；4、压缩。这些阶段可以参看 图 260，图 261，图 262，图 263。 4 图 260 下半个图所示为活塞位于左面死点，而上半个图所示是与活塞相 应的滑阀位置。此时，蒸汽经过隙缝а开始进汽；并经过隙缝б排汽。 图 261 所示为滑阀处于极右的位置，此时活塞已离开死点。左侧汽路完 全启开进汽，右侧汽路则排汽。 图 262 所示为停止进汽(进汽切断)；进汽切断以后，汽缸内之压力降低 ， 但活塞继续向右移动；与此同时，继续排出废汽。 5 图 263 所示为排汽停止；活塞左侧的蒸汽继续膨胀；而右侧的蒸汽被活 塞压缩，形成弹性的“汽垫”。接着滑阀继续向左移动，启开右侧汽路进汽， 左侧汽路便排汽，此后，活塞将开始向左运动，重复以上所述的全部过程。 摇摆式汽缸的单作用蒸汽机 这种蒸汽机的制造十分简单而使用可靠。其结构如图 264 所示。 在汽缸上面焊有一块短的平板 1，其上垂直于汽缸纵向中心线装有轴 2。 在蒸汽机工作时汽缸绕该轴作摆动。轴 2装入机架 4上的孔内。焊在汽缸上 的平板被小弹簧 3紧压在机架平面上，弹簧套在轴上并用螺母调节。在汽缸 上部和在平板 1上高于轴 2处开有孔 5，而在固定机架上或焊在机架上的专 门平板 6上开有另外两个孔 7和 8。孔 7与孔 8的位置能使得当曲柄处于极 左端位置时，汽缸上的孔 5与和蒸汽管及锅炉相连的右孔 7贯通。此时蒸汽 进入汽缸，就能带动飞轮的轴开始旋转(图 265，1)。当活塞靠近下死点(图 265，2)以及蒸汽停止进入汽缸时，飞轮则继续旋转，使汽缸移位越过死点。 当汽缸上孔 5接近左(排汽)孔 8时。在曲柄位于右极端位置(图 265，3)的瞬 间进行排汽。排汽经孔 8继续进行到活塞升到上死点为止，然后以同样的程 序重复蒸汽机的整个工作循环：汽缸自右孔 7获得一部份蒸汽，而废汽由左 孔 8排出。这种蒸汽机是单作用的蒸汽机，因为蒸汽只在活塞的一侧进汽。 6 在制造这种蒸汽机时必须特别注意孔 5、7 和 8 的位置，并注意使摇摆 式汽缸和机架的接触平面与汽缸的摆动平面平行，且互相很好地研磨。 汽缸可以用黄铜或青铜棒料车制成，或 者用内表面平滑的管子制作，活塞按照汽缸 直径加上少量的加工余量来车制，然后研 磨，活塞最好做成空心的，以减轻其重量， 并且与整根金属棒做成的连杆同时车制。软 的机器钢、青铜、黄铜和硬铝都可作为活塞 的制造材料。 在连杆下端做出一粗大部分，从其相对 的两面用锉刀锉出两个平面。在这两个平面 上钻一个贯通孔，孔之大小应与曲柄销直径 相适应。活塞与安装在车床上的汽缸用混有 润滑油的细金刚砂来研磨。为此，活塞的粗 大部分用手虎钳夹紧，并将活塞顺着回转的 汽缸均匀地向前后作移动。这样的研磨应延 续 10—15 分钟，检查研磨精密性的方法如 7 下：用煤油或汽油清洗汽缸和活塞，将活塞装入汽缸(到底)，然后将活塞拉 到汽缸边缘再松手放下。精密研磨的活塞拉出后，汽缸内应形成真空，所以 如果活塞自己能回进去，则说明空气没有从汽缸壁和活塞之间通过。 若用管子来制造汽缸时，应在管子的一端焊上一个白铁盖。如果汽缸用 整根铁棒制造时，则铁棒应首先照汽缸外径车削并用细金刚砂纸打光。然后 汽缸用夹紧在车床后顶针上的钻头钻孔，钻到需要的深度为止。钻头应比汽 缸的内径细 0.2 公厘，然后用圆柱形铰刀代替钻头以修平汽缸的内表面。平 板 1(图 264)用手锉刀锉平。并在与汽缸相连接的平面上需切出一条半圆形 的纵向槽以便与汽缸连接。在平扳 1的中央钻一螺线孔，孔内拧进充作汽缸 轴的螺柱(两面带螺纹)。螺柱不应摇动，并且须垂直于平板。然后，须用铁 丝将平板固紧在汽缸上，并用手虎钳将汽缸夹紧后，用焊料将平扳焊在汽缸 上。两零件应很好地加热，使焊料在其中间渗透，并在整个接触面上将其焊 牢。然后可以进行孔 5的划线工作(图 264)，并通过平板和汽缸壁钻出此孔。 孔边缘处的毛刺应仔细地予以清除。 机架可用 3公厘厚的铁条或黄铜条弯成。在和汽缸摆动平面接触的平扳 6的表面上，用冲子打上汽缸轴孔的中心记号。以此为中心，以汽缸轴和孔5 中心(在平板 1 上)间的距离作半径，画一弧线，在此弧线上应开两个孔--- 进汽孔和排汽孔。为了确定在弧线上此两孔间的距离，须在选定汽缸轴到曲 柄轴的距离以及活塞行程(图 266)之后，绘制蒸汽机图。划线后用直径等于 孔 5(田 264)直径的钻头钻这些孔。 最后一进重要工序是在机架上钻两个装曲柄轴的孔。在机架成直角折曲的两 端间应紧紧地插入一根木条，钻上一个孔后，倒转机架再钻另一孔。标出这 些孔的中心时应使曲轴平行于汽缸的摆动轴心。为了将机器固定于基座上， 在机架的水平部分钻两个埋头孔，以便拧入木螺丝。曲柄用直径为 3-4 公厘 的钢棒弯成，并且应使曲柄轴中心线到曲柄销中心线的距离等于 1/2 活塞行 程，并使两中心线互相平行。 8 飞轮可以用钢料在车床上车制成或用铅铸造成；飞轮的尺寸要选择最大 的，但需安置方便。 蒸汽机应按下列程序装配。首先将曲柄轴装入机架内，并且用一块木头 垫在下面，将飞轮套在曲柄轴上用 锤子轻轻的敲进去。然后将连杆 (活塞杆)套在已装入汽缸内的活 塞的销子上。汽缸摆动轴装入机架 孔内，然后将钢丝弹簧套在轴上， 并用螺母加以固紧。此后，须转动 飞轮，看平板1有否与平板6脱开 。 在汽缸摆动时须使接触面没有间 隙。如果平板 1和平板 6的平面研磨得不好，则应立即消除这一缺陷。最后 可以将进汽管和排汽管焊在机架上；并进行蒸汽机的磨车。 像这种结构的蒸汽机不但可以制造单缸的，而且还可以制造双缸的，其 功率将大一倍。 所有零件(除少数零件以外)的结构与原来的相同，而机器将为 V 字形。 单作用双缸蒸汽机的外形如图 267 所示。制造这种蒸汽机用的锅炉时，应考 虑到两倍大的蒸汽发生量。 摆动式汽缸的双作用双缸蒸汽机 汽缸尺寸和单作用蒸汽机相同的双作用蒸汽机其功率增加一倍。图 268 所示的为此种蒸汽机的外形。蒸汽机按下列方法制造。 9 两端封闭的汽缸(图 269)上下有两个进汽孔。在此两孔中心之间的中央 装有一根轴，汽缸即绕此轴摆动。 与每个汽缸相接触的机架平面上各有四个孔：两个进汽孔和两个排汽 孔。当汽缸上端的孔与机架的排汽孔相重合时，蒸汽由汽缸下端的孔进入汽 缸。而当汽缸下端的孔与机架的排汽孔相重合时，蒸汽由汽缸上端的孔进入 汽缸。这种蒸汽机的活塞在曲柄轴转一转的时间内，完成两个工作行程。 这种蒸汽机的制造程序以船长为 1--2 公尺的船模用的蒸汽机作例子来 说明。蒸汽机的汽缸用黄铜管或钢管制作，研磨后的汽缸内径应等 16 公厘， 10 高 29 公厘。当汽缸摆动时，焊在汽缸上的 2.5 公厘厚的矩形钢质平板与机 架平面相接触。平板在焊接前按下列方法研磨和划线：从汽缸摆动轴孔的中 心画两个半径等于 11 公厘的圆弧，在圆弧上板宽的中央处定出两个进汽孔 的和排汽孔的中心。在中间的摆动轴孔内插入一个直径为 5公厘长度为 20 公厘的螺栓；然后，两块平板各自焊在所属的汽缸上，并在平板上穿透汽缸 钻两个直径为 2.5 公厘的进汽孔和排汽孔。每块平板的平面应精确地平行于 汽缸壁。汽缸里面在钻孔后要清除毛刺并研磨。两汽缸的上下两端都用盖封 闭(图 270，а和б)，并且在下面，应开有活塞杆孔，安上第二个盖(图 270， в)，作为消除漏汽用的填料。汽缸盖首先车成圆形，然后用锉刀按图 270 上所示尺度的形状加工。汽缸盖应像图 271 上所示，用直径 3公厘长 40--42 公厘的螺栓拉紧。汽缸盖的凸部应紧嵌在汽缸内。在汽缸盖(图 270，б)上 为了安装螺栓应切有螺纹，借此将汽缸盖б缔紧在汽缸盖а上。 11 活塞和活塞杆的图见图 272 所示。活塞上所开的环形槽是滑油槽，当蒸 汽机工作时，滑油一点点地填满油槽，并保证所需的润滑。为了能用铆接活 塞杆端头的方法将活塞杆固定在活塞上，在活塞杆的上端车制出一连接端； 为此，活塞内孔的一面应铰出埋头形状，即扩成圆锥孔。在铆活塞杆端头时 ， 为了避免活塞产生偏斜，应在各处均匀地进行顶锻。应该记住；活塞杆之另 一端是分叉的(叉形)，与另一根活塞杆的一端相连接。二端连接后一起套在 12 曲柄销上(见图 268)。 曲柄轴(图 273)由两部分组成：带有曲柄臂和平衡块的轴以及压入曲柄 臂孔内的曲柄销。 直径为 45--50 公厘的飞轮紧紧地套在曲柄轴上，并用螺栓固紧。 机架用 3--4 公厘厚的黄铜板切割制成，并弯成直角，如图 274 所示， 然后将其研磨，并在其上用划线盘划出摆动轴的孔。画出我们所知道的图(图 275)以后，根据该图确定进汽孔和排汽孔的中心，并用 13 冲子冲孔。汽缸上进汽孔和排气孔的直径为 2.5 公厘。这些孔应准确地与机 架上的孔重合，在蒸汽导管焊到机架上之前必须进行检查。在机架的下面部 分，为了固紧轴承钻有 4个直径为 4公厘孔及 4个同样直径的木螺丝孔。图 276 上所示的是用青铜或黄铜制作的轴承。制作轴承首先应按其外形锯出， 然后将其锯成两部分，而轴承的接触平面应用锉刀锉平；此后两部分用螺栓 连接，并在其上钻一个曲柄轴孔。 蒸汽分配器(图 276)用尺寸为 15×8×8 公厘的黄铜棒制作。在黄铜棒上 14 钻 3个直径为 3公厘的孔，孔内焊入几根供进入蒸汽用的细黄铜管。 蒸汽机的装配从机架上安装轴承和曲柄轴开始。然后在汽缸轴上安装汽 缸并检查汽缸摆动时是否有间隙。安装曲柄轴后，检查轴是否有卡住现象， 以及机架上和汽缸上的各孔是否重合。消除各种可能发生的毛病后，将蒸汽 导管弯曲，并将蒸汽导管焊在左汽缸的右面两个孔上(如果从汽缸方面看)， 和右汽缸的左面两个孔上(图 274 上涂黑的孔)。然后用管子和小开关将蒸汽 机和锅炉连接起来后，就可以开始试运蒸汽机了。为了排出废汽可在机架的 排汽孔上焊接上短的金属排气管，把蒸汽机安装在模型里后，在金属连接管 上套上橡皮管，将排出的蒸汽导至排气管烟筒。 由曲柄轴分配蒸汽的单作用蒸汽机 这种蒸汽机系为双缸、卧式和单作用的，并由曲柄轴分配蒸汽。蒸汽机 的外形和蒸汽分配图如图 277 所示。 进汽管а焊在曲柄轴套筒上，套筒内在曲柄轴上环形槽的对面开有一 孔，进入该槽的蒸汽沿曲柄轴上的切口通向套筒上邻近的孔，并且经过连接 管б进入汽缸。当蒸汽进入一个汽缸时，废汽则从另一汽缸中排出，经连接 管в并通过切口е进入第二个环形槽，再经过与环形槽相通的孔和连接管г 15 向外排出。当曲柄轴回转时，曲柄轴上的切口交替地以管子б和в与二汽缸 沟通，新汽即沿该切口自锅炉进 入 。 采用此种蒸汽分配器的结构，汽缸 内 进汽的时间以及汽缸内进气的程 度 取决于曲柄轴上切口的深度；如果 切 口不深，则蒸汽在活塞行程的一小 部 分时间内进汽，或者相反。 这种蒸汽机的蒸汽必须经过 过 热，因为不经过热的蒸汽在通过轴 承 和曲柄轴这些大零件时会损失许 多 热量，从而部分蒸汽会成水。此外 ， 在 蒸汽管内轴承的附近最好装置密封的(用盖盖紧的)给油器(滑润器)，润滑油 从给油器被蒸汽带入，并充分润滑轴 承，以减少漏汽。为了增加蒸汽机的 转数，可在活塞未到达上死点时，即 稍微提前一些将蒸汽放进汽缸，要达 到此点，切口平面应成 10--15°的角 度，如图 278 所示。 图 280[暂缺]上是这种结构蒸汽机的详细零件图；这种蒸汽机可以安装 在长约 1 公尺的船模上，蒸汽机重约 0.3 公斤，转数约 800 转/分。当蒸汽 压力为 3个大气压时，蒸汽机功率约为 0.01 马力。 制造蒸汽机时，汽缸应用混有润滑油的金刚砂研磨，直到车刀痕消失为 止。为此可以用黄铜或铝制造一个专门工具---研磨器(图 279)。因为研磨器 会磨损，所以在研磨器的切口里塞入一块小楔铁，小楔铁根据需要便张开研 磨器，从而增加其直径。 16 当活塞与汽缸研配后，在活塞内插入衬垫，并把衬垫焊在活塞壁上，在 这之后，才能同时在活塞和衬垫上钻一个插入活塞销的孔。 曲柄轴(零件 2)是用机器钢在车床上车制成。须从曲柄轴的圆筒形部分 开始加工，然后车削曲柄轴臂。曲柄轴从钢料上切下以前，需用研磨剂或金 刚砂纸磨光曲柄轴的表面。曲柄轴臂用手锯锯出，并用锉刀加工，然后在其 上进行划线，并钻出一个曲柄销孔。在虎钳上将曲柄销压入后，再在曲柄轴 上锯出通蒸汽的切口。 套筒(零件 3)上的轴孔用直径比曲柄轴直径小 0.1 公厘的钻头于机床上 钻制，然后用铰刀铰孔。当确知曲柄轴进入套孔内很紧密，没有间隙时，则 划线钻进汽孔和排汽孔。 飞轮(零件 4)首先从套筒方面车削，然后钻曲柄轴孔。在车床上钻孔时 为了使钻头不滑到旁边去，需用夹紧在机床刀架上的车刀轻压钻头尖端，同 时用尾架将钻头向工件推进；然后将飞轮从坯料上切下，并把另一面夹在卡 盘里，加工其端面。飞轮第二次安装在卡盘内时，必须保持最大的精确度， 因为端面的加工如不正确，则飞轮会使蒸汽机和整个船模引起振动。 蒸汽机的装配先在机座上固紧曲柄轴套(零件 3)最为方便。轴套插入机 座孔内，并涂一点焊锡用酸。在焊接处放上点锡焊料，而后用焊接喷灯在机 座上很好地加热，直到锡完全注入套筒周围所有的孔隙为止。然后零件进行 冷却，而余留的酸用水洗掉。将连接管用烙铁焊上去，进行这一工作时应该 迅速，不要烧热整个机座以及焊脱轴套。 在曲柄销压入曲柄臂以后，将曲柄轴插入轴套内。将带有连杆的活塞装 入汽缸内，并将其下端(粗端)套在曲柄销上，然后汽缸用螺丝固紧在机座上 。 将飞轮套在曲柄轴上，检查曲柄轴旋转的灵活性，如果需要的话，在机床上 或借电动机试运蒸汽机如果蒸汽机旋转得很缓慢，则可在润滑油中加入一些 绿色滑石膏---氧化铬。 17 摆动式汽缸的双作用单缸蒸汽机 图 281 是цммл-2 型摆动汽缸的双作用蒸汽机的详图。 这种蒸汽机的结 构和前述摆动式汽缸 蒸汽机的结构的不同 处主要在于：这种蒸 汽机的蒸汽沿管子 2 从上面导入摆动轴的 轴承 6，并沿汽道进 入汽缸。图上所示的 是汽缸摆动轴上没有 弹簧的蒸汽机的型 式。摆动轴借止动圈5 固定在轴承 6 上。如 果摆动轴做得比图 281 上所示的长 10-- 15 公厘，则蒸汽机将 有少量漏汽，就需要采用弹簧。也可以在气缸下盖 17 的圆筒内装填料，这 样也能改进蒸汽机的工作。在其他方面，这种蒸汽机的制造工艺和方法几乎 和制造上述的几种蒸汽发动机相同。 蒸汽机功率的初步计算 如已知怎样计算蒸汽机的功率和蒸汽耗量后，就可以确定发动机和锅炉 的外形尺寸，以及全部装置的重量，这对正确设计船模是必要的。 根据船模的设计确定主要发动机的需要功率和容许的外形尺寸后，应选 择发动机的结构、汽缸数量和直径、活塞行程、锅炉内的蒸汽预定工作压力 和蒸汽机的转数。同时必须将选定的蒸汽机结构在纸上画成图。 18 要确定尚未制成的蒸汽机的转数是很困难的，因为转数与蒸汽机的结 构、蒸汽压力、蒸汽汽道的截面以及与零件的制造和研配的质量等有密切的 关系。平均转数应取 1000--1500 转/分。有了这些数据后，就不难用下列公 式算出发动机的指示功率。 Ni=(S·L·P·n·i)/(60×75×100)马力 Ne=(3·S·P·n·i)/(4×60×75×100)马力 式中：Ni---指示功率(马力)； S---活塞面积(公分 2)； L---活塞行程(公分)； P---大气压力(公斤/公分 2)； n---每分钟转数； i---汽缸数； Ne---有效功率。 如果蒸汽机不是单作用，而是双作用的，则需在公式的分子上乘 2。 如果算出的功率与需要的功率相比觉得不够或太大时，则应相应地改变 S、L和 P的数值。 第五节：蒸汽锅炉 若要开动蒸汽机就需有能使水变成蒸汽的蒸汽锅炉，蒸汽锅炉内的燃料 经燃烧后所产生的热量传递给锅炉壁，也传递给锅炉中的水。燃烧的热气将 热量传出后，经烟筒排至大气中。锅炉中的水则不断地逐渐变为蒸汽。随着 蒸汽的产生，锅炉内的蒸汽压力逐渐提高。不论在蒸汽锅炉内燃烧何种燃料 ， 其所产生的热都不应白白地消耗掉。 燃烧燃料的蒸汽锅炉炉膛应具有足够大的容积、燃烧所需的进气量、以 及良好而适宜的通风。锅炉应具有足够的强度，应可靠地经受三倍的工作压 力，应容纳需要的水量。此外，锅炉还应具有较大的受热面积（注①）。 19 锅炉中的水若能自由循环，这是很有利的：因热水较轻，能向上升，而 冷水则靠近受热面，这就能增加锅炉蒸发量（注②）。 锅炉之蒸发量多半是取决于受热面积的大小：受热面积愈大，则蒸发量 愈大。根据锅炉蒸发量与总受热面积(平方公尺)之比，能算出每一平方公尺 受热面积的蒸发量。船模上用的锅炉，每一平方公尺受热面积的蒸汽蒸发量 为每小时 5--10 公斤左右的蒸汽。 图 282 上所示为最简单的蒸汽锅炉简图。锅炉中的水达到锅炉高度的 2/3 处；容水的空间称为水空间；锅炉的上部容纳蒸汽，故称为蒸汽空间。 在蒸汽空间里聚集着含有许多小水滴的湿蒸汽即所谓饱和水蒸汽。因往蒸汽 机内应通入干蒸汽，所以在锅炉的上部常设有一个专门的金属容器(干汽 包)，在干汽包内可从蒸汽中去掉一部分水分。干蒸汽有一大缺点，即当温 度降低时，它很容易冷凝而变成液体。因此常采用所谓过热蒸汽，将饱和蒸 汽过热到 150--200°即过热蒸汽。当温度增高时，蒸汽的体积相应地增大， 而最重要的是蒸汽变得稳定而不易冷凝了。蒸汽在自锅炉通至发动机的管路 中过热，此管路布设在炉膛内或为了利用废气热量而布设在烟道内。 当需要知道某一蒸汽机蒸汽锅炉的尺寸时，须按下列公式求出该蒸汽机 的蒸汽消耗量： 20 V 蒸汽=S·L·n·i； 式中 V：一分钟内所消耗的蒸汽的体积(公分 3)； S：活塞面积<公分 2)； L：活塞行程(公分)； n：每分钟转数； i：汽缸数。 每小时的蒸汽耗量为 60 倍，其公式为： V蒸汽=S·L·n·60 当确定了蒸汽的工作压力，并知道所需的蒸汽体积后，我们就能利用饱 和蒸汽表 32 并按下列公式算出所消耗蒸汽的重量： W=V 蒸汽·D蒸汽比重 式中 W：消耗的蒸汽重量(公斤)； V：在压力为 P时所消耗的蒸汽的体积(M3)； D：在同一压力时的蒸汽比重。 *——*——*——* 注①:凡一面与火或烟气，而背面与锅炉内的水相接触的锅炉金属表面 面积称为锅炉受热面积。 注②:单位时间内(例如一小时)锅炉内所产生的蒸汽称为锅炉蒸发量。 设 1公尺 2锅炉受热面积的蒸汽蒸发量等于 5--10 公斤/小时，则可以算 出某锅炉所需的受热面积尺寸。 例：设单缸蒸汽机的 S=7 公分 2，L=3.0 公分，n=2000 转/分，求单缸蒸 汽机蒸汽锅炉的尺寸。 解：1.按下列公式求出 1分钟内蒸汽机所消耗蒸汽的体积 V蒸汽＝S·L·D=7×3×2000=42000 公分 3=0.042 公尺 3 21 2.按下列公式求出 1 分钟内所消耗蒸汽的重量(工作压力 P＝2 公斤/公 分 2) W=V×D 比重 D比重自表中取得。W=0.042×1.108=0.046 公斤 每小时所消耗蒸汽的重量： W小时=0.046x60=2.75 公斤 3.设 1 公尺 2面积的蒸汽蒸发量 K=7 公斤/小时，所需的受热面积。求锅 炉所需的受热面积。 4.设锅炉具有火管，并取制造火管用的钢板尺寸长80公分宽50公分(80 ×50=4000)。取火管长为 80 公分，则其值径应等于 D=50/π=50/3.14=16 公分 蒸汽锅炉用铁板制作，或者用黄铜板制作更好。锅炉的主要部分是锅炉 胴体，采用板弯制成管状。板边用搭接方法将一边搭在另一边上，并用焊料 焊合。对于压力大于 2公斤/公分 2的锅炉，最好在焊合前用铆钉将边缘铆接 或将边缘弯成“嵌接”形状。接下列公式求出锅炉材料所需的厚度： B=(D·P)/2K2 式中：B---壁厚(公分)； 22 D---锅炉直径(公分)； P---压力(公斤/公分 2)； K2---断裂应力(公斤/公分 2)(该种材料的断裂应力取自表 33) 按公式求出锅炉壁的厚度后，必须把厚度增大7--8倍 ：(作为安全系数)。 锅炉前后端板做成凸形的，并焊入锅炉胴体内。干汽包或排汽管孔需安 设在锅炉顶板的中间(为避免船模摇动时水进入排气管)。锅炉的上部和底部 需包石棉板绝热。锅炉钢质炉壳同样用石棉板与模型船体隔开。 装配后的蒸汽锅炉须用水压进行强度试验。为此，需要将锅炉完全装满 冷水，使锅炉和排汽管内没有一点剩余空气，并拧紧全部塞门和阀门，将锅 炉内的水加热直到工作压力达到三倍为止。如果此时用手锤敲击锅炉各处而 锅炉不漏水，并且很好地经受了压力。(压力可照压力计来判断)，则测试即 可结束。如果出现漏洩现象，则需将水从锅炉内放出，补焊漏洩处，并重新 进行试验。凡用锡焊接的锅炉，计算其压力时，不可超过 3--4 大气压力。 为了增大锅炉受热面，采用图 283 上所示的水管，水管需要向锅炉纵向中心 线倾斜，使水在加热后由于比重减小而离开水管，并能另进入较冷的水。如 将水管焊成水平的，则烧热的水将聚在每根管子的上部，因此在水管中会形 成许多蒸汽泡，而蒸汽泡旁边接触不到水的管子就会被烧红而破裂。当水管 23 处于倾斜状态时，烧热的水和产生的蒸汽均匀不断地向上流动，使锅炉中的 水循环。 图 283 上所示的锅炉位于炉壳内。这能改善锅炉的加热条件，不让锅炉 冷却。炉壳能促使燃烧烟气环绕于锅炉上部。 图 284 上所示的锅炉是一个有螺旋形盘管的圆筒，螺旋形盘管的一端焊在锅 炉胴体的下部，而另一端焊在锅炉胴体的端板上，与蒸汽空间相接通。水在 螺旋形盘管内变成蒸汽后便进入蒸汽空间，而以锅炉中的水补充。螺旋圈数 愈多，螺旋形盘管的直径应愈大。这种锅炉在结构上有两个缺点：锅炉必须 24 置在离船模底部很高的地方，因为被燃烧烟气所烧红了的炉壳会把模型船体 烤得很热。 图 285 上所示这种锅炉的结构，由于炉膛安设在锅炉内部就消除了上述 两个缺点，此外，该锅炉每单位受热面积的蒸汽蒸发量比前两种要大得多， 因为炉膛以管子制成，故允许采用热力最大的加热器(喷灯)。下面介绍一下 这种供摆动式汽缸蒸汽机用的蒸汽锅炉。蒸汽机汽缸直径20 公厘；活塞行 程 15 公厘；转数约 400 转/分；工作压力 2 公斤/公分 2；锅炉长 200 公厘， 锅炉直径 100 公厘；锅炉的其余尺寸如图 285 上所示。 锅炉胴体用 1公厘厚的黄铜板制成，用铆钉铆接，并用锡焊料焊接铆缝 和铆钉。炉膛设于炉胆内，炉胆乃是一段直径为 40 公厘、壁厚为 1 公厘的 管子，内焊有 12 根直径为 5--6 公厘的垂立沸水管。沸水管分两列按棋盘形 状排列。蒸汽过热器管子在两列沸水管中间通过，其内径为 4公厘。半圆筒 形的干汽包安置在锅炉的顶部，干汽包是铆焊在锅炉上的。它是用直径 20 公厘的薄壁黄铜管子纵向锯开而制成的。干汽包的边缘弯成凸缘，以备铆铆 钉。干汽包的端壁铆在锅炉上，并且焊合。干汽包借十个直径为 3公厘的孔 与锅炉沟通。 锅炉上的装置：3公斤/公分 2的压力计，水面计和安全阀。锅炉应以 12 25 公斤/公分 2的水压进行强度试验。热绝缘用石棉板制作。锅炉用两个托架紧 固在模型船体上。 图 286 上所示的锅炉是供功率大的蒸汽机用的，用灭火机瓶制成。 蒸汽锅炉附件 蒸汽锅炉的附件包括有：安全阀、压力计、给水泵、水面计、蒸汽冷凝 器等等。安全阀是一个很重要的附件。假如 安全阀调整到锅炉规定的压力，则锅炉内压 力一超过规定的标准，安全阀就自动启开， 洩出多余的蒸汽；当压力降低到规定标准时， 阀就自动关闭。在船模上采用弹簧式安全阀。 图 287 上所示是弹簧式安全阀。安全阀 是用直径为 12--15 公厘的黄铜杆车制的，是 一种具有直径 5--6 公厘贯通孔的旋塞，在下 部(颈部)切有螺纹。孔的上部扩成锥形，并以圆锥形的阀盖与其研磨。安全 阀盖用金钢砂研磨，使其能盖得很紧密，没有间隙，因为锅炉壁薄，为使颈 部具有足够长的螺纹，故在锅炉壁上焊有合适的螺帽或垫圈。在锅炉与旋塞 的下部突缘之间放有硬纸垫。调整螺帽可做成圆形带滚花的，以便于调整弹 簧的张力。这样力图张开的弹簧可将圆锥形盖压紧阀座。安全阀弹簧应用未 退火的黄铜丝或镀过一层簿锡的钢丝制 成。 图 288 所示是另一种安全阀的结构。 此阀以黄铜旋塞制成，其上有一不同直径 的贯穿孔。旋塞可用两根管子制作，一根 管子插在另一管子里并用锡焊合。此处由 直径为 6公厘的滚珠(取自滚珠轴承)起安 26 全阀的作用。滚珠下面有一直径为 4公厘的孔。放入滚珠的孔的上部切有调 整螺丝的螺纹，调整螺丝通过弹簧将滚珠压向阀座。用锤子通过黄铜棒或管 子轻击滚珠，即能使滚珠与阀座紧贴。稍高于阀座的阀体周围开有若干孔， 以便从安全阀内放出多余的蒸汽。此种安全阀调整起来较第一种安全阀方 便，它可借调整螺丝在锅炉工作时进行调整。应该防止滚珠生锈和出现漏汽 现象。压力计是用来观察锅炉内蒸汽的压力，压力计的指针是表示该时刻锅 炉内的压力。如果没有小的压力计，则使用直径在 50 公厘以下的压力计亦 可。压力计的刻度盘应水平放置，要使得能从甲板上的小开口处看到指针的 示度。 锅炉注水塞是一简单而重要的附件。注水孔开在锅炉顶部，按船模甲板 舱面建筑的条件而规定的位置上。为了将注水塞拧紧在锅炉壁上，在注水塞 下面放一硬纸垫，最好是用铅垫。应特别注意注水塞和锅炉上注水孔的螺纹 的质量，因为注水塞必须多次地拧出和拧紧。 往锅炉内注水时，蒸汽机须停车，而储水量不大的锅炉就不能保证船模 有大的续航力。要消除这一缺点，可以采用专门的柱塞水泵，以便不断地往 锅炉内注水。 27 柱塞水泵的结构如图 289 所示。柱塞水泵由两个互相垂直的圆筒组成。 在水平圆筒内有一个经过研磨的柱塞(活塞)1。垂直圆筒由两部分组成：上 面部分拧入或焊在下面部分上，用带螺纹的丝堵堵住。圆筒内用钻头钻两个 圆锥阀 2和 3的孔。柱塞 1和连杆 4铰接，连杆由装在蒸汽机轴上的偏心轮 引动。当柱塞向左移动时水从舷外吸入。此时，圆锥阀 3启开。当柱塞向右 移动时，阀 2启开，水进入通锅炉的给水管。水在通向锅炉的过路中，可以 在称为节油器的螺旋形盘管内用燃烧烟气预热。根据发动机的结构，给水泵 可垂直或水平放置，但阀座应该是水平的。给水泵的圆锥阀可以用滚珠轴承 的滚珠来代替。为了使滚珠不生锈，水泵在工作后应进行干燥并注以滑油。 28 水面计是用来观测锅炉内的水位的。玻璃管管壁的厚度应为 0.5--1.0 公厘。如有可能，则应将弯曲的两端套入带有螺纹可安装密封垫片的金属连 接管内，这样比用铅油涂封水面计要好得多。对于容量在 1公升以下的锅炉 ， 可以制作不带连接管的水面计，即以外径为 3-4 公厘的玻璃管用火弯成П字 形(图 290，а)。在此情况下，将弯曲的管子插入钻好的孔内并很好地涂上 铅油，可以在铅油中掺和一些碎石棉(板或绳)。然后，用专门压制的或用黄 铜管制成的具有水面计开口盖盖在铅油上，盖子应用两个螺丝压挤水面计周 围的铅油，并紧密地固 定于其上。当采用玻璃 管内径小于 4公厘的水 面计时，应记住，其示 度与锅炉内真正的水 位有显著的偏差，要比 真正的水位高出 5公厘 左右。所以这种水面计 上表示最低容许水位 的红线应比该水位要高。若采用平面式水面计(图 290，б)，此缺点可以完 全消除。 如果舷外之水是脏的，则不可以用此水供给锅炉。在这种情况下供给锅 炉的水应取自冷凝器。 将废汽变成水的装置称为蒸汽冷凝器。最简单的蒸汽冷凝器可用下述方 法制成：从蒸汽机中放出的废汽导入冷却器箱中的螺旋形盘管，而在此冷却 箱内有舷外水流过。蒸汽变成的水经螺旋形盘管流入水箱，然后由给水泵将 水箱内的水重新送入锅炉内(图 291)。 蒸汽冷凝器的吸水孔与排水孔应适当地布置在船模的船底和船舷上，以 29 便冷却水能很好地流动。在进水孔处最好安装一块导水板，当船模航行时， 该板能将水导入进水孔内。若改变进水孔和排水孔的直径，就可以调节从螺 旋形盘管内排出的水的温度。当然，蒸汽应完全变成水，但也不应将水冷却 过度。 这种装置能保证锅炉长时间工作，且在其内部不产生锅垢。若发现锅垢 ， 可以用盐酸溶液或苛性硷溶液清洗锅炉，随后再用清水清洗，以除去锅垢。 锅炉加热器 酒精棉花小盒子或具有油索的使用变性酒精的小箱都可以作为蒸汽锅 炉用的最简单的加热器。图 292 上所示的是这种加热器的装置。 加热器的油索应尽量放得低些，这样锅炉便可以放得离船底近些，使船 模不致失掉稳性。图 292 所绘的两个图引起了很大的兴趣。为了使小型耗油 箱中的变性酒精保持固定的低油位，并为了防止燃料从主油箱中流出来，主 油箱要用塞子堵紧，只有通气管а与大气相通，通气管的一端位在耗油箱中 变性酒精需要的油位上，如果耗油箱中的油位升高，则变性酒精停止自主油 箱内流入。 图 292 上示有加热器图Ⅱ，在此加热器内，流出燃料的油位系由焊在主 30 油箱内的管子б下端的位置来确定的。管子б应放得经常低于油索，否则燃 料将经油索流出。在图Ⅱ上所示的加热器不需要耗油箱。 若用煤油加热锅炉，可以使用打气炉的喷嘴和具有打气筒的专门小油箱 (图 293)，这是很方便的。 几乎所有的锅炉，都可采用经过适当改装的喷灯作为加热器(图 294)。 往往在采用酒精灯的船模上可以看到缺乏通风的现象，结果使燃料燃烧 不良，使火焰经炉膛窜往船体里面等等；其原因是烟筒过低，风进入了烟筒 。 所以，若船模上排出废气至大气中，则废汽应沿送风管经烟筒而排出(图 31 295)，利用废汽加强通风废气以高速自送风管中喷出时，能带出烟气。调整 送风管的高度，就可以获得最好的通风。 船模上用蒸汽机的分类 船模上用蒸汽机的分类如下： 1、按照汽缸位置有卧式和立式两种； 2、按照蒸汽工作空间数量有单动机和双动机两种，前一种蒸汽机的蒸 汽进入汽缸后只在活塞的一面工作，而第二种蒸汽机的蒸汽进入汽缸后，在 活塞的两面交替进行工作； 3、借滑阀、曲柄轴和摇摆式汽缸来分配蒸汽的三种蒸汽机； 4、在活塞行程全部时间内进汽的和只在活塞部分行程时间内进汽的不 膨胀和膨胀的两种蒸汽机；第一种蒸汽机汽缸内的压力在活塞行程时间内是 不变的，而第二种蒸汽机在停止进汽后，汽缸内膨胀蒸汽的压力要降低。蒸 汽进入汽缸的行程与活塞全部行程的比值称为充填系数。 5、根据汽缸废汽排出的处理，蒸汽机可分为非凝结式和凝结式两种； 6、根据曲柄轴的转数，蒸汽机分为高速的和低速的两种； 7、根据汽缸内蒸汽的流动方向，蒸汽机可分为变流式和直流式两种。