Om du har några läskburkar och några andra tillbehör som är lätta att hitta, kan du återskapa en av de första kommersiellt gångbara motorerna som någonsin tillverkats. Även om den är liten i storleken talar en colaburk Stirling-motor fortfarande till vår gemensamma mekaniska själ när den chuffar och bitar iväg på en hylla, roterar ett svänghjul, snurrar några fläktblad eller till och med genererar några watt.
Dess mycket enkelhet framkallar en annan tid. Och oavsett om det betraktas som ett proof of concept, en intressant modell, en konversationsdel eller en kinetisk skulptur, så är att tillverka en läskburk Stirling-motor ett utmärkt sätt att kliva in i det förflutna.
Stirlingmotorn var hjärnbarnet till Robert Stirling, som uppfann konceptet 1816. Tanken bakom hans motor var att använda luft för att driva en motor, snarare än den kommande tekniken på den tiden – ånga.
Det som skilde Stirlings motor från andra var användningen av en "economizer", som förbättrade bränsleekonomin. Detta är nu känt som en regenerator. Mellan 1816 och 1843 förfinade Stirling och hans bror James motorns design och effektivitet. Vid mitten av 1800-talet drev hans motorer stora industrier inklusive gjuterier. Men hans motor, liksom de flesta varmluftsmotorer, var mer lämpade för lågeffekttillämpningar. Hans önskan att skapa ett säkrare alternativ till de ofta exploderande ångmaskinerna besegrades av behovet av mer kraft för att driva växande industrier.
Det första du bör veta om en Stirling-motor är hur delarna går ihop och hur de fungerar.
Innehåll
Ta bort Stirlings regenerator och du har en varmluftsmotor. Hur en varmluftsmotor fungerar är enkelt. Luft blir vad som kallas "arbetsvätskan". En värmekälla, för de flesta läskburkar Stirling-motorer, är detta ett värmeljus som värmer luften och får den att expandera. Luften kyls sedan, vilket får den att dra ihop sig. Expansionen och sammandragningen av luften, eller arbetsvätskan, är en termodynamisk cykel. Använd nu denna termodynamiska cykel för att flytta en kolv och du har effektivt tillåtit den termodynamiska cykeln att producera användbart mekaniskt arbete. När du fäster en vevaxel på kolven och lägger till ett svänghjul har du grunderna för en motor.
Gå igenom att bygga en Stirling-motor och du kommer att lära dig mer än några lektioner om egenbryggning. Framför allt är det väldigt roligt att bygga en, och det ger dig en chans att bli kreativ med det som de flesta anser som skräp. Och att se det fungera tar det till en helt ny nivå.
Låter det enkelt? Det är det, men det är ett tag kvar innan motorn är byggd. Du behöver fler komponenter, några material och en förståelse för hur de alla passar ihop innan din motor töms.
Här är vad du behöver:
Låt oss ta en rundtur i komponenterna du kommer att konstruera, se hur de fungerar, vad de gör och hur allt hänger ihop.
Stirling historiaRobert Stirling var inte den förste att prova en luftmotor, men han var den första att skapa en livskraftig kommersiell produkt, och hans motordesign togs i bruk 1818 för att driva en vattenpump i ett stenbrott.
"Du måste tänka som en urmakare", säger Jim Larsen, mångårig motorbyggare, författare och utbildare i Stirling. "Du måste vara uppmärksam på detaljerna. Om du är uppmärksam på detaljerna har du större chans att lyckas."
Huvudkomponenterna i en Stirling-motor är relativt enkla och okomplicerade. Medan vi fokuserar på en läskburkmotor, har motorer byggts med material som sträcker sig från färgburkar till oljefat. Larsen sa under en Thanksgiving-utmaning när han besökte svärföräldrar, att han byggde en Stirling-motor av diverse järnaffärsmaterial, inklusive kastruller och stekpannor.
Aluminiumläskburkar erbjuder färdiga, förformade former perfekta för motorerna. De är också lätta att arbeta med och, naturligtvis, väldigt billiga. Och även om de inte är tillräckligt robusta för seriös användning, klarar de de mikrohästkrafter som de flesta motorplaner producerar.
Tryckkammaren är ett kärl som håller den inneslutna luften, eller arbetsvätskan, i det slutna systemet. Det är här luften värms och kyls under den termodynamiska cykeln. Även om luft- och tryckläckor kan vara nackdelen för många motorer, behöver tryckkammaren faktiskt en liten kontrollerad läcka. Utan detta läckage skulle kammaren helt enkelt bli en barometer och bara reagera på förändringar i lufttrycket runt den.
Larsen sa att många Stirlingbyggare väljer att byta arbetsvätskan i tryckkammaren från luft till helium, som reagerar bättre under den termodynamiska cykeln.
drivmekanismen använder expansionen och sammandragningen av luften inuti tryckkammaren för att driva en vevaxel. Drivmekanismen kan antingen fästas på sidan av motorn eller integreras i motorns struktur.
För Larsen, vevaxeln är den mest kritiska delen av motorn och påverkar varje del av helheten, från timing, till förskjutningsrörelsen, till svänghjulets hastighet och balansen i helheten. "Det här är en del man vill lägga tid på för att få det rätt", sa Larsen.
svänghjulet fungerar som mer än en indikation på att motorn fungerar. Det fungerar som något av en energilagringsenhet. Ett välbalanserat svänghjul tar energin som skapas under motorns kraftslag och lagrar den. När energi behövs för att trycka ner förskjutaren ger svänghjulet sin lagrade energi för att övervinna friktion och andra krafter. Utan ett bra svänghjul skulle förskjutaren helt enkelt stiga till toppen av kammaren och stanna där.
Larsen sa att ett välbalanserat svänghjul är nyckeln till effektivitet. Om hjulet inte är balanserat måste motorn arbeta hårdare för att flytta det. "Du vill inte att motorn ska göra mer än den måste," sa han.
förskjutaren i en varmluftsmotor tjänar till att förskjuta luften i tryckkammaren. Kom ihåg att motorn inte kan köras utan den termodynamiska cykeln där luften värms upp och kyls, vilket orsakar expansion och sammandragning. Om tryckkammaren helt enkelt värmdes upp, utan att något inuti den skulle tränga undan luften, skulle luften inuti värmas upp och expandera, men aldrig dra ihop sig.
Med värmekällan i botten använder varmluftsmotorn även kyla i toppen, vanligtvis is eller kallt vatten, för att kyla luften. När luften värms upp expanderar den och flyttar förskjutningsanordningen till nästan toppen av tryckkammaren. På toppen av kammaren kyls luften, drar ihop sig och flyttar förskjutaren nedåt. Allt detta sker med hjälp av drivmekanismen, vevaxeln och svänghjulet.
Förskjutaren är oftast ett rullat stycke stålull med en lätt tråd som löper genom mitten. Kommer du ihåg när Larsen pratade om att behöva tänka som en urmakare? Det här är en av de gångerna. Förskjutaren måste kunna glida fritt i tryckkammaren, samtidigt som den fyller det mesta. Det måste tillåta det fria luftflödet, samtidigt som det begränsar en del av flödet. Tanken är att minimera friktionen och maximera effektiviteten. Det här temat är en konstant genom hela motorns konstruktion.
värmelådan är helt enkelt ett stativ som motorn sitter på. Värmekällan är placerad under motorn.
Det här verkar vara mycket jobb för inte mycket avkastning. Men det finns en påtaglig känsla när du avslutar motorn, felsöker arbetet för att få igång den och ser hur den blåser på av sig själv. För Larsen började hans fascination för mer än ett halvt decennium sedan, medan din kunde börja om bara några dagar från nu.
VideoFör att se en läskburk Stirling-motor i aktion, kolla in den här videon och flera andra online.
Källor
