Проделанная исследовательская работа в рамках индивидуального проекта по физике на тему "Двигатель Стирлинга. Создание действующей модели" отражает в 10 классе историю создания двигателя и его модели. Автор проводит исследование устройства и принципа работы двигателя, а также выявляет его преимущества и недостатки.

Практической частью индивидуального исследовательского проекта о двигателе Стирлинга ученицы 10 класса школы является подробное описание создания действующей модели двигателя, как с пошаговыми действиями по его изготовлению, так и с наглядными фотографиями всего процесса.

Оглавление

1. Теоретическая часть.
1.1. Биография Роберта Стирлинга.
1.2. История создания ДС.
1.3. Составляющие ДС.
1.4. Принцип работы и разновидности ДС.
1.5. Рабочий цикл двигателя Стирлинга.
1.6. Преимущества и недостатки ДС.
2. Практическая часть.
2.1. Материалы.
2.2. Ход работы.
Заключение
Список литературы
Приложение

Изучая тепловые явления на уроках физики и знакомясь с принципом работы теплового двигателя внутреннего сгорания, я начала размышлять о существовании альтернативных двигателей, которые не рассматриваются в школьной программе. Я наткнулась на малоизвестный внешний двигатель – двигатель Стирлинга.

Поскольку его не изучают в школе, моделей данного устройства, как действующих, так и схематических, в учебных материалах нет. Двигатель Стирлинга на сегодняшний день далеко не самый распространённый, и увидеть его в повседневной жизни – большая редкость.

Тем не менее, его применение наблюдается в некоторых сферах, таких как современные подводные лодки, автомобильная промышленность и даже в космических станциях. Двигатели Стирлинга (ДС) способны конкурировать с дизельными двигателями по эффективности.
В связи с истощением запасов нефти, в будущем, благодаря высокой эффективности и практичности, производство и использование двигателя Стирлинга станет весьма актуальным.

Цель: Создать рабочий двигатель Стирлинга в домашних условиях.

Задачи:

1. Изучить историю создания двигателя Стирлинга.
2. Исследовать устройство и принцип работы двигателя.
3. Выявить преимущества и недостатки ДС.
4. Создать действующую модель двигателя.

Актуальность:
Двигатель Стирлинга может использоваться в учебных заведениях в школьной программе по предмету физика для углубления знаний по теме «Тепловые двигатели».

Гипотеза: Двигатель Стирлинга можно создать в домашних условиях и использовать в учебных целях.

Роберт Стирлинг - шотландский священник, изобретатель двигателя Стирлинга родился 25 октября 1790 года в Шотландии (Приложение 1). Он был третьим ребёнком в семье, а всего детей было восемь. От отца Роберт унаследовал интерес к конструированию техники, но изучал богословие и стал священником Шотландской Церкви в 1816 году.

Стирлинг был обеспокоен травматизмом рабочих, которые работали с паровыми двигателями. Эти двигатели часто ломались из-за низкокачественного металла, из которого они были изготовлены (в то время не существовало более прочных материалов).
Роберт решил усовершенствовать конструкцию теплового двигателя. Он разработал устройство, которое назвал «эконом тепла». Это устройство повышает тепловую эффективность различных процессов.

В 1816 году Стирлинг получил патент на двигатель с «экономом тепла». ДС отличался от паровых двигателей, которые использовались в то время, тем, что для поднятия поршня и выработки энергии в нём использовался нагретый воздух под низким давлением, а не пар под высоким давлением, из-за этого он не может взорваться и не вызывает ожога паром.

В 1818 году Стирлинг создал первый практичный вариант своего двигателя и применил его для откачки воды из карьера.
В 1827 году Роберт подал заявку на ещё один патент на двигатель с усовершенствованным «экономайзером», который он теперь называл «регенератором».

В 1843 году он уже построил большой ДС, который в течение двух лет приводил в действие литейную компанию Данди, пока одна из деталей не вышла из строя.
В 1938 году фирма «Филипс» инвестировала в двигатель Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30%.

1.3. Составляющие ДС

Прежде чем узнать, как работает Двигатель Стирлинга, нужно рассмотреть его основные составные части.
Составляющие Двигателя Стирлинга (Приложение 2):

1. Теплообменный цилиндр (1) – большой цилиндр, задача которого поочередно разогревать и охлаждать рабочее тело. Он состоит из трех частей. Первой частью является нагревательная пластина, которую с внешней стороны нагревает источник тепла. Вторая часть – стенки цилиндра. Важно, чтобы они были сделаны из материала с плохой теплопроводностью. Третья часть – охлаждающая поверхность. Она охлаждает воздух, тем самым сжимает его. 
2. Вытеснительный поршень – полое внутри тело, изготовленное из легких материалов. Ход поршня способствует циркуляции рабочего тела во внутренней части цилиндра из-за неплотного прилегания вытеснительного поршня к стенкам теплообменного цилиндра (важное свойство вытеснительного поршня). Чаще всего в качестве рабочего тела в ДС используется воздух, однако также применяют водород и гелий. В некоторых экспериментальных установках испытывались фреоны, углекислый газ и вода. При использовании воды она остается в жидком состоянии на всех этапах термодинамического цикла.
3. Рабочий поршень (2) – это силовая часть двигателя. Его функция заключается в использовании энергии расширения газа с передачей действия на привод двигателя. Затем газ сжимается, обеспечивая повторный цикл.
4. Маховое колесо в двигателе Стирлинга (3) – массивное вращающееся колесо, использующееся в качестве накопителя кинетической энергии. Оно не позволяет двигателю заедать и останавливаться.
5. Кривошипно-шатунный механизм (4) служит для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала.

 

Двигатель Стирлинга представляет собой тепловую машину, в которой рабочее тело, находящееся в жидком или газообразном состоянии, перемещается в замкнутом объёме. Он относится к классу двигателей с внешним подводом теплоты (ДВПТ). ДС работает по замкнутому термодинамическому циклу (Приложение 3). Из термодинамики известно, что давление, температура и объём газа взаимосвязаны по закону: PV=nRT, где

• P — давление газа
• V — объём газа
• n — количество молей газа
• R — универсальная газовая константа
• Т — температура газа (К)

Принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередующихся циклах нагрева и охлаждения газа в закрытом цилиндре. При нагреве газ расширяется и двигает рабочий поршень. Этот поршень опускается, толкает шатун и поворачивает маховик. Одновременно изменяется положение вытеснительного поршня, который перемещает газ из нагретой в холодную зону. Газ остывает и создает обратное усилие на рабочий поршень.

Существует три основных типа ДС (Приложение 4):

• Альфа-Стирлинг - двигатель, содержащий два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах. Один поршень — горячий, другой — холодный. Горячий поршень толкается от расширения воздуха, а холодный - от остывания воздуха.
• Бета-Стирлинг — двигатель, в котором цилиндр один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся рабочий поршень и вытеснитель, разделяющий горячую и холодную полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую благодаря вытеснителю.
• Гамма-Стирлинг - двигатель с двумя цилиндрами: один холодный, а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется вытеснитель).

Рабочий цикл двигателя Стирлинга состоит из четырех тактов (Приложение 5):

1. Такт-охлаждение. Внешний источник тепла нагревает газ в нижней части теплообменного цилиндра. Создаваемое давление толкает рабочий поршень вверх.
2. Такт-сжатие. Маховик толкает вытеснительный поршень вниз, тем самым перемещая разогретый воздух из нижней части в охлаждающую камеру.
3. Такт-нагревание. Воздух остывает и сжимается, рабочий поршень опускается вниз.
4. Такт-расширение, рабочий ход. Вытеснительный поршень поднимается вверх, тем самым перемещая охлаждённый воздух в нижнюю часть. И цикл повторяется.

Преимущества:

• КПД двигателя Стирлинга может достигать 65-70% КПД от цикла Карно при современном уровне проектирования и технологии изготовления. Кроме того, крутящий момент двигателя почти не зависит от скорости вращения коленвала. В двигателях внутреннего сгорания напротив максимальный крутящий момент достигается в узком диапазоне частот вращения.
• Грамотно спроектированный и технологично изготовленный двигатель Стирлинга не требует регулировки и настройки в процессе всего срока эксплуатации.
• Бесшумность. Она обусловлена тем, что в цилиндрах отсутствует детонация и нет необходимости в выводе отработавших газов.
• В ДВС сгорание топливо-воздушной смеси в цилиндре двигателя является, по сути, взрывом со скоростью распространения взрывной волны 5-7 км/сек. Этот процесс дает чудовищные пиковые нагрузки на шатуны, коленчатый вал и подшипники. Стирлинги же лишены этого недостатка, так как давление в цилиндре повышается не взрывом, а плавно.
• Двигатель не будет "капризничать" из-за потери искры, засорившегося карбюратора или низкого заряда аккумулятора, поскольку не имеет этих агрегатов. Понятие "двигатель заглох" не имеет смысла для Стирлингов. Стирлинг может остановиться, если нагрузка превышает расчетную. Повторно запуск осуществляется однократным проворотом маховика коленчатого вала.
• Простота конструкции позволяет длительно эксплуатировать Стирлинг в автономном режиме.
• «Всеядность» двигателя — подобно всем двигателям с внешним сгоранием они способны функционировать при практически любом температурном перепаде. Это может быть, например, разница температур между слоями воды в океане или солнечная энергия.
• Сгорание топлива происходит вне внутреннего объема двигателя (в отличии от ДВС), что позволяет обеспечить равномерное горение топлива и полное его дожигание.
• Экономичность — для утилизации некоторых видов тепловой энергии, особенно при небольшой разнице температур, «стирлинги» часто оказываются самыми эффективными видами двигателей. Например, при преобразовании солнечной энергии в электричество двигатели Стирлинга могут продемонстрировать более высокий КПД (до 31,25 %) по сравнению с паровыми машинами.
• Экологичность. Внутри двигателя отсутствуют компоненты, которые могли бы существенно загрязнять окружающую среду, чего не скажешь о двигателях внутреннего сгорания.

Недостатки:

• Громоздкость и материалоемкость – основной недостаток поршневых двигателей внешнего сгорания.
• Для получения характеристик, сравнимых с характеристиками ДВС, приходится применять высокие давления (свыше 100 атм.) и особые виды рабочего тела – водород и гелий.
• Огромным недостатком является то, что тепло проводиться к телу не непосредственно, а с помощью стенок теплообменника. Стенки же в свою очередь имеют ограниченную теплопроводность, из-за чего КПД оказывается меньше. Также из-за этого материал стенок требует дорогостоящие материалы.

Я решила создать Двигатель Стирлинга гамма-типа. Для него мне понадобились:

• 3 алюминиевые банки 330 мл
• Картон двухслойный
• Леска
• 1 рубль
• Скотч
• Фольга
• Пластиковая карта
• Колпачок от клея
• Иголка
• Суперклей
• Жидкий силиконовый герметик
• 2 деревянные линейки
• Баллончик с диаметром 35мм
• Трубка с диаметром 5мм
• Эпоксидный пластилин
• Клапан от медицинской капельницы
• Крышка 23мм
• Шайба 20мм
• Медицинский напальчник
• Винт
• Трехмиллиметровая латунная клемма
• Проволока
• Колпачок для медицинских игл 6 штук
• Канцелярские большие скрепки 2 штуки
• Смазка для механизмов
• Пластиковая крышка из-под молочной продукции
• Стальная шайба
• Консервная банка
• Ножницы
• Канцелярский нож
• Дрель
• Плоскогубцы
• Маркер
• Клей-пистолет
• Свечка

1. Обрезаем алюминиевую банку до высоты 90мм. (Приложение 6)
2. Удаляем лакокрасочное покрытие с цилиндра наждачной бумагой. (Приложение 6)
3. Днище детали проминаем маркером. (Приложение 6)
4. Из второй алюминиевой банки вырезаем заглушку цилиндра высотой 25мм. (Приложение 6)
5. Определяем в ней центр и просверливаем отверстие по центру. (Приложение 6)
6. На листе двухслойного картона размечаем и вырезаем 2 диска и полоску. У каждого из дисков должен быть диаметр 60мм, а полоска должна быть длиной 180мм и шириной 35мм. (Приложение 7)
7. К одному из дисков привязываем рыболовную леску. Ко второму диску приклеиваем рублевую монету. (Приложение 7)
8. С полоски картона снимаем внешний слой с одной из сторон. (Приложение 7)
9. Склеиваем 2 диска и полоску картона так, чтобы полоска огибала оба диска. (Приложение 7)
10. Плотно обтягиваем фольгой полученный каркас в 2 слоя и делаем отверстие для лески. (Приложение 7)
11. Из пластиковой карты вырезаем круглую заготовку с диаметром 30мм и проделываем по центру отверстие. (Приложение 8)
12. Фиксируем втулку с внутренней стороны заглушки цилиндра ровно по центру. (Приложение 8)
13. Поверх заглушки приклеиваем барьер из колпачка от клея. (Приложение 8)
14. Вставляем заглушку в цилиндр. При этом ход вытеснителя от верхней до нижней мёртвой точки должен составлять 26мм. (Приложение 8)
15. Две деревянные линейки укорачиваем до 125мм и делаем сверху в них отверстия. Одну из линеек приклеиваем на высоте 30мм от дна цилиндра. Делаем отверстие в цилиндре под соединительную трубку на максимальной высоте от верхнего его края. (Приложение 8)
16. Баллончик с диаметром 35мм укорачиваем до высоты 30мм. Срез покрываем слоем горячего клея. Сбоку проделываем отверстие под соединительную трубку и вставляем её. Врезаем в баллончик клапан от медицинской капельницы. (Приложение 8)
17. Прикрепляем соединительную трубку к цилиндру. (Приложение 8)
18. Монтируем поршневую основу на линейку с помощью эпоксидного пластилина. (Приложение 8)
19. Медицинский напальчник стягиваем между крышкой и шайбой винтом. На выступающую часть винта насаживаем трехмиллиметровую латунную клемму. Натягиваем мембрану на поршневую основу. (Приложение 9)
20. Фиксируем амплитуду хода поршня (14мм). (Приложение 9)
21. Из проволоки выгибаем конструкцию, все размеры которой указаны на фотографии (Приложение 10). При этом размер надпоршневого колена равен половине амплитуды поршня (7мм).
22. Из канцелярской скрепки делаем крепежный крючок для лески.
23. Из колпачков от медицинских игл вырезаем ограничители, два из которых устанавливаем с двух сторон от крючка для лески, установленного на коленвале. (Приложение 11)
24. Прикрепляем вторую линейку на высоте 30мм от дна цилиндра. Продеваем коленвал через отверстия в линейках и насаживаем еще два ограничителя. (Приложение 11)
25. Привязываем леску к крючку на таком уровне, чтобы вытеснитель не касался заглушки цилиндра в верхней мёртвой точке и дна цилиндра в нижней мёртвой точке. (Приложение 11)
26. Над поршнем устанавливаем шатун из проволоки. Нижняя его часть вставляется в латунную клемму и затягивается винтом. Вверху устанавливаем по бокам два ограничителя. (Приложение 11)
27. На алюминиевой банке объёмом 330мл размечаем три линии: первую – на высоте 10 мм от основания, вторую – на 25мм и третью в максимальной близости к горловине. (Приложение 12)
28. В центре днища банки проделываем отверстие диаметром, равным диаметру коленвала.
29. На банке по вертикали чертим 6 равноудалённых полос. (Приложение 12)
30. Отделяем горловину банки по верхней полосе. (Приложение 12)
31. Делаем продольные разрезы ножницами по всем вертикальным линиям до нижней горизонтальной линии. (Приложение 12)
32. Каждую будущую лопасть изгибаем под прямым углом, при этом изгиб должен проходить от нижнего левого до верхнего правого угла вертикальной секции. (Приложение 12)
33. В пластиковую крышку из-под молочной продукции вклеиваем стальную шайбу. В центре крышки проделываем отверстие и вклеиваем её равно по центру маховика. (Приложение 13)
34. Готовый маховик фиксируем на оси парой капель клея. (Приложение 13)
35. В консервной банке вырезаем два отверстия: одно под цилиндр, второе под свечку. (Приложение 14)
36. Вставляем цилиндр в консервную банку и закрепляем его эпоксидным пластилином. (Приложение 14)

В результате работы была изготовлена из подручных материалов действующая модель двигателя Стирлинга – гениальной разработки шотландского изобретателя Роберта Стирлинга.
Этот двигатель не производит вредных выбросов в атмосферу и является экологически чистым.
Данная модель может быть использована на уроках физики в школе при обсуждении основных законов термодинамики и принципов действия тепловых двигателей.

Тему двигателей Стирлинга надо развивать, они не требуют горючих материалов и могут работать просто от перемены температур.

1. Глухов В.С., Дикой А.А., Дикая И.В. «Основы гидравлики и теплотехники: Раздел 2. Основы теплотехники» - Армавир, 2019.
2. Статья М. Д. Кузнецова «Особенности двигателей внешнего сгорания — двигателей Стирлинга» в журнале «Записки Горного института» (2012).
3. Н.Г. Кириллов «Двигатели Стирлинга - технологический прорыв в автономной энергетике XXI века»., 2005.
4. Н. Кириллов, И. Затеев «Двигатель Стирлинга. История, перспективы», журнал «Альтернативный киловатт».