Til å begynne med er Stirling -etternavnet ganske vanlig i både England og Skottland. Det vil si, hvis det er Stirling Castle, hvorfor ikke "Mr. Stirling"? Og akkurat en slik person - den skotske presten Robert Stirling, 27. september 1816, mottok et britisk patent på en motor som ikke hadde noe å gjøre med en dampmaskin! Dessuten viste motoren som ble oppkalt etter ham å være unik, siden den kunne fungere fra enhver varmekilde!
Robert Stirling.
I 1843 brukte sønnen James Stirling farens motor på en fabrikk der han jobbet som ingeniør. Vel, allerede i 1938 ble det opprettet pigger med en kapasitet på opptil 200 hk. og en effektivitet på 30 prosent.
Prinsippet for drift av denne motoren er å bytte oppvarming og kjøling av arbeidsfluidet i en helt lukket sylinder. Vanligvis er arbeidsmediet luft, men hydrogen og helium, samt freoner, nitrogendioksid, flytende propan-butan og til og med vann kan brukes. Videre forblir den flytende gjennom den termodynamiske syklusen. Det vil si at motorens design er ekstremt enkel og bruker den velkjente egenskapen til gasser: volumet øker fra oppvarming, og fra kjøling reduseres det.
En av de mange hjemmelagde sterlingene.
Stirling -motoren bruker … "Stirling -syklusen", som når det gjelder termodynamisk effektivitet, ikke bare er ikke verre enn Carnot -syklusen, men til og med har noen fordeler. Uansett er det "Stirling -syklusen" som lar deg få en fungerende motor laget av en vanlig blikkboks på bare et par timer.
Beta Stirling -enhet.
Selve "Stirling -syklusen" inkluderer fire hovedfaser og to overgangsfaser: oppvarming, ekspansjon, overgang til en kald kilde, kjøling, komprimering og overgang til en varmekilde. Vel, vi får nyttig arbeid i prosessen med å utvide volumet av oppvarmet gass.
Fase 1.
Fase 2.
Fase 3.
Fase 4.
Arbeidssyklusen til beta -typen Stirling -motor: a - fortrengningstempel; b - arbeidsstempel; c - svinghjul; d - brann (varmeområde); e - kjøleribber (kjøleområde).
Det fungerer slik: det er to sylindere og to stempler. En ekstern varmekilde - og de kan til og med brenne ved, til og med en gassbrenner, til og med sollys - øker temperaturen på gassen i den nedre delen av varmevekslingssylinderen. Trykk oppstår og det skyver arbeidsstemplet oppover, og forskyvningstemplet sitter ikke tett mot sylinderveggene. Videre skyver svinghjulet det nedover.
Stirlingskjema fra en blikkboks.
I dette tilfellet kommer varm luft fra bunnen av sylinderen inn i kjølekammeret. I arbeidskammeret avkjøles det imidlertid og trekker seg sammen, og så stusser arbeidsstemplet ned. Forskyvningstemplet beveger seg oppover, og dermed beveger den avkjølte luften seg til bunnen. Syklusen blir dermed gjentatt. I Stirling forskyves bevegelsen til arbeidsstemplet 90 ° i forhold til forskyvningstemplet.
Foto av en stirling fra en blikkboks.
Over tid dukket det opp mange forskjellige design av "styling", oppkalt etter bokstavene i det greske alfabetet: alfa, beta, gamma, som har forskjeller i driftssyklusen. De grunnleggende forskjellene mellom dem er små og går ut på sylinderenes plassering og stemplene.
Stirling -motor med lineær generator.
Alpha Stirling har to separate kraftstempler i forskjellige sylindere: varme og kalde. Sylinderen med det varme stemplet er plassert i varmeveksleren, som har en høyere temperatur, og sylinderen med henholdsvis det kalde stempelet i den kaldere. Regeneratoren (dvs. varmeveksleren) er plassert mellom den varme delen og den kalde delen.
Beta Stirling har bare en sylinder, varm i den ene enden og kald i den andre. Stempelet beveger seg inne i sylinderen (som strømmen fjernes fra) og forskyvningen, som endrer volumet i den varme sonen. Gass pumpes til den varme enden av sylinderen fra den kalde enden av sylinderen gjennom en regenerator.
Gamma Stirling har også et stempel og en forskyvning, og to sylindere - kalde (hvor stemplet beveger seg fra hvilken strøm fjernes) og varmt (der forskyvningen beveger seg). Regeneratoren er ekstern, i dette tilfellet forbinder den den varme delen av den andre sylinderen med den kalde og samtidig med den første (kalde) sylinderen. Den interne regeneratoren i dette tilfellet er en del av forskyvningen.
Det finnes varianter av Stirling -motoren som ikke faller inn under disse tre klassiske typene: for eksempel den roterende Stirling -motoren, der lekkasjeproblemene er løst og det ikke er noen sveivmekanisme, siden den er roterende.
Hva er bra med stirlings og hvorfor er de dårlige? Først og fremst er de altetende og kan bruke enhver temperaturforskjell, inkludert den mellom forskjellige lag med vann i havet. Forbrenning i dem er av konstant karakter, noe som sikrer effektiv forbrenning av drivstoff, noe som betyr at miljøvennligheten er høyere. Dessuten har den ingen eksos. Mindre støynivå - ingen "eksplosjoner" i sylindrene. Mindre vibrasjon, for eksempel med en beta -omrøring. Arbeidsvæsken forbrukes ikke ved styling. Motoren er ekstremt enkel, den krever ikke gassfordelingsmekanismer. En starter er ikke nødvendig, akkurat som en girkasse ikke er nødvendig.
Enkelheten og fraværet av en rekke "delikate" noder gir "stirling" en enestående ytelse for alle andre motorer i titalls og hundretusenvis av timer med kontinuerlig drift.
Svensk ubåt "Gotland".
Stirlings er veldig økonomiske. Således gir konvertering av solenergi til elektrisitet ved hjelp av omrøring en høyere effektivitet (opptil 31, 25%) enn varmemotorer som opererer på damp. For dette er "stylingen" satt i fokus for det parabolske speilet, som "følger" solen slik at sylinderen konstant blir oppvarmet. Det var på en slik installasjon i California at ovennevnte resultat ble oppnådd i 2008, og nå er det en konstruksjon av en stor solstasjon på stirlings. Du kan feste dem til skallet til masovner og så vil den kontinuerlige smeltingen av råjern gi oss mye … billig energi, for nå er denne varmen bortkastet!
Det er generelt bare en ulempe med styling. Det kan bli overopphetet og da vil det umiddelbart mislykkes. I tillegg må gassen være under svært høyt trykk i sylinderen for å oppnå høy effektivitet. Hydrogen eller helium. Og dette er en eksepsjonell presisjon for alle arbeidsenhetene og et spesielt høytemperaturfett. Vel, dimensjonene … forbrenningskammeret er ikke nødvendig. Stirling kan ikke leve uten henne! Og dette er et ekstra volum og et system for isolasjon og kjøling!
Soryu er en japansk ubåt drevet av Stirling -motorer.
Imidlertid vil endringen i prioriteringer sannsynligvis bane vei for Stirling -motorene. Hvis vi setter miljøvennlighet i spissen, vil det være mulig å ta farvel med forbrenningsmotoren en gang for alle. I tillegg er det håpet på dem om opprettelse av lovende solkraftverk. De brukes allerede som autonome generatorer for turister. Og noen bedrifter har etablert produksjon av sterling, som fungerer fra en konvensjonell gassovnbrenner. NASA vurderer også alternativer for Stirling-baserte kraftgeneratorer drevet av kjernefysiske og radioisotopiske varmekilder. Spesielt er det planlagt å bruke slik styling, kombinert med en elektrisk generator, i romekspedisjonen til Titan planlagt av NASA.
"Jeg kaster" - oppsettet.
Det er interessant at hvis du starter Stirling -motoren i reversmodus, det vil si at du svinger svinghjulet fra en annen motor, så vil den fungere som en kjølemaskin (omvendt Stirling -syklus), og det er disse maskinene som viste seg å være veldig effektive for produksjon av flytende gasser.
Vel, nå, siden vi har et militært område, merker vi at Stirlings ble testet på svenske ubåter tilbake på 60 -tallet av forrige århundre. Og så i 1988 ble Stirlings hovedmotoren i ubåten i Nakken-klassen. Med dem seilte hun under vann i mer enn 10.000 timer. "Nakken" ble fulgt av serielle ubåter av typen "Gotland", som ble de første ubåtene utstyrt med Stirling -motorer, som lar dem holde seg under vann i opptil 20 dager. I dag har alle ubåter fra den svenske marinen stirlingmotorer, og svenske skipsbyggere har utarbeidet den opprinnelige teknologien for å installere slike motorer på konvensjonelle ubåter, ved å kutte i dem et ekstra rom med et nytt fremdriftssystem. De kjører på flytende oksygen, som deretter brukes i båten for å puste, og det bemerkes at de har svært lave støynivåer. Vel, ovennevnte mangler (størrelse og kjøleproblem) på et ubåt-krigsskip er ikke signifikante. Eksemplet på svenskene syntes japanerne var oppmerksom, og nå er Stirlings også på de japanske ubåtene i "Soryu" -klassen. Det er disse motorene som i dag regnes som de mest lovende enkeltmodusene i alle moduser for 5. generasjons ubåter.
Og slik ser stylingen av en student ved Penza State University Nikolai Shevelev ut.
Vel, nå ganske mye om hva slags … "dårlig ungdom" vi har. 1. september kommer jeg til studenter - fremtidige motoringeniører, jeg stiller dem tradisjonelle spørsmål, hva de leser (praktisk talt ingenting!), Hva de er glad i (med dette er situasjonen ikke mye bedre, men stort sett er beina opptatt, ikke hodet!), Hvilke tekniske tidsskrifter er de kjent - "Young Technician", "Model Designer", "Science and Technology", "Popular Mechanics" … (ingen!), og så forteller en student meg at han er glad i motorer. En av 20, men det er allerede noe! Og så forteller han meg at han laget Stirling -motoren selv. Jeg vet hvordan jeg lager en slik motor av en vanlig blikkboks, men så viste det seg at han gjorde noe mye mer effektivt. Jeg sier: "Ta med det!" - og han tok med. "Beskriv hvordan du gjorde det!" - og han beskrev, og jeg likte "essayet" hans så godt at jeg presenterer det her uten noen endringer eller forkortelser.
Starten på arbeidet er "kreativt kaos".
“Jeg har alltid likt teknologien, men spesielt motorene. Jeg er engasjert i vedlikehold, reparasjon og tilpasning med stor interesse. Etter å ha lært om Stirling -motoren, ble jeg fascinert av den som ingen annen motor. Stylingens verden er så mangfoldig og stor at det rett og slett er umulig å beskrive alle mulige alternativer for utførelsen. Ingen andre motorer vil gi en slik variasjon når det gjelder design, og viktigst av alt, muligheten til å lage den selv.
Jeg hadde ideer om å lage en modell av en motor av en blikkboks og andre improviserte midler, men det var ikke i reglene mine å gjøre "uansett og fra det den fikk". Derfor bestemte jeg meg for å ta denne oppgaven på alvor, til å begynne med å forberede teoretisk. Jeg studerte litteraturen på Internett, men søket ga ikke ønsket resultat: gjennomgangsartikler og videoer, mangel på tegninger for modellene til denne motoren. De ferdige modellene ble solgt til en for høy pris. I tillegg er et stort ønske om å gjøre alt selv, forstå prinsippet om drift, feilsøking og utføre tester, få nyttig arbeid fra denne motoren og til og med prøve å finne bruken i økonomien.
"Å snu virksomheten!" (En flink student, han filmet hele arbeidsprosessen som et minne. Nåværende, innbygger, dokumentarfotografisk bevis … og her er de!)
Jeg spurte rundt på forumet, og de delte litteraturen med meg. Det var boken "Stirling Engines" (Forfattere: G. Ryder og C. Hooper). Det gjenspeiler hele historien til denne typen motorbygging, hvorfor den raske utviklingen stoppet, og hvor disse motorene fortsatt brukes. Fra boken lærte jeg mer detaljert alle prosessene som skjer i motoren, fant svarene på spørsmålene av interesse. Det var interessant å lese, men jeg ville øve. Selvfølgelig var det ingen tegninger av garasjemodeller, så vel som på Internett, vel, selvfølgelig, bortsett fra en modell fra en boks og skumgummi.
Til min store lykke la personen som solgte stylingmodellene et kurs om å lage slike modeller, han la det ut på den tiden for $ 20, jeg skrev til ham og betalte for kurset. Etter å ha sett alle videoene, hvor han forklarte en bestemt type styling i hver av dem, bestemte jeg meg for å gjøre akkurat høytemperaturstylingen av gammatypen. Siden han interesserte meg med sitt design, egenskaper og utseende. Fra videokurset lærte jeg det omtrentlige forholdet mellom sylinderdiameteren, stempeldiametre, hvilke klaring, grovhet som skal være, hvilke materialer som skal brukes i produksjonen, noen av nyansene i konstruksjonen. Men ingen steder var størrelsene på forfatterens motorer tilgjengelige, bare omtrent forholdet mellom størrelsene på nodene.
Jeg bor selv i en landsby, kan man si i forstedene, moren min er regnskapsfører, og faren min er snekker, så det var på en eller annen måte upassende å henvende seg til dem for å få råd om å bygge en motor. Og jeg henvendte meg til naboen min, Gennady Valentinovich, for å få hjelp, han jobbet på det nå kollapste KZTM -anlegget i Kuznetsk.
Generelt, neste dag, brakte Gennady Valentinovich meg et aluminiumsemne på omtrent 1 m langt og omtrent 50 mm i diameter. Jeg var veldig glad, saget av emnene jeg trengte, og dagen etter gikk jeg på skolen for å prøve å slipe varmeren og kjøleskapet til forbrenningsmotoren min. Jeg skjerpet meg på en treningsdreiebenk (som bestefar Lenin jobbet på).
Selvfølgelig var det ingen nøyaktighet der, den ytre delen av varmeren viste seg å være ganske god, men selve sylindriske delen under stempelet var på en kjegle. Trudovik forklarte meg at den kjedelige kutteren bøyer seg, siden maskinen for slike ting er ganske liten og svak. Spørsmålet dukket opp hva jeg skulle gjøre videre … Det var heldig at min mor på den tiden jobbet som regnskapsfører på et privat foretak, som var et tidligere bilreparasjonsanlegg. Valery Aleksandrovich (direktøren for dette anlegget) viste seg å være en fantastisk person og hjalp meg mye, jeg ble allerede utstyrt med en profesjonell sovjetisk maskin og en vender som hjalp meg. Ting gikk morsommere, og bokstavelig talt en uke senere var nesten alt klart, monteringen av motoren begynte. Det var interessante øyeblikk i konstruksjonen, for eksempel: akselen, som svinghjulet ble presset på, ble gitt til presisjonsmekanikkverkstedet på et annet anlegg (for å oppnå nødvendig nøyaktighet for lagrene); kjøleskapet ble skjerpet på en dreiebenk, og plassene for festene ble laget med en fresemaskin, svinghjulet ble malt på en kvern. Det var veldig interessant og spennende for meg. Arbeiderne på fabrikken trodde jeg var student og skriver et slags vitenskapelig arbeid. Jeg satt på fabrikken til sent på kvelden, og de brakte meg hjem i Valery Alexandrovichs offisielle bil. Motoren ble startet i en stor krets av fabrikkarbeidere, alle var veldig interessert. Lanseringen var vellykket, men motoren gikk dårlig.
Resultatet bekrefter avtalen! Hjørnet på stativet ble brent under testing.
Mangler ble avslørt, plasthengslene ble erstattet med fluoroplastiske, svinghjulet ble lettere og balansert, stemplet fikk et fluoroplastisk feste for lavere varmeoverføring, og kjøleskapet ble med et større kjøleområde. Etter finjustering har motoren forbedret den tekniske ytelsen betydelig.
Selv var jeg glad. Når venner kommer hjem til meg, er det første de gjør å komme til ham, be ham starte. Gennady Valentinovich kjørte for å vise stylingen til arbeidet sitt, alle var veldig interessert, de trengte ikke engang å ringe noen, alle nærmet seg, så og interesserte seg."
Navnet på den unge mannen er Nikolai Shevelev, og han er leder for gruppen. Jeg tok ham med til dekanen, og vi tre pratet veldig godt. Og så husket jeg statistikken om at bare 2% av verdens befolkning er nok til å fremme menneskeheten på veien til vitenskapelig og teknologisk fremgang. Jeg regnet det totale antallet studenter og innså at … det er ikke nødvendig å bekymre seg for mye. Med mennesker som Nikolai vil fremgang fortsatt være garantert for oss!
