Как студенты двигатель Стирлинга строили

Ввода

Хочу рассказать вам историю, как студенты двигатель Стирлинга строили.. Результат вам не скажу). Пусть он будет интригой, как и для, на протяжении всего проекта.

Предыстория 

Все началось с биологии, уже необычно. Дано два студента и много свободного времени, и нестерпимое желание творить веселье. Учеба много времени не занимала и ретикулярная формация не была полностью занята.

Если кратко и просто, то ретикулярная формация — структура, которая вырабатывает психическую энергию и эту энергию надо куда-то терять. Для эксперемента попробуйте ничего не делать 10/15/30 /60 минут, мне надоело уже на 5 минуте. Если не кратко, то есть книга Андрея Курпатова “Красная таблетка-2. Вся правда об успехе”.

Чуть отклонился от темы. После рассуждение о том, что для нас весело — ракеты и двигатели. Были выдвинуты требования к теме проекта 

1. все что горит и взрывается

2. простое, что можно повторить

Из навыков — пользоваине болгаркой, из знание — физика по школьной программе (по русскому 4, не сильно бейте)). Оценив свои знания и навыки, мы решили делать двигатель Стирлинга. Он отвечает обоим требованиям — горит и, вроде, просто делается. Как же мы были наивны, благо был куратор, который уменьшал весь происходящий хаос..

Что же такое двигатель Стирлинга

С темой проекта определились, осталось понять что это такое, собрать это и запустить. Звучит просто.

Немного истории, двигатель Стирлинга это богоугодная вещь. Сам Роберт Стирлинг, шотландский священник, унаследовал интерес к инженерии от родителей, получил высшее образование. 

Смысл двигателя — уменьшить травматизм рабочих, которые работали с паровыми двигателями. Паровые двигатели того времени часто взрывались из-за некачественного металла, а лучших материалов тогда не было. Предложенный Стрингом двигатель решил эту проблемы: двигатель не мог взорваться, потому что работал при меньшем давлении, чем паровой, и не был столь требователен к материалу. 

Двигатель Стирлинга по определению — двигатель, работающий по циклу Стирлинга (а нем позже). Двигатель неприхотлив к источнику тепла, может и без него работать. Главное, что была разность температур. Например, на солнечной энергии, на льде, на ноутбуке (теоретически).

Универсальный двигатель, прекрасно раскрывается в пост апокалипсисе. Пусть вся нефть закончилась, тогда бензиновые двигатели загнутся, а Стирлингу будет жить ему все равно.

Сейчас же их используют энтузиасты в качестве подвесного лодочного мотора.  

Устройство и принцип работы

Историческая справка закончилась, возвращаемся в наше время.

Начали мы сначала, то есть с изучения литературы по теме. И тут нас ждал облом — готовых инструкций как собрать Стирлинг нет, а на ракетный двигатель кстати есть, но о них когда-нибудь потом.

Книги оказались сложными для нас — страшные интегралы для описание теплопередачи и прочее. Но стал понятен принцип работы двигателя и его цикл. 

Цикл Стирлинга состоит из:

1—2 изотермическое расширение рабочего тела с подводом тепла от нагревателя;

2—3 изохорный отвод тепла от рабочего тела к регенератору;

3—4 изотермическое сжатие рабочего тела с отводом тепла к холодильнику;

4—1 изохорный нагрев рабочего тела с подводом тепла от регенератора.

(цикл Стирлинга)

Основные детали двигателя:

1. рабочего тела — воздух/гелий/водород 

2. горячий цилиндр — нагреваем. Рабочее тело расширяется, совершая полезную работу двигая поршень. 

3. холодный цилиндр — охлаждаем. Использовали воду/лед 

4. регенератор — сохраняет тепло при переходе рабочего тела из горячего цилиндра в холодный, отдает тепло при переходе из холодного в горячий. 

5. маховик — массивный диск, который накапливает и передает момент инерции другому цилиндру, крутится. 

Есть три основные компоновки двигателя — альфа, бета, гамма. Выбрали альфа тип, потому что он красивый…

Здесь горячий и холодный цилиндр одинаковы. В других типах они разные, что повышает сложность изготовления.

Рабочий цикл альфа Стирлинга

1. Внешний источник тепла нагревает газ в горячим цилиндра. Создаваемое давление толкает горячий поршень вверх

2. Маховик толкает холодный поршень вниз, тем самым перемещая разогретый воздух в холодный цилиндр.

3. Часть тепла, при переходе воздуха от одного цилиндра к другому, запасается в регенераторе 

4. Воздух остывает и сжимается, горячий поршень опускается вниз.

5. Холодный поршень поднимается вверх, тем самым перемещая охлажденный воздух в горячий цилиндр.

6. Воздух опять проходит через регенератор, накопленное тепло отдается. И цикл повторяется.

Первая итерация 

Такс, разобрались с устройством и принципом работы переходим к проектированию. А нет, нужно размеры же рассчитать.

Сначала сделал для себя, так что кроме меня никто не поймет, что плохо при работе в команде, да и в соло тоже. 

Ндаааа, 0.4 Вт, мощно. Знаний как рассчитать нужную для работы энергию нет, может, это и была основная ошибка. Не время унывать, китайские Стирлингы и при меньших параметрах работают.

Цифры есть можно переходить к проектирование. 

Спроектировали, красивое. Нижняя емкость нужна для воды, чтоб тепло от цилиндра отводить. Снег оказался эффективнее для охлаждения.

Осталось собрать. Но есть нюанс… У нас не было навыка работы с ЧПУ, а по другому цилиндр, поршень и тд не сделать. Пришлось изучать что это такое и с чем это едят. Только пока учились нам благодушно выточили детали старшие товарищи. 

И получилось вот это. 

  Ииии он не запустился… Даже вращался с трудом. Чтож первый блин комом. 

Вторая итерация 

Нас это, конечно же не остановило и стали разбирать проблемы:

1. Поршень неплотно прилегал к стенкам цилиндра — переточили поршни. Кольца на поршни пробовали, но не помогло. 

2. Маховик слишком мал, не хватает энергии провернуть поршни — увеличили массу маховика.

3. Воздух в холодном поршне. Эм, нормальный, комнатной температуры? Бред, тепло же подводится, значит тепло рассеивается через трубку — добавили регенератор. 

Также перешли к другой компоновки, просто кривошип с обеих сторон в противофазе, удобнее стал для сборки и настройки.

Зеленая штука (пулька от нерфа) посередине трубки — регенератор.

Момент истины, запуск. Ииии двигатель почти запустился. Он почти поддерживал обороты, но все равно остановился.

Причина этому — регенератор. Он был холодный… Что же пошло не так, не может же физика сломаться? 

Версии — горелка слишком слабая, сам цилиндр нагревается, а вот воздух внутри нет. Или слабо нагревалось столько слабо, что пока воздух идет по трубке, он уже остывает. Сейчас этого не проверить, почему скажу чуть позже.

Все это я сейчас понимаю, когда пишу. А вот тогда меня заботили параметры системы — разность фаз между поршнями, ход горячего/холодного поршня. Эти параметры можно изменять и смотреть что же получится. 

Интересный факт, если пшикнуть WD-40, то она испарится и будет двигатель внутреннего сгорания. Так что универсальная инструкция не сработала, осталось выпить водки воды с лимоном и продолжить продолжать. 

Ардуина и датчики

Вот и к финалу подходим. Решили добавить счетчик оборотов, чтобы понимать как изменяются обороты при изменение параметров — разности фаз, свободного хода горячего/холодного поршня и т.д.

Можно было взять велокомпьютер, но это скучно. Поэтому решили свой разработать.

Взяли Arduino Uno, датчик Холла. Идея — магнит проходит рядом с датчиком, добавляется оборот, сумма делятся на все время, прошедшее с момента включения. Очень неточно, но общую картину получить можно. 

Дальше данные передаются с ардуино в python и строится график в реальном времени. Ссылка на гит, если, вдруг, кто-нибудь захочет повторить. 

Финал

Экспериментально получили оптимальную разность фаз — 90 градусов.

Финальный запуск. И двигатель поддерживает обороты, даже чуть повышает. Но есть нюанс…

Мы его перегрели — загорелся маховик, немного подставка, поршни заклинили. Переделывать уже надоело, да и сессия начала требовать времени. 

Итого

Вот так и закончился проект двигатель Стирлинга, длинной 9 месяцев. Что же мы из него поняли? 

1. Физика, математика вещи интересные и сложные. Применили немного знаний на практике. 

2. Разработка проекта — весело. Все же двигатель сгорел, как и мы под конец)

3. Получили ценный опыт работы над проектом командой — распределение обязанностей, постановка и исполнения сроков. 

4. Писать документацию нужно, чтобы самому хотя бы через время вспомнить что происходило. 

Вот и первый (качественный) лонгрид от меня. Думал будет коротенькая заметка, а получилось это. Спасибо за внимание.

Спокойного сна:3