Самодельные электрические и паровые двигатели

Паровая турбина и котел к ней

При постройке всякой действующей модели очень серьезный вопрос — выбор двигателя. Двигатель должен быть легким, мощным и действовать продолжительное время.

Есть легкие двигатели, работающие сжатым воздухом. Но их трудно изготовить и неудобно иметь на модели большие баллоны, а с маленькими баллонами двигатель работает недолго.

Резиномотор, который часто ставится на различные движущиеся модели, тоже работает очень недолго, и от него можно добиться работы модели только в течение одной минуты, самое большее. Если устроить шестереночную передачу, можно увеличить время действия резиномотора, но при этом сильно уменьшается мощность.

Очень хороши для установки на модели электромоторы, но не всегда удается решить вопрос об источнике тока. Гальванические элементы громоздки и не дают большой силы тока; аккумуляторы достать трудно, и они так тяжелы, что, установив их, трудно добиться от модели хороших результатов. Можно пользоваться городским током, но при этом модель "связывается" проводами.

Конечно, при постройке моделей, идущих по рельсам, например модели трамвая или аэропоезда, самый лучший двигатель для них — электромотор.

Для приведения в движение таких моделей можно пользоваться городским током; можно подвести к электромотору ток большой мощности, и модель будет работать прекрасно.

Но, пользуясь городским током, нельзя осуществить постройку модели автомобиля или какого-нибудь судна. Тут уж поневоле приходится ставить двигатель с независимым питанием. Можно построить, например, поршневую паровую машину. Но по сравнению с электромотором поршневые паровые машины довольно трудно изготовить точно, не пользуясь токарным станком. Из-за неточного изготовления они расходуют так много пара, что приходится ставить большие котлы. Большой котел заставляет сильно увеличивать размеры модели, утяжеляет ее, а мощность машины оказывается недостаточной.

Правда, для большой модели парохода вес котла не имеет особенного значения, но сухопутную модель с паровой машиной осуществить значительно труднее. А построить модель глиссера с поршневой паровой машиной особенно трудно: глиссер должен быть легким, а машина его — мощной; тут большой котел испортит все дело.

За последние пятьдесят лет в "настоящей" технике поршневые паровые машины все быстрее вытесняются. Другой паровой двигатель — турбина — прошел победный путь. Настоящие паровые турбины создали Лаваль в Швеции и Парсонс в Англии. Турбины оказались много выгоднее поршневых машин. Сейчас во всем мире не осталось ни одной мощной электростанции, на которой генераторы электрического тока вращались бы поршневыми паровыми машинами.

Основная разница между турбиной и поршневой машиной в том, что поршневая дает, как говорят инженеры, прямолинейно-возвратное движение, которое нужно затем преобразовать в непрерывно-вращательное, а турбина сразу обращает энергию пара во вращательное движение, без дополнительных передач.

Интересно, что первый двигатель, придуманный и осуществленный человеком, был ближе всего по конструкции именно к турбине. В самом, деле, простейшая турбина — это колесо с лопатками, на которые "дует" пар, а самый старый двигатель — водяное колесо — тоже колесо с лопатками, приводимое в движение струей воды.

И паровая турбина была придумана раньше поршневой машины. Итальянский инженер Джованни Бранка в своей книге о машинах, вышедшей больше трехсот лет назад, в 1629 году, описывает оригинальную "толчею". Она приводится в движение струей пара, ударяющей по лопаткам колеса (рис. 114). Конечно, турбину Бранка осуществить нельзя было потому, что она расходовала бы слишком много пара, но идея Бранка оказалась воплощенной в современных паровых турбинах.

Рис. 114. Рисунок из книги Бранка.

Рис. 115. Игрушечная паровая турбинка.

Современные паровые турбины строятся огромных мощностей. Ленинградский механический завод имени Сталина построил уже турбины мощностью свыше 65 000 л. с.; наши турбогенераторные заводы могут выпускать турбины мощностью в 300 000 л. с. Никакой другой двигатель не в состоянии развить такую огромную мощность в одной машине.

И для многих моделей лучше всего делать именно паровые турбины. Если посмотреть на чертежи простой одноколесной турбины, поршневой -машины и электромотора, сразу видно, что турбина проще всех. Однако и у нас и за границей модели с паровыми турбинами почти не строились. Почему? Потому что очень трудно изготовить хорошее колесо турбины. Нельзя же считать турбиной детскую игрушку, показанную на рисунке 115. Эта "турбина" только сама себя вертит, а привести в движение какую-нибудь модель ей не под силу.

Значит, трудность задачи в том, чтобы разработать такую конструкцию колеса' турбины, которую легко было бы изготовить в, мастерской юного техника.

Нам удалось разрешить эту задачу. Двадцативосьмилопастное' колесо нашей турбины можно сделать меньше чем в два часа.

Особенно удобно ставить турбину на модели судов: на вал ее можно без всяких передач насадить гребной винт. Ее можно ставить и на всякие другие модели. Она занимает очень немного места и расходует гораздо меньше пара, чем поршневая машина такой же мощности.

Рис. 116. Фото. Турбина со стороны трубки, подводящей пар.

Готовая, собранная турбина показана на рисунках 116 и 117. На одном рисунке она показана со стороны трубки, подводящей пар, а на другом — со стороны выступающего конца оси. Самое важное при изготовлении турбины —- точно и аккуратно сделать все лопатки.

Рис. 117. Фото. Турбина со стороны оси. По обе стороны ее видны концы трубок, в которые впаяны сопла. На конец оси навита и припаяна медная проволока, чтобы сделать толще ось.

Изготовляется колесо турбины так. Сначала заготовляются все лопатки; к ним поперек припаиваются по две проволочки, и лопатки изгибаются. Затем вырезаются два кружка (диска). В них прокалываются отверстия по толщине проволочек, припаянных к лопаткам, и проволочки одной стороны готовых лопаток закладываются сначала в отверстия одного диска, а затем проволочки другой стороны лопаток постепенно вдеваются в отверстия второго диска. Остается придвинуть диски вплотную к лопаткам, вставить и припаять ось, откусить выступающие концы проволочек — и колесо готово.

На рисунке 118 показан разрез колеса турбины. Там видно расположение лопаток и места отверстий для сборки.

Прежде всего из жести от консервных банок или из тоненькой латуни заготовьте лопатки: вырежьте двадцать восемь полосок 7X17 мм. Постарайтесь вырезать их как можно точнее.

Положите одну из полосок на обрезок фанеры и заколотите девять гвоздиков без шляпок так, как показано на -рисунке 119, слева и внизу. Эта фанерка — сборочный шаблон лопаток.

Все лопатки должны плотно входить между гвоздиками. Вдвиньте одну лопатку в шаблон и наложите йа нее два обрезка медной звонковой проволоки без изоляции (рис. 119, внизу). Диаметр звонковой проволоки — 0,8 мм. Обе проволочки слегка припаяйте к лопатке и вытащите ее из шаблона. Таким же образом заготовьте все лопатки, и благодаря тому, что они все сделаны в одном и том же шаблоне, они получатся совершенно одинаковыми.

Рис. 118. Разметка диска турбины (в натуральную величину).

Рис. 119. Изготовление лопаток.

Из другого обрезка фанеры выпилите по рисунку 119 (в середине и справа) второй шаблон. На этом шаблоне изогните все лопатки и беритесь за диски колеса.

Диаметр колеса турбины — 50 мм. Для него' нужно вырезать два диска диаметром по 50 мм и очень точно пробить в них отверстия для сборки. Сначала вычертите диск в натуральную величину на бумаге, разделите окружность его на двадцать восемь частей и проведите двадцать восемь радиусов. Затем прочертите еще две окружности— первую радиусом 16 мм и вторую радиусом 23 мм. Точки пересечения этих окружностей с проведенными* двадцатью восемью радиусами дадут места проколов для проволочек лопаток.

Для выхода пара из колеса на обоих дисках нужно сделать вокруг оси отверстия. Но лучше не вырезать отверстия совсем, а только прорезать две стороны и отогнуть. Места и фигуры этих отверстий видны на рисунке 118. Их тоже вычертите на бумаге.

Готовый чертеж наложите на листок жести или тонкой латуни и, придерживая рукой, чтобы он не сдвинулся, отметьте острым шилом центр, все отверстия для сборки лопаток и углы отверстия для выхода пара.

Центр и дырочки для проволочек аккуратно проткните шилом. Тонким узким зубилом прорубите отверстия для выхода пара и отогните "дверцы" их. Места загибов показаны на рисунке 118 пунктиром.

Два готовых диска наденьте на ось — толстую, хорошо закаленную иглу — и вставьте все лопатки.

Когда соберете, припаяйте диски к оси, затем откусите выступающие концы проволочек, оставив кончики длиной по 1,5—2 мм\ кончики проволочек большего радиуса можете загнуть, чтобы прижать диски вплотную к лопаткам.

Рис. 120. Размеры кожуха турбины.

Готовое колесо турбины поместите в кожух (рис. 120). Конструкция кожуха так проста, что ее можно не описывать подробно.

Загнутые края кожуха придают ему жесткость. На фото турбины видно, что на концы кожуха напаяны треугольные "косынки". Это сделано тоже для увеличения жесткости.

Если ось будет вращаться в стенках кожуха турбины, отверстия очень быстро увеличатся, и колесо турбины станет болтаться. Нужно сделать подшипники. Мы их сделали, • как и на всех других своих моделях, проволочными.

Наверните на ось голую звонковую медную проволоку по 5—6 витков с каждой стороны. Эти проволочные спиральки снимите с оси, оберните узенькими полосками жести и пропаяйте. Подшипники, получившиеся в жестяных трубочках, наденьте на ось и припаяйте к кожуху турбины. Оба подшипника вы видите на рисунках 116 и 117.

Рис. 121. Фото. Турбина с вынутыми соплами. Овальные вырезы сделаны только с этой стороны, чтобы вошли сопла.

На рисунках 120 и 121 турбина показана с вынутыми соплами. В нашей турбине, сопла легко вынуть для прочистки и снова поставить на место. Это очень важно, так как диаметр отверстий сопел приходится подбирать опытным путем и вынимать сопла приходится много раз. На рисунке 121 видно, что осуществить это нетрудно.

С одной стороны кожуха прорежьте овальные отверстия и припаяйте зажимы, захватывающие длинную основную трубку. С другой стороны кожуха просверлите два отверстия точно по диаметру тонких трубок с соплами. При такой конструкции сопла устанавливаются всегда в одних и тех же местах, и вынимать их безопасно — регулировка не нарушается.

Конечно, прежде чем готовить зажимы для сопел и прорезать отверстия в кожухе, нужно изготовить самые сопла. Собственно сопла — это капсюли от примусных горелок. Они впаяны каждый в тонкую трубку, эти две трубки впаяны в третью — толстую, а в центр толстой трубки впаяна четвертая — подводящая пар из котла.

Готовый трубопровод с соплами виден на рисунке 122. Трубки, подводящие пар, сверните и спаяйте из жести или латуни. Основную трубку сделайте длиной 70 мм, диаметр ее — 6 мм. Диаметр трубки, подводящей пар, — тоже 6 мм. Длина ее' не важна. Длина трубок, в которые впаяны сопла, — 25 мм, диаметр их — 4 мм. Капсюли спилены и впаяны так, чтобы струи пара выходили,, как показано на .рисунке 123. Это наилучшее положение мы нашли опытным путем.

Рис. 122. Трубопровод с соплами.

Рис. 123. Схема направления струй пара из сопел.

Попробовать работу турбины, дуя в трубопровод, не удается до тех пор, пока не расширены отверстия капсюлей, — слишком маленькое давление воздуха способны мы создать.

Но сразу сильно расширять Отверстия сопел тоже рискованно. Правда, чем больше отверстия для выхода пара, тем сильнее струи, а значит, мощнее турбина, но может случиться, что котел не будет давать столько пара, сколько нужно его для сильных струй. Если котел большой, он дает много пара, а если маленький, как у нас, нужно быть очень осторожным: расширите отверстия так, что пар пойдет большими струями, но с маленьким давлением — турбина будет плохо работать.

Конечно, с большим котлом наша турбина может дать значительно большую мощность, чем с котлом, который мы для нее изготовили. Но мы добивались того, чтобы вес всей установки был как можно меньше, и не решались сделать емкость котла больше 170 см³. Имея готовые цельнотянутые медные трубки, можно значительно повысить паропроиэводительность нашего котла. Но об этом немного дальше.

Рис. 124. Фото. Готовый котел со спиртовкой. Сверху котла видны концы- проволок, проходящих сквозь котел. Сбоку припаяна спица для увеличения жесткости котла.

Готовый котел со спиртовкой показан на рисунках 124 и 125. Наивыгоднейшая форма котла — цилиндр. Но цилиндрический котел занимает довольно много места, а мы экономили каждый сантиметр, особенно в высоту, и сделали сечение котла эллиптическим. При этом был риск, что котел раздует давлением пара. Первое испытание показало, что мы беспокоились не напрасно. Пришлось поставить внутренние проволочные стяжки, связывающие крышку с днищем (рис. 126), и припаять обрезки велосипедных спиц вдоль обеих сторон котла. Для увеличения поверхности нагрева, а значит, и для ускорения парообразования в днище котла впаяны патрончики от мелкокалиберной винтовки, по девять штук с каждой стороны.

Особое внимание обратите на впайку боковых стенок котла. Лучше всего заложить их, а затем в месте соединения с котлом проложить вокруг медную проволоку и хорошенько пропаять. Прокладка проволоки основательно укрепляет котел.

Рис. 125. Размеры котла.

Рис. 126. Укрепление котла.

Сухопарник — просто отрезок патрона охотничьего ружья или обыкновенный наперсток подходящих размеров. Водоналивное отверстие — гайка и штепсельное гнездо. Водомерное стекло — стеклянная трубка посередине с двумя соединительными резиновыми трубками по концам.

Патрончики лучше впаяйте изнутри до свертывания котла, иначе потом трудно пробираться между ними снаружи паяльником, да и чище получается, если впаивать их изнутри.

Из старого штепселя вывинтите гнездо с гайкой. Гайку припаяйте к котлу. В прорезь гнезда заложите обрезок проволоки и припаяйте ее, залив одновременно отверстие гнезда. Проволочка дает возможность завинчивать гнездо* обращенное нами в пробку, без помощи отвертки или плоскогубцев.

На гнездо наденьте свинцовую или резиновую шайбочку, чтобы плотно закрыть отверстие котла. Готовое водоналивное отверстие с пробкой показано на рисунке 127. Там же видно и водомерное стекло.

Для водомерного стекла постарайтесь достать обрезок трубки внутренним диаметром не менее 5—б мм. Тонкие трубки обманывают: уровень воды в них всегда выше уровня воды в котле, и с таким стеклом можно, понадеявшись на его показания, распаять котел.

Сверху и снизу котла впаяйте коротенькие трубочки и соедините с ними стеклянную трубку при помощи двух маленьких обрезков резиновой трубки. Это очень простое водомерное стекло, но работает оно безотказно. Места соединений обвяжите звонковой проволокой.

Размеры спиртовки видны на рисунках 128 и 129. При такой конструкции, когда бачок со спиртом помещается отдельно, он мало нагревается, и нет риска, что вспыхнет весь спирт.

Рис. 127. Фото. Котел со стороны водомерного стекла и водоналивного отверстия.

Рис. 128. Размеры спиртовки.

Рис. 129. Фото. Готовая спиртовка. Слева — пробочка, которой затыкается отверстие трубки после протягивания главного фитиля.

Рис. 130. Фото. Котел снизу. Видны отверстия для трубок с фитилями, а по краям — отверстия, подводящие воздух.

Трубки для фитилей — патрончики мелкокалиберной винтовки со спиленными донышками. Фитили этих трубок закладываются отдельно от главного фитиля, идущего из бачка по толстой трубке. Они только соприкасаются с главным фитилем.

Когда котел и спиртовка готовы, изогните из жести П-образную часть подставки котла, хорошо видную на рисунке 130. В средние отверстия подставки вставляются трубки спиртовки, а боковые отверстия сделаны для подвода воздуха к фитилям спиртовки снизу. Высоту этой части рассчитайте по спиртовке так,' чтобы концы трубок фитилей получились на расстоянии примерно 30 мм от дна котла.

Теперь можете испытать работу турбины. Налейте в котел на две трети воды. В спиртовку налейте спирт. Когда фитили хорошо пропитаются спиртом, можете зажигать. Вода в котле закипает быстро — в две-три минуты. Пока закипает вода, соедините трубку сухопарника с впускной трубкой турбины. Проще всего соединить котел с турбиной резиновой трубкой. Давление пара в котле не очень велико, и трубка не раздувается. Потом, когда окончательно установите турбину на какую-нибудь модель* сможете заменить резиновую трубку самодельной, спаянной из, латуни или жести.

Как только закипит вода, пар станет вырываться из сопел и завертит турбину; на холостом ходу она вращается с огромной скоростью — в несколько тысяч оборотов в минуту.

Но как узнать, можно ли увеличить отверстия сопел* или они как раз хороши для этого котла? Узнать это нетрудно. Дайте турбине поработать полторы-две минуты, а затем, не гася огня под котлом, снимите резиновую трубку, подводящую пар к турбине. Если при этом пар вырвется из трубки с большой силой, значит давление в котле достаточно велико для того, чтобы пара хватило на отверстия большего диаметра. Тогда вытащите сопла из турбины, осторожно расширьте отверстия иглой, снова вставьте обратно и опять испытайте турбину. Если турбина стала работать лучше, снова попробуйте через полторы-две минуты снять трубку, подводящую пар, и, судя по тому, с какой силой вырывается теперь пар из трубки, решите, можно ли еще увеличивать отверстия сопел. Такое испытание нужно проделать несколько раз.

Только имейте в виду, что нельзя увеличивать отверстия сопел до тех пор, пока из снятой с турбины трубки пар не станет итти с небольшой силой. Какое-то давление должно быть в котле, иначе получится не усиление работы турбины, а наоборот, она станет работать слабее.

Рис. 131 Котел с пароперегревателем.

Если все-таки после одного из расширений сопел турбина станет хуже работать, не огорчайтесь — это легко исправить. Осторожно запаяйте отверстия и снова проткните их иглой. При этом постарайтесь сделать отверстия такими, чтобы они' были чуть меньше, чем в последний раз. Турбина, построенная нами, лучше всего работает при диаметре отверстий сопел 0,8 мм. Мы узнали диаметр отверстий, вставив в них проволоку диаметром 0,8 мм. Она плотно вошла в отверстия. Так же можете сделать и вы.

При расширении отверстий иглой случается, что кончик иглы застревает в сопле и обламывается. Чтобы избежать такой неприятности, отожгите сначала конец иглы, а потом уж работайте ею.

Немного переделав этот котел, можно значительно увеличить давление пара, который он дает. Можно, как и в настоящих котлах, применить так называемый перегрев пара. Для этого нужна медная цельнотянутая трубка внутренним диаметром 4—5 мм и длиной около 200 мм. Впаяйте ее в сухопарник, потом изогните и проведите под дном котла (рис. 131). Пар в этой трубке будет нагреваться огнями спиртовки, температура его сильно повысится, и давление возрастет. Если сделаете котел с перегревом пара, отверстия сопел можете увеличить до 1 мм.

Если найдете тонкие медные трубки, можете сделать маленький котел Ярроу, описанный для поршневых машин (рис. 95). И в этом котле можете пропустить в трубку перегрева гораздо больше пара, чем в нашем эллиптическом, и турбина будет работать много лучше.

При изготовлении всякой модели помните, что успех работы решает тщательность отделки каждой части. В модели, как и в настоящей машине, нет незначительных деталей — все важно.