147493 (Модель двигателя Стирлинга)

Модель двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга - это двигатель внешнего сгорания, в котором тепловая энергия подводится к рабочему телу (в нашем случае - к воздуху) извне - через стенку цилиндра. Принцип действия его основан на известном физическом законе - расширении и сжатии воздуха при нагревании и охлаждении. Поэтому стирлинг называют еще воздушно-тепловым двигателем. Понять работу двигателя, который Стирлинг разработал еще в 1816 году, нам поможет модель, описанная в книге С. Баранова «Действующие модели тепловых машин» (год издания 1936-й). Сначала о том, как устроена модель стирлинга.

Она собирается из четырех основных частей: двух сообщающихся цилиндров - теплообменного 6 и рабочего 3, камеры нагрева - назовем ее топкой 4 - и резервуара с холодной водой (на схемах I-III он не показан, см. его на общем виде двигателя). В верхней части теплообменного цилиндра 6 герметично впаяна камера 7 для воды. Ее задача - охладить нагретый воздух.

Через эту камеру проходит шток поршня-вытеснителя 5. Вытеснитель установлен в цилиндре 6 с зазором, не касаясь стенок. Рабочий поршень 2, наоборот, плотно подогнан к цилиндру 3 и движется по нему практически без зазора. Между собой вытеснитель 5 и рабочий поршень 2 соединены через кривошипно-шатунный механизм, причем кривошип и эксцентрик установлены относительно друг друга со сдвигом фаз на 90°. Цилиндры соединены между собой трубкой, и поэтому воздух может легко проходить из теплообменного в рабочий цилиндр, и наоборот. Кривошипно-шатунный механизм состоит из кривошипа с шатуном и осью (узел 8), эксцентрика 1 и маховика 9.

Диаметр маховика 80 мм, а расстояние от оси до пальца эксцентрика 14 мм. Итак, предположим, что мы поставили спиртовку в топку 4 и начали нагревать дно цилиндра 6. Через некоторое время воздух под поршнем-вытеснителем нагреется (а значит, расширится) и устремится вверх (напомним: между вытеснителем и стенкой цилиндра имеется зазор). Сдвинем маховик 9 с мертвой точки, и поршень-вытеснитель 5 начнет подниматься вверх, вытесняя при этом холодный воздух сверху вниз. Медленно начнет двигаться и рабочий поршень 2. Холодный воздух, соприкасаясь с раскаленным дном цилиндра 6, нагреется, давление возрастет, и воздух по трубке пойдет в рабочий цилиндр 3. Поршень 2 под его воздействием начнет свой рабочий ход. Поршень движется вверх, а тем временем вытеснитель уже стал опускаться вниз, потому что фазы их, как уже было сказано, сдвинуты на 90°. Поршень занял верхнее положение и под действием инерции маховика 9 начинает опускаться вниз, вытесняя в цилиндр 6 отработанный, потерявший первоначальную теплоту воздух.

Попав в верхнюю часть теплообменного цилиндра, он еще больше охлаждается и уменьшается в объеме. Вытеснитель же при обратном ходе рабочего поршня снова начинает подниматься и снова перегоняет холодный воздух сверху вниз. Соприкасаясь с раскаленным дном цилиндра 6, холодный воздух нагревается, расширяется, и цикл повторяется. Главное в работе такого двигателя - охлаждение воздуха. В нашей модели это делает вода, поступающая из резервуара, установленного рядом с двигателем. Как только вода, находящаяся в камере 7, нагреется горячим воздухом, она устремляется по патрубку вверх и попадает в резервуар. А на ее место, уже по нижнему патрубку, поступает из резервуара холодная вода. В физике это явление называется тепловой конвекцией. Теперь о том, как сделать модель двигателя.

Оба цилиндра 3 и 6, топку 4 проще всего спаять из жести. Сначала вырежьте заготовку для цилиндра 6 (ширина ее примерно 223 мм), просверлите в ней отверстия 0 4,2 мм для оси, а затем согните на круглой болванке. Спаяйте цилиндр. С внешних сторон его ушек напаяйте втулки с внутренним диаметром не менее 4,2 мм - они выполняют функции подшипников. Затем приступайте к изготовлению водяной камеры 7. По диаметру получившегося цилиндра вырежьте из жести два кружочка. В центре их просверлите отверстия под трубку с внутренним диаметром примерно 3 мм (длина ее 32 мм). Впаяйте трубку в кружочки так, чтобы расстояние между ними было 30 мм. Получившуюся деталь закрепите пайкой внутри цилиндра, отступив от его нижнего края на 35 мм. Постарайтесь выполнить эту операцию как можно аккуратнее, камера 7 должна быть герметичной, и вода не должна просачиваться через стенки.

Вытеснитель 5 собирается из легкого деревянного цилиндрика, диаметр которого примерно на 2,5 мм меньше внутреннего диаметра цилиндра 6 (высота его подбирается экспериментальным путем) и штока, сделанного из спицы 0 2,8 мм. С обеих сторон обейте цилиндрик жестяными кружочками. По диаметру штока просверлите в центре цилиндрика отверстие и плотно вставьте в него шток. А чтобы он от нагревания не выскочил, припаяйте его к жестяным кружочкам. Шток должен свободно ходить по трубке камеры 7, без излишнего трения. В верхней части штока просверлите отверстие для пальца шатуна. Особое внимание уделите цилиндру 3 и поршню 2. От их качества зависит работа всей модели. Цилиндр можно изготовить из обрезка латунной или медной трубки длиной 40 мм и 0 18-20 мм, запаяв ее снизу латунным кружочком.

В готовом цилиндре не забудьте просверлить отверстие для сообщения его с большим цилиндром. Поршень желательно выточить на токарном станке. Шток закрепляется в верхней части поршня шарнирно. Заготовку топки 4 тоже нужно выгнуть на круглой болванке, предварительно проделав в ней отверстия для воздуха и крепежных винтов. Спаивать ее желательно прямо на готовом цилиндре 6. Теперь нужно собрать модель: припаять цилиндр 3, подогнать к нему поршень 2, впаять в цилиндры трубку для сообщения между собой, смонтировать кривошипно-шатунный механизм, запаять дно цилиндра 6. Готовый корпус двигателя установите на топку 4 и закрепите пайкой. Резервуар для водяного охлаждения - это жестяная банка с впаянными снизу и сверху патрубками, на которые надеты резиновые шланги.

Закрепляется резервуар рядом с двигателем на деревянной подставке. Подытоживая, заметим, что двигатель Стирлинга действует на таком физическом явлении: работа, совершаемая горячим воздухом при расширении, больше работы, которую надо потратить на его сжатие. Поэтому постарайтесь получше отладить кинематику модели, чтобы до минимума уменьшить трение в движущихся узлах. Несколько слов о современных стирлингах. Двигатели внешнего сгорания строят и сейчас, причем по некоторым параметрам они опережают другие двигатели. Сегодня они уже не такие громоздкие, как в прошлом столетии. В качестве рабочего тела в них применяется легкий газ: гелий или водород (у Роберта Стирлинга, как вы помните, использовался воздух). На работу современного стирлинга не влияет внешняя среда: газ, закачанный в корпус под давлением, находится в замкнутом объеме. Поэтому современные стирлинги можно применять практически всюду: и в воде, и под землей, и в открытом космосе, то есть там, где обычные двигатели работать не могут.

• Зарубежная мастерская (сделай сам)

Представляю вашему вниманию перевод вот этой статьи. Прошу простить, если я что-то перевела не так - я не очень сильна в английском техпереводе и специфических терминах. Надеюсь, что всё будет понятно и никто не пострадает. Текст получился слишком большой и в одну статью не влез. Вторая часть тут. Как сделать двигатель Стирлинга из баночек от колы.

Двигатель Стирлинга - это тепловой двигатель, придуманный Робертом Стирлингом в 1816 году. Он отличается от автомобильного, так как топливо сжигается вне двигателя – поэтому машину Стирлинга гораздо легче построить. Существуют двигатели Стирлинга, которые могут работать даже от тепла ваших рук, хотя их будет тяжелее собрать. Двигатель Стирлинга станет отличным дополнением к любой коллекции «вещей, которые я построил сам»! Как он работает? Этот двигатель использует воздух, который попеременно нагревается и охлаждается. Чтобы осуществить процесс нагревания-охлаждения, в банке находится свободный вытеснитель, который может перемещаться вверх и вниз, создавая движение воздуха в двигателе. Когда воздух нагревается, он расширяется и давит на диафрагму (воздушный шар), которая приводит в движение рычаги. Когда рычаги поворачиваются, они двигают вытеснитель вниз так, что воздух перемещается в верхнюю часть, где он охлаждается, заставляя ее сокращаться и тянуть назад рычаги, которые, разумеется, тянут вверх вытеснитель и позволяют воздуху переместиться в нижнюю часть и нагреться. Это повторяется снова и снова. Что понадобится: 3 банки из-под колы 1 воздушный шарик2 ниппеля для крепления велосипедных спиц5 электрических клемм (контактные колодки) 5A Стальная вата. Стальная проволока сечением 1мм (около 30см). Толстая (сечение 1.6-2 мм) медная или стальная проволока. Пластиковая крышка от бутылки Деревянный штырь диаметром 20 мм (нам понадобится длина всего лишь 1см). Суперклей 30см электрической проводки Рыболовная леска около 30 см длиной. Кусочек вулканизированной резины - около 2 квадратных сантиметров. Маленькие грузы для балансировки (например, никелевые и т.д.). 3 CD-диска. Жестяная баночка для топки. Канцелярская кнопка. Красный термоустойчивый силикон. Консервная банка для кожуха водяного охлаждения.

Шаг 1: Подготовка 2 банок из-под колы. Во-первых, вам нужно две банки с отрезанными верхушками. Если резать ножницами, останутся опасные зазубрины, которые придётся сточить, используя напильник или дремель. Затем вырежьте дно банки с помощью ножа. Старайтесь не помять металл, это уменьшит герметичность. Некоторые используют для этих целей консервный нож, но я обнаружил, что он повреждает стенки банки. Впрочем, вам может и повезти.

Шаг 2: Делаем диафрагму. Диафрагма этого двигателя выполнена из обычного воздушного шарика, усиленного вулканизированной резиной. В первую очередь отрежьте горловину шарика и натяните его на банку. Затем вырежьте кусок вулканизированной резины площадью 1 см и приклейте его в центр шарика. После того, как клей высохнет, вы можете использовать канцелярскую кнопку, чтобы пробить в центре диафрагмы отверстие для проволоки, на которой будет закреплён вытеснитель. Оставьте кнопку в отверстии, пока не придёт время вставить проволоку.

Шаг 3: Вырезаем и сверлим крышку от бутылки. Просверлите отверстия диаметром 2 мм (для поворотной оси рычагов) в обеих стенках крышки, а также отверстие в донышке крышки (для проволоки, держащей вытеснитель). Затем вырежьте обе стороны крышечки, придав им изогнутую форму. Это делается потому, что иногда держатель проволоки отходит в сторону и задевает крышечку. Это больше раздражает, чем доставляет хлопоты, но всё равно лучше этого избежать. Кроме того, я думаю, что так лучше смотрится. Я пользовался хозяйственными ножницами – они очень хорошо режут толстый пластик. Теперь снимите диафрагму с баночки и натяните её снова, но так, чтоб вулканизированная резина находилась внутри банки. Приклейте крышечку к диафрагме, на ту сторону, где нет резины. Я слегка подшлифовал крышечку, потому что клей не схватывался с пластиком. При этом кнопка должна остаться на месте, чтоб все отверстия, через которые будет продета проволока, находились на одной линии.

Шаг 4: Сверлим отверстия для подшипников. Я взял длинное 3,5 мм сверло, чтоб просверлить отверстия для подшипников. Я сверлил на глаз, измерять и вычислять тут не обязательно. Они должны быть в верхней части баночки, там, где стенки скошены. Убедитесь в том, что они находятся на одном уровне.

Шаг 5: Вырезаем смотровое окошко. Обозначьте круг примерно в центре баночки, с тем расчётом, чтоб через него можно было видеть рычаги и вытеснитель. Можно и не круг, просто так легче вырезать. Шаг 6: Сверлим электрические клеммы. Теперь вам нужно где-нибудь достать электрические клеммы и удалить с них пластиковую защиту. Лучший способ это сделать – открутить винты, насколько возможно, и отогнуть пластик плоскогубцами. Теперь просверлите отверстие диаметром 2 мм прямо через конец каждой из них, как показано на картинке. Вы должны просверлить три из них. Чтобы удобнее было сверлить, я держал их плоскогубцами. Кроме того, необходимо оставить две клеммы непросверленными.

Шаг 7: Делаем рычаги. Для рычагов я использовал медную проволоку диаметром около 1,88 мм - вы можете использовать старые спицы или стальную проволоку, если у вас нет медной. Я использовал медную, потому что её легче гнуть и вообще, она мне нравится. Если вам нужно выпрямить проволоку, можно зажать один конец в дрель, а другой захватить плоскогубцами - вращение дрели должно выпрямить проволоку. На всякий случай защитите лицо и руки – проволока может выскользнуть и поранить вас. Ниже представлены фотографии каждого шага изготовления рычагов. Центральный участок должен выступать примерно на 20мм, а два боковых - на 5мм каждый, но особой точности тут не требуется. Центральный участок располагается под углом 90 градусов к боковым - это лучший угол для такого двигателя.

Шаг 8: Изготавливаем подшипники. Я использовал два велосипедных ниппеля для изготовления подшипников. Вы можете найти их в магазинах или снять со старых велосипедных колёс. Проверьте отверстия – возможно, их совсем не обязательно сверлить. Я просверлил ниппели насквозь двухмиллиметровым сверлом.

Шаг 9: Устанавливаем рычаги и подшипники. Теперь вы можете установить рычаги. Например, через смотровое окошко. Если вы не можете их вставить, подтачивайте один конец проволоки до тех пор, пока она не войдёт в подшипник. Оставьте один конец проволоки подлиннее – потом вы закрепите на нём маховое колесо. Подшипники должны очень плотно сидеть в предназначенных для них отверстиях, но если они «плавают», вы можете их приклеить.

Шаг 10: Делаем вытеснитель. Вытеснитель я сделал из стальной полировочной ваты, обмотанной вокруг куска стальной проволоки. Согните небольшой крюк в конце проволоки и намотайте на неё стальную вату. Как только вы приблизитесь к размеру баночки из-под колы, обрежьте вату. Обрежьте вату так, чтоб вытеснитель был не более 2 дюймов (около 5 см) высотой. Другой конец проволоки смотайте в спираль, так, чтоб нельзя было вытащить её из мотка стальной ваты. Также обрежьте моток ваты так, чтоб его верхняя часть была скошена так же, как и стенки банки.

Проверьте положение вытеснителя в банке - он должен свободно падать под собственным весом. Попробуйте сделать вытеснитель идентичным банке по форме. Когда вы будете довольны движением вытеснителя, привяжите к крюку на проволоке рыболовную леску. Лучше всего добавить немного клея, чтоб узелок не смог сместиться при движении устройства.

Теперь вы можете удалить кнопку из диафрагмы и продеть сквозь неё свободный конец лески так, чтобы вулканизированная резина находилась внутри резервуара.