Двигатель Стирлинга

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 31 Октября 2013 в 18:03, курсовая работа

Краткое описание

Цель: исследование двигателя Стирлинга.
Задачи:
1. собрать и анализировать материал на тему двигатель Стирлинга;
2. изготовить модель двигателя Стирлинга;
3. апробировать работу двигателя Стирлинга.

Содержание

Введение 3 Биография создателя двигателя Стирлинга 4
Краткая история развития Стирлинг двигателей 4
Второе рождение 5
Современное применение двигателей Стирлинга 6
Цикл Стирлинга 7
Плюсы Стирлингов 9
Минусы Стирлингов 9
Конструкции двигателей Стирлинга 10
Методы изготовления двигателей Стирлинга 12
Методы расчета двигателей Стирлинга 14
Выводы 17
Библиографический список 18

Прикрепленные файлы: 1 файл

двигатель стирлинга.doc

— 482.50 Кб (Скачать документ)

Гамма-тип двигателя Стирлинга

Гамма-стирлинги - компромисс между альфа и бета модификациями. В конструкции присутствуют два цилиндра, как в "альфе" и применяется дисплейсер - как в "бете". Один цилиндр является чисто теплообменным, другой чисто рабочим. К одному торцу теплообменного цилиндра подводят тепло, другой - охлаждают. Стенки цилиндра изготавливают из материала с низкой теплопроводностью, торцы - наоборот - с высокой. Внутри цилиндра размещен дисплейсер, шток которого через сальник крепится к коленчатому валу. Разность фаз движения также - 90 градусов. Таким образом образуются холодная и горячая полость, разделенные "тепловым клапаном". Теплообменный цилиндр соединен с рабочим через регенератор.

К недостатку данной модификации можно причислить все  тот же "мертвый объем" и относительно большие габариты, хотя для стационарных Стирлингов это не существенно. Главная популярность конструкции заключается в простоте изготовления. Гамма-Стирлинг может изготовить любой желающий даже в кустарных. При всей сложности и "эксклюзивности" в основе конструкции большинства стирлинг-машин заложен один из вышеперечисленных типов. Ниже кратко рассматриваются альтернативные конструкции, не редко используемые при изготовлении многочисленных моделей.

Свободнопоршневые двигатели Стирлинга

Классические  свободнопоршневые двигатели Стирлинга, получили свое название по имени их изобретателя - профессора Била из университета штата Огайо (двигатели Била). По своей кинематической схеме этот тип является бетта-типом Стирлингов с одним отличием: в конструкции этих Стирлингов отсутствует коленчатый вал. Однако есть модификации исполненные по альфа-типу. Рабочий поршень дает только возвратно-поступательное движение. Перемещение рабочего поршня и дисплейсера организовано за счет сил инерции, резонанса и использования циклического перепада давления, возникающего при работе двигателя. Но имеется и вариант гибрида, где рабочий поршень присоединен к коленчатому валу, а дисплейсер не имеет с валом механического контакта. Движение дисплейсера также организовано за счет циклического перепада давления в двигателе. Такие двигатели имеют конструкцию гамма-типа. Дисплейсер в таком двигателе максимально облегчен. Шток дисплейсера в теплообменном цилиндре имеет увеличенное, по сравнению с обычными гамма-стирлингами, сечение и исполняет роль минипоршня. который при изменении давления двигает сам дисплейсер. Поскольку давление оказываемое нагретым газом на рабочий поршень и шток-миницилиндр дисплейсера одинаково, а вес и сопротивление дисплейсера гораздо ниже. чем у рабочего поршня - дисплейсер реагирует на перепады давления быстрее. За счет этого образуется устойчивый сдвиг фаз движения поршня и дисплейсера, необходимый для работы любого Стирлинг-двигателя.

Преимуществом свободнопоршневых Стирлингов является полная герметичность конструкции. Специалисты NASA занимаются разработкой энергетических модулей для спутников на основе свободнопоршневых двигателей. Для вырабатывания электроэнергии применяют линейный генератор, размещенный внутри корпуса двигателя. Такие Стирлинги не требуют обслуживания и могут работать в любой среде, в том числе и в вакууме.

Роторные  двигатели Стирлинга

Роторные Стирлинги  можно отнести к гамма-типу. Однако вместо классической схемы теплообменного цилиндра, где дисплейсер совершает  возвратно-поступательные движения, функцию "теплового клапана" выполняет нессиметричный ротор. Вращаясь по оси он поочередно перекрывает горячую и холодную зоны, вызывая нагрев и охлаждение рабочего тела. Роторные Стирлинги отличаются более компактными размерами и могут быть выполнены полностью герметичными. Для этого в корпусе двигателя размещают генератор, или выводят механический привод через магнитную муфту.

Недостатком двигателя  является сложность в обеспечении  нагрева и охлаждения теплообменного цилиндра, поскольку в отличии от стандартного гамма-стирлинга нагревать и охлаждать приходится не торцы цилиндра а боковые стенки. Вследствие этого теплопотери могут увеличиваться.

Есть Стирлинги, спроектированные по классической схеме роторного двигателя внутреннего сгорания, но в моделировании такая схема не используется из-за высокой конструкционной сложности исполнения.

Двигатель Стирлинга замедленного нагрева

Данная конструкция Стирлингов пожалуй самая "загадочная" из имеющихся. Ее "с натягом" можно причислить к бета-типу Стирлингов. В основе работы двигателя заложен термоакустический эффект. Суть эффекта, на первый взгляд, проста. При неравномерном нагреве полой, запаянной с одного конца трубки, изготовленной из материала с низкой теплопроводностью в полости трубки возникают автоколебания воздуха. При определенной доработке трубка начинает издавать звук. Конструкторы решили использовать этот эффект для создания двигателя, поэтому данные двигатели имею второе название - термоакустические. Поскольку термоакустические двигатели получают внешний подвод тепла к системе и замкнутый объем с рабочим телом, их причисляют к Стирлингам.

Работает двигатель  за счет образования стоячей волны  внутри рабочего цилиндра. Изменения  давления смещены во времени относительно возвратно-поступательного движения поршня. Данное несовпадение по времени в колебаниях давления и поршня заменяют второй цилиндр. За счет этого поддерживается автоколебание в системе. Конструктивно двигатель очень прост, но его расчет весьма сложен. При изготовлении моделей длину рабочего цилиндра, размер регенератора и прочие тонкости находят, в основном, экспериментально.

Методы  изготовления двигателей Стирлинга

Все зависит  от имеющихся в наличии или  доступных материалов. Для низкотемпературных Стирлингов подойдут алюминий, жесть, пластмасса, и т.д. Для высокотемпературных моделей - сталь, латунь, лабораторное стекло. Также можно использовать медь и алюминий, но с осторожностью. Эти материалы выдерживают температурное воздействие пламени, но выгорают со временем. Алюминий окисляется, в меди выгорают стабилизирующие ее пластичность присадки. Она становится хрупкой и крошится. Если Вы не планируете ежедневно по несколько часов эксплуатировать модель этим можно пренебречь. Для постройки Стирлингов с целью ученьшения трудозатрат многие используют полуфабрикаты и отдельные готовые узлы из других механизмов. Это не лучшим образом сказывается на дизайне двигателя, поскольку вписывать готовые узлы в свою конструкцию не всегда удобно. Зато данный прием компенсирует недостаток производственной базы. К примеру - нет возможности изготовить цилиндро-поршневую группу - возьмите готовую с подходящими габаритами. Нужен подшипник малого размера, но с хорошим скольжением - извлеките его из отслужившей свой срок бытовой техники. В конечном счете решение о том, что изготовить самому, а что взять готовое зависит от используемых Вами технологий.

"Квартирная  технология" для Стирлингов

Все, что можно  изготовить без особых усилий не выходя из дома и есть "квартирная технология". Все зависит от имеющегося инструмента. Базовый набор выглядит примерно так: шило, острый нож или лезвие, ножницы из хорошей стали, отвертка, плоскогубцы, минитиски, набор надфилей, паяльник, электродрель и набор сверел по металлу от 1 мм до 5 мм. Перечислим, что можно изготовить имея все это. Проволочный или сложный составной коленвал, подшипники скольжения, стойки и шатуны поршней, цилиндры и поршни к ним диаметром до 25-30 мм., герметичные сальники и штоки под них. При желании реально сделать даже ромбический привод! Сейчас в больших магазинах бытового инструмента можно приобрести устройство для гравировки с массой насадок. Многие применяют его, как минифрезерный станок. Если в Ваших краях нет такой штуки - можно смастерить или купить тиски для сверления с двумя степенями подвижности по горизонтали. В купе с вертикальной струбциной для дрели получаете фрезерный станок на кухонном столе.

В конечном итоге  не важно, какой набор инструментов имеется. Без Вас и желания  что-либо создать все вышеперечисленное - куча бесполезного железа, аккуратно или не аккуратно сложенного или сваленного в шкафу. Продумайте план работ. Как и из чего можно изготовить каждую, даже незначительную на первый взгляд деталь с помощью имеющегося в наличии инструмента. И все получится.

"Гаражная  технология" для Стирлингов

Возможно изготовление исключительно настольных моделей  Стирлингов Вас не устраивает или  имеются далеко идущие планы. Следующий  шаг - переход к "гаражной технологии". Если вы счастливый обладатель собственного гаража - не тешьте себя мыслью, что имеете "в кармане" "гаражную технологию". Гараж - должен иметь оборудование минимастерской. Отлично, если имеются инструменты для резки и сварки металла (болгарка, сварочный аппарат или плазморез). Хорошая дрель и нормальный верстак со слесарными тисками, трубогиб также не повредят. "Гаражная технология" позволяет производить единичные полномасштабные агрегаты. Отсутствие токарного и фрезерного станка все равно приведет Вас к вышеприведенным путям решения проблемы обработки металла - подбор готовых узлов или заказ требуемого на заводе. Это не критично. Зато в процессе работы Вы многое узнаете о металлах, сплавах и способах обработки и критериях качества.

В принципе "гаражная технология" - хорошая школа для  создания опытного производства с нуля. Вы отработаете технологическую цепочку, определите набор инструментов и количество времени для каждого действия, возможно изобретете и изготовите несколько приспособлений, резко облегчающих и ускоряющих работу, наладите связи с малыми предприятиями и мастерскими по обработке металла. Результатом станет четкий план создания опытного производства на ограниченных площадях и с ограниченным набором технических средств.

"Опытное  производство" Стирлингов

Опытное производство отличается большой "гибкостью" - способностью изготовить единичный образец по эксклюзивным чертежам и наладить мелкосерийный выпуск за относительно короткий промежуток времени. Опытное производство - не набор слесарного и металлообрабатывающего оборудования на достаточной площади. Опытное производство - прежде всего знания! Материаловедение, металлообработка, эргономика, хорошее знание теории расчета Стирлинг - двигателей.

"Космические"  Стирлинг - технологии

Определение "космические  технологии" из разряда гротескных, но вполне конкретно. Опытное производство, использующее для Стирлингов экзотические материалы: кварцевое стекло, разного рода керамику, обладающую запредельными характеристиками по прочности, термостойкости и трибологии (трибология - наука о трении), определенные жаропрочные легированные стали, фторопласты, а также технологии "тепловых трубок", работа с гелием и другими сепарированными газами в качестве рабочего тела для Стирлинга и вообще использование всего, что является последними разработками науки - все это и есть "космические технологии".

Методы  расчета двигателей Стирлинга

Расчет двигателей Стирлинга строится на основе молекулярно-кинетической теории газов (МКТ). Все процессы, происходящие в двигателе, протекают с изменением давления, температуры и объема, но при постоянном количестве рабочего тела в системе. Для максимально упрощенного расчета можно воспользоваться формулами МКТ и определить состояния системы для каждого такта Стирлинг-двигателя по отдельности. Этот метод самый простой, но и самый неточный. Напомним, что понятие "такт" для Стирлингов весьма условно, поскольку двигатель не имеет клапанов. Процессы перетекают один в другой. Метод позволяет ориентировочно определить максимальное и минимальное давление за цикл. Зная площадь рабочего поршня и максимальное давление за цикл вычислить теоретическую мощность Стирлинга просто.

Более точным считается  метод расчета по теории Шмидта. Г. Шмидт (G.Schmidt) провел анализ работы двигателей Стирлинга и в 1861 году предложил вариант расчета стирлинг-машин на основе МКТ. Теория несколько идеализирована, но более реалистична, чем идеальный цикл Стирлинга. Есть еще более сложный способ - метод узлового анализа, но здесь он рассматриваться не будет ввиду высокой сложности.

Основные понятия классической термодинамики: агрегатное состояние вещества — форма существования вещества, отличающаяся от других его агрегатных состояний механической реакцией на внешние механические же воздействия (давление, наличие ограничивающих стенок и пр.). Выделяют три основных агрегатных состояния — твёрдое, жидкое и газообразное. В качестве четвёртого агрегатного состояния иногда называют плазму, считая её поведение в некоторых ситуациях принципиально отличным от поведения «обычных» газов. Однако существует мнение, что плазма является особым фазовым состоянием газообразного вещества. Изменение агрегатного состояния также называют «фазовым переходом первого рода».

Адиабатический  процесс — термодинамический  процесс, при рассмотрении которого обмен тепловой энергией с окружающей средой можно не учитывать. Прежде всего к таким процессам относятся очень быстрые процессы, а также более медленные процессы, происходящие в условиях хорошей теплоизоляции.

Изобарический процесс — термодинамический  процесс, при рассмотрении которого давление считается постоянным. Чаще всего к этой категории можно отнести не слишком быстрые процессы, происходящие «на открытом воздухе».

Изотермический  процесс — термодинамический  процесс, при рассмотрении которого температура считается постоянной. Обычно к этой категории относятся  медленные процессы, происходящие «на открытом воздухе» либо в условиях хорошего теплообмена с окружающей средой. К этой же категории иногда можно отнести и те адиабатические процессы, при которых давление и объём меняются несильно — на проценты, а не в разы, — поскольку в этом случае изменения температуры невелики и тогда (но не всегда!) ими можно пренебречь.

Информация о работе Двигатель Стирлинга