Юный техник, 2001 № 08
Шрифт:
Паровая машина. Для ремесленника она слишком дорога. Однако, если дать ему маленький дешевый двигатель, то он за себя еще постоит!
Первым такой двигатель попытался создать в 1816 году Роберт Стирлинг, министр по делам церкви Шотландии.
Работал двигатель за счет расширения воздуха при нагревании. Вместе с братом Джеймсом, Р. Стирлинг работал над своим детищем на протяжении шестидесяти (!) лет, но успеха не добился. Сказалась нехватка технических знаний. Лучше подготовлен оказался офицер шведской армии, инженер Джон Эриксон, изобретатель винтовых пароходов и броненосных судов, конструктор паровозов.
Уже в 1833
От двигателя Стирлинга этот мотор отличался конструктивно. Был прост в изготовлении и выпускался в разных странах почти столетие. Топливом для «эриксона» служило все, что могло гореть: светильный газ, дрова, даже мусор. Стоило зажечь огонь, и через пару минут двигатель начинал работать. (Паровым машинам на это требовался час.)
При самом скромным уходе «эриксоны» работали десятки лет и, конечно, ремесленники охотно их покупали. Увы, спасти «золотой век» кустарного производства не удалось.
Но не двигатель Эриксона, конечно, тому виной. Машина настолько оригинальна, что используется и в наше время.
Рассмотрим вкратце принцип его работы (рис. 1).
Рис. 1
Сначала насос закачивал в резервуар воздух. Отсюда он попадал в рабочий цилиндр, дно которого подогревалось огнем топки. Воздух нагревался, расширялся и толкал поршень. А при обратном ходе поршень выталкивал его в атмосферу. Однако, выпустить воздух горячим означало даром выбросить тепло, ради которого сжигалось топливо.
Не выпускать его — вал не сможет вращаться. Джон Эриксон блестяще разрешил это противоречие, заставив воздух перед выходом в атмосферу пройти через регенератор — пакет металлических сеток. Им он отдавал запасенное тепло и выходил уже холодным. Следующая порция воздуха попадала в цилиндр, проходя через нагретый уже регенератор. Потому тепла для ее нагревания в цилиндре требовалось меньше.
Управлял потоками воздуха кран-золотник. Когда его канал занимал вертикальное положение, воздух, пройдя регенератор, уходил в атмосферу. При горизонтальном положении золотника воздух выходил из резервуара, шел через регенератор в другом направлении, нагревался и поступал в рабочий цилиндр.
Неудивительно, что «эриксоны» получились очень экономичными. Изобретатель полагал даже, что правильно сделанному двигателю топливо требуется лишь для запуска, а дальше он сможет работать за счет тепла, запасенного в регенераторе, и свою работу он называл первым удачным решением проблемы вечного движения.
Это было заблуждение. В то время еще не было известно о превращении теплоты в работу. Между тем часть тепла в любом двигателе обязательно в нее превращается.
Регенератор же мог сберечь лишь то, что осталось — неиспользованную часть тепла и всего лишь понижал расход топлива.
В 1852 году Эриксон решил построить воздушную тепловую машину мощностью в 1000 л.с. для корабля «Эриксон». Она имела четыре цилиндра с диаметром поршней 4,2 м при ходе 1,5 м и работала со скоростью девять оборотов в минуту. В нью-йоркской газете «Дейли таймс» от 12 января 1853 г. описано, как корреспондент поднимался и опускался, стоя на поршнях этого монстра. Мощность машины достигла лишь 220 л.с., а расход топлива оказался даже больше, чем у паровых машин. На сей раз даже блестящему практику Д. Эриксону не хватило теоретических знаний. Его попытка пересечь океан закончилась неудачей из-за поломки двигателя.
С тех пор не строили воздушные тепловые машины большой мощности. Одна- две лошадиные силы для привода станка или водяного насоса, несколько десятков ватт для настольного вентилятора — вот мощности, где их применяли.
Однако наличие золотника и клапанов сильно усложняло машину. Оставив в ней все ценное, что разработал Эриксон, последующие изобретатели добавили к ней так называемым вытеснитель — элемент, разработанный еще Стирлингом.
Получился простой и надежный двигатель совсем без клапанов. На рисунке 2 приведена схема его демонстрационной модели.
Она имеет рабочий цилиндр и сообщающийся с ним особый цилиндр, в котором происходит нагревание и охлаждение воздуха. Дно его подогревается горелкой, а верхняя крышка охлаждается водой. В этом цилиндре и перемещается вытеснитель — цилиндр, расположенный внутри основного, с зазором между стенками. Когда он движется вниз, воздух, касаясь раскаленного дна, нагревается, расширяется. Происходит рабочий ход.
Когда рабочий цилиндр выталкивает воздух, вытеснитель идет вверх, и воздух охлаждается, соприкасаясь с верхней холодной крышкой. При этом воздух передает свое тепло вытеснителю, и он становится регенератором.
Рабочий цилиндр модели можно изготовить из куска латунной трубки, а вытеснительный цилиндр — из консервной баночки от детского питания. Ее прочно заделанное дно выдержит высокую температуру горелки. Сам вытеснитель сделан из дерева. Его верх и низ обшиты тонкой листовой медью. Охлаждаемая крышка вытеснительного цилиндра припаивается после установки вытеснителя.
В весьма обстоятельной книге С. Баранова «Действующие модели тепловых машин», ОНТИ, 1936 г., модель воздушного теплового двигателя рассматривается как очень простая, потому, видимо, ей отведено лишь несколько страниц без рабочего чертежа. Изготовление модели следует начать с вычерчивания эскиза в масштабе применительно к размеру имеющихся заготовок. Коленчатый вал делается из стали-серебрянки диаметром 4–6 мм. Для этого на стержень напаяйте щеки кривошипов (рис. 3) со вставленными в них штифтами.
Части, показанные красным цветом, нужно выпилить. Кривошипы закрепляются под углом 90 градусов.
По принципу этой демонстрационной модели работают современные двигатели Стирлинга. Рабочим телом в них служит не воздух, а гелий под давлением 200–300 атмосфер. Благодаря этому они получаются легкими и компактными, а по экономичности сравнимы с дизелями. Ожидается, что «стирлинг» может стать идеальным, экологически чистым и бесшумным двигателем для автомобиля.