Тепловой двигатель своими руками

Как я собирал паровой двигатель своими руками

Купил недавно участок загородом, обустраиваю там дачу. Уже всё закончил, приезжаю, отдыхаю и уезжаю, частенько на выходных там бываю. На днях пришла гениальная идея сконструировать самодельный паровой двигатель, чтобы не было так скучно там, ведь можно будет сделать макет поезда или как использовать его для хозяйственных нужд, однако скорее всего буду использовать его просто для развлечения. Уже сделал и дальше хочу рассказать вам, как сделать паровой двигатель своими руками.

Немного про паровой двигатель и принцип его действия

Паровой двигатель/паровая машина – тепловой двигатель внешнего сгорания, использует и преобразует энергию водяного пара во вращательно-поступательную механическую работу поршня и вала.

Паровым двигателем можно считать любой двигатель внешнего сгорания, что преобразует энергию пара в механическую работу.

Принцип работы парового двигателя весьма прост: путём сгорания топлива нагревается вода и превращается в водяной пар, который различными способами приводят поршень в движения, поршень же вращает вал, и на выходе мы имеем механическую работу от вала.

Зачем собирать паровой двигатель в 21-ом веке

Итак, сейчас 21-ое столетие, цифровая эпоха, век высоких компьютерных технологий, можно задаться вопросом «Зачем вообще кому-то собирать паровой двигатель сейчас?».

Есть люди, которые говорят, что хотят сделать модель паровоза, паровой генератор для дома и использовать его для своих нужд – всё это чушь.

Если бы эти нужды были реально важны для них, они бы использовали скорее более эффективный двигатель внутреннего сгорания.

На самом деле в нынешнее время паровые двигатели строят для удовольствия от инженерного дела, удовольствия от моделирования и удовольствия от полученного опыта – того самого опыта, который был у великих изобретателей древности.

Изготовление парового двигателя своими руками

Вот чертёж парового двигателя, с которым вам необходимо ознакомиться прежде, чем приступать к работе:

Первым делом необходимо подготовить инструменты и материалы для изготовления.

Из материалов для изготовления парового двигателя из жестяной банки мне для этого понадобилось:

Свинец;
Спицы для колёс от велосипеда;
Маленькая и обычная трубка;
Болты, гайки, шурупы;
Медная проволока диаметром 1,5 мм;
Куски досок;
Сама жестяная банка (подойдёт банка из-под оливок);
Деревянные бруски;
Телескопическая антенна диаметром не менее 8 мм;
Подставка (можно использовать фанеру);
Суперклей и эпоксидная смола;

А из инструментов:

Паяльник;
Ножовка;
Дрель;
Наждак;

А теперь приступим непосредственно к самой сборке.

Для начала необходимо изготовить цилиндр и золотниковую трубку.

Для этого отрежьте от вашей телескопической антенны 3 куска: один кусок должен быть длиной 38 мм и 8 мм в диаметре (трубка 1), второй диаметром 4 мм и длиной 30 мм (трубка 2), ну и третий должен быть диаметром также 4 мм, а длиной 6 мм (трубка 3).

Далее возьмите трубку 2, что вы вырезали ранее, и сделайте в ней отверстие посередине, которое должно быть диаметром 4 мм.

Приклейте трубку 3 перпендикулярно к трубке 2 с помощью суперклея.

После высыхания можете использовать холодную сварку для более качественного соединения.

Последним шагам вам нужно будет прикрепить шайбу с отверстием к трубке 3. Для более качественного соединения используйте холодную сварку после высыхания.

Для лучшей герметичности покройте все швы цилиндра эпоксидной смолой.

Следующим этапом будет изготовление поршня с шатуном.

Возьмите болт с диаметром около 7 миллиметров, зажмите его шляпкой в тисках. После чего намотайте на него шесть витков медной проволоки.

Каждый виток необходимо промазать суперклеем.

В конце просто спилите лишние концы бота.

Вторым шагом вам нужно будет покрыть проволоку на болте эпоксидной смолой и подождать пока она высохнет. Далее подогнать ваш поршень под уже изготовленный цилиндр.

Подогнать нужно так, чтобы поршень двигался свободно, но не пропускал воздух.

После возьмите лист алюминия и вырежьте из него полоску шириной 4 миллиметра, а длиной 19.

Придайте полоске П-образную форму.

Стороны этой детали должны быть 7 на 5 на 7 миллиметров.

Просверлите на обоих концах полоски отверстия диаметром по 2 миллиметра. В получившееся отверстие должен поместиться кусочек спицы. После чего приклейте её к поршню стороной 5 мм.

Далее сделайте шатун из спицы от велосипеда.

Для этого приклейте к концам спицы два маленьких кусочков антенных трубок длиной и диаметром примерно по 3 миллиметра.

Расстояние от одного центра шатуна до другого должно составлять 5 см.

Вставьте только что изготовленный шатун в П-образную деталь и шарнирно зафиксируйте спицей.

Спицу необходимо подклеить с двух сторон, чтобы она не выпала при работе.

Следующим этапом будет изготовление шатуна треугольника.

Похожим образом, как и обычный шатун, делается шатун треугольника, только с одной стороны должен быть кусок велосипедной спицы, а с другого трубка.

Для шатуна треугольника должна составлять 7,5 сантиметров.

После – изготовление треугольника и золотника.

Возьмите лист металла и вырежьте из него треугольник.

В этом треугольнике просверлите 3 отверстия. Расстояние между отверстием 1 и отверстием 2 должно быть 1,9 см, между отверстием 2 и отверстием 3 – 2,3 см.

Теперь займитесь изготовлением золотника.

Длина золотника должна составлять 3,5 см, толщина должна быть такой, чтобы он свободно перемещался по трубке золотника.

Выбирайте длину штока в зависимости от вашего маховика.

Предпоследним этапом будет изготовление подпорок и кривошипов

Подпорки сделайте из брусков, выбирая размеры по вашему усмотрению.

Длина кривошипа поршневой тяги должна составлять 0,8 см, длина же кривошипа золотника в два раза меньше – 0,4 см.

Последний этап – изготовление парового котла

Паровым котлом выступит банка из-под оливок, которой необходимо запаять крышку.

В крышке необходимо просверлить два отверстия – под трубку и гайку.

Гайка нужна для того, чтобы через неё заливать воду в котёл, закрывая отверстие, закручивая болт в неё.

Далее необходимо собрать все детали воедино и разместить каждый элемент на подпорке, что находится на деревянной платформе.

В конце проведите испытания.

Если они успешны, то можно сказать, что самодельный паровой двигатель готов.

Фото двигателя в сборке:

Рекомендую следующее видео, в котором автор собирает своими руками паровой двигатель:

Как итог

Такое интересное развлекательное изделие как паровой двигатель можно легко сделать своими руками. Для этого нужно будет лишь лист металла, несколько деревянных брусков, досок, банка из-под оливок, спица, болты гайки, трубки и другие мелочи, а также необходимые инструменты. Качество вашего парового двигателя зависит от вас, если вы сделаете всё правильно, то он будет служить вам долгие годы.

напишите в комментариях, как считаете разумно ли делать паровой двигатель в 21-ом веке

Термоакустический двигатель – двигатель Стирлинга без поршней

Двигатель Стирлинга – двигатель с внешним подводом тепла. Внешний подвод тепла – это очень удобно, когда есть необходимость использовать в качестве источника тепла не органические виды топлива. Например, можно использовать солнечную энергию, геотермальную энергию, бросовое тепло с различных предприятий.

Рисунок 1 – Двигатель Стирлинга альфа типа

Посмотрите на двигатель Стирлинга Альфа типа. При вращении вала поршни начинают перегонять газ то из холодного в горячий цилиндр, то наоборот, из горячего в холодный. Но они не просто перегоняют, а ещё и сжимают и расширяют. Совершается термодинамический цикл. Можно мысленно представить на картинке, что когда вал повернётся так, что ось, на которую крепятся шатуны, окажется вверху, то это будет момент наибольшего сжатия газа, а когда внизу, то расширения. Правда это не совсем так из-за тепловых расширений и сжатий газа, но примерно всё же всё это так.

Сердцем двигателя является так называемое ядро, которое состоит из двух теплообменников – горячего и холодного и между ними находится регенератор. Теплообменники обычно делаются пластинчатыми, а регенератор – это чаще всего стопка, набранная из металлической сетки. Зачем нужны теплообменники понятно – нагревать и охлаждать газ, а зачем нужен регенератор? А регенератор – это настоящий тепловой аккумулятор. Когда горячий газ движется в холодную сторону, он нагревает регенератор и регенератор запасает тепловую энергию. Когда газ движется из холодной на горячую сторону, то холодный газ подогревается в регенераторе и таким образом это тепло, которое без регенератора бы безвозвратно ушло на нагрев окружающей среды, спасается. Так что, регенератор – крайне необходимая вещь. Хороший регенератор повышает КПД двигателя примерно в 3,6 раза.

Любителям, которые мечтают построить подобный двигатель самостоятельно, хочу рассказать подробнее про теплообменники. Большинство самодельных двигателей Стирлинга, из тех что я видел, вообще не имеют теплообменников (я про двигатели альфа типа). Теплообменниками являются сами поршни и цилиндры. Один цилиндр нагревается, другой охлаждается. При этом площадь теплообменной поверхности, контактирующей с газом совсем мала. Так что, есть возможность значительно увеличить мощность двигателя, поставив на входе в цилиндры теплообменники. И даже на рисунке 1 пламя направлено прямиком на цилиндр, что в заводских двигателях не совсем так.

Вернёмся к истории развития двигателей Стирлинга. Итак, пускай двигатель во многом хорош, но наличие маслосъёмных колец и подшипников снижало ресурс двигателя и инженеры напряжённо думали, как его улучшить, и придумали.

В 1969 году Вильям Бейл исследовал резонансные эффекты в работе двигателя и позже смог сделать двигатель, для которого не нужны ни шатуны ни коленчатый вал. Синхронизация поршней возникала из-за резонансных эффектов. Этот тип двигателей стал называться свободнопоршневым двигателем (Рисунок 2).

Рисунок 2 – Свободнопоршневой двигатель Стирлинга

На рисунке 2 показан свободнопоршневой двигатель бета типа. Здесь газ переходит из горячей области в холодную, и наоборот, благодаря вытеснителю (который движется свободно), а рабочий поршень совершает полезную работу. Вытеснитель и поршень совершают колебания на спиральных пружинах, которые можно видеть в правой части рисунка. Сложность в том, что их колебания должны быть с одинаковой частотой и с разностью фаз в 90 градусов и всё это благодаря резонансным эффектам. Сделать это довольно трудно.

Таким образом, количество деталей уменьшили, но при этом ужесточились требования к точности расчётов и изготовления. Но надёжность двигателя, несомненно, возросла, особенно в конструкциях, где в качестве вытеснителя и поршня применяются гибкие мембраны. В таком случае в двигателе вообще отсутствуют трущиеся детали. Электроэнергию, при желании, с такого двигателя можно снимать с помощью линейного генератора.

Но и этого инженерам оказалось не достаточно, и они начали искать способы избавиться не просто от трущихся деталей, а вообще от подвижных деталей. И они нашли такой способ.

В семидесятых годах 20-го века Петер Цеперли понял, что синусоидальные колебания давления и скорости газа в двигателе Стирлинга, а также тот факт, что эти колебания находятся в фазе, невероятно сильно напоминают колебания давления и скорости газа в бегущей звуковой волне (рис.3).

Рисунок 3 — График давления и скорости бегущей акустической волны, как функция времени. Показано, что колебания давления и скорости находятся в фазе.

Эта идея пришла Цеперли не случайно, так как до него было множество исследований в области термоакустики, например, ещё сам лорд Рэлей в 1884 качественно описал это явление.

Таким образом, он предложил вообще отказаться от поршней и вытеснителей, и использовать только лишь акустическую волну для контроля над давлением и движением газа. При этом получается двигатель без движущихся частей и теоретически способный достичь КПД цикла Стирлинга, а значит и Карно. В реальности лучшие показатели – 40-50 % от эффективности цикла Карно (Рисунок 4).

Рисунок 4 – Схема термоакустического двигателя с бегущей волной

Можно видеть, что термоакустический двигатель с бегущей волной – это точно такое же ядро, состоящее из теплообменников и регенератора, только вместо поршней и шатунов здесь просто закольцованная труба, которая называется резонатором. Да как же работает этот двигатель, если в нём нет никаких движущихся частей? Как это возможно?

Для начала ответим на вопрос, откуда там берётся звук? И ответ – он возникает сам собой при возникновении достаточной для этого разницы температур между двумя теплообменниками. Градиент температуры в регенераторе позволяет усилить звуковые колебания, но только определённой длины волны, равной длине резонатора. С самого начала процесс выглядит так: при нагреве горячего теплообменника возникают микро шорохи, возможно даже потрескивания от тепловых деформаций, это неизбежно. Эти шорохи – это шум, имеющий широкий спектр частот. Из всего этого богатого спектра звуковых частот, двигатель начинает усиливать то звуковое колебание, длина волны которого, равна длине трубы – резонатора. И неважно насколько мало начальное колебание, оно будет усилено до максимально возможной величины. Максимальная громкость звука внутри двигателя наступает тогда, когда мощность усиления звука с помощью теплообменников равна мощности потерь, то есть мощности затухания звуковых колебаний. И эта максимальная величина порой достигает огромных величин в 160 дБ. Так что внутри подобного двигателя действительно громко. К счастью, звук наружу выйти не может, так как резонатор герметичен и по этому, стоя рядом с работающим двигателем, его еле слышно.

Усиление определённой частоты звука происходит благодаря всё тому же термодинамическому циклу – циклу Стирлинга, который осуществляется в регенераторе.

Рисунок 5 – Стадии цикла грубо и упрощённо.

Как я уже писал, в термоакустическом двигателе вообще нет движущихся частей, он генерирует только акустическую волну внутри себя, но, к сожалению, без движущихся частей снять с двигателя электроэнергию невозможно.

Обычно добывают энергию из термоакустических двигателей с помощью линейных генераторов. Упругая мембрана колеблется под напором звуковой волны высокой интенсивности. Внутри медной катушки с сердечником, вибрируют закрепленные на мембране магниты. Вырабатывается электроэнергия.

В 2014 году Kees de Blok, Pawel Owczarek и Maurice Francois из предприятия Aster Thermoacoustics показали, что для преобразования энергии звуковой волны в электроэнергию, годится двунаправленная импульсная турбина, подключенная к генератору [3].

Рисунок 6 – Схема импульсной турбины

Импульсная турбина крутится в одну и ту же сторону вне зависимости от направления потока. На рисунке 6 схематично изображены лопатки статора по бокам и лопатки ротора посередине.
А так турбина выглядит у них в реальности:

Рисунок 7 – Внешний вид двунаправленной импульсной турбины

Ожидается, что применение турбины вместо линейного генератора сильно удешевит конструкцию и позволит увеличить мощность устройства вплоть до мощностей типичных ТЭЦ, что невозможно с линейными генераторами.

Так же, я разрабатываю собственный термоакустический двигатель, подробнее о котором можно узнать в этой статье:«Создание и запуск термоакустического двигателя»

Список использованных источников

[1] М.Г. Круглов. Двигатели Стирлинга. Москва «Машиностроение», 1977.
[2] Г. Ридер, Ч. Хупер. Двигатели Стирлинга. Москва «Мир», 1986.
[3] Kees de Blok, Pawel Owczarek. Acoustic to electric power conversion, 2014.

Низкотемпературный двигатель Стирлинга

Двигатель Стирлинга. Почти для любого самодельщика эта замечательная штука может стать настоящим наркотиком. Достаточно один раз сделать и увидеть его в работе, как захочется их делать снова и снова. Относительная простота этих двигателей позволяет делать их буквально из мусора. Я не буду останавливаться на общих принципах и устройстве. Про это полно информации в интернете. Например: Википедия. Приступим сразу к постройке простейшего низкотемпературного гамма-Стирлинга.

Для постройки двигателя своими руками нам понадобится две крышки для стеклянных банок. Они будут выполнять роль холодной и горячей части. От этих крышек ножницами отрезается закраина

В одной крышке по центру делается отверстие. Размер отверстия должен быть чуть меньше диаметра будущего цилиндра.

Корпус двигателя Стирлинга вырезается из пластиковой бутылки из под молока. Эти бутылки как раз поделены на колечки. Нам понадобится одно. Надо заметить, что у разных сортов молока бутылки могут чуть-чуть отличаться.

Корпус приклеивается к крышке пластичным эпоксидным составом или герметиком.

В качестве цилиндра прекрасно подходит корпус маркера. У этой модели колпачок по диаметру меньше чем сам маркер и может стать поршнем.

От маркера отрезается небольшая часть. У колпачка срезается часть с верху.

Это вытеснитель. В процессе работы двигателя Стирлинга он перемещает воздух внутри корпуса от горячей части к холодной и обратно. Изготавливается из губки для мытья посуды. В центре приклеивается магнит.

Так как верхняя крышка изготовлена из жести, она может быть притянута магнитом. Вытеснитель может застрять. Чтобы этого не произошло, магнит нужно дополнительно зафиксировать картонным кружком.

Колпачок заполняется эпоксидным составом. С обоих концов сверлятся отверстия для крепления магнита и держателя шатуна. Резьба в отверстиях нарезается непосредственно винтом. Эти винты нужны для тонкой настройки двигателя. Магнит в поршне приклеивается к винту и регулируется таким образом, чтобы находясь в нижней части цилиндра он притягивал вытеснитель. На этот магнит понадобится еще приклеить ограничитель из резины. Подойдет отрезок велосипедной камеры или ластик. Ограничитель нужен для того чтобы магниты поршня и вытеснителя не притягивались слишком сильно. Иначе давления может не хватить чтобы разорвать магнитную связь.

На верхнюю часть поршня наклеивается резиновая прокладка. Она нужна для герметичности и для защиты кожуха от разрыва.

Кожух поршня изготавливается из резиновой перчатки. Отрезать нужно мизинец.

После того как кожух наклеен, сверху клеится еще одна резиновая прокладка. Сквозь резиновые прокладки и кожух шилом протыкается отверстие. В это отверстие вворачивается держатель шатуна. Этот держатель делается из винта и припаянной шайбы.

В качестве держателя коленвала прекрасно подошла упаковка от эпоксидки. Точно такую же баночку можно взять из под шипучих витаминов или аспирина.

У этой баночки отрезается дно и делаются отверстия. В верхней части — для удержания коленвала. В нижней — для доступа к креплению шатуна.

Коленвал и шатун изготавливаются из проволоки. Белые штуки — это ограничитель. Сделан из трубочки от чупа-чупса. От этой трубочки отрезаются маленькие кусочки и получившиеся детали разрезаются вдоль. Так их проще надеть. Высота колена определяется половиной расстояния, которое должен пройти цилиндр от самой нижней точки до верхней точки, в которой перестает действовать магнитная связь.

Итак, у нас все готово для первых испытаний. Сперва необходимо проверить герметичность. Нужно подуть в цилиндр. На все стыки можно нанести пену из жидкости для мытья посуды. Малейшая утечка воздуха и двигатель не заработает. Если с герметичностью все в порядке, можно вставить поршень и закрепить кожух канцелярской резинкой.

В нижнем положении цилиндра вытеснитель должен притянуться на верх. Дальше вся конструкция ставится на чашку с горячей водой. Через некоторое время воздух внутри двигателя начнет нагреваться и выталкивать поршень. В определенный момент магнитная связь будет разорвана и вытеснитель упадет на дно. Таким образом воздух в двигателе перестанет контактировать с нагреваемой частью и начнет охлаждаться. Поршень начнет втягиваться. В идеале поршень должен начать совершать движения вверх-вниз. Но этого может не произойти. Либо давления будет не достаточно для перемещения поршня, либо воздух нагреется слишком сильно и поршень не втянется до конца. Соответственно у этого двигателя могут быть мертвые зоны. Это не особо страшно. Главное, чтобы мертвые зоны не были слишком большими. Для компенсации мертвых зон нужен маховик.

Ещё очень важная часть этого этапа заключается в том, что тут можно прочувствовать принцип работы двигателя Стирлинга. Я помню свой первый стирлинг который не заработал только потому, что ни как не мог врубиться как и за счет чего эта штука работает. Здесь же, помогая руками поршню ходить вверх-вниз, можно почувствовать как нарастает и спадает давление.

Эту конструкцию можно немного усовершенствовать, если добавить к ней шприц на верхнюю крышку. Этот шприц также необходимо посадить на эпоксидку, держатель иглы немного подрезать. Положение поршня в шприце должно быть в среднем положении. Этим шприцем можно регулировать объем воздуха внутри двигателя. Запуск и регулировка будет намного проще.

Итак можно насаживать держатель коленвала. Высота крепления шатуна к цилиндру регулируется винтом.

Маховик делается из CD диска. Отверстие залепляется пластичной эпоксидкой. Затем необходимо просверлить дырку точно по центру. Найти центр очень просто. Используем свойства прямоугольного треугольника вписанного в круг. У него гипотенуза проходит через центр. Нужно приложить лист бумаги прямым углом к окраине диска. Ориентация не важна. В местах пересечения сторон листа с окраиной диска наносим метки. Линия проведенная через эти метки будет проходить через центр. Если провести вторую линию в другом месте, то на пересечении мы получим точный центр.