Ромбический стирлинг из пробирки

 

Редакция от 17 ноября, 1998

Оригинальная статья находилась тут:

http://www.geocities.com/~rrice2/my_engines/ttr/ttr.html

(там же можно просмотреть большие фотографии, которые отсюда не открываются)

Примечания переводчика напечатаны курсивом. Приношу извинения за качество вёрстки :(

Пробирочный ромбический стирлинг (далее ПРС) – это Стирлинг бета-компоновки, горячая часть представляет из себя пробирку из пирекса, а вытеснитель – это трубчатая коробка от сигареты (cigar tube). Сочетание алюминиевого вытеснителя, сделанного из коробки от сигареты и прозрачной пробирки позволяет видеть внутреннее устройство машины, а ромбический привод полностью доступен для наблюдения наверху установки. Было прикольно делать эту машину, запустить её и смотреть на её работу!


Для математически озабоченных, я включил 3 страницы с дизайном ПРС.

Впервые движок был показан на выставке PRIME в сентябре. Если честно, то ПРС не был хитом выставки (низкотемпературный двигатель выиграл конкурс по зрелищности в категории стирлингов), но мы привлекли немалый интерес, особенно со стороны знающих моделистов. Ниже следует несколько фоток и комментариев относительно построения этой машины.

Это - связь шестерёнок и ромба в тестовом режиме. Вал вытеснителя - это "пустышка", он используется для получения правильной фазы и для подгона. Можно видеть шариковые подшипники в точках сочленений. Шестерёнки также крутятся на шарикоподшипниках для минимизации трения, которое для маленьких стирлингов – враг №1.

Компоненты ромба перед сборкой

Цилиндр в процессе притирки (?) по размеру и параллельности – это второй критический фактор для успешного изготовления модели Стирлинга. Любое заедание поршня связанного с отлонением от круглой формы поршня или цилиндра – фатально. Др. Сенфт писал о доводке цилиндра в "Live Steam magazine" (октябрь 1979 года, стра 26-29). Притир, который Вы здесь видите, был сделан в моей мастерской и использован и не-embedding (переводы слова - 1. заделка; закладка 2. внедрение; погружение; заглубление 3. вложение, вставка 4. опрессовка 5. пропитка объекта эпоксидной смолой (для приготовления ультратонких срезов образцов в электронной микроскопии) составах для притирки.

Здесь Вы видите части ПРС перед сборкой. Верхний модуль с шестерёнками и ромбом, цилиндр с рёбрами, пробирка (которая была обрезана, чтобы соответствовать трубке для сигары) и сама трубка для сигары. Вытеснитель закрыт точёной крышкой, которая с натягом сидит в трубке. Они будут соединены с помощью Loctite (хз, что это) с штоком вытеснителя при сборке машины

Пробирка соединена с цилиндром о-образным кольцевым уплотнением, которое поддерживается алюминиевым кольцом. При окончательной сборке, я обнаружил, что одного о-кольца недостаточно для точного выставления трубки, поэтому было добавлено второе о-кольцо. Во время проекирования, мы задавались вопросом – не перегреется ли о-кольцо. На выставке машина запускалась более чем на 30 минут за один запуск, и запуск повторялся несколько раз в день. Никогда пробирка не становилась настолько горячей, чтобы нельзя было коснуться её около рабочего цилиндра, так что о-кольцо не должно отказать. Я оцениваю общее время работы этой машины (на 9 октября) более чем в 30 часов и она работает всё лучше и лучше.

Сборка рабочего поршня показана с двух точек. Поршень был выточен из графита, центральное отверстие развёрнуто для (как это будет по русски) хорошего соответствия диаметру штока вытеснителя. Два штока поршня, соединяющие поршень с нижним сочлененем ромба – это (если я правильно понял) хвостовики свёрел диаметром 1/16 дюйма (дюйм=2.54см), нарезанные на 0-80 (не знаю, что это). Верхний конец вкручивается в сочленение ромба и два 1/8 дюймовых латунных гайки (почему в кавычках, слово многозначное вообще-то?) накручены на нишние концы и заглублены в поршень. Это было сделано, потому что зазор между рабочим поршнем и вытеснителем в ромбичекой машине очень мал (около 0,050 дюйма). Если вы посмотрите на увеличенную картинку, Вы увидите 1/8 дюймовые латунные втулки на верхнем конце поршня. При сборке из за Локтидили по месту.

Здесь показана первая, пробная сборка, где мы устанавливаем длину штока вытеснителя для обезпечения правильного зазора между рабочим поршнем и вытеснителем.

Здесь у нас сделано плексигласовое основание и мы начинаем окончательную сборку 

 

Дальнейшее развитие.

 

Окончательная сборка была завершена вечером 17 августа 1998 года (дата-то какая!). Успешный запуск длительностью примерно 5 минут был сделан в этот вечер и следующий – на следующее утро. 19 августа, у нас было 6 прогонов каждый длиннее, чем 15 минут и один – длиннее 30 минут, так что ПРС показал себя хорошо работающей машиной. Здесь несколько фотографий машины в остановленном и работающем виде во время этих пусков.

ПРС в покое

и в работе

со стороны шестерёнок

ближе

После этих фотографий, мы сделали ещё одно изменение, заменив большой маховик двумя меньшими. Унас начали возникать небольшие удары в штоке (??) (во всяком случае, было такое ощущение) и мы решили, что полностью симметричное расположение должно исправить это. Так и получилось, и данная модификация также улучшила внешний вид машины (во всяком случае, с нашей точки зрения). Следующие фотографии показывают изменённую компоновку.

Нам очень нравится наша волшебная лампа, так что мы решили причинить Вам страдания её видом.

Сложно описать чувства, которые испытываешь, когда машина, которую ты так долго разрабатывал и строил, наконец, запускается. Я испытал чувство благоговения и т.д., и т.п. Желаем Вам счастливого стирлингизма!

Рой

 

 

 

 

 

 

 

Расчёт ромбического привода

 

 

 

 

   

 

R

0.375

(radius)

радиус кривошипа

L

0.937

(conn_len)

длина соединительных рычагов

D

0.750

(gear_radius)

Радиус зацепления шестерёнки

E

0.390

(link_hwidth)

половина ширины ползуна

phi

4.434

(phi)

положение кривошипа при 0 градусах (хм?) = -(arcsin((D-E/(L+R))+90градусов

y=r sin(angle+phi)

координата y точки сочленения

x=D+r*cos(angle+phi)

x точки сочленения

Y(D)=y+sqrt(L^2-(x-E)^2)

координата y верхнего соединения (вытеснитель)

Y(P)=y-sqrt(L^2-(x-E)^2)

координата y нижнего соединения (раб.поршень)

     

 

 

 

     

 

 

 

 

 

 

 

     

 

 

 

Чтобы убедиться, что я получил примерно такую же диаграмму движения, как у Др.Сенфта, я поместил эти значения в таблицу Excel, которую Вы здесь видите. Я начала с вычисления координат кривошипа, и координаты y точек соединения поршня и вытеснителя с ползунами (Y(p) и Y(d)). Мне нужно было сделать вычисление только для одной стороны, т.к. привод симметричный. Вышеприведённый рисунок помогает уяснить это. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из этих вычислений, я смог определить G, расстояние между рабочим поршнем и вытеснителем и получить числа, которые позволили мне вычислить положения обоих поршней и нарисовать граифики, которые послужили проверкой того, что запланированный мной цикл аналогичен приведённому Сенфтом. 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из вышеприведённой таблицы, мы начертили путь движения рабочего поршня, B(p) и вытеснителя, А(d). Облать графика над графиком движения вытеснителя даёт горячий объём, а область между графиками – холодный. Хотя в ромбическом приводе движения поршня и вытеснителя не синусоидальны, они подобны между собой.

По графику довольно трудно определить точный фазовый угол, но по таблице видно, что он – порядка 60 градусов, при этом вытеснитель идёт впереди рабочего поршня. Из этого рисунка я выяснил, что степень сжатия этой машины оказалась несколько выше чем у обычной машины. Ричард дал своё профессиональное заключение, что она слишком высока и что машина вообще не заработает. По завершении работы, я выяснил, что сжатие действительно велико и машину трудно прокрутить. Но машина при первом тестовом запуске всё же запустилась, причём хорошо. Так что в этом случае теория сошлась с практикой успешно. 

A(d) = положение вытеснителя, B(p) = положение поршня, G = Зазор между поршнем и вытеснителем

Следующая анимация показывает движение, изображённое на графике

animation of TTR


ПРС к настоящему моменту отрабоал уже более 80 часов и прекрасно работал на выставках PRIME и NAMES 99. Мне понравилось разрабатывать, делать и запускать эту маленькую прекрасную машинку

Рой Райс, Атланта, Июнь 1999