МОДЕЛЬ ПАРОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Меня с раннего детства увлекает конструирование и изготовление моделей своими руками. Изучая книги А. Абрамова и П. Хлебникова «Самодельные электрические и паровые двигатели» изд. 1946 г., а также И. Романова «Модели паровых двигателей для моделей судов» изд. 1951 г., я обнаружил одну довольно простую модель парового двигателя. Ее и решил собрать в качестве необычного действующего экспоната для школьной лаборатории.

Начнем с котла

В первую очередь требуется определиться с котлом, чтобы потом подбирать под его характеристики размеры самого двигателя. Котел состоит из водяного резервуара, топки с дымовой трубой и горелки. На приводимых эскизах перечисленные детали показаны без указания размеров, поскольку они зависят от габаритов самого котла.

В качестве заготовки для котла я использовал жестяной аэрозольный баллончик длиной 120 мм и диаметром 52 мм и объемом около 200 куб. см.

Могут быть и другие варианты, главные условия — он должен быть стальной, чтобы к нему можно было припаивать детали, а также иметь вогнутое дно для обеспечения прочности при повышении давления внутри.

У баллона вырезается верхняя крышка. Вместо нее вставляется водомерное стекло, смонтированное на металлическом основании, необходимое для контроля уровня воды в котле при работе двигателя. Если планируются лишь кратковременные демонстрационные пуски машины, то водомерное стекло можно и не делать.

Наверху котла припаивается сухопарник, изготовленный из латунной гильзы от охотничьего патрона, с заливной пробкой, а также монтируется предохранительный клапан, втулка которого вытачивается из латуни на токарном станке. В сухопарник впаян паропровод из медной трубки диаметром 4 мм. Сухопарник соединяется с внутренним объемом котла через два отверстия диаметром 5 мм, просверленные вблизи места припайки сухопарника к корпусу котла. При такой конструкции происходит отсечка капель кипящей воды от попадания в сухопарник и далее в паропровод.

Топка выполнена из оцинкованной жести толщиной 0,4 мм. Ее корпус состоит из двух частей, согнутых по пунктирным линиям, показанным на эскизе. Обе части скрепляются винтами. В боковых стенках просверлены отверстия для доступа воздуха в топку. Дымовая труба изготовлена из латунной трубки (также гильзы от охотничьего патрона) с удлинителем трубы, сделанным из жести.

Горелка представляет собой коробку, спаянную из латуни толщиной 2 мм. У нее съемная верхняя крышка. Сбоку выходит трубка с фитилями из асбестового шнура. В качестве горючего используется спирт. Можно разогревать котел и «сухим спиртом», тогда горелку следует изменить, сделав в виде открытой сверху коробочки, куда вкладываются таблетки горючего.

Изготовление двигателя

Цилиндр парового двигателя изготавливается из латунной трубки. В моей модели использована трубка от телескопической антенны радиоприемника. На токарном станке вытачивается латунная заглушка цилиндра диаметром, равным внутреннему диаметру цилиндра и длиной 4 мм. В ее центре сверлим отверстие для соединения с соединительной трубкой золотника.

Цилиндр золотника и соединительная трубка сделаны из трубки внутренним диаметром 3 мм. В стенке цилиндра золотника по центру сверлится отверстие диаметром, равным внутреннему диаметру соединительной трубки. Для подсоединения к цилиндру золотника паропровода вытачивается соединительная втулка из латуни. В нее на половину длины втулки вставляется цилиндр золотника и припаивается. С другой стороны втулки в дальнейшем припаивается паропровод от котла.

Поршенек золотника собирается прямо на штоке. Отрезается кусочек проволоки диаметром 1,5 мм и длиной 40 мм. Один ее конец загибается под прямым углом, а на другой припаиваются две жестяные шайбы наружным диаметром 3 мм на расстоянии 3 мм одна от другой. Между шайбами наматываются нитки, которые пропитываются машинным маслом.

Пластина привода золотника в форме прямоугольного треугольника с закругленными краями изготавливается из латуни толщиной 1,5-2 мм. В ней просверливаются три отверстия по углам для штока золотника, тяги треугольника и оси опоры.

Поршень цилиндра вытачивается на токарном станке. Ножовкой по металлу делается прорезь в поршне по центру шириной 2 мм для соединения с шатуном. В этом месте по диаметру просверливается отверстие диаметром 1,5 мм для соединительного пальца. На боковой поверхности поршня можно выточить канавку глубиной 0,5 мм для уплотнительной манжеты из намотанной и промасленной нити.

Шатун делается из проволоки диаметром 2 мм, неплохо подойдет велосипедная спица. По краям загибаются крючки для соединения с поршнем и вторым кривошипом коленвала. С поршнем шатун соединяется отрезком медной проволоки длиной 7 мм.

Тяга треугольника также выгибается из проволоки или велосипедной спицы. Одной стороной, загнутой под 90°, она вставляется в отверстие в треугольнике. Второй стороной, загнутой в виде крючка, соединяется с первым кривошипом коленчатого вала.

Маховик отливается из свинца. В качестве формы для своей модели я взял металлическую резьбовую крышку от банки диаметром 55 мм и высотой 6 мм. По центру маховика сверлится отверстие диаметром 3 мм для оси. На расстоянии 5 мм от центрального отверстия сверлится еще одно отверстие диаметром 2,5 мм, в котором нарезается резьба М3 для первого кривошипа. Кривошип представляет собой винт М3 высотой 7 мм.

Для оси маховика подошел стержень вытяжной заклепки диаметром 3 мм со шляпкой. Он вставляется с натягом в центральное отверстие маховика. На конце оси нарезается резьба для крепления второго кривошипа. Он изготавливается из латунной пластины толщиной 1,5 мм и закрепляется на оси маховика двумя гайками.

Опоры для оси маховика, цилиндра и треугольника сгибаются из жести толщиной 0,4 мм. Ось качания треугольника изготавливается из велосипедной спицы или проволоки диаметром 2 мм. На конце оси имеется резьба, на которую накручивается гайка, предохраняющая треугольник от соскакивания с оси.

Сборка двигателя

Двигатель я смонтировал на площадке из жести толщиной 0,5 мм. Площадка крепится по углам винтами М4 к общему основанию, в качестве которого использован металлический противень для выпечки размером 300x200x40 мм. В цилиндр двигателя впаивается заглушка с отверстием по центру. Цилиндр золотника соединяется пайкой с заглушкой цилиндра двигателя через соединительную трубку. Сам цилиндр припаивается к двум опорам, прикрепленным заклепками к площадке.

Подставка для треугольника фиксируется на площадке также с помощью заклепок. Треугольник своим отверстием, находящимся у прямого угла, сажается на ось, припаянную к подставке треугольника. Затем в оставшиеся два отверстия в треугольнике вставляются шток поршня золотника и тяга треугольника. После чего в цилиндр двигателя вставляется поршень с присоединенным к нему шатуном.

К подставке маховика припаивается два подшипника для оси маховика, представляющие собой свернутые спиралью отрезки медной проволоки диаметром 1,2-1,5 мм. Ось в сборе с маховиком вставляется в подшипники. Второй кривошип крепится на оси маховика двумя гайками, которые затягиваются и пропаиваются после настройки двигателя для предотвращения их раскручивания при работе. Положение кривошипа на оси относительно цилиндра регулируется шайбами или отрезками трубки, надетыми на ось маховика рядом с подшипниками. В отверстие на конце кривошипа вставляется винт с надетым шатуном поршня и фиксируется двумя гайками. В боковое резьбовое отверстие маховика закручивается винт (первый кривошип) с надетой на него тягой треугольника.

Все подставки нужно расставить на площадке и зафиксировать заклепками так, чтобы шатун поршня двигателя был по середине пальца второго кривошипа и точно под прямым углом к оси маховика. Поршенек золотника передвигается в центр цилиндра золотника (в этом положении он закрывает отверстие соединительной трубки). Опора треугольника ставится на площадке так, чтобы длинная сторона треугольника была параллельна оси маховика. При этом тяга треугольника должна встать под прямым углом к оси маховика и быть по середине пальца первого кривошипа, расположенного на корпусе маховика.

Сборка котла с топкой производится в следующем порядке. Сгибаем по линиям сгиба основной корпус топки и переднюю стенку. Соединяем их между собой четырьмя винтами. Вставляем между боковыми стенками корпуса и закрепляем гайками стяжку-опору для котла. Она препятствует опусканию котла в топку и деформации стенок топки при нагреве. К задней стенке топки крепим уголок для основания дымовой трубы. На уголке винтом с гайкой фиксируется основание трубы. Котел устанавливаем на топкой с помощью хомута. В основание дымовой трубы вставляем трубу. Топку с котлом прикрепляем винтами к общему основанию. После настройки двигателя припаиваем паропровод через соединительную втулку к цилиндру золотника.

Регулировка двигателя

Снимаем петельку шатуна со второго кривошипа и вдвигаем поршень примерно до середины цилиндра. На соединительную втулку цилиндра золотника надеваем резиновую трубку. Резко дунув в трубку, имитируем давление пара. Если поршень вылетит из цилиндра — значит, отверстие в соединительную трубку не было перекрыто поршеньком золотника. Передвигаем немного поршенек в сторону входа пара и снова резко дуем. Возможно, эту операцию понадобится повторить несколько раз, до тех пор, пока поршень не перестанет выскакивать из цилиндра, то есть пока поршенек золотника не перекроет отверстие в соединительную трубку.

Теперь отводим поршенек немного назад, чтобы снова чуть-чуть приоткрылось отверстие для доступа пара в цилиндр двигателя. Зафиксируем или запомним это положение. Надеваем шатун поршня на кривошип, который установим горизонтально (кривошип золотниковой тяги на маховике при этом должен стать вертикально). Второй кривошип фиксируем на оси маховика двумя гайками, припаиваем их к оси и кривошипу. Не меняя взаимное положение деталей, загибаем конец тяги треугольника под прямым углом точно над отверстием треугольника и вставляем в него. Регулировка закончена. Остается прикрепить площадку с собранным двигателем к основанию.

Разводим пары

Перед началом работы необходимо закапать немного машинного масла в цилиндры двигателя и золотника, смазать подшипники оси маховика. Заливаем в котел воду и закручиваем пробку горловины. Чем меньше залито воды, тем быстрее она закипит, тем больше будет выделяться пара из-за значительной площади испарения. Двигатель запустится быстрее, но и время его работы будет невелико. К тому же, при сухопарнике столь простой конструкции, что реализовал я, желательно, чтобы уровень воды был подальше от него, чтобы не залить паропровод. Для получения более сухого пара можно проложить паропровод в зоне пламени горелки, но это усложнит конструкцию.

Заправляем горелку спиртом. Когда фитили пропитаются, поджигаем их и помещаем горелку в топку. Спустя 2-3 минуты вода в котле, заполненном на половину его объема, закипит, что станет заметно через водомерное стекло. Выход пара через предохранительный клапан сообщит нам о том, что давление пара достигло необходимой величины. Кратковременным вращением маховика против часовой стрелки (если смотреть со стороны маховика) рукой запустим двигатель. Через водомерное стекло контролируем уровень воды в котле, не допуская ее выкипания, что чревато распайкой котла. Для остановки двигателя достаточно извлечь горелку из топки. Через некоторое время двигатель плавно остановится.

Алексей СОКОЛОВСКИЙ, ученик 10 класса гимназии № 3 г. Иваново