Na úvod je Stirlingovo priezvisko celkom bežné v Anglicku aj v Škótsku. To znamená, že ak existuje Stirling Castle, tak prečo nie „pán Stirling“? A práve taká osoba - škótsky kňaz Robert Stirling, 27. septembra 1816, získal britský patent na motor, ktorý nemal nič spoločné s parným strojom! Motor, ktorý bol po ňom pomenovaný, sa navyše ukázal byť jedinečný, pretože mohol fungovať z akéhokoľvek zdroja tepla!
Robert Stirling.
V roku 1843 použil jeho syn James Stirling motor svojho otca v továrni, kde pracoval ako inžinier. No už v roku 1938 boli vytvorené stiirlingy s výkonom až 200 koní. a účinnosť 30 percent.
Princípom činnosti tohto motora je striedavé zahrievanie a chladenie pracovnej tekutiny v úplne uzavretom valci. Pracovným médiom je obvykle vzduch, ale je možné použiť vodík a hélium, ako aj freóny, oxid dusičitý, skvapalnený propán-bután a dokonca aj vodu. Navyše zostáva tekutý počas celého termodynamického cyklu. To znamená, že konštrukcia motora je mimoriadne jednoduchá a využíva známu vlastnosť plynov: ich objem sa zvyšuje zahrievaním a chladením klesá.
Jedno z mnohých domácich šterlingov.
Stirlingov motor používa … „Stirlingov cyklus“, ktorý z hľadiska svojej termodynamickej účinnosti nie je nielen horší ako Carnotov cyklus, ale dokonca má niekoľko výhod. V každom prípade je to „Stirlingov cyklus“, ktorý vám umožní získať funkčný motor vyrobený z obyčajnej plechovky za pár hodín.
Beta Stirlingovo zariadenie.
Samotný „Stirlingov cyklus“zahŕňa štyri hlavné fázy a dve prechodné: vykurovanie, expanzia, prechod na studený zdroj, chladenie, stláčanie a prechod na tepelný zdroj. Získame užitočnú prácu v procese rozšírenia objemu ohriateho plynu.
Fáza 1.
Fáza 2
Fáza 3
Fáza 4.
Pracovný cyklus Stirlingovho motora beta: a - výtlačný piest; b - pracovný piest; c - zotrvačník; d - oheň (vykurovacia oblasť); e - chladiace rebrá (chladiaca oblasť).
Funguje to takto: existujú dva valce a dva piesty. Externý zdroj tepla - a môže to byť dokonca spaľovanie dreva, dokonca aj plynový horák, dokonca aj slnečné svetlo - zvyšuje teplotu plynu v spodnej časti výmenníka tepla. Vzniká tlak a ten tlačí pracovný piest nahor a výtlačný piest tesne neprilieha k stenám valca. Zotrvačník ho ďalej posúva nadol a posúva ho.
Stirlingova schéma z plechovky.
V tomto prípade horúci vzduch zo spodnej časti valca vstupuje do chladiacej komory. V pracovnej komore sa však ochladí a stiahne a potom sa pracovný piest ponáhľa. Zdvihový piest sa pohybuje nahor, a tým sa ochladený vzduch pohybuje dnu. Cyklus sa teda opakuje. V Stirlingu je pohyb pracovného piestu posunutý o 90 ° vzhľadom na výtlačný piest.
Fotografia miešania z plechovky.
V priebehu času sa objavilo mnoho rôznych návrhov „štýlu“pomenovaných podľa písmen gréckej abecedy: alfa, beta, gama, ktoré majú rozdiely v pracovnom cykle. Základné rozdiely medzi nimi sú malé a obmedzujú sa na usporiadanie valcov a veľkosť piestov.
Stirlingov motor s lineárnym alternátorom.
Alpha Stirling má dva samostatné výkonové piesty v rôznych valcoch: horúci a studený. Valec s horúcim piestom je umiestnený vo výmenníku tepla, ktorý má vyššiu teplotu, a valec so studeným piestom v chladnejšom. Regenerátor (t.j. výmenník tepla) je umiestnený medzi horúcou a studenou časťou.
Beta Stirling má iba jeden valec, horúci na jednom konci a studený na druhom. Piest sa pohybuje vo vnútri valca (z ktorého je odobratý výkon) a výtlaku, ktorý mení objem svojej horúcej zóny. Plyn je čerpaný na horúci koniec valca zo studeného konca valca cez regenerátor.
Gamma Stirling má tiež piest a posunovač a dva valce - studený (kde sa piest pohybuje, z ktorého je odobratá sila) a horúci (kde sa pohybuje premiestňovač). Regenerátor je externý, v tomto prípade spája horúcu časť druhého valca so studeným a súčasne s prvým (studeným) valcom. Vnútorný regenerátor je v tomto prípade súčasťou vytesňovača.
Existujú odrody Stirlingovho motora, ktoré nespadajú pod tieto tri klasické typy: napríklad rotačný Stirlingov motor, v ktorom sú vyriešené problémy s únikom a neexistuje žiadny kľukový mechanizmus, pretože je rotačný.
Čo je dobré na miešaní a prečo sú zlé? V prvom rade sú všežravé a môžu využiť akýkoľvek teplotný rozdiel, vrátane rozdielov medzi rôznymi vrstvami vody v oceáne. Spaľovanie v nich má neustály charakter, ktorý zaisťuje efektívne spaľovanie paliva, čo znamená, že jeho šetrnosť k životnému prostrediu je vyššia. Navyše nemá žiadny výfuk. Menšia hladina hluku - žiadne „výbuchy“vo valcoch. Menej vibrácií, napríklad pri beta miešaní. Pracovná tekutina nie je spotrebovaná stylingom. Konštrukcia motora je mimoriadne jednoduchá, nevyžaduje mechanizmy distribúcie plynu. Štartér nie je potrebný, rovnako ako nie je potrebná prevodovka.
Jednoduchosť a absencia množstva „chúlostivých“uzlov poskytujú „miešaniu“s bezprecedentným výkonom pre všetky ostatné motory v desiatkach a stovkách tisíc hodín nepretržitej prevádzky.
Švédska ponorka „Gotland“.
Miešanie je veľmi ekonomické. Premena slnečnej energie na elektrickú energiu pomocou miešania teda poskytuje vyššiu účinnosť (až 31,25%) ako tepelné motory pracujúce na pare. Za týmto účelom je „štýl“nastavený na ohnisko parabolického zrkadla, ktoré „nasleduje“slnko, takže sa jeho valec neustále zahrieva. Práve na takom zariadení v Kalifornii bol uvedený výsledok dosiahnutý v roku 2008 a teraz je na miešaniach vybudovaná veľká slnečná stanica. Môžete ich pripevniť na škrupinu vysokých pecí a potom nám kontinuálne tavenie surového železa poskytne veľa … lacnej energie, pretože teraz je toto teplo zbytočné!
Styling má vo všeobecnosti iba jednu nevýhodu. Môže sa prehriať a potom okamžite zlyhá. Okrem toho, aby sa dosiahla vysoká účinnosť, musí byť plyn vo valci pod veľmi vysokým tlakom. Vodík alebo hélium. A to je výnimočná presnosť uloženia všetkých jeho pracovných jednotiek a špeciálneho maziva pre vysoké teploty. Rozmery … spaľovacia komora nie sú potrebné. Stirling bez nej nemôže žiť! A to je ďalší objem a systém izolácie a chladenia!
Soryu je japonská ponorka poháňaná motormi Stirling.
Zmena priorít však pravdepodobne pripraví pôdu pre Stirlingove motory. Ak dáme do popredia šetrnosť k životnému prostrediu, potom sa bude možné so spaľovacím motorom raz a navždy rozlúčiť. Navyše sú do nich vkladané veľké nádeje na vytvorenie sľubných slnečných elektrární. Už sa používajú ako autonómne generátory pre turistov. A niektoré podniky založili výrobu šterlingov, ktoré pracujú z konvenčného horáka na plynovú rúru. NASA taktiež zvažuje možnosti pre Stirlingove generátory energie poháňané jadrovými a rádioizotopovými zdrojmi tepla. Konkrétne sa plánuje použitie tohto štýlu spojeného s elektrickým generátorom pri vesmírnej expedícii na Titan, ktorú plánuje NASA.
„Odpadky“- rozloženie.
Je zaujímavé, že ak naštartujete Stirlingov motor v reverznom režime, to znamená, že zotrvačník otočíte z iného motora, potom bude fungovať ako chladiaci stroj (reverzný Stirlingov cyklus) a práve tieto stroje sa ukázali ako veľmi účinné. na výrobu skvapalnených plynov.
Teraz, keď máme vojenské miesto, poznamenávame, že Stirlings boli testované na švédskych ponorkách v 60. rokoch minulého storočia. A potom sa v roku 1988 Stirlings stali hlavným motorom ponorky triedy Nakken. S nimi sa plavila pod vodou viac ako 10 000 hodín. Po „Nakkene“nasledovali sériové ponorky typu „Gotland“, ktoré sa stali prvými ponorkami vybavenými Stirlingovými motormi, ktoré im umožňujú zostať pod vodou až 20 dní. Dnes majú všetky ponorky švédskeho námorníctva miešacie motory a švédski stavitelia lodí vyvinuli pôvodnú technológiu inštalácie takýchto motorov na konvenčné ponorky tak, že do nich vyrezali ďalší priestor s novým pohonným systémom. Pracujú na kvapalnom kyslíku, ktorý sa potom používa v lodi na dýchanie, a poznamenáva sa, že majú veľmi nízku hladinu hluku. Vyššie uvedené nedostatky (problém s veľkosťou a chladením) na ponorkovej vojnovej lodi nie sú významné. Príklad Švédov sa zdal Japoncom hodný pozornosti a teraz sú Stirlings aj na japonských ponorkách triedy „Soryu“. Práve tieto motory sú dnes považované za najsľubnejšie jednomódové jednomotorové motory pre ponorky 5. generácie.
A takto vyzerá styling študentky Štátnej univerzity v Penze Nikolaja Sheveleva.
No, teraz trochu o tom, akú máme … „zlú mladosť“. 1. septembra prichádzam k študentom - budúcim strojným inžinierom, kladiem im tradičné otázky, čo čítajú (prakticky nič!), Čo majú radi (s týmto nie je situácia oveľa lepšia, ale väčšinou sú nohy zaneprázdnené, nie hlava!), Aké technické časopisy sú známe - „mladý technik“, „modelár“, „veda a technika“, „populárna mechanika“… (žiadne!), a potom mi jeden študent povie, že je má rád motory. Jeden z 20, ale to je už niečo! A potom mi hovorí, že Stirlingov motor vyrobil sám. Viem, ako urobiť taký motor z obyčajnej plechovky, ale potom sa ukázalo, že urobil niečo oveľa efektívnejšie. Hovorím: „Daj to!“- a priniesol. „Popíš, ako si to urobil!“- a opísal a jeho „esej“sa mi natoľko páčila, že ju tu uvádzam bez akýchkoľvek zmien a skratiek.
Začiatok práce je „kreatívny chaos“.
"Technológia, ale najmä motory, sa mi vždy páčili." S veľkým záujmom sa zaoberám údržbou, opravami a prispôsobením. Keď som sa dozvedel o Stirlingovom motore, bol som ním fascinovaný ako žiadny iný motor. Svet stylingu je taký rozmanitý a veľký, že je jednoducho nemožné opísať všetky možné možnosti jeho vykonania. Žiadny iný motor neposkytne takú rozmanitosť, pokiaľ ide o dizajn, a čo je najdôležitejšie, schopnosť vyrobiť si ho sami.
Mal som nápady vyrobiť model motora z plechovky a iných improvizovaných prostriedkov, ale nebolo v mojich pravidlách robiť „akokoľvek a z toho, čo dostalo“. Preto som sa rozhodol brať túto úlohu vážne, začať s teoretickou prípravou. Študoval som literatúru na internete, ale hľadanie neprinieslo požadovaný výsledok: recenzie článkov a videí, nedostatok kresieb pre modely tohto motora. Hotové modely sa predávali za príliš vysokú cenu. Okrem toho je veľká túžba urobiť všetko sami, porozumieť princípu činnosti, ladiť a vykonávať testy, získať z tohto motora užitočnú prácu a dokonca sa pokúsiť nájsť jeho využitie v ekonomike.
„Sústruženie!“(Šikovný študent si celý proces práce natočil na pamiatku. Prítomný, občiansky, dokumentárne fotografické dôkazy … a sú tu!)
Pýtal som sa na fórach a oni sa so mnou podelili o literatúru. Bola to kniha „Stirling Engines“(Autori: G. Ryder a C. Hooper). Odrážala celú históriu tohto typu stavby motorov, prečo sa rýchly vývoj zastavil a kde sa tieto motory stále používajú. Z knihy som sa podrobnejšie dozvedel všetky procesy, ktoré sa vyskytujú v motore, našiel som odpovede na otázky, ktoré nás zaujímajú. Bolo to zaujímavé čítanie, ale chcel som cvičiť. Samozrejme, neexistovali žiadne výkresy garážových modelov, ako aj na internete, samozrejme, okrem modelu z plechovky a penovej gumy.
Na moje veľké šťastie, ten, kto predával stylingové modely, zverejnil kurz o výrobe takýchto modelov, on to vtedy postavil za 20 dolárov, napísal som mu a kurz som zaplatil. Po zhliadnutí všetkých videí, v každom z nich vysvetľoval určitý typ stylingu, som sa rozhodol urobiť presne vysokoteplotný styl gama typu. Pretože ma zaujal svojim dizajnom, charakteristikami a vzhľadom. Z video kurzu som sa dozvedel približný pomer priemeru valca, priemerov piestov, aké by mali byť vôle, drsnosť, aké materiály použiť pri výrobe, niektoré nuansy konštrukcie. Nikde ale neboli k dispozícii veľkosti autorských motorov, iba približne pomer veľkostí uzlov.
Sám bývam na dedine, dá sa povedať, že na predmestí, moja mama je účtovníčka a otec stolár, takže bolo akosi nevhodné obracať sa na nich so žiadosťou o radu ohľadne stavby motora. A obrátil som sa o pomoc na svojho suseda Gennadija Valentinoviča, ktorý pracoval v teraz zrútenom závode KZTM v Kuznetsku.
Všeobecne mi nasledujúci deň Gennadij Valentinovič priniesol hliníkový polotovar dlhý asi 1 m a s priemerom asi 50 mm. Bol som veľmi šťastný, odpílil som prázdne miesta, ktoré som potreboval, a na druhý deň som šiel do školy skúsiť nabrúsiť ohrievač a chladničku pre svoj spaľovací motor. Nabrúsil som na cvičnom sústruhu (na ktorom pracoval starý otec Lenin).
Presnosť tam samozrejme nebola, vonkajšia časť ohrievača sa ukázala byť celkom dobrá, ale samotná valcová časť pod piestom bola na kužele. Trudovik mi vysvetlil, že nudná fréza sa ohýba, pretože stroj na také veci je dosť malý a slabý. Vyvstala otázka, čo ďalej … Bolo šťastie, že moja mama v tom čase pracovala ako účtovníčka v súkromnom podniku, čo bol bývalý závod na opravu automobilov. Valery Aleksandrovich (riaditeľ tohto závodu) sa ukázal ako úžasný človek a veľmi mi pomohol, už mi bol poskytnutý profesionálny sovietsky stroj a sústružník, ktorý mi pomáhal. Veci boli zábavnejšie a doslova o týždeň neskôr bolo takmer všetko pripravené, začala sa montáž motora. V stavbe boli zaujímavé momenty, napríklad: hriadeľ, na ktorý bol pritlačený zotrvačník, bol daný do dielne presnej mechaniky v inom závode (aby sa získala potrebná presnosť ložísk); chladnička bola nabrúsená na sústruhu a miesta na upevňovacie prvky boli vyrobené frézou, zotrvačník bol brúsený na brúske. Bolo to pre mňa veľmi zaujímavé a vzrušujúce. Pracovníci v továrni si mysleli, že som študent a píšem nejaký druh vedeckej práce. Sedel som v továrni do neskorých večerných hodín a doviezli ma domov na služobnom aute Valeryho Alexandroviča. Motor bol naštartovaný vo veľkom kruhu robotníkov v továrni, všetkých to veľmi zaujímalo. Štart bol úspešný, ale motor bežal zle.
Výsledok korunuje dohodu! Pri testovaní zhorel roh stojana.
Odhalili sa nedostatky, plastové pánty boli nahradené fluoroplastickými, zotrvačník bol odľahčený a vyvážený, piest dostal fluoroplastový nástavec na nižší prenos tepla a chladnička mala väčšiu chladiacu plochu. Po jemnom doladení motor výrazne zlepšil svoj technický výkon.
Sám som bol potešený. Keď ku mne prídu priatelia, prvá vec, ktorú urobia, je, že za ním prídu a požiadajú ho, aby začal. Gennadij Valentinovič išiel predviesť štýl svojej práce, každého to veľmi zaujímalo, ani nepotrebovali niekomu zavolať, všetci sa priblížili, pozreli a zaujali. “
Meno mladého muža je Nikolaj Shevelev a je vedúcim skupiny. Vzal som ho k dekanovi a všetci traja sme sa veľmi dobre porozprávali. A potom som si spomenul na štatistiky, že iba 2% svetovej populácie stačia na to, aby ľudstvo postúpilo na ceste vedeckého a technologického pokroku. Spočítal som celkový počet študentov a zistil som, že … nie je potrebné sa príliš znepokojovať. S ľuďmi ako Nikolai bude pre nás pokrok stále zaručený!
