Yarrow panna - Yarrow boiler

Yarrow-pannor är en viktig klass av högtryckspannor för vattenrör . De utvecklades av Yarrow & Co. (London), Shipbuilders and Engineers och användes i stor utsträckning på fartyg, särskilt krigsfartyg .

Yarrow-panndesignen är karakteristisk för tretrumspannan : två banker av raka vattenrör är anordnade i en triangulär rad med en enda ugn mellan dem. En enda ångtrumma är monterad överst mellan dem, med mindre vattenfat vid basen av varje bank. Cirkulation, både uppåt och nedåt, sker inom samma rörbank. Yarrowens utmärkande drag var användningen av raka rör och även cirkulation i båda riktningarna inom rörbanken, snarare än att använda externa fallrör.

Tidiga vattenrörspannor

Tidig användning av vattenrörspannan inom den kungliga flottan var ibland kontroversiell, vilket gav upphov till " Battle of the Boilers " runt 1900. Dessa första pannor, som Belleville och Niclausse , var designade med stora rör, med enkel rak rör med cirka 4" diameter, i en ytlig vinkel mot horisontalen. Dessa rör sammanfogades till gjutjärnssamlingar och gav mycket problem med läckage vid dessa leder. På den tiden antog man att termisk expansion i dessa raka rör belastade Dessa pannor var också stora, och även om de var monterade på många slagskepp före dreadnought , kunde de inte monteras på de små torpedbåtarna och de tidiga jagarna som då var under mycket aktiv utveckling.

För att tillhandahålla en lättare panna för mindre kärl utvecklades 'Express'- typerna. Dessa använde mindre vattenrör med en diameter på cirka 2 tum, vilket gav ett större förhållande mellan uppvärmningsarea och volym (och vikt). De flesta av dessa var av tretrumsmönstret , särskilt av Du Temple och Normand - designerna. Detta gav en mer vertikalt arrangemang av vattenrören, vilket uppmuntrar termosifoncirkulation i dessa smala rör. De tidigare problemen med rörexpansion var fortfarande ett teoretiskt problem och så var rören antingen krökta eller till och med veckade till hårnålar och S-former, för att öka uppvärmningen I praktiken gav dessa former upphov till ytterligare två praktiska problem: svårigheter att rengöra rören och även svårigheter att forma en tillförlitlig skarv i vattentrummorna, särskilt när rören kom in i trumman i en mängd olika vinklar.

Yarrows vattenrörspanna

Alfred Yarrow utvecklade sin panna som ett svar på andra som redan hade utvecklat vattenrörspannor . Detta var en lång process baserad på teoretiska experiment snarare än utveckling av praktiska pannor. Arbetet började 1877 och den första kommersiella pannan levererades inte förrän 10 år senare, en torpedbåt från 1887.

Trots denna långa dräktighet verkar pannans ursprung ha varit mest direkt. Yarrows inledande samtal med William Crush, chef för pannavdelningen, har inkluderat ett ganska direkt tillvägagångssätt och Yarrows uttalanden, "Vi måste vakna upp om vattenrörspannor", "Varför inte en sådan här panna?" (placerar fingrarna mot varandra som om han ber) och "Raka rör?" redan uttryckt två av pannans tre grundläggande designprinciper.

Raka rör

Tidiga konstruktörer av vattenrör hade varit oroliga över expansionen av pannans rör när de värmdes upp. Ansträngningar gjordes för att tillåta dem att expandera fritt, särskilt så att de närmast ugnen kunde expandera relativt mer än de längre bort. Vanligtvis gjordes detta genom att arrangera rören i stora slingkurvor, som för Thornycroft-pannan . Dessa hade svårigheter med tillverkningen och krävde stöd vid användning.

Yarrow insåg att temperaturen på ett vattenfyllt rör hölls relativt lågt och var konsekvent bland dem, förutsatt att de förblev fulla av vatten och att kokning inte fick ske i själva rören. Höga temperaturer och variationer uppstod först när rören blev ångfyllda, vilket också störde cirkulationen.

Hans slutsats var alltså att raka vattenrör var acceptabla och hade uppenbara fördelar för tillverkning och rengöring under drift.

Det var svårt att få tag på rör som kunde motstå det ökande panntrycket och de flesta tillverkare hade redan upplevt problem med svetsarna i rören. En mindre uppenbar fördel med raka rör var att de kunde använda sig av de nyutvecklade sömlöst dragna rören som nu tillverkas för cykeltillverkning .

Yarrows cirkulationsexperiment

Det var redan känt att en vattenrörspanna förlitade sig på ett kontinuerligt flöde genom vattenrören, och att detta måste ske genom en termosifoneffekt snarare än att det på ett opraktiskt sätt kräver en pump.

De uppvärmda vattenrören var ett stort antal rör med liten diameter monterade mellan stora fat: vattentrummorna under och ångfat ovanför. Fairbairns studier hade redan visat betydelsen av rördiameter och hur små rör med liten diameter lätt kunde motstå mycket högre tryck än stora diametrar. Trummorna kunde stå emot trycket i kraft av sin robusta konstruktion. Brunnar monterade på dem möjliggjorde regelbunden intern inspektion.

Antagandet var att flödet genom vattenrören skulle vara uppåt, på grund av deras uppvärmning i ugnen, och att det utjämnande nedåtgående flödet skulle kräva externa ouppvärmda fallrör . I de flesta vattenrörskonstruktioner var dessa några externa rör med stor diameter från ångtrumman till vattentrumman. Dessa rör med stor diameter var således ett problem för tillförlitligheten på grund av deras styvhet och krafterna på dem.

Alfred Yarrow genomförde ett berömt experiment där han motbevisade detta antagande. Källor är oklart om han upptäckte detta under experimentet, eller utförde experimentet bara för att demonstrera en teori som han redan hade.

Ett vertikalt U-format rör var anordnat så att det kunde värmas upp av en serie bunsenbrännare på varje sida. En enkel flödesmätare indikerade riktningen och den ungefärliga styrkan för eventuellt flöde genom tanken på toppen som länkar samman U:s två armar.

När endast en sida av U:et värmdes upp fanns det förväntade uppåtgående flödet av uppvärmt vatten i den armen av röret.

När värme också applicerades på den ouppvärmda armen, förutspådde konventionell teori att cirkulationsflödet skulle sakta ner eller sluta helt. I praktiken ökade faktiskt flödet . Förutsatt att det fanns en viss asymmetri i uppvärmningen, visade Yarrows experiment att cirkulationen kunde fortsätta och uppvärmningen av det kallare fallröret kunde till och med öka detta flöde.

Yarrow upprepade sedan experimentet, först med U-röret i en ytlig vinkel mot horisontalplanet, slutligen med hela systemet under tryck. Resultaten var desamma och cirkulationen bibehölls.

Yarrow-pannan kunde därmed undvara separata externa fallrör. Flödet var helt inom de uppvärmda vattenrören, uppåt inom de närmast ugnen och nedåt genom de i de yttre raderna av banken.

Beskrivning

Yarrows produktionspanna hade en enkel och distinkt design som förblev i stort sett oförändrad efteråt. Tre trummor var arrangerade i en triangulär formation: en enda stor ångtrumma upptill och två mindre vattenfat under. De var länkade med raka vattenrör i en flerradsbank till varje vattentrumma.

Ugnen placerades i utrymmet mellan rörbankarna. Tidiga pannor koleldades manuellt, senare oljeeldades. Pannan var innesluten i ett förseglat hölje av stål, fodrat med eldtegel. Tegelklädda gavelväggar till detta hölje inrymde elddörrarna eller oljebrännarna, men hade ingen värmeyta. Upptagskanalen från pannan var i mitten av toppen av höljet, avgaserna passerade runt ångtrumman. För att minska korrosion från rökgaser över trumman var den ibland inlindad i en enkel deflektorhölje. Vanligtvis var den nedre delen av vattenfat exponerad utanför höljet, men endast ändarna av ångtrumman kom fram. Vattennivån låg på cirka en tredjedel av ångtrummans diameter, tillräckligt för att täcka ändarna på de nedsänkta vattenrören.

Pannans tyngd vilade på vattenfaten och därmed på stöd från eldningslägenhetens däck. Ångtrumman stöddes endast av vattenrören och fick röra sig fritt, med termisk expansion. Om de överhettades hängdes överhettarelementen från denna trumma. Jämfört med de tidigare skotska och lokomotivpannorna ansågs vattenrörspannor med sina reducerade vattenvolymer vara lätta och krävde inte omfattande stöd.

Senare utveckling inom design

Vattenfat

De första Yarrow-vattentrummorna eller "trågen" var D-formade med en platt rörplatta, för att ge en enkel montering av rören. Rörplattan skruvades fast i tråget och kunde demonteras för underhåll och rörrengöring.

Denna D-form är dock inte idealisk för en trycktrumma, eftersom trycket tenderar att förvränga den till en mer cirkulär sektion. Erfarenheter från pannexplosioner hade visat att vassa inre hörn inuti pannor också var benägna att erosion av räfflor.

Senare pannor använde en mer rundad sektion, trots svårigheten att sätta in och täta rörändarna när de inte längre var vinkelräta. Dessa senare trummor hade ett manhål i ändarna för tillträde.

Downcomers

Cirkulationen i en Yarrow-panna berodde på en temperaturskillnad mellan de inre och yttre rörraderna i en bank, och särskilt på kokhastigheten. Även om detta är lätt att underhålla vid låga effekter, tenderar en yarrow-panna med högre tryck att ha mindre temperaturskillnad och kommer därför att ha mindre effektiv cirkulation. Denna effekt kan motverkas genom att tillhandahålla externa fallrör, utanför det uppvärmda rökkanalen.

Även om de flesta Yarrow-pannor inte krävde fallrör, var vissa utrustade med dem.

Dubbelsidiga pannor

Den första dubbelsidiga pannan byggdes 1905 för den spanska regeringen. Konstruktionen var redan väl lämpad att eldas från båda ändar och man upptäckte att dubbla pannor var något effektivare att använda.

Yarrows varv var alltid begränsad i storleken på fartyg som det kunde bygga. Många av deras pannor var avsedda för större krigsfartyg och Yarrow levererade dessa som komponenter till bygggårdarna med större slipbanor.

Överhettare

Tidiga Yarrow-pannor var inte överhettade, men med introduktionen av ångturbiner fanns det ett krav på allt högre ångtemperaturer.

Asymmetriska pannor

Yarrow-överhettaren bestod av hårnålsrör, parallella med de befintliga ånggeneratorrören. En bank av generatorrören var separerad i två, med individuella nedre vattenfat för dem. Överhettaren placerades i spalten som bildades mellan dessa, med båda ändarna av dess rör anslutna till en enda överhettarsamlingstrumma och en intern baffel för att separera våt och torr ånga.

En sekundär effekt av överhettaren var att öka temperaturskillnaden mellan inner- och ytterrören i banken och på så sätt uppmuntra cirkulationen. De två vattenfatarna var ofta sammanlänkade med ouppvärmda fallrör, för att tillåta detta flöde mellan faten. Denna effekt uppmuntrades senare i amiralitetspannan , där rören på en bank böjdes isär för att lämna utrymme för en överhettare, samtidigt som den enda vattentrumman behölls.

Kontrollerat flöde

Endast en enda överhettare har någonsin installerats, bara på ena sidan av pannan. De enklaste och minsta pannorna flyttade sin avgaskanal till denna sida och passerade alla avgaser genom banken med överhettaren. Den nu asymmetriska pannan kunde passera alla sina avgaser genom den överhettade sidan som enkelflödestyp. Den andra banken förblev i bruk för ren strålningsvärme, ofta med färre rader av rör.

Alternativt bibehöll "dubbelflödes"-pannan fullt gasflöde genom båda sidor, även om endast en av dessa innehöll en överhetare. En kontrollerbar baffel på den icke-överhettade sidan kan stängas för att öka flödet genom överhettaren. Dessa pannor inkorporerade vanligtvis ytterligare matarvattenvärmare i uppgången ovanför dessa bafflar.

Amiralitetets tretrumspanna

En senare utveckling från Yarrow var amiralitetets tretrumspanna , utvecklad för Royal Navy mellan krigen.

Detta liknade i stort sett senare, högtrycks- och oljeeldade versioner av Yarrow. Vattentrummorna var cylindriska och fallrör användes ibland, men inte alltid. Den enda stora skillnaden var i rörbankarna. Snarare än raka rör var varje rör mestadels rakt, men vevade mot sina ändar. Dessa installerades i två grupper inom banken, så att de bildade ett gap mellan dem inom banken. Överhettare placerades inuti denna lucka. Fördelen med att placera överhettarna här var att de ökade temperaturskillnaden mellan bankens inner- och ytterrör och på så sätt uppmuntrade cirkulationen.

Marin användning

HMS  Hornet  (1893) , en jagare av klass Havock . HMS  Havock  (1893) , klassens blyfartyg, byggdes med den då nuvarande formen av lokomotivpanna , Hornet med en Yarrow-panna för jämförelse.

De första Yarrow-pannorna var avsedda för små jagare och fyllde hela skrovets bredd. I de tidiga klasserna användes tre pannor anordnade i tandem, var och en med en separat tratt . De senare uppsättningarna som levererades för kapitalfartyg använde flera pannor och dessa grupperades ofta i uppsättningar om tre, som delade ett upptag.

Landbaserade pannor

1922 beslutade Harold Yarrow att utnyttja den ökande boomen för elproduktion som en marknad för Yarrows för att bygga landbaserade pannor. De första pannorna, vid Dunston Power Station och Brighton , var av samma marina mönster. När det gäller deras marina framgång, erkändes de för att ha ett stort strålningsuppvärmningsområde och att de var snabba med att få upp ånga.

Stora landbaserade turbiner krävde hög effektivitet och ökad överhettning , så det marina mönstret reviderades till den distinkta landbaserade Yarrow-pannan. Detta blev asymmetriskt. Ena vingen förstorades och tog emot det mesta av gasflödet. De inre rörbankerna blev kvar och fick strålningsvärme från ugnen, men gaserna strömmade sedan genom en av dem, över en överhettarbank och sedan genom ytterligare en tredje bank för att öka den utvunna värmen.

Arbetstrycket ökade också. Från ett arbetstryck på 575 psi 1927, 1929 drevs en experimentell panna vid 1 200 psi.

Motor 10000

Endast en "Yarrow"-panna användes i ett järnvägslok, Nigel Gresleys experimentella Engine 10000 från 1924 för LNER- företaget. Efter att ha observerat fördelarna med högre tryck och sammansatta motorer i marin praktik , var Gresley angelägen om att experimentera med detta tillvägagångssätt i ett järnvägslokomotiv . Precis som med de landbaserade pannorna var Harold Yarrow angelägen om att utöka marknaden för Yarrows panna.

Pannan var inte den vanliga Yarrow-designen. I drift, särskilt dess cirkulationsvägar, hade pannan mer gemensamt med andra tretrumsdesigner som Woolnough . Det har också beskrivits som en utveckling av Brotan-Deffner vattenrörsbrännkammare, med eldstaden utökad för att bli hela pannan.

Referenser