«Стирлинг». Технология изготовления «на коленке».

 

Цель была поставлена следующая:
Возможно ли, имея минимум простейших инструментов, которые найдутся почти у каждого, собрать низкотемпературный стирлинг из подручных материалов, а попросту говоря - из мусора.

 

 

Как устроен этот двигатель понятно из чертежа прототипа (вообще двигатель можно изготовить строго по размерам чертежа, я использовал в качестве заготовок полуфабрикаты, отсюда изменения в размерах). О принципе действия: двигатель работает от перепада давлений в «горячей» и «холодной» зонах теплообменного цилиндра.

Работает Стирлинг от кружки кипятка, развивая 40-60 оборотов в минуту в зависимости от качества изготовления.
На схеме красным [1] отмечены места склейки термопистолетом, синим [2] - обработка силиконовым герметиком, зеленым [3] - места проклейки эпоксидной смолой и розовым [4] - цианакрилат или органическое стиекло (оргстекло).

Что получились: первое – размеры теплообменного цилиндра изменены, из конструкции выброшен рабочий цилиндр. Мембрана крепится на корпус теплообменного цилиндра (назовем его для краткости теплообменником) четырьмя болтами – для удобства замены и регулировки мембраны.

Стойка увеличена в длину до 190 мм. Вместо длинного и тонкого сальника (на чертеже – 32 мм) применен толстый и короткий. Данное изменение продиктовано отсутствием возможности изготовить хорошо отполированный сальник из латуни.

Стоит отметить, что при изготовлении данной конструкции стирлинга применен минимум инструментов. Имея дрель и тонкие сверла можно сваять отличный сальник из латунного или железного болта.

Вместо двух стоек – одна из жести. Отсутствуют стойки жесткости внутри теплообменного цилиндра стирлинга (для упрощения конструкции). Теперь о том, что понадобится для изготовления этого «девайса».

Заготовки: пластиковая банка из-под краски, лака или клея диаметром не менее 160 мм с плотно закрывающейся крышкой. В подобной, только прозрачной таре продают маринованное для шашлыка мясо – она тоже подойдет. Если нет ничего подобного – берите жестяную тару подходящего диаметра с плотно прилегающей крышкой. Если и ее нет - последний вариант – спаяйте из жести (предупреждаю сразу – занятие хлопотное). Далее лист кровельной жести 400 на 500 мм.; кусок пенополиуретана 400 на 200 мм (из него изготавливают туристические коврики); хромированные вязальные спицы: одна диаметром 3 мм., другая – диаметром 0,5-1мм.; 45 см троса с диаметром жилы не менее 0,2 мм (можно заменить медной проволокой с диаметром 1.5 мм), два гвоздя длина – 50 мм., толщина 1-1,5 мм.; пластина алюминия или жести 180 на 25 мм., толщиной 0,3 мм.; медная проволока сечением 1,5 мм 2 , длиной не менее 600мм.; медицинские резиновые перчатки (не путать с теми, что продают в хозяйственных магазинах для мытья посуды – не подойдут, слишком толстая резина); пять винтов с болтами; 10 шайб.

Инструменты и расходные материалы: линейка (лучше штанген-циркуль); циркуль; ножницы по металлу; плоскогубцы с бокорезом; тески (не обязательно, но желательно); керн или гвоздь «сотка»; плоский надфиль; средний напильник (не драчевый и не доводочный), наждачная бумага с зерном не менее 0,8; одноразовые лезвия для линолеумного ножа (или просто острый нож); паяльник на 50Вт (лучше на 100 Вт); олово; паяльная кислота (канифоль не подойдет); спирт или ацетон (для обезжиривания); силикон для наружных работ (он более стойкий) или для обработки ванной комнаты; клей типа «жидкие гвозди», поксипол или подобный (главное, чтобы прилипал к жести и не был слишком жидким, как «Момент»); изолента; деревянный брусок размером 200 на 200 мм с ровной поверхностью для рихтовки заготовок; два не нужных сиди-диска или коробка от одного из них или две керамические плитки.

Вы спросите – зачем так подробно – практика показывает, что если нет хотя бы одного «расходника» или инструмента – процесс изготовления превращается в ребус. Максимум мучений, ноль радости созидания.

Теплообменный цилиндр стирлинга.
Берем пластиковую банку (предварительно отмытую от содержимого).
Снимаем крышку. На наружной стороне стенки банки, по окружности, в четырех-шести местах штанген-циркулем или линейкой отмеряем по 26 мм и наносим метки. Затем, с помощью изоленты, обматываем банку по окружности, ограниченной метками. Можно очертить линию карандашом или ручкой, но меток понадобится больше. Ножом отсекаем нижнюю часть банки. Берем ножницы и отрезаем нижний край банки по отороченной изолентой линии.
В крышке банки ножом вырезаем верх, оставляя тонкий обод с замком. Верх нужно срезать таким образом, чтобы по окружности остался горизонтальный рант шириной 2-3 мм. Обод будет запорным механизмом.

Из листа жести вырезаем два круга. Это будут верхняя и нижняя деки теплообменного цилиндра стирлинга.
Диаметр первого круга равен внутреннему диаметру горловины банки. Диаметр второго круга должен быть на пол миллиметра меньше, чтобы круг свободно вставлялся в горловину, но плотно проходил через саму банку (имеется ввиду только тара из-под лакокрасочных материалов, она отштампована с небольшим сужением от горловины к дну).
Если Вы используете жестяную тару – вырезаете всего один круг - в размер. Вместо другого - будет крышка от тары. Диаметр горловины можно измерить линейкой или штанген-циркулем. В большом круге делаем отверстие под мембрану. Для этого лучше всего использовать ручную дрель с тонким (2 мм) сверлом, просверливая мелкие отверстия по очерченной окружности.
Если нет дрели или сверла (у меня не было ни того, ни другого) – используйте керн или толстый гвоздь. Выступы от кернения спиливаем напильником, затем аккуратно удаляем сердцевину и обрабатываем неровности края надфилем. Не пытайтесь вырезать отверстие ножницами по металлу или чем еще – только испортите материал.

Стойка: не вдаваясь в подробности, скажу, что главное – высота стойки и параллельность крепления оси коленвала относительно плоскости теплообменного цилиндра. Жесть, как материал наиболее подходит (легко кроится, хорошо паяется). Конструкция получается прочной и в то же время легко регулируется (подогнул, где нужно и зафиксировал припоем).

Сальник дисплейсера стирлинг двигателя:

на толстую спицу (диаметр 2-3 мм) вплотную один к другому наматываем 5-6 витков медной проволоки сечением 1.5 мм 2 . с таким расчетом, чтобы спица свободно, но без люфта двигалась в образовавшейся спирали. Остатки проволоки отрезаем плоскогубцами.

В торце спирали надфилем или наждачной бумагой стачиваем выступающую часть проволоки «заподлицо», чтобы обработанная поверхность стала ровной. Обезжирив спираль (можно ацетоном или на крайний случай помыть мылом в горячей воде) устанавливаем ее на бумагу обработанным торцом вниз и обмазываем клеем типа «поксипол» или «жидкие гвозди» так, чтобы получился конус из клея, в центре которого находится спираль и даем клею застыть.

В принципе можно использовать любой клей с плотной консистенцией, удовлетворяющий этому требованию. Избегайте попадания клея во внутрь спирали, иначе шток дисплейсера будет заклинивать.

Коленвал стирлинга:

проще всего выгнуть из медной или стальной проволоки. Я решил поиздеваться над собой и изготовил коленвал из двух жестяных дисков на оси. Диски вырезаем из кровельной жести.
Ось – из тонкой спицы (диаметром 0.5-1 мм). Пальцы под шатуны – из отрезка гвоздя (диаметром 1-1.5 мм). Пальцы под шатуны должны сидеть относительно дисков строго под прямым углом. Если этого не сделать – шатуны во время работы двигателя могут соскакивать.
Для соблюдения этого условия сборку производим на деревянном бруске следующим образом. Диск кладем на деревянный брусок. В вырезанном диске керном пробиваем отверстие под палец.
Постарайтесь пробить отверстие так, чтобы его диаметр соответствовал диаметру гвоздя, из которого будет изготовлен палец. Не снимая диск, вставляем гвоздь в пробитое отверстие и слегка вбиваем гвоздь в деревянный брусок строго перпендикулярно плоскости диска.

Проверяем вертикальную установку гвоздя углом линейки в двух плоскостях. Пропаиваем место стыка гвоздя и диска паяльником, снимаем заготовку с бруска и срезаем нижнюю часть гвоздя плоскогубцами. Ось крепится к одному из дисков таким же способом.

Дисплейсер: вырезаем из листа пенополиуретана толщиной 1 см при помощи не хитрого приспособления (на фото слева). Не используйте просто нож или ножницы – получите неровные края, а это критично для работоспособности двигателя.

Шток – из толстой спицы (диаметр – 3 мм), На шток напаиваем диск диаметром 2,5-3см в строго перпендикулярном положении ( это критично для работы двигателя ) по технологии, описанной в разделе «коленвал». На противоположном конце штока делаем две проточки надфилем на 1/3 толщины штока для крепления шатуна.

Мембранный болк стирлинга: блок стирлинга состоит из верхней прижимной накладки ( кровельная жесть), верхней герметизирующей прокладки (силикон или резина толщиной не менее 3-4 мм), самой мембраны (тонкая резина от медицинских перчаток или надувного шара) и нижней герметизирующей прокладки (силикон или резина).
Прижимная накладка изготавливается в соответствии с чертежом. Внутреннее отверстие делаем по технологии, описанной в разделе «теплообменный цилиндр».
Силиконовую прокладку можно сделать самостоятельно. Берем два сиди-диска (вместо них можно использовать створки коробки от диска или стекла, куски пластмассы, керамической плитки или еще чего либо – главное – чтобы поверхности были ровными).
На один диск кладем лист бумаги, предварительно обмакнув его в воду (иначе бумага приклеится). На середину бумаги наносим силикон. (наносить в одно место не размазывая, иначе образуются пузырьки воздуха). Сверху кладем другой лист смоченной в воде бумаги и медленно прижимаем его вторым диском сверху, чтобы силикон растекся между листами бумаги.
Давить надо равномерно на всю поверхность диска иначе в центре силикон продавится больше. Контролируем визуально образование силиконовой «лепешки» до достижения ее толщины в 3-5 мм. После этого снимаем давление и даем силикону застыть. Для более точного изготовления можно проложить по краям дисков прокладки соответствующей толщины – например зубочистки или спицы. Используя эту технологию, можно изготавливать мембраны толщиной до 1 мм. Когда силикон застынет – снимаем бумагу. Из полученной силиконовой пластины вырезаем прокладку. Используйте в качестве трафарета прижимную накладку из жести.

Мембрана:

изготавливается из медицинской перчатки и тонкой жести или алюминия. Из перчатки выкраивается кусок резины по площади больше прижимной накладки. В центре резиновой заготовки делается прокол иглой или ножом.

Из алюминия или тонкой жести вырезаем диски (смотри схему устройства блока рабочего цилиндра) и обрабатываем по периметру надфилем (чтобы не осталось заусенцев – они могут пробить мембрану).

По центру дисков пробиваем отверстия под болт и обрабатываем надфилем. Снизу и сверху резиновой заготовки накладываем диски, смазав их предварительно небольшим количеством силикона, и стягиваем болтом.

После этого сверху кладем прижимную накладку так, чтобы края диска были равноудалены от края внутреннего отверстия прижимной накладки и прокалываем в резине отверстия под крепежные болты.

Шатуны:

спаиваем из двух проволок троса. Для изготовления подшипников наматываем хвостовик шатуна на гвоздь (5-6 витков вполне достаточно). В моем варианте два края проволок согнуты под прямым углом к шатуну и спаяны концами, образуя петлю. Она надевается на шток дисплейсера и зажимает его. Проточки на штоке не дают петле соскользнуть. Для простоты можно использовать медную проволоку. Но при таком изменении шатун дисплейсера должен иметь как верхний, так и нижний шарнир. Шатун мембраны крепится к выступающему болту посредством двух гаек или навинчивающейся шайбы так, чтобы откручивая или закручивая его вокруг своей оси можно было регулировать длину шатуна в пределах 1-2 мм. ( это критично для работы двигателя ).

Сборка двигателя:

Вставляем нижнюю деку в пластиковый теплообменный цилиндр. Контролируем расстояние от верхнего края цилиндра до деки по периметру цилиндра. Плоскость деки должна быть строго перпендикулярна осевой линии цилиндра. После этого фиксируем деку снаружи силиконом. Силикона не жалеем.
Собираем коленвал с маховиком на шарнире стойки. Операция несколько нудная, если коленвал изготовлен с помощью пайки (чуть где перегрел паяльником - что то другое отпаивается). По этому, у кого не достаточно сноровки – изготовьте коленвал из цельного куска проволоки.

Затем припаиваем стойку к верхней деке теплообменного цилиндра, контролируя горизонтальное положение оси коленвала плоскости деки и соответствие положения пальцев под шатуны над штоками дисплейсера и рабочего цилиндра. При установке шатуны должны стоять перпендикулярно оси верхней деки – это критично для работы двигателя. После этого устанавливаем мембрану (осторожно, чтобы не порвать резину).

Устанавливаем верхнюю накладку и прижимную накладку и наживляем гайки. Гайки нужно затягивать крест на крест. При этом мембрана неизбежно будет деформироваться, образуя складки. Небольшие складки вполне допустимы. Силу затяжки болтов контролируем по деформациям мембраны и силиконовой прокладки. Прокладка не должна выступать за внутренний край прижимной накладки более чем на 1,5 мм.- это критично для работы двигателя .

Больший ее выступ создаст серьезное сопротивление движению мембраны (резина, из которой можно изготовить прокладки, менее подвержена деформации, однако не дает гарантии герметичности из-за более низкой, чем у силикона пластичности). Если достичь указанных допусков не получается (прокладка выступает более чем на 1,5 мм, а мембрана все еще не достаточно плотно прижата) снимаем мембрану и собираем блок крепления без нее.

Затягиваем болты по максимуму (в разумных пределах – силикон не очень прочен) и обрезаем выступившую во внутрь кромку острым ножом.
После этого разбираем блок и вставляем мембрану. Крепим дисплейсер к штоку, контролируем перпендикулярность установки штока относительно дисплейсера - это критично для работы двигателя . Вставляем шток с дисплейсером в сальник верхней деки и крепим шатун. Устанавливаем шатун на мембрану.

Отладка стирлинга:

Поднимаем готовую конструкцию и легким движением проворачиваем маховик до того момента, пока дисплейсер не окажется в верхней мертвой точке. В таком положении дисплейсер должен почти примыкать к верхней деке, но не касаться ее ни в каком месте - это критично для работы двигателя.
На фото дисплейсер находится в нижней мертвой точке.
Пенополиуретан может иметь незаметные деформации и краями касаться деки – это недопустимо. Если все же так произошло - выровняйте дисплейсер любым способом или изготовьте новый из плотного пенопласта или поролона. Не меняя положения маховика, проследите, чтобы металлический диск мембраны не упирался в дисплейсер - это критично для работы двигателя . Регулируем длину шатуна откручивая или закручивая его по оси.

Отрегулированная конструкция должна позволять маховику делать 2-3 оборота после легкого толчка рукой. Если оборот один, или маховик стопорится – продолжайте регулировку. Процесс длительный, но без тщательной настройки дальнейшая сборка не имеет смысла. Двигатель не будет работать.

Балансируем маховик. Как правильно это сделать: вставляем деку в тепрообменный цилиндр и отсоединяем шатун рабочего цилиндра. При этом дисплейсер под собственным весом опустится, провернув маховик. Только после этого берем пластилин и балансируем маховик.

Закончив с настройкой, вставляем верхнюю деку в теплообменный цилиндр и повторяем действия с поворотом коленвала.
Дисплейсер не должен в нижней мертвой точке упираться в нижнюю деку. Вставляем конструкцию в теплообменный цилиндр и герметизируем силиконом. После этого сразу надеваем стопорное кольцо на горловину теплообменного цилиндра и защелкиваем. Даем герметику полимеризоваться.

Все. Можно приступать к ходовым испытаниям. При правильном изготовлении двигатель запустится сразу.

Если стирлинг не запускается…

Необходима проверка герметичности. У данной конструкции имеется один очень существенный недостаток – силикон не приклеивается к полиэтилену и жести достаточно прочно. Из-за этого возникают трудноопределяемые места утечек воздуха из полости двигателя. В результате он не работает. Как проверить?

Берем емкость с диаметром, соответствующим диаметру теплообменного цилиндра наливаем в нее кипяток на 2/3 объема и устанавливаем на нее двигатель, предварительно отсоединив шатун дисплейсера от пальца коленвала. Ждем 20-30 секунд, пока дека нагреется до рабочей температуры.
Тянем за шатун дисплейсера и перемещаем его в верхнюю мертвую точку. При этом рабочий цилиндр должен провернуть маховик на 1/3 – 1/2 оборота. В этот момент опускаем шатуном дисплейсер в нижнюю мертвую точку – мембрана должна втянуться обратно и маховик совершит полный оборот или пол оборота в другую сторону.
При периодическом движении шатуна дисплейсера вверх-вниз маховик начнет совершать вращательное движение. Этот тест показывает, что все герметично и двигатель работоспособен. Если мембрана еле колышится при движении дисплейсера и не проворачивает коленвал – промазываем все стыки силиконом еще раз и повторяем тест.
Можно надеть шатун рабочего цилиндра на палец коленвала и запустить двигатель.
Если, в последующем, по каким либо причинам вам пришлось вскрыть, а потом собрать теплообменный цилиндр – всегда проводите этот тест. Герметичность – главный бич работоспособности двигателя!

Стирлинг опять не запускается…

Проверьте балансировку маховика. Не помогло - убедитесь в отсутствии заклинивания в сальнике дисплейсера, иногда это случается на горячем двигателе. Если так – смажьте шток дисплейсера жидкой смазкой (капля машинного масла подойдет).

Стирлинг все равно не запускается…

Попробуйте увеличить плечо коленвала со стороны рабочего цилиндра на 1 мм. Для этого придется разобрать двигатель, но, такова «селя ви», как говорят французы.

Вообще отладка такой модели «Стирлинга» – очень муторное занятие. Слишком он маломощный, отсюда высокая требовательность к исполнению механики. Одно могу утверждать точно – если после отладки тест на герметичность пройден успешно –двигатель у Вас гарантированно заработает. Проверено!

Будут вопросы – пишите.