Jednoduchý STIRLINGŮV MOTOR

Projekt jednoduchého Stirlingova motoru se skvěle hodí jako víkendový projekt pro nadšence, či jako výuková pomůcka pro studenty v oblasti termomechaniky. V příloze naleznete výukovou osnovu, dle které lze postupovat.

Model motoru běžící na čajovou svíčku…

Návod na sestavení:

Materiál a pomůcky

Základ všeho toho, co musíte udělat před samotnou stavbou, je zajistit si vše potřebné. Nebojte se, není to zas tak obtížné. 

Materiál

Plechovka 98 x 38 mm

3d tištěné díly

Tenká latexová rukavice

Ocelový drát 1 mm

Nerezový trhací nýt 4 x 12 mm

Karton

CD disk

Hřebík průměru 1,5 mm

Niť

Pomůcky

Vrtačka

Sada vrtáků do oceli

Kleště

Nůž

Nůžky na plech

Kladívko

Sekundové lepidlo

Izolepa

Smirkový papír

Fix

Vytisknutí dílů

Následuje krok, ve kterém je třeba si vytisknout, či nechat vytisknout všechny potřebné díly na 3D tiskárně. V zásadě je jedno, z jakého materiálu budou vytisknuty, protože žádný z dílů není nikterak zásadně namáhán. Barevnou kombinaci volte dle svých osobních preferencí. Stejně tak i samotné nastavení modelu pro tiskárnu, každá tiskárna je jiná, a proto vždy ke zkušenostem s daným strojem. 

Vytisknuté díly budou ještě potřebovat trochu péče, avšak s tím následující kroky počítají. Není také od věci jen rámcově přeměřit rozměry výtisků, jestli s rozumnou tolerancí (±0,5 mm) sedí.

Otvory v plechovce

Nyní přecházíme k výrobě pracovní komory motoru, v našem případě plechovky. Tu je nejprve třeba opláchnout a vyčistit případné nečistoty. Následně vezmeme víčko plechovky a přiložíme na něj výtisk základny (díl 1), tak aby byl vycentrován a obkreslíme ho kompletně. Měli bychom tedy na víčku vidět obrys základny, kružnici o průměru 30 mm a středový bod. 

Teď přichází na řadu vrtačka. Středový bod je třeba vyvrtat vrtákem o průměru 4 mm. Ideální je si v bodě udělat malý důlek, aby vrták neujížděl a na vrtačku netlačit a následně i pár děr uvnitř velké kružnice. Nyní si do rukou vezměte nůžky na plech a opatrně, pomocí špičky nůžek, obstřihněte celou kružnici, tak aby vzniknul otvor o přibližném průměru 30 mm a oba otvory ve víčku lícovaly s dílem 1.

Nalepení základny

Když se povedl předchozí krok, můžeme postoupit dále. K samotnému nalepení dílu 1, víčku plechovky. Oba lepené povrchy (spodní strana dílu 1, víčko plechovky) je nutné zdrsnit pomocí brusného papíru (hrubost není podstatná). Tím zajistíme lepší přilnutí lepidla.

 Naneseme na plechové víčko dostatečnou vrstvu sekundového lepidla a následně přiložíme díl jedna tak, aby nám obě díry lícovaly a pořádně sevřeme, tak aby spoj byl dokonale těsný. To je naprosto kritické pro celou funkčnost motoru, protože i malá netěsnost způsobí nefunkčnost.

Vyříznutí a nalepení druhého dílu

Postupujeme dále, na díl číslo dva. Tento díl buďto může být vytištěný, či je třeba ho překreslit na zvolený materiál (překližka či plastová deska o tloušťce 3 mm), vyříznout pilkou, zabrousit hrany a následně vyvrtat díru pro ložisko.

Tento vyrobený či vytištěný díl jen nalepíme na příslušné místo, obě lepené plochy před tím zdrsníme zase pomocí smirkového papíru. Lepíme pomocí sekundového lepidla.

Přidělání nýtů

Následně přišel čas na zhotovení ložisek. Ty vyrobíme ze dvou nerezových trhacích nýtů 4 x 12, do kterých klepneme kladivem tak, aby se dřík oddělil od pouzdra a vznikla nám tak hřídelka a kluzné ložisko. Velkou výhodou je jejich opravdu malé tření, i když o přesnosti nemůžeme moc hovořit, v případně lze také použít malá kuličková ložiska. 

První pouzdro nýtu vlepíme zespodu do středové díry víčka plechovky. Tuto díru musíme zvětšit 4 mm vrtákem, a následně za pomoci většího množství sekundového lepidla vložíme. Přebytky lepidla vždy rychle setřeme ubrouskem. Také lze místo sekundového lepidla použít jakékoliv rychleschnoucí dvojsložkové lepidlo.

Druhé pouzdro jen zalepíme do připravené díry v dílu 2, dle fotografie níže.

Setrvačník

 Na řadě je první pohyblivá část. Do vytištěného dílu č. 3 vlepíme za pomoci sekundového lepidla náš CD disk, dáváme pozor, aby byl opravdu dobře a pevně přiložen. Dále zvětšíme středovou díru 2,5 mm vrtákem a vlepíme do této díry naši osičku tak, aby jedna strana byla srovnaná s hranou setrvačníku. Už zbývá jen zvětšit díru na první kliku vrtákem o průměru 1,5 mm a vložíme (nelepíme) do ní zkrácený malý hřebík.

Klika

Setrvačník i s jednou klikou je tedy hotov a přesouváme se na druhou stranu hřídele ke druhé klice. Tu tvoří díl číslo 4, u kterého je montáž opět jednoduchá. Je třeba zase a znovu vyvrtat středovou díru a celý kus zalepit na hřídelku tak, aby šlo se setrvačníkem otáček, ale nebyla tam zbytečná vůle (ideální je vůle okolo 1 mm). Důležité je si dát pozor, aby druhá klika byla o 90° pootočená oproti té druhé. Následně uštípnout přečnívající část hřídelky a převrtat díru, do které, stejně jako na druhé straně, zalepit zkrácený hřebík. Teď již stačí kápnout olej tak, aby zatekl do pouzdra a rotační část je hotová.

Membrána

Čas vytvořit pracovní píst motoru – membránu. Vezmeme tenkou latexovou rukavici, ze které vystřihneme čtverec materiálu o přibližné délce strany 40 mm. Následně smirkovým papírem zdrsníme čelní stranu kruhové díry na dílu 1. Na tuto plochu naneseme po celé ploše sekundové lepidlo a přiložíme latexový čtverec tak, aby byl co nejméně napnutý, ale ne zvrásněný. Celý spoj pořádně přitiskneme a zkontrolujeme vizuálně těsnost.

Ojnice

Nyní nastává čas spojit membránu a kliku pomocí první ojnice. Nejprve si uřízneme kolečko kartonu o průměru přibližně 10 mm, ten nalepíme pomocí sekundového lepidla doprostřed membrány. Následně si připravíme náš drát, zhruba kousek o délce 100 mm. Jeden kousek zapíchneme a následně zalepíme do kartonové části. Setrvačník nastavíme tak, aby první klika byla vodorovně se středem setrvačníku (tedy v půlce výšky) a fixem označíme tuto pozici na naší ojnici. V tomto místě, pomocí špičky kleští, ohneme ojnici tak, aby vytvořila očko, které bude sedět na hřebíku. Ideální je předtím v tomto místě rozžhavit ojnici a pak nechat pomalu vychladnout, aby šla lépe ohnout (jednoduché žíhání). Očko ojnice vložíme přes hřebík, namázneme olejem a spoj je hotový. Membrána by se měla pohybovat při otáčení setrvačníkem.

Výroba přeháněče

Poslední velkou součástí je přehaneč. Na karton o tloušťce cca 6 mm nakreslíme dvě kružnice o průměru 88 mm, které následně vyřízneme nožem a slepíme k sobě, je možno použít sekundové lepidlo, či obyčejné lepidlo na papír. Do středu vzniklého válce vlepíme tlustou stranou trhací nýt a přeháněč je na světě. 

Spojení přeháněče

Teď již zbývá jen spojit přeháněč s klikou. Nejprve ho vložíme skrz středové pouzdro víčka tak, aby dosedl až na víčko a kliku nastavíme do horní úvrati (nejvyšší poloha). Nyní si vezmeme niť od délce cca 120 mm, na jednu stranu uvážeme očko, které se navlékne na hřebík a druhý konec nalepíme na špičku nýtu přeháněče pomocí sekundového lepidla. Nyní by se při otáčení setrvačníku měl pohybovat nahoru a dolů a hladce i přeháněč.

Příprava před během

Poslední přípravy před během:

·         Zkontrolujte, že motor běží hladce a nikde nedře, případné vady odstraňte.

·         Na všechna kontaktní místa oceli kápněte olej.

·         Spoj víčka a plechovky pojistěte pomocí izolepy.

·         Ujistěte se, že přeháněč hladce klouže dolů a že všechny spoje jsou těsné.

·         Nalijte trochu vody do vany dílu 1, jako chladicí kapalinu.

Běh

Nyní už nezbývá nic jiného, než začít motor zahřívat zespodu a poprvé ho popostrčit a pak už si jen užívat běhu motoru, který jste jsi právě sami postavili! Jako vhodný zdroj tepla se nabízí jakákoliv svíčka, či zapalovač, případně také hrnek vroucí vody, který nabízí omezený čas běhu. Nezapomínejte také na bezpečnost při manipulaci s otevřeným ohněm, vždy mějte při ruce vodu na případné hašení vzniklého požáru!

Proč to neběží?

Nabízejí se dva hlavní důvody:

·         NETĚSNOST – S největší pravděpodobností někde uniká vzduch z motoru, zkontrolujte proto spoj víčka s dílem 1 a případně ho dotěsněte pomocí lepidla či silikonu.

·         PŘÍLIŠNÉ TŘENÍ – Zkontrolujte, že váš motor po roztočení setrvačníku je schopen se točit pomocí setrvačnosti alespoň následující 4 sekundy. Pokud ne, zaměřte se na všechny části a pokuste se minimalizovat tření a nejrůznější drhnutí.

Úpravy motoru

Samotná jednoduchá konstrukce motoru nabízí možnost uživatelského přizpůsobení a optimalizace konstrukce, nebo případně k dalšímu vývoji celé nové konstrukce stroje.

Nabízí se několik možností, kam směrovat další rozvoj motoru:

·         Změna materiálu přeháněče z kartonu na regenerační materiál typu jemná ocelová vlna.

·         Optimalizace klikového mechanismu motoru.

·         Zajištění izolace mezi horkou a studenou stranou motoru

·         Přidání aktivního chlazení.

V případě jakýkoliv nejasností se nebojte mě kontaktovat, ať už zde, či přes email ([email protected])

Jiří Lüftner