Двигатель стирлинга своими руками, схема и чертеж

Суть изобретения Стирлинга

На схеме тепловой двигатель состоит из двух цилиндров компрессионного и рабочего. Левая и правая стороны удлиненного цилиндра разделены теплоизоляционной стенкой. Внутри ходит специальный вытеснительный поршень, который не соприкасается с боковыми стенками.

1. К левой стороне устройства подводится тепло, к правой – охлаждение.
2. Когда поршень движется влево, горячий воздух вытесняется в холодную правую зону и охлаждается.
3. При этом газ уменьшается объеме.
4. Рабочий поршень втягивается влево.
5. При движении вытеснительного поршня вправо холодный воздух вытесняется в горячую зону, где нагревается и расширяется.
6. Толкает рабочий поршень вправо.
7. Рабочий и вытеснительный поршни связаны между собой через коленчатый вал с углом смещения 90 градусов.

• электричество;
• солнце;
• ядерная энергия и пр.

История

Роберт Стирлинг

Двигатель Стирлинга был впервые запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом 27 сентября 1816 год (английский патент № 4081 1819). Однако первые элементарные «двигатели горячего воздуха» были известны ещё в конце XVII века, задолго до Стирлинга. Достижением Стирлинга является добавление узла, который он назвал «эконом».

В современной научной литературе этот узел называется «регенератор». Он увеличивает производительность двигателя, удерживая тепло в тёплой части двигателя, в то время как рабочее тело охлаждается. Этот процесс намного повышает эффективность системы. Чаще всего регенератор представляет собой камеру, заполненную проволокой, гранулами, гофрированной фольгой (гофры идут вдоль направления потока газа). Газ, проходя через наполнитель в одну сторону, отдаёт тепло регенератору, а при движении в другую сторону отбирает его. Регенератор может быть внешним по отношению к цилиндрам, а может быть размещён на поршне-вытеснителе в β- и γ-конфигурациях. В последнем случае размеры и вес машины оказываются меньше. Частично роль регенератора выполняет зазор между вытеснителем и стенками цилиндра (при длинном цилиндре надобность в таком устройстве вообще исчезает, но появляются значительные потери из-за вязкости газа). В α-стирлинге регенератор может быть только внешним. Он устанавливается последовательно с теплообменником, в котором происходит нагрев рабочего тела, со стороны холодного поршня.

В 1843 году брат изобретателя, Джеймс Стирлинг, использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году фирма «Филипс» инвестировала в двигатель Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 %. Двигатель Стирлинга имеет много преимуществ и был широко распространён в эпоху паровых машин.

Как работает и где применяется двигатель внешнего сгорания

Несмотря на то, что двигатели Стирлинга были забыты на некоторый период, в современном производстве при создании новых модификаций выдающееся изобретение набирает новую популярность. Народные умельцы по достоинству оценили преимущества двигателей внешнего сгорания и сооружают самостоятельно в домашних условиях различные приспособления, основанные на их применении. Для изготовления теплового двигателя своими руками в домашних мастерских используются различные материалы и подручные средства:

1. Большие и средние емкости, позаимствованные из домашнего хозяйства.
2. Подшипники от старых механизмов.
3. Диски.
4. Металлические стержни различного диаметра для осей, стоек.
5. Листы из металла, древесных плит для изготовления платформы.

Данные устройства используются в домашнем хозяйстве для выполнения самых различных работ:

1. Вырабатывание электрической энергии в мелких масштабах.
2. Создание тепловой энергии.

Количества мощности некоторых образцов самодельных двигателей Стирлинга, достаточно для обустройства электрической сети и обеспечения теплом частных домов, небольших школ, лечебных корпусов, спортивных сооружений, производственных мастерских и пр.

Двигатели, созданные своими руками, функционируют от различных источников тепла:

• природный газ;
• дрова;
• уголь;
• торф;
• пропан и прочие виды топлива местного производства или полезных ископаемых.

Благодаря простоте конструкции, тепловые устройства, изготовленные своими руками, не нуждаются в регулярном техническом обслуживании агрегата. Сжигание топлива осуществляется за пределами корпуса цилиндра, поэтому рабочее тело не загрязняется продуктами сгорания, на внутренних стенках оборудования не скапливаются вредные отложения.

В сравнении с ДВС, в состав данной конструкции входит вдвое меньше подвижных узлов и деталей. Здесь требуется намного меньше смазки для ухода за быстро изнашиваемыми элементами. Требования к качеству смазочных материалов – минимальны.

Для подведения электросети к потребителям не требуется приобретать дорогостоящее оборудование. Подсоединение проводов к электрической сети осуществляется простыми привычными методами.

Двигатели внешнего сгорания, произведенные в бытовых условиях, легко монтируются на ровных площадках, покрытых гравием, без прочной фиксации. Данные установки не подвержены вредным атмосферным воздействиям. Для обеспечения бесперебойной стабильной работы двигателю не требуется специальный защитный корпус.

Основные модификации

«Стирлинг» Mk.I серии 1 — двигатели «Геркулес» III (1425 л.с; на первых 10 — «Геркулес» II, 1375 л.с). Стрелковое вооружение — 8 7,7-мм пулеметов «Браунинг» в трех башнях: носовой (2), нижней выдвижной (2) и хвостовой (4). Максимальная масса бомбовой нагрузки — 6340 кг. Экипаж — 7 чел. Изготовлено 80 единиц.

«Стирлинг» Mk.I серии 2 — вместо нижней башни установлено 2 7,7-мм пулемета в боковых окнах. Выпускался с ноября 1941 г.

«Стирлинг» Mk.I серии 3 — двигатели «Геркулес» XI (1500 л.с). Вместо бортовых пулеметов установлена верхняя башня с 2 7,7-мм пулеметами.

Общий объем производства самолетов «Стирлинг» Mk.I составил 720 единиц.

«Стирлинг» Mk.II — двигатели «Райт» R-2600-A5B (1600 л.с). Построено 3 самолета, от планов широкомасштабного производства в Канаде отказались.

«Стирлинг» Mk.III — двигатели «Геркулес» VI или XVI (1635 л.с). Схема размещения вооружения аналогична Mk.I серии 3, но с более совершенными моделями верхней и хвостовой башен. С конца 1942 г. построено 1036 машин.

«Стирлинг» Т Mk.IV — буксировщик планеров на базе Mk.III. Из вооружения сохранена только кормовая башня с 4 7,7-мм пулеметами. Экипаж — 5 чел. С октября 1943 г. переоборудовано 143 Mk.III и построен 461 новый Т Mk.IV.

«Стирлинг» Т Mk.V — невооруженный транспортно-десантный самолет. С августа 1944 г. по январь 1946 г. изготовлена 161 машина.

Боевое использование самолётов Short Stirling

Short Stirling на аэродроме

В августе 1940 г. начались поставки «Стирлингов» в строевые части. Для перевооружения выбрали 4-ю группу, летавшую на двухмоторных «Уитли», а в её составе первой новые самолеты получила 7-я АЭ. Поставки новых самолетов велись крайне медленно, что затрудняло их освоение экипажами. Первый боевой вылет состоялся лишь 10 февраля 1941 г., когда 3 «Стирлинга» бомбили нефтехранилище в Роттердаме. В последующие месяцы мелкие группы и даже одиночные самолеты наносили удары по объектам на территории оккупированных нацистами стран и Германии. 17 апреля «Стирлинг» впервые появился над Берлином, а 30 апреля дебютировали в бою самолеты второй части, получившей «Стирлинги» — 15-й АЭ. Летом самолеты обеих эскадрилий привлекались к операциям «Циркус» — дневным рейдам над территорией Франции, имеющих целью спровоцировать немецкие истребители и подставить их под удар британских визави. Осенью «Стирлинги» появлялись над Италией (бомбили заводы «Фиат» в Турине, порт в Генуи) и Чехией (наносили удары по предприятиям Пльзеня). К концу 1941 г. на таких самолетах летало 5 АЭ.

В марте-апреле 1942 г. «Стирлинги» участвовали в широкомасштабной операции по минированию прибрежных вод Германии и оккупированных стран. Размах боевого применения постепенно рос: в ночь с 25 на 26 апреля в налете на цели в Германии участвовали 38 «Стирлингов», а в первом «рейде 1000 бомбардировщиков» в ночь на 31 мая -уже 88 машин этого типа. В июне-июле 1942 г. главными целями для «Стирлингов» стали верфи в Бресте, Гамбурге, Ростоке, а в августе-сентябре они вновь переключились на минные постановки. В ноябре, с высадкой союзников в Северной Африке, возобновились налеты на Италию — Геную, Турин, Болонью. В первые месяцы 1943 г. «Стирлинги» бомбили базы подводных лодок в Сен-Назере, Лорьяне и Бресте.

В апреле 1943 г. началось поступление Шорт «Стерлингов» Mk.III. Новые поставки позволили увеличить размах бомбовых ударов — в ночь с 23 на 24 мая на Дортмунд отправилось 120 «Стирлингов». В июле такие самолеты бомбили Гамбург, в августе — участвовали в налете на ракетный центр в Пенемюнде. Но потери были весьма существенными. Особенно острой ситуация стала в августе 1943 г., когда в двух налетах на Берлин было сбито 33 «Стирлинга» из 226, отправившихся на цель. Причиной были признаны низкие летные данные самолета — скорость и потолок. Следуя в общем порядке, эскадрильи «Стирлингов» отставали от частей «Галифаксов» и «Ланкастеров», становясь легкой добычей немецкой ПВО. Следствием этого стало решение о постепенном переводе «Стирлингов» на решение вспомогательных задач (прежде всего, транспортных). 28 июля 1944 г. самолеты этого типа в последний раз ставили морские мины у Бреста, а 8 сентября нанесли бомбовый удар, целью которого был Гавр. Правда, в январе 1945 г. «Стирлинги» совершили ещё несколько дневных налетов на второстепенные цели на территории Бельгии. В качестве транспортных и буксировщиков планеров такие машины широко применялись в ходе операций «Оверлорд» в июне 1944 г. и «Маркет Гарден» в сентябре. Последней стала десантная операция «Вар-сити» по захвату мостов на Рейне 24 марта 1945 г.

Недобор летных характеристик, в конечном итоге поставивший крест на карьере «Стирлинга» как бомбардировщика, был в первую очередь обусловлен требованиями заказчика. Так, ограничение размаха крыла привело к снижению дальности полета и увеличению длины разбега. Среди положительных черт «Стирлинга» стоит отметить легкость управления — по этому параметру он превосходил «Галифакса» и не уступал «Ланкастеру».

Сфера применения двигателей внешнего сгорания

В результате последующих усовершенствований конструкции мотора, газ нагревается/охлаждается при постоянном давлении в системе (вместо сохранения объема). Это изобретение инженера из Швеции по имени Эриксон, позволило создавать двигатели, предназначенные для использования работниками шахт, типографий, судов и пр. В пассажирских экипажах того времени тепловые двигатели не применялись, т. к. обладали сравнительно большим весом.

Двигатели внешнего сгорания часто использовались для приведения в действие генераторов в районах, где отсутствовала подача электроэнергии.

Материалы и приспособления

Сейчас мы разберем, что нам нужно взять для создания двигателя в домашних условиях. Что нам потребуется взять для стирлинга:

• Воздушный шар.
• Три баночки от колы.
• Специальные клеммы, пять штучек (на 5А).
• Ниппели для закрепления велосипедных спиц (две штучки).
• Вата из металла.
• Кусок проволоки из стали длиной в тридцать см и сечением 1 мм.
• Кусок большой стальной или медной проволоки с диаметром от 1.6 до 2 мм.
• Деревянный штырь с диаметром двадцать мм (длина один см).
• Крышка от бутылочки (из пластика).
• Электропроводка (тридцать см).
• Специальный клей.
• Вулканизированная резина (где-то 2 сантиметра).
• Рыболовная леска (длина тридцать см).
• Несколько грузил для балансировки (например, никелевые).
• CD-диски (три штуки).
• Специальные кнопки.
• Жестяная баночка для создания топки.
• Теплоустойчивый силикон и консервная банка для изготовления водного охлаждения.

Можно ли использовать двигатели Стирлинга вместо ДВС

Компания General Motors со второй половины ХХ века начала заниматься внедрением в производство V-образных стирлингов для кривошипно-шатунных механизмов. При испытаниях двигателей внешнего сгорания было замечено, что они идеально работают без звуков и шума. Здесь отсутствуют карбюратор, система зажигания, форсунки, требующие высокое давление, свечи, клапаны и пр. Для создания достаточного давления в цилиндрах двигателя не нужно взрывать топливо, как в ДВС. При использовании автомобилей, оснащенных двигателями внешнего сгорания, можно решить проблему, связанную со снижением шума в больших городах.

В результате проведенных испытаний были выявлены следующие достоинства и недостатки двигателей внешнего сгорания.

• Преимущества данных устройств:
• бесшумная работа (нет необходимости устанавливать глушитель);
• отсутствие вибраций;
• нет необходимости в создании высокого давления в системе;
• универсальность, способность работать от различных источников тепла;
• легкость регулировок.

К недостаткам двигателей относятся:

• сравнительно большой вес конструкции;
• малая экономичность;
• высокая себестоимость механизма.

Упрощенная схема V- образного двигателя внешнего сгорания:

Один из цилиндров двигателя является рабочим (1), другой, соответственно, компрессионным (7). В каждом из них расположен свой поршень (2). В центральной части схемы размещены: охладитель (6), теплообменник (4), нагревательный элемент (3). При максимальной скорости одного из поршней, другой в это же время находится в неподвижном состоянии, его скорость равна нулю. Угол смещения фаз равен 90°, благодаря взаимно перпендикулярному расположению цилиндров.