Robert Stirling.
1843-ban fia, James Stirling apja motorját használta egy gyárban, ahol mérnökként dolgozott. Nos, már 1938-ban létrehoztak akár 200 LE teljesítményű keverőket. és 30 százalékos hatásfok.
Ennek a motornak az a működési elve, hogy a munkafolyadékot váltakozva melegítjük és hűtjük egy teljesen zárt hengerben. A munkaközeg jellemzően levegő, de hidrogén és hélium, valamint freonok, nitrogén-dioxid, cseppfolyósított propán-bután, de még víz is használható. Ezenkívül a termodinamikai ciklus alatt folyékony marad. Vagyis a motor kialakítása rendkívül egyszerű, és a gázok jól ismert tulajdonságát használja ki: fűtéstől térfogatuk nő, hűtéstől csökken.
Egyike a sok házi készítésű kancsó közül.
A Stirling-motor ... a "Stirling-ciklust" használja, amely termodinamikai hatásfokát tekintve nemhogy nem rosszabb, mint a Carnot-ciklus, de még néhány előnye is van. Mindenesetre a "Stirling-ciklus" lehetővé teszi, hogy néhány óra alatt működő motort kapjon egy közönséges bádogdobozból.
Béta keverőkészülék.
Maga a "Stirling-ciklus" négy fő fázisból és két átmeneti fázisból áll: fűtés, tágulás, átmenet hideg forrásra, hűtés, kompresszió és átmenet hőforrásra. Nos, hasznos munkát kapunk a felmelegített gáz térfogatának bővítése során.
1. fázis.
2. fázis.
3. fázis.
4. fázis.
A béta típusú Stirling-motor munkaciklusa: a - lökettérfogatú dugattyú; b - működő dugattyú; c - lendkerék; d - tűz (fűtési terület); e - hűtőbordák (hűtési terület).
Ez így működik: két henger és két dugattyú van. Egy külső hőforrás - és lehet akár égető fa, akár gázégő, akár napfény is - növeli a hőcserélő henger alsó részén lévő gáz hőmérsékletét. Nyomás keletkezik, és felfelé nyomja a munkadugattyút, és a kiszorítódugattyú nem illeszkedik szorosan a henger falához. Továbbá a lendkerék görgetve lenyomja.
Stirling diagram konzervdobozból.
Ebben az esetben a henger aljáról forró levegő jut be a hűtőkamrába. A munkakamrában lehűl és összehúzódik, majd a munkadugattyú lerohan. A kiszorításos dugattyú felfelé megy, és így a lehűtött levegő lefelé áramlik. A ciklus így megismétlődik. Stirlingben a munkadugattyú mozgása 90°-kal eltolódik az elmozduló dugattyúhoz képest.
Fotó Stirlingről egy kannából.
Az idő múlásával számos különféle kialakítású "stirling" jelent meg, amelyeket a görög ábécé betűiről neveztek el: alfa, béta, gamma, amelyeknek különbségei vannak a munkaciklusban. A köztük lévő alapvető különbségek kicsik, és a hengerek elhelyezkedésétől és a dugattyúk méretétől függenek.
Stirling motor lineáris generátorral.
Az Alpha stirling két különálló teljesítménydugattyúval rendelkezik különböző hengerekben: meleg és hideg. A melegdugattyús henger a magasabb hőmérsékletű hőcserélőben, a hidegdugattyús henger pedig a hidegebbben van. A regenerátor (vagyis a hőcserélő) a meleg és a hideg rész között található.
A béta keverőnek csak egy hengere van, egyik végén forró, a másik végén hideg. A henger belsejében egy dugattyú mozog (amelyből az áram megszűnik) és egy kiszorító, amely megváltoztatja a forró zóna térfogatát. A gázt a palack meleg részébe pumpálják a palack hideg részéből a regenerátoron keresztül.
A Gamma Stirlingnek van még egy dugattyúja és egy kiszorítója, valamint két hengere - hideg (ahol a dugattyú mozog, ahonnan a teljesítmény lekerül) és meleg (ahol a kiszorító mozog). A regenerátor külső, ebben az esetben a második henger meleg részét köti össze a hideggel és egyidejűleg az első (hideg) hengerrel. A belső regenerátor ebben az esetben a kiszorító része.
A Stirling-motornak vannak olyan fajtái, amelyek nem tartoznak ebbe a három klasszikus típus alá: például a forgó Stirling-motor, amelyben a tömítési problémák megoldódnak, és nincs forgattyús mechanizmus, mivel forgó.
Mik azok a jó stirlingek és miért rosszak? Először is, mindenevők, és bármilyen hőmérséklet-különbséget felhasználhatnak, beleértve az óceán különböző vízrétegei közötti különbséget is. Az égés bennük állandó jellegű, ami biztosítja az üzemanyag hatékony elégetését, ami azt jelenti, hogy környezetbarátabb. Ráadásul nincs kipufogója. Kevesebb zajszint - nincs "robbanás" a hengerekben. Kevesebb vibráció, például béta keverés. Stirling nem fogyasztja a munkafolyadékot. A motor kialakítása rendkívül egyszerű, nem igényel gázelosztó mechanizmusokat. Nem kell önindító, mint ahogy a sebességváltó sem.
Az egyszerűség és a számos „kényes” csomópont hiánya a „stirlingnek” az összes többi motornál példátlan teljesítményt biztosít, tíz- és százezer órás folyamatos működéssel.
Gotland svéd tengeralattjáró.
A Stirlingek nagyon gazdaságosak. Így a napenergia elektromos árammá alakítása keveréssel nagyobb hatásfokot (akár 31,25%-ot) ad, mint a gőzzel működő hőgépek. Ehhez a "stirlinget" egy parabola tükör fókuszába telepítik, amely "követi" a napot, így hengere folyamatosan melegszik. 2008-ban egy ilyen kaliforniai telepítésen született meg a fent említett eredmény, és most egy nagy Stirling napelem állomást építenek ott. A nagyolvasztók héjára rögzítheted és akkor a nyersvas folyamatos olvasztásával rengeteg ... olcsó energiát kapunk, mert most ez a hő kárba megy!
Stirling hátránya általában egy. Túl lehet melegíteni, és akkor azonnal meghibásodik. Ezen túlmenően, a magas hatásfok elérése érdekében a hengerben nagyon nagy nyomású gáznak kell lennie. Hidrogén vagy hélium. Ez pedig az összes munkaegység és a speciális, magas hőmérsékletű kenőanyag felszerelésének kivételes pontossága. Nos, a méretek ... ICE égéstérre nincs szükség. Stirling nem tud nélküle élni! Ez pedig egy extra térfogat és egy szigetelési és hűtési rendszer!
A Soryu egy japán Stirling-motoros tengeralattjáró.
A prioritások változása azonban valószínűleg átadja a helyét a Stirling-motoroknak. Ha a környezetbarátság az élen jár, akkor egyszer s mindenkorra el lehet búcsúzni a belső égésű motortól. Emellett nagy reményeket fűznek ígéretes naperőművek létrehozásához. Már használják autonóm generátorként a turisták számára. Egyes vállalkozások pedig beindították a hagyományos gáztűzhely égőjével működő keverőfejek gyártását. A NASA emellett fontolóra veszi a Stirling-alapú, nukleáris és radioizotópos hőforrásokkal működő villamosenergia-generátorok lehetőségét is. A tervek szerint egy ilyen keverőt, elektromos generátorral párosulva, a NASA tervezett űrexpedíciója során a Titánba.
Soryu - elrendezés.
Érdekes módon, ha a Stirling-motort fordított üzemmódban indítja el, azaz elfordítja a lendkereket egy másik motorról, akkor hűtőszekrényként fog működni (fordított Stirling-ciklus), és ezek a gépek bizonyultak nagyon hatékonynak a cseppfolyósított termékek előállítására. gázok.
Nos, mivel az oldalunk katonai jellegű, megjegyezzük, hogy a stirlingeket svéd tengeralattjárókon tesztelték még a múlt század 60-as éveiben. Aztán 1988-ban a stirlingek váltak a Nakken-osztályú tengeralattjáró fő motorjává. Velük több mint 10 000 órát vitorlázott a víz alatt. A Nakkent követték a soros Gotland típusú tengeralattjárók, amelyek az első olyan tengeralattjárók lettek, amelyeket Stirling-hajtóművekkel szereltek fel, amivel akár 20 napig is víz alatt maradhatnak. Manapság a svéd haditengerészet minden tengeralattjárója keverőmotorral rendelkezik, és a svéd hajóépítők kidolgozták az eredeti technológiát az ilyen motorok hagyományos tengeralattjárókra való felszereléséhez, új meghajtórendszerrel egy további rekeszt vágva beléjük. Folyékony oxigénnel működnek, amelyet aztán a csónakban légzésre használnak, és meg kell jegyezni, hogy nagyon alacsony zajszinttel rendelkeznek. Nos, a fent említett hiányosságok (a méretek és a hűtés problémája) egy víz alatti hadihajón nem jelentősek. A svédek példája figyelemre méltónak tűnt a japánok számára, és most Stirlingek is vannak a japán, Soryu típusú tengeralattjárókon. Ezeket a hajtóműveket tartják manapság a legígéretesebb minden üzemmódú egymotornak az 5. generációs tengeralattjárók számára.
És így néz ki a Stirling of Penza State University hallgatója, Nikolai Shevelev.
Nos, most egy kicsit arról, hogy milyen... "rossz ifjúságunk" van. Szeptember 1-jén jövök a diákokhoz - leendő motormérnökökhöz, felteszem nekik a hagyományos kérdéseket, hogy mit olvasnak (gyakorlatilag semmit!), mit szeretnek (ezzel kicsit jobb a helyzet, de a lábuk többnyire le van foglalva) , nem a fejük!), Mely műszaki magazinokat ismerték - "Fiatal Technikus", "Modelltervező", "Tudomány és technológia", "Népszerű mechanika" ... (nincs!), És akkor az egyik diák azt mondja, hogy ő szereti a motorokat. 20-ból egy, de ez már valami! Aztán elmeséli, hogy ő maga készítette a Stirling-motort. Tudom, hogyan kell egy közönséges bádogdobozból ilyen motort készíteni, de kiderült, hogy sokkal látványosabbat csinált. Mondom: "Hozd!" - és hozta. – Írd le, hogyan csináltad! - és leírta, és az „esszéje” annyira megtetszett, hogy változtatások, rövidítések nélkül mutatom be itt.
A munka kezdete a „kreatív káosz”.
„Mindig is szerettem a technikát, de különösen a motorokat. Nagy érdeklődéssel gondozás, javítás és testreszabás. Amikor megismertem a Stirling-motort, úgy lenyűgözött, mint senki más motort. A stirlingek világa annyira sokrétű és nagy, hogy egyszerűen lehetetlen leírni az összes lehetséges lehetőséget a végrehajtására. Egyetlen másik motor sem ad ilyen változatosságot a dizájn tekintetében, és ami a legfontosabb, a saját készítésének képességét.
Voltak ötletek, hogy bádogdobozból és egyéb rögtönzött eszközökből készítsek motormodellt, de a szabályaim között nem szerepel, hogy „bármilyen és bármiből” csináljam. Ezért úgy döntöttem, hogy komolyan veszem ezt a feladatot, először az elméleti felkészüléssel. Tanulmányoztam az irodalmat az interneten, de a keresés nem hozta meg a kívánt eredményt: cikkek és videók áttekintése, a motor modelljeinek rajzainak hiánya. A kész modelleket túl magas áron adták el. Ezenkívül nagy a vágy, hogy mindent saját kezűleg készítsen el, megértse a működési elvet, hibakeresést és tesztelést végezzen, hasznos munkát kapjon ebből a motorból, és még a gazdaságban is megpróbáljon alkalmazást találni.
"Forgató üzlet!" (Okos diák, emlékül lefilmeztem az egész munkafolyamatot. Jelen, állampolgár, filmes és fényképes dokumentumok megerősítve... és itt vannak!)
Kérdeztem a fórumokon, és megosztották velem az irodalmat. Ez a "Stirling Engines" könyv volt (Szerzők: G. Reeder és C. Hooper). Mindent tükrözött история ez a típusú motorépítés, miért állt meg a rohamos fejlődés, és hol használják még mindig ezeket a motorokat. A könyvből részletesebben megismertem a motorban előforduló összes folyamatot, választ találtam az érdeklődésre számot tartó kérdésekre. Érdekes volt olvasni, de szerettem volna gyakorolni. Természetesen ott sem voltak rajzok garázsmodellekről, ahogy az interneten sem, hát persze, kivéve egy bádogdobozból és habgumiból készült modellt.
Nagy boldogságomra az, aki Stirling modelleket árusított, lefektetett egy tanfolyamot az ilyen modellek készítésére, akkoriban 20 dollárért beállította, felvettem vele a kapcsolatot és kifizettem a tanfolyamot. Miután megnéztem az összes videót, amelyek mindegyikében elmagyarázott egy bizonyos típusú keverést, úgy döntöttem, hogy készítek egy magas hőmérsékletű gamma típusú keverést. Mivel érdekelt a dizájnja, tulajdonságai és megjelenése. A videó tanfolyamon megtanultam a hengerátmérő hozzávetőleges arányát, a dugattyúk átmérőit, milyen hézagok legyenek, érdességet, milyen anyagokat használjunk a gyártás során, valamint néhány konstrukciós árnyalatot. De sehol nem volt feltüntetve a szerző motorjainak mérete, csak a csomópontok méreteinek hozzávetőleges aránya.
Jómagam egy faluban élek, mondhatni a külvárosban, anyám könyvelő, apám asztalos, így valahogy nem volt helyénvaló motorépítési tanácsért hozzájuk fordulni. És a szomszédomhoz, Gennagyij Valentinovicshoz fordultam segítségért, aki a most összedőlt kuznyecki KZTM üzemben dolgozott, számára ez a mesterség meglehetősen szokatlannak tűnt, figyelmesen meghallgatott, megnézte a vázlataimat, javított valamit.
Általában másnap Gennagyij Valentinovics hozott nekem egy körülbelül 1 m hosszú és körülbelül 50 mm átmérőjű alumínium blankot. Nagyon boldog voltam, lefűrészeltem a szükséges üregeket, és másnap elmentem az iskolába, hogy megpróbáljam élesíteni a belső égésű motorom fűtését és hűtőjét. Kiképző esztergagépen éleztem (amelyen Lenin nagypapa dolgozott).
Persze ott nem volt pontosság, a fűtőtest külső része egész jónak bizonyult, de magának a dugattyúnak a hengeres része egy kúpon volt. A Trudovik elmagyarázta nekem, hogy a fúrószerszám hajlik, mivel az ilyen dolgokhoz való gép meglehetősen kicsi és gyenge. Felmerült a kérdés, hogy mi legyen a következő lépés... Még szerencse, hogy anyám akkoriban könyvelőként dolgozott egy magánvállalkozásnál, ami egy korábbi autójavító üzem volt. Valerij Alekszandrovics (ennek az üzemnek az igazgatója) csodálatos embernek bizonyult, és sokat segített nekem, már rendelkeztem egy professzionális szovjet szerszámgéppel és egy esztergával, aki segített. A dolgok szórakoztatóbban mentek, és szó szerint egy hét múlva minden készen állt, elkezdődött a motor összeszerelése. Voltak érdekes momentumok az építésben például: a lendkereket nyomó tengelyt egy másik üzem precíziós mechanikai műhelyébe adták (a csapágyak szükséges pontosságának elérése érdekében); a hűtőszekrényt esztergagépen élezték, a rögzítési helyeket pedig maróval készítették el, a lendkereket köszörűn köszörültem. Számomra nagyon érdekes és izgalmas volt. A gyár dolgozói azt hitték, hogy diák vagyok, és valami tudományos munkát írok. Késő estig az üzemben ültem, és hazahoztak Valerij Alekszandrovics hivatali autójával. A motor indítása az üzem dolgozóinak nagy közegében zajlott, mindenki nagyon érdeklődött. Az indítás sikeres volt, de a motor valahogy gyenge volt.
Az eredmény megkoronázza az esetet! A tesztelés során az állvány sarka leégett.
Kiderültek a hiányosságok, a műanyag zsanérokat fluoroplasztikusra cserélték, a lendkereket könnyítették és kiegyensúlyozták, a dugattyú fluoroplasztikus előtagot kapott a kisebb hőátadás érdekében, a hűtőszekrény pedig nagyobb hűtési felületű lett. A finomhangolás után a motor jelentősen javította műszaki teljesítményét.
Jómagam is roppant boldog voltam. A házamhoz érve elsősorban a barátok keresik meg, érdeklődnek, kérik az elindítását. Gennagyij Valentinovics vezetett, hogy megmutassa munkáját, mindenkit nagyon érdekelt, nem is kellett hívni senkit, mindenki odajött, nézett, érdeklődött.
A fiatalember neve Nikolai Shevelev, és ő a csoport vezetője. Elvittem a dékánhoz, és hárman nagyon jókat beszélgettünk. És akkor eszembe jutott a statisztika, miszerint a világ népességének mindössze 2%-a elég ahhoz, hogy az emberiséget a tudományos és technológiai fejlődés útján előremozdítsa. Megszámoltam a hallgatók számát, és rájöttem, hogy... nem kell túl sokat aggódnod. Az olyan emberekkel, mint Nikolai, még mindig képesek leszünk előrehaladni!