Zunächst ist der Nachname Stirling sowohl in England als auch in Schottland weit verbreitet. Das heißt, wenn es Stirling Castle gibt, warum dann nicht "Mr. Stirling"? Und genau so eine Person - der schottische Priester Robert Stirling erhielt am 27. September 1816 ein britisches Patent für eine Maschine, die nichts mit einer Dampfmaschine zu tun hatte! Darüber hinaus erwies sich der nach ihm benannte Motor als einzigartig, da er von jeder Wärmequelle aus funktionieren konnte!
Robert Stirling.
1843 benutzte sein Sohn James Stirling den Motor seines Vaters in einer Fabrik, in der er als Ingenieur arbeitete. Nun, schon 1938 entstanden Stöcke mit einer Leistung von bis zu 200 PS. und einen Wirkungsgrad von 30 Prozent.
Das Funktionsprinzip dieses Motors besteht darin, das Arbeitsfluid in einem vollständig geschlossenen Zylinder abwechselnd zu erwärmen und zu kühlen. Normalerweise ist das Arbeitsmedium Luft, aber auch Wasserstoff und Helium, aber auch Freon, Stickstoffdioxid, verflüssigtes Propan-Butan und sogar Wasser können verwendet werden. Außerdem bleibt es während des thermodynamischen Zyklus flüssig. Das heißt, die Konstruktion des Motors ist äußerst einfach und nutzt die bekannte Eigenschaft von Gasen: Ihr Volumen nimmt beim Erhitzen zu und beim Abkühlen nimmt es ab.
Einer der vielen hausgemachten Sterling.
Der Stirling-Motor verwendet … den "Stirling-Zyklus", der hinsichtlich seiner thermodynamischen Effizienz nicht nur nicht schlechter als der Carnot-Zyklus ist, sondern sogar einige Vorteile hat. In jedem Fall ist es der "Stirling-Zyklus", der es Ihnen ermöglicht, in nur wenigen Stunden aus einer gewöhnlichen Blechdose einen funktionierenden Motor zu machen.
Beta-Stirling-Gerät.
Der „Stirling-Zyklus“selbst umfasst vier Hauptphasen und zwei Übergangsphasen: Erwärmung, Expansion, Übergang zu einer Kältequelle, Abkühlung, Kompression und Übergang zu einer Wärmequelle. Nun, wir erhalten nützliche Arbeit bei der Ausdehnung des Volumens des erhitzten Gases.
Phase 1.
Phase 2.
Phase 3.
Phase 4.
Der Arbeitszyklus des Beta-Stirling-Motors: a - Verdrängerkolben; b - Arbeitskolben; c - Schwungrad; d - Feuer (Heizbereich); e - Kühlrippen (Kühlbereich).
Das funktioniert so: Es gibt zwei Zylinder und zwei Kolben. Eine externe Wärmequelle – und sie kann sogar Holz verbrennen, sogar ein Gasbrenner, sogar Sonnenlicht – erhöht die Temperatur des Gases im unteren Teil des Wärmetauscherzylinders. Es entsteht Druck, der den Arbeitskolben nach oben drückt und der Verdrängerkolben nicht dicht an den Zylinderwänden anliegt. Außerdem drückt das Schwungrad beim Scrollen nach unten.
Stirling-Schema aus einer Blechdose.
In diesem Fall tritt heiße Luft vom Boden des Zylinders in die Kühlkammer ein. In der Arbeitskammer jedoch kühlt es ab und zieht sich zusammen, dann saust der Arbeitskolben nach unten. Der Verdrängerkolben bewegt sich nach oben und damit die gekühlte Luft nach unten. Der Zyklus wird somit wiederholt. Beim Stirling wird die Bewegung des Arbeitskolbens um 90° gegenüber dem Verdrängerkolben verschoben.
Foto eines Stirlings aus einer Blechdose.
Im Laufe der Zeit erschienen viele verschiedene Designs von "Styling", benannt nach den Buchstaben des griechischen Alphabets: Alpha, Beta, Gamma, die Unterschiede im Arbeitszyklus aufweisen. Die grundlegenden Unterschiede zwischen ihnen sind gering und laufen auf die Anordnung der Zylinder und die Größe der Kolben hinaus.
Stirlingmotor mit Lineargenerator.
Alpha Stirling hat zwei separate Kraftkolben in verschiedenen Zylindern: heiß und kalt. Der Zylinder mit dem heißen Kolben befindet sich im Wärmetauscher, der eine höhere Temperatur hat, der Zylinder mit dem kalten Kolben jeweils im kälteren. Der Regenerator (d. h. der Wärmetauscher) befindet sich zwischen dem heißen Teil und dem kalten Teil.
Beta Stirling hat nur einen Zylinder, heiß an einem Ende und kalt am anderen. Der Kolben bewegt sich im Inneren des Zylinders (von dem die Leistung abgenommen wird) und des Verdrängers, der das Volumen seiner heißen Zone ändert. Gas wird vom kalten Ende des Zylinders durch einen Regenerator zum heißen Ende des Zylinders gepumpt.
Gamma Stirling hat auch einen Kolben und einen Verdränger und zwei Zylinder - kalt (wo sich der Kolben bewegt, von dem die Leistung entfernt wird) und heiß (wo sich der Verdränger bewegt). Der Regenerator ist extern, in diesem Fall verbindet er den heißen Teil des zweiten Zylinders mit dem kalten und gleichzeitig mit dem ersten (kalten) Zylinder. Der interne Regenerator ist dabei Teil des Verdrängers.
Es gibt Varianten des Stirlingmotors, die nicht unter diese drei klassischen Typen fallen: zum Beispiel den Rotations-Stirlingmotor, bei dem die Leckageprobleme gelöst sind und es keinen Kurbeltrieb gibt, da er rotatorisch ist.
Was ist gut an Stirlings und warum sind sie schlecht? Erstens sind sie Allesfresser und können jeden Temperaturunterschied nutzen, auch den zwischen verschiedenen Wasserschichten im Ozean. Die Verbrennung in ihnen ist von konstanter Natur, was eine effiziente Verbrennung des Kraftstoffs gewährleistet, was bedeutet, dass seine Umweltfreundlichkeit höher ist. Außerdem hat es keinen Auspuff. Weniger Geräuschpegel - keine "Explosionen" in den Zylindern. Weniger Vibrationen, zum Beispiel bei einem Beta-Stirling. Die Arbeitsflüssigkeit wird beim Styling nicht verbraucht. Die Konstruktion des Motors ist äußerst einfach, es sind keine Gasverteilungsmechanismen erforderlich. Ein Anlasser wird ebenso wenig benötigt wie ein Getriebe.
Die Einfachheit und das Fehlen einer Reihe von "empfindlichen" Knoten verleihen dem "Stirling" eine für alle anderen Motoren beispiellose Leistung in Zehn- und Hunderttausenden von Stunden Dauerbetrieb.
Schwedisches U-Boot "Gotland".
Stirlings sind sehr sparsam. So ergibt die Umwandlung von Sonnenenergie in Strom mittels Stirling einen höheren Wirkungsgrad (bis zu 31,25 %) als mit Dampf betriebene Wärmekraftmaschinen. Dazu wird das „Styling“auf den Fokus des Parabolspiegels gesetzt, der der Sonne „folgt“, sodass sich ihr Zylinder ständig erwärmt. Auf einer solchen Anlage in Kalifornien wurde 2008 das obige Ergebnis erzielt, und jetzt wird auf den Stirlings eine große Solarstation gebaut. Sie können sie an den Mantel von Hochöfen anbringen und dann wird uns das kontinuierliche Schmelzen von Roheisen viel geben … billige Energie, denn jetzt wird diese Wärme verschwendet!
Es gibt im Allgemeinen nur einen Nachteil beim Styling. Es kann überhitzt werden und dann wird es sofort versagen. Außerdem muss das Gas in der Flasche unter sehr hohem Druck stehen, um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen. Wasserstoff oder Helium. Und das ist eine außergewöhnliche Passgenauigkeit aller seiner Arbeitseinheiten und ein spezielles Hochtemperaturfett. Nun, die Abmessungen … die Brennkammer wird nicht benötigt. Stirling kann ohne sie nicht leben! Und das ist ein zusätzliches Volumen und ein Isolations- und Kühlsystem!
Soryu ist ein japanisches U-Boot, das von Stirling-Motoren angetrieben wird.
Allerdings dürfte die Änderung der Prioritäten den Stirling-Motoren den Weg ebnen. Wenn wir Umweltfreundlichkeit in den Vordergrund stellen, wird es möglich sein, sich endgültig vom Verbrennungsmotor zu verabschieden. Darüber hinaus werden große Hoffnungen auf die Schaffung vielversprechender Solarkraftwerke gesetzt. Sie werden bereits als autonome Generatoren für Touristen eingesetzt. Und einige Unternehmen haben die Produktion von Sterling etabliert, die mit einem herkömmlichen Gasofenbrenner arbeiten. Die NASA erwägt auch Optionen für Stirling-basierte Stromgeneratoren, die von Kern- und Radioisotopen-Wärmequellen angetrieben werden. Insbesondere ist geplant, ein solches Styling in Verbindung mit einem elektrischen Generator bei der von der NASA geplanten Weltraumexpedition zum Titan zu verwenden.
"Ich werfe" - das Layout.
Es ist interessant, dass, wenn Sie den Stirling-Motor im Rückwärtsmodus starten, dh das Schwungrad eines anderen Motors drehen, er als Kältemaschine arbeitet (Stirling-Umkehrzyklus), und es sind diese Maschinen, die sich als sehr effektiv erwiesen haben zur Herstellung von Flüssiggasen.
Nun, da wir eine Militäranlage haben, stellen wir fest, dass Stirlings in den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts auf schwedischen U-Booten getestet wurden. Und 1988 wurden die Stirlings zum Hauptmotor des U-Bootes der Nakken-Klasse. Mit ihnen segelte sie mehr als 10.000 Stunden unter Wasser. Auf die "Nakken" folgten die Serien-U-Boote des Typs "Gotland", die als erste U-Boote mit Stirling-Motoren ausgestattet waren, die es ihnen ermöglichen, bis zu 20 Tage unter Wasser zu bleiben. Heute haben alle U-Boote der schwedischen Marine Stirlingmotoren, und schwedische Schiffbauer haben die ursprüngliche Technologie zum Einbau solcher Motoren in konventionelle U-Boote ausgearbeitet, indem sie ein zusätzliches Fach mit einem neuen Antriebssystem in sie eingeschnitten haben. Sie werden mit flüssigem Sauerstoff betrieben, der dann im Boot zum Atmen verwendet wird, und sie haben einen sehr geringen Geräuschpegel. Nun, die oben genannten Mängel (Größe und Kühlungsproblem) bei einem U-Boot-Kriegsschiff sind nicht signifikant. Das Beispiel der Schweden erschien den Japanern beachtenswert, und nun sind die Stirlings auch auf den japanischen U-Booten der "Soryu"-Klasse. Es sind diese Motoren, die heute als die vielversprechendsten All-Mode-Einzelmotoren für U-Boote der 5. Generation gelten.
Und so sieht das Styling eines Studenten der Pensa State University Nikolai Shevelev aus.
Nun, nun einiges darüber, was für eine … "schlechte Jugend" wir haben. Am 1. September komme ich zu Studenten - angehenden Motoreningenieuren, ich stelle ihnen traditionelle Fragen, was sie lesen (praktisch nichts!), was sie gerne mögen (damit ist die Situation nicht viel besser, aber meistens sind die Beine beschäftigt, nicht der Kopf!), Welche Fachzeitschriften kennt man - "Junger Techniker", "Modellbauer", "Wissenschaft und Technik", "Popular Mechanics" … (keine!), und dann sagt mir ein Student, dass er es ist gern Motoren. Einer von 20, aber das ist schon was! Und dann erzählt er mir, dass er den Stirling-Motor selbst gebaut hat. Ich weiß, wie man aus einer gewöhnlichen Blechdose einen solchen Motor macht, aber dann stellte sich heraus, dass er etwas viel effektiveres getan hat. Ich sage: "Bring es her!" - und er brachte. "Beschreiben Sie, wie Sie es gemacht haben!" - und er hat beschrieben, und mir hat sein "Aufsatz" so gut gefallen, dass ich ihn hier ohne Änderungen oder Abkürzungen präsentiere.
Am Anfang der Arbeit steht das „kreative Chaos“.
„Die Technik hat mir schon immer gefallen, vor allem aber die Motoren. Mit großem Interesse beschäftige ich mich mit Wartung, Reparatur und Anpassung. Nachdem ich den Stirling-Motor kennengelernt hatte, war ich wie kein anderer Motor davon fasziniert. Die Welt des Stylings ist so vielfältig und groß, dass es einfach unmöglich ist, alle möglichen Optionen für ihre Ausführung zu beschreiben. Kein anderer Motor bietet eine solche Vielfalt in Bezug auf das Design und vor allem die Fähigkeit, ihn selbst herzustellen.
Ich hatte Ideen, aus einer Blechdose und anderen improvisierten Mitteln ein Modell eines Motors zu bauen, aber es war nicht in meinen Regeln, "jedenfalls und aus dem, was er bekam" zu tun. Daher habe ich mich entschlossen, diese Aufgabe ernst zu nehmen, um mich zunächst theoretisch vorzubereiten. Ich habe die Literatur im Internet studiert, aber die Suche brachte nicht das gewünschte Ergebnis: Übersichtsartikel und Videos, das Fehlen von Zeichnungen für die Modelle dieses Motors. Die fertigen Modelle wurden zu einem zu hohen Preis verkauft. Darüber hinaus besteht der große Wunsch, alles selbst zu machen, das Funktionsprinzip zu verstehen, Fehler zu beheben und Tests durchzuführen, nützliche Arbeit von diesem Motor zu erhalten und sogar zu versuchen, seinen Einsatz in der Wirtschaft zu finden.
"Drehgeschäft!" (Als kluger Student filmte er den ganzen Arbeitsprozess als Andenken. Geschenk, Bürger, dokumentarischer Fotobeweis … und hier sind sie!)
Ich habe in den Foren nachgefragt und sie haben mir die Literatur mitgeteilt. Es war das Buch "Stirling Engines" (Autoren: G. Ryder und C. Hooper). Es spiegelte die ganze Geschichte dieser Art des Motorenbaus wider, warum die rasante Entwicklung aufhörte und wo diese Motoren noch heute eingesetzt werden. Aus dem Buch habe ich alle im Motor ablaufenden Prozesse genauer kennengelernt, die Antworten auf die interessierenden Fragen gefunden. Es war interessant zu lesen, aber ich wollte üben. Natürlich gab es keine Zeichnungen von Garagenmodellen, sowie im Internet, na ja, außer einem Modell aus einer Dose und Moosgummi.
Zu meinem großen Glück hat die Person, die die Stylingmodelle verkauft hat, einen Kurs zum Bau solcher Modelle angeboten, er hat ihn damals für 20 Dollar angeboten, ich habe ihm geschrieben und den Kurs bezahlt. Nachdem ich mir alle Videos angesehen hatte, in denen er jeweils eine bestimmte Art des Stylings erklärte, entschied ich mich, genau das Hochtemperatur-Styling des Gamma-Typs zu machen. Da interessierte er mich mit seinem Design, seinen Eigenschaften und seinem Aussehen. Aus dem Videokurs lernte ich das ungefähre Verhältnis von Zylinderdurchmesser, Kolbendurchmessern, welches Spiel, Rauheit, welche Materialien bei der Herstellung verwendet werden sollten, einige der Konstruktionsnuancen. Aber nirgends waren die Größen der Engines des Autors verfügbar, nur ungefähr das Verhältnis der Größen der Knoten.
Ich selbst wohne in einem Dorf, man könnte sagen in einem Vorort, meine Mutter ist Buchhalterin und mein Vater ist Zimmermann, da war es irgendwie unpassend, sich an sie zu wenden, um einen Motor zu bauen. Und ich wandte mich an meinen Nachbarn, Gennadi Walentinowitsch, um Hilfe zu bitten, er arbeitete im jetzt eingestürzten KZTM-Werk in Kusnezk.
Im Allgemeinen brachte mir Gennady Valentinovich am nächsten Tag einen Aluminium-Blank von etwa 1 m Länge und etwa 50 mm Durchmesser. Ich war sehr glücklich, sägte die benötigten Rohlinge ab und ging am nächsten Tag in die Schule, um zu versuchen, die Heizung und den Kühlschrank für meinen Verbrennungsmotor zu schärfen. Ich habe auf einer Trainingsdrehbank geschärft (an der Großvater Lenin gearbeitet hat).
Natürlich gab es dort keine Genauigkeit, der äußere Teil der Heizung erwies sich als recht gut, aber der zylindrische Teil selbst unter dem Kolben befand sich auf einem Kegel. Trudovik erklärte mir, dass sich der Bohrer verbiegt, da die Maschine für solche Dinge eher klein und schwach ist. Es stellte sich die Frage, was als nächstes zu tun sei … Es war ein Glück, dass meine Mutter damals als Buchhalterin in einem privaten Unternehmen arbeitete, das eine ehemalige Autowerkstatt war. Valery Aleksandrovich (der Direktor dieses Werkes) erwies sich als wunderbarer Mensch und half mir sehr, ich wurde bereits mit einer professionellen sowjetischen Maschine und einem Dreher ausgestattet, der mir half. Es machte mehr Spaß und buchstäblich eine Woche später war fast alles fertig, die Montage des Motors begann. Interessante Momente beim Bau gab es zum Beispiel: Die Welle, auf die das Schwungrad gepresst wurde, wurde an die Feinmechaniker-Werkstatt eines anderen Werkes übergeben (um die nötige Genauigkeit für die Lager zu erhalten); der Kühlschrank wurde auf einer Drehbank geschärft und die Stellen für die Befestigungselemente wurden mit einer Fräsmaschine hergestellt, das Schwungrad wurde auf einer Schleifmaschine geschliffen. Es war sehr interessant und spannend für mich. Die Arbeiter in der Fabrik dachten, ich wäre Student und schreibe eine Art wissenschaftliche Arbeit. Ich saß bis spät abends in der Fabrik, und sie brachten mich im Dienstwagen von Valery Alexandrowitsch nach Hause. In einem großen Kreis von Fabrikarbeitern wurde der Motor angelassen, alle waren sehr interessiert. Der Start war erfolgreich, aber der Motor lief schlecht.
Das Ergebnis krönt den Deal! Die Ecke des Ständers war während des Tests verbrannt.
Mängel wurden aufgedeckt, die Kunststoffscharniere wurden durch Fluorkunststoffscharniere ersetzt, das Schwungrad wurde leichter und ausgewuchtet, der Kolben erhielt einen Fluorkunststoffaufsatz für eine geringere Wärmeübertragung und der Kühlschrank erhielt eine größere Kühlfläche. Nach der Feinabstimmung hat der Motor seine technische Leistung deutlich verbessert.
Ich selbst war begeistert. Wenn Freunde zu mir nach Hause kommen, kommen sie als erstes auf ihn zu und bitten ihn, damit anzufangen. Gennady Valentinovich fuhr, um das Styling seiner Arbeit zu zeigen, alle waren sehr interessiert, sie brauchten nicht einmal jemanden anzurufen, alle kamen auf sie zu, schauten und interessierten sich.
Der junge Mann heißt Nikolai Shevelev und ist der Kopf der Gruppe. Ich brachte ihn zum Dekan, und wir drei hatten ein sehr gutes Gespräch. Und dann erinnerte ich mich an die Statistik, dass nur 2 % der Weltbevölkerung ausreichen, um die Menschheit auf dem Weg des wissenschaftlichen und technologischen Fortschritts voranzubringen. Ich habe die Gesamtzahl der Schüler gezählt und festgestellt, dass … man sich keine allzu großen Sorgen machen muss. Mit Leuten wie Nikolai ist uns trotzdem der Fortschritt garantiert!
