Stirling - silnik niskotemperaturowy typu "gamma"

Silnik Stirlinga, to wbrew pozorom zupełnie coś innego niż silnik parowy. Biorąc pod uwagę liczne publikacje w internecie na ten temat nie będzie tu o nim nic więcej, niż opis wykonania i uwagi wynikające z doświadczeń.

Względna prostota silnika idzie w parze z podstawową trudnością jego wykonania - zegarmistrzowską precyzją, która jest warunkiem jego sprawności i zadziałania przy minimalnej różnicy temperatur górnej i dolnej płytki. Za sukces w tym względzie możemy uznać sprawność pozwalającą na pracę silnika z wykorzystaniem ciepła dłoni. Dość ciekawym wariantem jest silnik napędzany energią promieniowania słonecznego (górna płytka przeźroczysta i górna powierzchnia tłoka wyporowego pomalowana na czarno).

Opisany tu silnik nie ma oczywiście waloru użytkowego i zamiar jego wykorzystania do napędu np. prądnicy możemy od razu odrzucić jako zupełnie nie realny.

Uwagi ogólne:

1. Materiały - części ze stacji dysków (łożyska), blacha aluminiowa (mosiężna), styropian na tłok wyporowy, 0,5 mm drut stalowy, oś silniczka elektrycznego z tulejkami łożyskowymi, plastykowy odcinek  rury kanalizacyjnej o przekroju 100 mm, mosiężna rurka, śrubki, nakrętki M3, śrubki M2, bardzo cienka gumka.
   
2. Narzędzia - precyzyjna wiertarka kolumnowa (wiercimy otwory rzędu 1mm), mała tokarka, szlifierka, gwintowniki 2 i 3 mm,

Uwagi dotyczące wykonania:

• Cylinder tłoka wyporowego (warto zacząć od cylindra, ponieważ jego wymiary zdeterminują pozostałe wymiary silnika) to cylinder o wymiarach 100x22x3 mm - materiał dowolny, w miarę dobry izolator.  Bardzo efektowne rozwiązanie to cylinder szklany lub z pleksi, ale wobec trudności ze zdobyciem i obróbką szklanej rury można z równym powodzeniem zastosować odcinek plastykowej rury kanalizacyjnej o średnicy około 100 mm. Wykonując cylinder zwracamy szczególną uwagę na jego centryczność i dokładną wysokość 22 mm na całym obwodzie.  W pierwszym podejściu zastosowałem pierścień wycięty z zaślepki rury kanalizacyjnej - okazało się, że jest ona lekko stożkowa (0,5mm na wysokości 22mm) - było dużo pracy ze stoczeniem do idealnie równego walca.

• Tłok wyporowy - bez wątpienia najlepszy z dostępnych materiałów  to styropian. Wymiary tłoka: wysokość 10 mm, średnica 2 - 3 mm mniejsza od wewnętrznej średnicy cylindra. Wbrew pozorom nie jest trudnym jego wykonanie. Faza I - wstępna obróbka, bardzo ostrym nożykiem, krążka na szybkich obrotach tokarki (wiertarki). Faza II - po zamocowaniu  (zaklejeniu) krążka na osi 2 mm ( np. z silniczka elektrycznego) toczymy tłok na pożądany wymiar przy pomocy coraz drobniejszego papieru ściernego. Zwracamy szczególną uwagę na brak "bicia" w czasie obracania i prostopadłość ośki (w czasie pracy tłok zbliża się całą swoją powierzchnię do dolnej i górnej płytki na odległość 0,5 do 1mm. Jakiekolwiek ocieranie się tłoka o ścianki cylindra i dotykanie górnej (dolnej) pokrywy spowoduje, że silnik nie będzie działał. Uwaga; do klejenia styropianu (mocowania tłoczyska) nie można  stosować żywic -rozpuszczają styropian! W opisywanym silniku doskonale sprawdził się klej wikol. Druga uwaga: w celu zapewnienia centryczności mocowania tłoczyska w tłoku wyporowym, po jego wciśnięciu na klej w styropian tłoka całość montujemy na wcześniej przygotowanej płycie górnej wraz z tulejkami i pozostawiamy na kilka godzin do związania kleju. Obsada tłoczyska to teflonowa zębatka, do której - po nagwintowaniu gwintownikiem M2 - wciśnięto tłoczysko. 

• Pokrywy cylindra - wykonujemy z blachy (dobrze przewodzącej ciepło) np.aluminiowej. Górna pokrywa może być grubsza  (2 - 3 - 5 mm) ponieważ montujemy na niej pozostałe elementy silnika. W pokrywie wytaczamy rowek o szerokości ścianek cylindra i głębokości około 0,5mm, co zapewni centryczność tłoka względem cylindra. Bardziej prosty sposób to przymocowanie pod górną płytką krążka z blachy aluminiowej 0,5 - 1 mm o średnicy równej średnicy wewnętrznej cylindra. Dolna pokrywa może być z blachy o grubości 1 - 2 mm. Na obwodzie pokryw (średnica zewnętrzna cylindra + 3mm na śruby) wiercimy 6 (grubsza blacha) do 8 (cieńsza blacha) otworów  3mm na śruby mocujące pokrywy. Otwory wiercimy jednocześnie w obu pokrywach i zaznaczamy ich wzajemne położenie. Przed ostatecznym skręceniem cylindra, jego górną i dolną krawędź smarujemy silikonowym uszczelniaczem.

• Prowadzenie tłoka wyporowego - warunek decydujący o sprawności silnika: maksimum szczelności przy minimalnym oporze ruchu tłoczyska. Warunek ten spełni w miarę cienkie tłoczysko  (1,5 - 2 mm) z polerowanej stali poruszające się w tulejach z brązu. Tłoczysko o długości około 40 mm możemy znaleźć w starym sprzęcie elektromechanicznym (drukarki, dyski, maszyny liczące, itp). w opisanym modelu wykorzystana jest ośka silniczka elektrycznego od suszarki wraz z tulejkami. 

• Tłok roboczy - w wersji uproszczonej to membrana z b. cienkiej gumki (dozwolonej od lat 18) na pierścieniu o średnicy około 20 mm,. skok membrany 8 - 10 mm. Dla efektywności silnika bardzo ważnym jest takie naprężenie gumy, by w żadnym położeniu (górnym, dolnym) nie następowało naciąganie gumy.W przypadku posiadania szklanej strzykawki można się pokusić o wykonanie cylindra  z grafitowym (najlepiej!) tłokiem. Najtrudniejsza wersja to cylinder i tłok metalowy.

• Koło zamachowe - średnica około 12 cm, materiał - pełna dowolność. W opisywanym model  rolę koła zamachowego z powodzeniem spełnia płytka CD. Koło zamachowe wraz z mimośrodami mocujemy na łożyskach uzyskanych ze stacji dyskietek (lub innego urządzenia). Łożyskowanie koła zamachowego w dużym stopniu warunkuje pracę silnika. Koło zamachowe wyważamy  (kawałeczki plasteliny) po złożeniu całości silnika. 

•  Mimośrody i korbowody - Korbowody wytaczamy z mosiądzu i w nich wiercimy 1 mm otwory w miejscach zapewniających pożądany skok tłoków. W otwory wklejamy ułamane końcówki 1 mm wiertła. Korbowody wykonujemy z 0,5 mm stalowego drutu formując na ich końcach oczka o średnicy 1mm.Dobrze jest przewidzieć możliwość minimalnej regulacji długości korbowodu, np. metodą jego zginania w kształcie litery "Z". Można też się "sprężyć" i panewki wykonać z grafitu (jak na zdjęciach niżej). Prezentowane w niektórych rozwiązaniach korbowody na łożyskach kulkowych wydają się być przerostem formy nad treścią - uzyskanie wymiernego efektu w warunkach amatorskich jest bardzo trudne. Uwaga: korbowody muszą być  ustawione o 90 stopni względem siebie!

Mimośród tłoka wyporowego jest mocowany na wale na stałe (na wcisk).  Mimośród tłoka roboczego posiada śrubkę zaciskową, co umożliwia ustawienie korbowodów względem siebie o kąt 90 stopni.



















Wskazówki dotyczące wymiarów:

1. Wysokość cylindra - około 1/5 do 1/10 średnicy (dla stosunku 1/10 silnik będzie pracował przy mniejszej różnicy temperatur).
2. Wysokość tłoka wyporowego - około 60%  wysokości cylindra.
3. Średnica tłoka wyporowego - około  97% średnicy wewnętrznej cylindra.
4. Średnica tłoka roboczego - około 1/8 do  1/10 średnicy cylindra. (Membrany - 1/4 średnicy cylindra).
5. Skok  tłoka roboczego - około 1,3  wysokości cylindra.

I jeszcze raz zasady poprawnej konstrukcji:

1. Maksymalna szczelność na panewkach tłoka wyporowego.
2. Maksymalna szczelność tłoka roboczego (małego).
3. Minimalne opory ruchu tłoków, maksymalna elastyczność membrany.
4. Minimalna szczelina tłoka wyporowego w górnym i dolnym momencie zwrotnym (0,5 - 0,3 mm).
5. Doskonałe łożyskowanie i wyważenie koła zamachowego.
6. Dobra izolacja cieplna między dolną i górną płytką.

 Efekty:

Silnik startuje na kubku zagotowanej wody, co wskazuje na to, że pracuje przy różnicy około 70 - 80 stopni C. Położenie na górnej płytce kawałków lodu powoduje radykalne zwiększenie obrotów.

 Dla ambitnych:

Silniki Stirlinga dzielimy (niezależnie od typu konstrukcji) na dwa zasadnicze rodzaje:

• niskotemperaturowe (opisany wyżej),
• wysokotemperaturowe.

Wykorzystanie silnika niskotemperaturowego jako źródła napędu jest bardzo problematyczne. Moc takiego silnika wystarcza zaledwie do pokonania oporu samej konstrukcji, ewentualnie - przy wykorzystaniu  koła zamachowego jako elementu prądnicy typu "mikro amerykanka" do zasilania diody LED. Niskotemperaturowe konstrukcje zapewniające praktyczne wykorzystanie (moc kilku watów) musiałyby mieć średnice rzędu metrów! Mimo wszystko eksperymentowanie w tej dziedzinie dostarcza wiele satysfakcji - jest doskonałym sprawdzianem naszych "zegarmistrzowskich" umiejętności i pozwala na bicie rekordów w zakresie minimum róznicy temperatury, przy której sinik pracuje. Silnik przacujący na dłoni (różnica temperatur kilkanaście stopni) to już jest mistrzostwo, ale nic nie stoi na przeszkodzie, by pokusić się o skonstruowanie silnika pracującego przy różnicy kilku stopni!

Silniki wysokotemperaturowe to konstrukcje teoretycznie przewyższające  sprawnością silniki spalinowe, a zwłaszcza parowe. Wykorzystywane są do napędu agregatów prądotwórczych, a nawet podwodnych okrętów. Silniki tego typu wykonywane w warunkach amatorskich mogą mieć przeznaczenie czysto pokazowo - dydaktyczne (silniki "puszkowe" ogrzewane świeczką) lub konstrukcje poważniejsze - do napędu modeli pojazdów.

Filmik z ww. silnikiem:   http://www.youtube.com/watch?v=zGDa0qtwg2I

oraz    http://www.youtube.com/watch?v=IOzF3fDJTP8