О «стирлинге» и о студенте…

Начнем с того, что фамилия Стирлинг довольно-таки распространена как в Англии, так и в Шотландии. То есть если там имеется замок Стирлинг, то почему бы не быть и «мистеру Стирлингу»? И вот как раз такой человек – шотландский священник Роберт Стирлинг еще 27 сентября 1816 года получил британский патент на двигатель, ничего общего с паровой машиной не имевший! Более того, двигатель, названный его именем, оказался уникальным, так как мог работать от любого источника тепла!

О «стирлинге» и о студенте…

Роберт Стирлинг.


В 1843 году его сын Джеймс Стирлинг применил двигатель своего отца на заводе, где трудился инженером. Ну, а уже в 1938 году были созданы стирлинги мощностью до 200 л.с. и КПД равным 30 процентам.

Принцип работы этого двигателя заключается в чередовании нагревания и охлаждения рабочего тела в полностью закрытом цилиндре. Обычно рабочим телом является воздух, но могут использоваться и водород, и гелий, а также фреоны, двуокись азота, сжиженный пропан-бутан и даже вода. Причем она остаётся жидкой на всем протяжении термодинамического цикла. То есть конструкция двигателя на редкость проста и использует хорошо всем известное свойство газов: от нагрева их объем увеличивается, от охлаждения – уменьшается.


Один из многочисленных самодельных стирлингов.

В двигателе Стирлинга используется… «цикл Стирлинга», который по своей термодинамической эффективности не только не хуже цикла Карно, но даже имеет некоторые преимущества. Во всяком случае, именно «цикл Стирлинга» позволяет получить работающий двигатель, сделанный из обыкновенной консервной банки, буквально за пару часов.


Устройство бета-стирлинга.

Сам «цикл Стирлинга» включает четыре основные фазы и две переходные: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. Ну, а полезную работу мы получаем в процессе расширения объема нагреваемого газа.


Фаза 1.


Фаза 2.


Фаза 3.



Фаза 4.

Рабочий цикл двигателя Стирлинга бета-типа: a — вытеснительный поршень; b — рабочий поршень; с — маховик; d — огонь (область нагревания); e — охлаждающие ребра (область охлаждения).

Работает же он так: есть два цилиндра и два поршня. Внешний источник тепла – а им могут быть хоть горящие дрова, хоть газовая горелка, хоть солнечный свет - повышает температуру газа в нижней части теплообменного цилиндра. Возникает давление, и оно толкает рабочий поршень вверх, причем вытеснительный поршень прилегает к стенкам цилиндра неплотно. Далее маховик, прокручиваясь, толкает его вниз.


Схема стирлинга из консервной банки.

При этом горячий воздух из нижней части цилиндра поступает в охлаждающую камеру. В рабочей же камере он охлаждается и сжимается, и тогда рабочий поршень устремляется вниз. Вытеснительный поршень идет вверх, и тем самым охлажденный воздух перемещается в нижнюю часть. Цикл, таким образом, повторяется. У стирлинга движение рабочего поршня сдвинуто на 90° относительно поршня-вытеснителя.


Фото стирлинга из консервной банки.

Со временем появилось множество «стирлингов» разной конструкции, названных по буквам греческого алфавита: альфа, бэта, гамма, у которых имеются различия в рабочем цикле. Принципиальные различия между ними невелики и сводятся к расположению цилиндров и размерам поршней.


Двигатель Стирлинга с линейным генератором переменного тока.

Альфа-стирлинг имеет два отдельных силовых поршня в разных цилиндрах: горячий и холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике, имеющим более высокую температуру, а цилиндр с холодным поршнем, соответственно, в более холодном. Регенератор (то есть теплообменник) располагается между горячей частью и холодной.

У бета-стирлинга цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движется поршень (с которого-то мощность и снимается) и вытеснитель, который изменяет объем горячей его зоны. Газ перекачивается в горячую часть цилиндра из холодной части цилиндра через регенератор.

Гамма-стирлинг тоже имеет поршень и вытеснитель, и два цилиндра —холодный (где движется поршень, с которого происходит снятие мощности) и горячий (где соответственно движется вытеснитель). Регенератор бывает внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний же регенератор в этом случае представляет собой часть вытеснителя.

Есть разновидности двигателя Стирлинга, которые не попадают под эти три классических типа: например – роторный двигатель Стирлинга, в котором решены проблемы герметичности и нет кривошипно-шатунного механизма, так как он роторный.

Чем же хороши стирлинги и чем они плохи? Прежде всего, они всеядны и могут использовать любой перепад температур, включая таковой между разными слоями воды в океане. Горение в них носит постоянный характер, чем достигается эффективное сжигание топлива, а значит, выше его экологичность. К тому же он не имеет выхлопа. Меньше уровень шума – нет «взрывов» в цилиндрах. Меньше вибрация, например, у бета-стирлинга. Рабочее тело стирлингом не расходуется. Конструкция двигателя исключительно проста, ему не требуются газораспределительные механизмы. Стартер не нужен, как не нужна и коробка передач.

Простота и отсутствие ряда «нежных» узлов обеспечивают «стирлингу» небывалую для всех других двигателей работоспособность в десятки и сотни тысяч часов постоянной работы.


Шведская подводная лодка «Готланд».

Стирлинги очень экономичны. Так, преобразование в электричество солнечной энергии при помощи стирлинга дают больший КПД (до 31,25 %), чем тепловые машины, работающие на пару. Для этого «стирлинг» устанавливается в фокусе параболического зеркала, которое «следит» за солнцем так, чтобы его цилиндр постоянно нагревался. Именно на такой установке в Калифорнии в 2008 году был и получен вышеназванный результат, а сейчас там идет строительство крупной гелиостанции на стирлингах. Можно присоединить их к оболочке доменных печей и тогда непрерывная плавка чугуна даст нам много… дешевой энергии, ведь сейчас это тепло расходуется впустую!

Недостаток у стирлинга, в общем-то, один. Его можно перегреть и тогда он сразу же выйдет из строя. К тому же для достижения высокого КПД в цилиндре должен находиться газ под очень высоким давлением. Водород или гелий. А это исключительная точность подгонки всех его рабочих узлов и специальная высокотемпературная смазка. Ну и габариты… ДВС камера сгорания не нужна. Стирлинг без нее не может! А это лишний объем и система изоляции и охлаждения!


«Сорю» - японская подводная лодка с двигателями Стирлинга.

Впрочем, смена приоритетов, скорее всего, пробьет дорогу двигателям Стирлинга. Если во главу угла поставить экологичность, то с ДВС можно будет распрощаться раз и навсегда. Кроме того, на них возлагаются большие надежды по созданию перспективных солнечных энергоустановок. Их уже сейчас применяют в качестве автономных генераторов для туристов. А некоторые предприятия наладили выпуск стирлингов, которые работают от обычной конфорки газовой печи. NASA также рассматривает варианты генераторов электроэнергии на основе «стирлинга» с приводом от ядерных и радиоизотопных источников тепла. В частности, таким стирлингом вкупе с электрогенератором планируется использовать в планируемой NASA космической экспедиции к Титану.


«Сорю» - макет.

Интересно, что если запустить двигатель Стирлинга в обратном режиме, то есть крутить маховик от другого двигателя, то он будет работать как холодильная машина (обратный цикл Стирлинга), причем именно такие машины оказались очень эффективными для получения сжиженных газов.

Ну, а теперь, поскольку сайт у нас военный, отметим, что стирлинги еще в 60-е годы прошлого века тестировались на шведских подводных лодках. А затем в 1988 году стирлинги стали основным двигателем субмарины типа «Наккен». С ними она находилась в плавании под водой в течение более 10 000 часов. За «Наккеном» последовали уже серийные субмарины типа «Готланд», ставшие первыми подлодками, оснащенными двигателями Стирлинга, что позволяет им до 20 суток находиться под водой. Сегодня все субмарины ВМС Швеции имеют стирлинг-моторы, а шведские судостроители отработали оригинальную технологию установки таких двигателей на обычные подводные лодки, посредством врезания в них дополнительного отсека с новой двигательной установкой. Работают они на жидком кислороде, который затем используют в лодке для дыхания, и отмечается, что у них очень низкий уровень шума. Ну а названные выше недостатки (размеры и проблема охлаждения) на подводном боевом корабле существенного значения не имеют. Пример шведов показался японцам стоящим внимания, и теперь стирлинги стоят и на японских субмаринах типа «Сорю». Именно эти двигатели рассматриваются сегодня как самые перспективные всережимные единые двигатели для субмарин 5-го поколения.


А вот так выглядит стирлинг студента Пензенского госуниверситета Николая Шевелёва.

Ну, а теперь совсем немного о том, какая у нас… «плохая молодежь». Прихожу 1 сентября к студентам – будущим инженерам-двигателистам, задаю им традиционные вопросы, что они читают (практически ничего!), чем увлекаются (с этим положение немногим лучше, но в основном заняты ноги, а не голова!), какие технические журналы им известны – «Юный-техник», «Моделист-конструктор», «Наука и техника», «Популярная механика» … (никакие!), и тут мне один студент заявляет, что увлекается двигателями. Один из 20, но это уже что-то! А дальше он рассказывает мне, что сам изготовил двигатель Стирлинга. Я знаю, как сделать такой двигатель из обычной консервной банки, но тут получалось, что он сделал нечто гораздо более эффектное. Говорю: «Принеси!» - и он принес. «Опиши, как делал!» - и он описал, причем его «эссе» мне настолько понравилось, что я привожу его здесь без каких бы то ни было изменений и сокращений.


Начало работы – «творческий хаос».

«Мне всегда нравилась техника, но в особенности двигатели. С большим интересом занимаюсь уходом, ремонтом и настройкой. Узнав про двигатель Стирлинга, я был увлечён им, как никаким другим двигателем. Мир стирлингов настолько разнообразен и велик, что описать все возможные варианты его исполнения просто невозможно. Никакой другой двигатель не даст такого разнообразия в плане конструкции, а главное возможность изготовить его своими руками.

Возникали идеи изготовить модель двигателя из консервной банки и других подручных средств, но делать «как попало и из чего попало» не в моих правилах. Поэтому я решил серьезно подойти к выполнению этой задачи, для начала подготовиться теоретически. Штудировал литературу в интернете, но поиск не приносил желаемого результата: обзорные статьи и видеоролики, отсутствие чертежей моделей этого двигателя. Готовые модели продавались по слишком высокой цене. К тому же огромное желание изготовить всё самому, понять принцип действия, отладить и провести испытания, получить полезную работу от данного двигателя и даже попытаться найти ему применение в хозяйстве.


«Токарные дела!» (Умный студент, весь процесс работы на память отснял. Предъявите, гражданин, кинофотодокументы подтверждающие... а вот они!)

Поспрашивал на форумах, и со мной поделились литературой. Это была книга "Двигатели Стирлинга" (Авторы: Г.Ридер и Ч.Хупер). В ней была отражена вся история этого типа двигателестроения, почему прекратилось бурное развитие, и где до сих пор эти двигатели применяются. Из книги я более подробно узнал все процессы, происходящие в двигателе, нашёл ответы на интересующие вопросы. Читать было интересно, но хотелось практики. Разумеется, чертежей гаражных моделей там не было, как и в интернете, ну, конечно, кроме модели из консервной банки и поролона.

К моему большому счастью, человек, который продавал модели стирлингов, выложил курс по изготовлению таких моделей, выставил он его на тот момент за 20$, я списался с ним и оплатил курс. Просмотрев все ролики, в каждом из которых он объяснял какой-то определённый тип стирлингов, я решил делать именно высокотемпературный стирлинг гамма типа. Так как он заинтересовал меня своей конструкцией, характеристиками и внешним видом. Из видеокурса я узнал приблизительное отношение диаметра цилиндра, диаметров поршней, какие должны быть зазоры, шероховатости, какие материалы использовать в изготовлении, некоторые нюансы постройки. Но нигде не было размеров двигателей автора, только приблизительно отношение размеров узлов.

Сам я живу в селе, можно сказать в пригороде, мама-бухгалтер, а папа-столяр, так что обращаться к ним за советом по постройке двигателя было как-то неуместно. И я обратился к своему соседу, Геннадию Валентиновичу, за помощью, он работал на ныне развалившемся заводе "КЗТМ» в г. Кузнецке. Для него эта поделка показалась довольно необычной, он внимательно меня выслушал, посмотрел мои наброски, что-то подкорректировал.

В общем, на следующий день Геннадий Валентинович привёз мне алюминиевую болванку длиной около 1 м и в диаметре около 50 мм. Я очень обрадовался, отпилил необходимые мне заготовки и уже на следующий день отправился в школу пробовать точить нагреватель и холодильник для моего ДВС. Точил я на учебном токарном станке (на котором ещё дедушка Ленин работал).

Само собой, точность там была никакая, внешняя часть нагревателя получилась довольно неплохая, а вот сама цилиндрическая часть под поршень была на конус. Трудовик мне объяснил, что расточной резец идёт на изгиб, так как станок для таких вещей довольно маленький и слабый. Встал вопрос, что делать дальше... Повезло, что мама на тот момент работала бухгалтером на частном предприятии, которое было бывшим авторемзаводом. Валерий Александрович (директор этого завода) оказался замечательным человеком и здорово мне помог, мне был предоставлен уже профессиональный советский станок и токарь, который мне помогал. Дело пошло веселее, и буквально через неделю было практически всё готово, началась сборка мотора. Были в постройке интересные моменты, например: вал, на который напрессовывался маховик, отдавали в цех точной механики на другой завод (чтобы получить необходимую точность для подшипников); холодильник точили на токарном станке, а места для креплений делали фрезерным станком, маховик шлифовали на шлифовальном. Для меня это было очень интересно и увлекательно. Рабочие на заводе думали, что я студент, и пишу какую-то научную работу. Сидел я на заводе до позднего вечера, и привозили меня домой на служебной машине Валерия Александровича. Запуск двигателя происходил в большом окружении рабочих завода, всем было очень интересно. Запуск удался, но двигатель работал как-то слабо.


Итог венчает дело! Угол подставки обгорел во время испытаний.

Выявились недостатки, пластмассовые шарниры были заменены на фторопластовые, маховик был облегчён и отбалансирован, поршень получил фторопластовую приставку для более низкой теплопередачи, а холодильник стал с большей площадью охлаждения. После доводок двигатель значительно улучшил свои технические показатели.

Сам я был в полном восторге. Приходя ко мне домой, друзья первым делом подходят именно к нему, интересуются, просят запустить. Геннадий Валентинович возил показать стирлинг к себе на работу, всем было очень интересно, даже не надо было кого-то звать, все сами подходили, смотрели, интересовались».

Зовут молодого человека Николай Шевелёв, и он староста группы. Отвел я его к декану, и мы все втроем очень хорошо поговорили. А потом я вспомнил статистику, что для продвижения человечества по пути научно-технического прогресса достаточно всего 2% населения планеты. Посчитал общее количество студентов и понял, что… особенно беспокоиться не стоит. С такими, как Николай, прогресс нам все равно будет обеспечен!
Автор:
Вячеслав Шпаковский
Ctrl Enter

Заметили ошЫбку Выделите текст и нажмите Ctrl+Enter

50 комментариев
Информация
Уважаемый читатель, чтобы оставлять комментарии к публикации, необходимо зарегистрироваться.
Уже зарегистрированы? Войти