Двигатель Стирлинга — это двигатель внешнего сгорания, в котором тепловая энергия подводится к рабочему телу (в нашем случае — к воздуху) извне — через стенку цилиндра. Принцип действия его основан на известном физическом законе — расширении и сжатии воздуха при нагревании и охлаждении. Поэтому стирлинг называют еще воздушно-тепловым двигателем. Понять работу двигателя, который Стирлинг разработал еще в 1816 году, нам поможет модель, описанная в книге С. Баранова «Действующие модели тепловых машин» (год издания 1936-й).

Сначала о том, как устроена модель стирлинга.

Она собирается из четырех основных частей: двух сообщающихся цилиндров — теплообменного 6 и рабочего 3, камеры нагрева — назовем ее топкой 4 — и резервуара с холодной водой (на схемах I — III он не показан, см. его на общем виде двигателя). В верхней части теплообменного цилиндра 6 герметично впаяна камера 7 для воды. Ее задача — охладить нагретый воздух. Через эту камеру проходит шток поршня-вытеснителя 5. Вытеснитель установлен в цилиндре 6 с зазором, не касаясь стенок. Рабочий поршень 2, наоборот, плотно подогнан к цилиндру 3 и движется по нему практически без зазора. Между собой вытеснитель 5 и рабочий поршень 2 соединены через кривошипно-шатунный механизм, причем кривошип и эксцентрик установлены относительно друг друга со сдвигом фаз на 90°.  Цилиндры соединены между собой трубкой, и поэтому воздух может легко проходить из теплообменного в рабочий цилиндр, и наоборот. Кривошипно-шатунный механизм состоит из кривошипа с шатуном и осью (узел 8), эксцентрика 1 и маховика 9. Диаметр маховика 80 мм, а расстояние от оси до пальца эксцентрика 14 мм.

Итак, предположим, что мы поставили спиртовку в топку 4 и начали нагревать дно цилиндра 6. Через некоторое время воздух под поршнем-вытеснителем нагреется (а значит, расширится) и устремится вверх (напомним: между вытеснителем и стенкой цилиндра имеется зазор). Сдвинем маховик 9 с мертвой точки, и поршень-вытеснитель 5 начнет подниматься вверх, вытесняя при этом холодный воздух сверху вниз. Медленно начнет двигаться и рабочий поршень 2. Холодный воздух, соприкасаясь с раскаленным дном цилиндра 6, нагреется, давление возрастет, и воздух по трубке пойдет в рабочий цилиндр 3. Поршень 2 под его воздействием начнет свой рабочий ход. Поршень движется вверх, а тем временем вытеснитель уже стал опускаться вниз, потому что фазы их, как уже было сказано, сдвинуты на 90°. Поршень занял верхнее положение и под действием инерции маховика 9 начинает опускаться вниз, вытесняя в цилиндр 6 отработанный, потерявший первоначальную теплоту воздух. Попав в верхнюю часть теплообменного цилиндра, он еще больше охлаждается и уменьшается в объеме. Вытеснитель же при обратном ходе рабочего поршня снова начинает подниматься и снова перегоняет холодный воздух сверху вниз. Соприкасаясь с раскаленным дном цилиндра 6, холодный воздух нагревается, расширяется, и цикл повторяется.

Главное в работе такого двигателя — охлаждение воздуха. В нашей модели это делает вода, поступающая из резервуара, установленного рядом с двигателем. Как только вода, находящаяся в камере 7, нагреется горячим воздухом, она устремляется по патрубку вверх и попадает в резервуар. А на ее место, уже по нижнему патрубку, поступает из резервуара холодная вода. В физике это явление называется тепловой конвекцией.

Теперь о том, как сделать модель двигателя. Оба цилиндра 3 и 6, топку 4 проще всего спаять из жести. Сначала вырежьте заготовку для цилиндра 6 (ширина ее примерно 223 мм), просверлите в ней отверстия диаметром 4,2 мм для оси, а затем согните на круглой болванке. Спаяйте цилиндр. С внешних сторон его ушек напаяйте втулки с внутренним диаметром не менее 4,2 мм — они выполняют функции подшипников. Затем приступайте к изготовлению водяной камеры 7. По диаметру получившегося цилиндра вырежьте из жести два кружочка. В центре их просверлите отверстия под трубку с внутренним диаметром примерно 3 мм (длина ее 32 мм). Впаяйте трубку в кружочки так, чтобы расстояние между ними было 30 мм. Получившуюся деталь закрепите пайкой внутри цилиндра, отступив от его нижнего края на 35 мм. Постарайтесь выполнить эту операцию как можно аккуратнее, камера 7 должна быть герметичной, и вода не должна просачиваться через стенки. Вытеснитель 5 собирается из легкого деревянного цилиндрика, диаметр которого примерно на 2,5 мм меньше внутреннего диаметра цилиндра 6 (высота его подбирается экспериментальным путем) и штока, сделанного из спицы 0 2,8 мм. С обеих сторон обейте цилиндрик жестяными кружочками. По диаметру штока просверлите в центре цилиндрика отверстие и плотно вставьте в него шток. А чтобы он от нагревания не выскочил, припаяйте его к жестяным кружочкам. Шток должен свободно ходить по трубке камеры 7, без излишнего трения. В верхней части штока просверлите отверстие для пальца шатуна. Особое внимание уделите цилиндру 3 и поршню 2. От их качества зависит работа всей модели. Цилиндр можно изготовить из обрезка латунной или медной трубки длиной 40 мм и диаметором 18—20 мм, запаяв ее снизу латунным кружочком. В готовом цилиндре не забудьте просверлить отверстие для сообщения его с большим цилиндром.

Поршень желательно выточить на токарном станке. Шток закрепляется в верхней части поршня шарнирно. Заготовку топки 4 тоже нужно выгнуть на круглой болванке, предварительно проделав в ней отверстия для воздуха и крепежных винтов. Спаивать ее желательно прямо на готовом цилиндре 6.

Теперь нужно собрать модель: припаять цилиндр 3, подогнать к нему поршень 2, впаять в цилиндры трубку для сообщения между собой, смонтировать кривошипно-шатунный механизм, запаять дно цилиндра 6. Готовый корпус двигателя установите на топку 4 и закрепите пайкой. Резервуар для водяного охлаждения — это жестяная банка с впаянными снизу и сверху патрубками, на которые надеты резиновые шланги. Закрепляется резервуар рядом с двигателем на деревянной подставке.

Подытоживая, заметим, что двигатель Стирлинга действует на таком физическом явлении: работа, совершаемая горячим воздухом при расширении, больше работы, которую надо потратить на его сжатие. Поэтому постарайтесь получше отладить кинематику модели, чтобы до минимума уменьшить трение в движущихся узлах.

Другие задачи

Другие опыты и эксперименты

На главную