Альфа-стирлинг под давлением, почему не работает.

Поздравляю всех читателей форума с наступающим Новым Годом и хочу подкинуть пищу для размышлений, потому что у меня уже нет идей по решению этой проблемы.
Итак, в этом году я собрал довольно удачную модель альфа-стирлинга, он прекрасно работал на атмосферном давлении вот ссылка на страничку моего сайта где всё это показано с фото и видео http://www.physicstoys.narod.ru/page/Magazin/Magazin11.html

[img][/img]

Потом я логично решил сделать герметичный картер и закачать в эту модель атмосфер 5-10, расчитывая получить заметный прирост мощности, как пишется в литературе, мощность должна расти чутли не пропорционально увеличению этого давления. С самой герметизацией двигателя особых проблем не было, давление в 5 атмосфер(которое я создавал обычным насосом от велосипеда) держалось отлично, утекало порядка 1 атмосферы в час, чего для опыта вполне было достаточно.

[img][/img]

[img][/img]

Тут то и началось самое неприятное, движок прекрасно работающий на одной атмосфере, под давлением просто работать отказался. Точнее он запускался, но потом быстро останавливался, чем выше я поднимал давление тем быстрее была остановка. На 5 атмосферах он работал всего несколько секунд, на 2 атмосферах уже мог проработать и минуту другую, но никакого прироста мощности я всёравно не замечал. Я уверен что с этой проблемой сталкнётся каждый, кто попробует собрать поршневой движок под накачкой, причем не зависимо от его типа.

Несколько месяцев я бился над решением этой проблемы, перебрал и проверил массу возможных причин, но до сих пор решения не нашел, а скорее, даже ещё больше запутался.

Короче, вкратце изложу причины неработоспособности к которым я приходил в процессе разбора полётов:

1. при повышении давления происходит более активный нагрев рабочего тела, ну и соответственно должно быть более качественное охаждение, а оно у меня ведь воздушное. Вот я поначалу и думал что движок просто быстро перегревается и нужно лучше его охлаждать, но даже лёд на радиаторе проблему не решил, причина отпала.

2. потом думал что не хватает инертности маховика, так как при накачке провернуть вал движка было уже на порядок сложнее, увеличил массу маховика в 5 раз - и опять не помогло.

3. оставалось только одно - постепенная утечка рабочего тела в картер и остановка двигла из-за нехватки плотности воздуха в рабочей зоне, тут я уже чё только не делал. Подсмотрел у западных моделистов на движках с накачкой они ставят клапан периодически уравнивающий давление картера и рабочей зоны, вот здесь на видео мужик это показывает на своей модели https://www.youtube.com/watch?v=ssvHGUlFokA&feature=plcp&context=C3f48bd7UDOEgsToPDskKdn7moCFUwX0QFimXUfqa0

а вот как такой же клапан делается в поршне https://www.youtube.com/watch?v=229RG-627es и вот https://www.youtube.com/watch?v=XMibBSdntfA

короче я попробовал сделать так же, результата практически не было, или очень слабо. Я экспериментировал с жесткостью этого клапана, результата всеравно не было. Делал даже лепестковый клапан и опять не то. Замерял давление, во время работы двигателя, в картере и рабочей зоне, потом резко останавливал двигатель, надеясь увидель разницу в показаниях манометров, но давление везде было одинаковым.

Но цилиндропоршневая группа на движке явно была уже подизношена, поскольку когда он был новый, с идеальной подгонкой поршней, он работал на порядок шустрее чем сейчас. Частота холостых оборотов доходила до 3000 в минуту, а сейчас при томже нагреве 1000-1300.
Поэтому как главную причину не работоспособности, я считаю утечку газа через зазор между поршнем и гильзой, но понять куда больше утекает - в картер или из него в рабочую зону просто уже не могу, запутался как Шарапов, короче нужен свежий взгляд или совет знающих людей(теоретиков).

На серьёзных движках эту проблему решают постановкой отдельного компрессора, который возвращает утечку обратно в рабочую зону, но это усложняет конструкцию, хочется чегото простого. Вот схема такого движка, и там видны трубки соединяющие картер и рабочий цилиндр, явно это по моей теме, но понять полностью их назначения я не могу.

Здравствуйте, Игорь! Для начала задам несколько вопросов. Может, несколько сумбурно, но все же примите, как есть.
1. До накачки двигателя картер был герметичным относительно окружающей атмосферы?
2. Качали непосредственно в картер. Давление меряли тоже там. Успевало ли выравняться давление в картере и рабочем обьеме до запуска мотора? Какое соотношение обьемов рабочий обьем/обьем картера? А что, если к картеру присоединить сосуд в 10-20 раз более по обьему, чем сам картер и накачать воздух в него? Тогда, по теории, сжатие газа в картере не будет создавать столь большого сопротивления...
3. Может, стоит поставить еще один манометр в рабочую область? Это в некоторой степени увеличит мертвый обьем, но позволит узнать реальное давление в двигателе.
4. Если мы увеличиваем давление, то возрастает не только выходная мощность, но и мощность, потребляемая на сжатие рабочего тела. Можете ли Вы допустить, что двигатель в силу малой мощности (из-за, например, больших зазоров, неидеальной балансировки, сил трения и т.п.) не может выдать мощность, большую, чем нужная ему для сжатия рабочего тела, уже находящегося под давлением?

Это все вопросы. Выход я вижу в некотором увеличении массы маховика, в буферной полости большего обьема, чем картер, в уменьшении зазоров рабочий поршень-цилиндр и шток-втулка вытеснителя, в уменьшении трения, как скольжения, так и качения, а также в уменьшении мертвого обьема и повышении площади нагревателя и охладителя, а также, в обдуманной конструкции и продувке оных.

p.s.С Новым Годом!

Еще можете попробовать увеличить сечение перепускного канала между зоной нагрева и зоной охлаждения.

Увеличение объёма картера действительно дало свой результат, я присоединял к картеру балон от старого советского сифона, что увеличивало объём картера раз в пять и двигатель проработал немного дольше, но потом всёравно останавливался. Изучая конструкции подобных моделей западных моделистов я обнаружил наличие в их двигателях отдельного компрессора, приводимого в движение этим же двигателем, НО!!! самое интересное - это то, куда этим компрессором подкачивался этот воздух, как оказалось - именно в картер этого самого двигателя, а не в рабочую полость. Выкладываю чертёж такого двигателя

[img][/img]

Такой копрессор есть смысл ставить только если есть утечки воздуха из двигателя, например через выходящий наружу вал, ну и что бы не накачивать каждый раз этот движок вручную.

Сейчас уже больше склоняюсь к версии того, что двигателю просто не хватает мощности на поддержание собственной работоспособности под высоким давлением. Отсюда следует - что надо либо уменьшить ход рабочего поршня, либо его диаметр, при не изменном поршне-вытеснителе. Тогда двигателю нужно будет тратить меньше энергии на сжатие воздуха в рабочей полости.

alex_koa пишет:Еще можете попробовать увеличить сечение перепускного канала между зоной нагрева и зоной охлаждения.

Тоже правильная мысль, полностью согласен

Ясное дело, причина в соответственном давлении в картере, но искать всё время "золотую середину" разными способами - это вечные потери и гемморой.
Выход очевиден, тот же, что и в ДВС.
Либо, в данном случае только для стирлинга, делать оппозитно два стирлинга с общим картером(бета), поршня которых движутся в одном направлении. В этом случае давление в картере не будет иметь решающего значения, но возникнут проблемы с уравновешиванием двигателя.
Либо делать три поршня на одной шейке звездообразно. Проблемы с уравновешиванием отпадут полностью, как и нужда в тяжёлом маховике и влияние давления в картере. Какую схему здесь применять, бета или другие и будет конструкторской задачей на злобу дня. Если бету, то в общем ничего неизвестного, а вот если другие, то интересно было бы услышать мнения самодельщиков ...
Кстати, на одну шейку в ДВС и четыре поршня вешают .

Причина не только в давлении газа в картере, но и в еще многих факторах, которые это давление создает. В рабочей области более сжатый газ, имея большую плотность, при этой же разнице температур нагревателя/охладителя расширяется/сжимается иначе. Вообще-то это все можно посчитать хотя бы по уравнению Менделеева-Клаперона, хотя бы приблизительно, так как точную картину в динамике рассчитать достаточно трудно. Каждая модель ДС должна быть рассчитана под строго постоянные (или меняющиеся в небольших пределах) значения температур нагревателя/охладителя и диапазон давлений рабочего тела, только тогда эта модель может дать более-менее приемлемую мощность и КПД. Не зная точных характеристик конкретного двигателя, трудно дать точную оценку его работе, а только общие рекомендации.

Вот в схемах, которые предложил весь гемморой с давлением в картере и прекратится.
Другое дело, что конструировать надо с нуля.

Понятно, что в двухцилиндровом стирлинге с общим картером в картере давление должно быть постоянным. Но это лишь частичное разрешение проблемы. Есть и другие нюансы. Например, струя сжатого газа, проходящая через перепускной канал, испытывает большее сопротивление, чем струя того же газа при атмосферном давлении. Так что либо нужно расширять канал, либо применять легкий газ вроде гелия, что и делают в промышленных стирлингах при высоком давлении. Газ с меньшей плотностью легче перетекает через каналы и КПД двигателя возрастает. Это не единственный пример. Есть множество других нюансов.

Еще вопрос Игорю - какая величина зазора в миллиметрах между вытеснителем и цилиндром?

Здравствуйте Игорь. В моей ветке на чипмэйкере засветились вот решил к Вам в гости заглянуть. Вы наверняка поняли что моя альфа изначально делалась под высокое давление. Вобщем проблема аналогичная и вижу я ее именно в картере как не странно,вернее в его обьёме. Мысли такие. Перед расширением рабочее тело несколько сжимается и соответственно возможна утечка в подпоршневое пространство тобиш в картер. В какой то момент в конце такта расширения оба поршня находатся практически внизу и соответственно сжимают воздух в картере.Если обьём мал то и давление создаётся не хилое. В купе вот это всё шибко тормозит я думаю. Вот вкратце пока в этом направлении двигаюсь.

alex_koa пишет:Еще вопрос Игорю - какая величина зазора в миллиметрах между вытеснителем и цилиндром?

разница между диаметром вытеснителя и внутренним диаметром головки нагрева 1мм

Феликс пишет: Перед расширением рабочее тело несколько сжимается и соответственно возможна утечка в подпоршневое пространство тобиш в картер. В какой то момент в конце такта расширения оба поршня находатся практически внизу и соответственно сжимают воздух в картере.Если обьём мал то и давление создаётся не хилое. В купе вот это всё шибко тормозит я думаю. Вот вкратце пока в этом направлении двигаюсь.

Объём картера раз в 20 больше рабочего объёма, поэтому давление, в этом самом картере, максимум может увеличиться на 1/20 чем было, а это очень мало, такую разницу легко продавить инертностью маховика, думаю причина не в этом. Утечки рабочего тела через зазор в паре гильза-поршень тоже не главная причина, хотя и на прямую влияют на мощность двигателя. Сейчас двигатель прекрасно запускается на атмосферном давлении и потом я его по ходу работы накачиваю насосом на 2 атмосферы выше, он начинает набирать обороты и мощность, это очень заметно по работе, но как только я повышаю давление до 3 атмосфер - он начинает сбрасывать обороты и постепенно останавливается. на 2 атмосферах работает стабильно и долго(минуты 3-4), пока не перегреется. Сейчас сделал новый рабочий поршень, меньшего диаметра, надеюсь это поможет двигателю работать на более высоком давлении.

Уменьшение рабочего поршня вряд ли поможет. У меня в первом варианте рабочий был меньше диаметром чем горячий,но обьём картера очень мал и когда сапун закрываеш движка ощутимо проседает. А может это предел давления для данного обьёма, и дальше только увеличение ходов либо смещение фаз,или совсем радикально смена рабочего тела? Всётаки мне кажется что в альфе процессы больше адиабатические чем изотермические. Есть ощущение что гамма при тех же обьёмах будет работать при большем давлении. С Эриконом закончу и пожалуй сделаю альфу с возможностью изменения углов между поршнями. Вот как то так.

Admin_Игорь пишет:разница между диаметром вытеснителя и внутренним диаметром головки нагрева 1мм

В принципе, не так уж мало, должно не очень тормозить... А какое (хоть приблизительно) поперечное сечение канала между цилиндрами в самом узком его месте? И еще про тот канал - его стенки гладкие или шероховатые, прямые или нет, нет ли там больших препятствий, создающих завихрения?

Блин смущает что везде накачивается именно в картер. Сомневаюсь что в рабочую камеру подразумеватся перекачка через поршневую. Скорее всего в конце рабочего хода должен канал открыватся в рабочий обьем, причём в холодном цилиндре. Пойду попробую прорезать канал из рабочего цилиндра в картер,чтоб открывался когда поршень рабочий подходит к нмт.

alex_koa пишет:
А какое (хоть приблизительно) поперечное сечение канала между цилиндрами в самом узком его месте? И еще про тот канал - его стенки гладкие или шероховатые, прямые или нет, нет ли там больших препятствий, создающих завихрения?

Поперечное сечение порядка 50мм кв. Все стенки гладкие, завихрения, думаю, на такой примитивной модели, не сильно влияют на работу

Феликс пишет: Скорее всего в конце рабочего хода должен канал открыватся в рабочий обьем, причём в холодном цилиндре. Пойду попробую прорезать канал из рабочего цилиндра в картер,чтоб открывался когда поршень рабочий подходит к нмт.

Я всё это уже пробовал, именно в холодном поршне делал обратный клапан, не помогает

Прорезал канал в холодном цилиндре. При подходе к нмт поршень открывает канал в картер. Вобщем при атмосфере работает довольно шустро,но мощность субьективно немного упала. Хотя возможно из за того что поршень меньше в диаметре чем горячий. Новый цилиндр жаба задушила косячить. К сожалению повредил графитное уплотнение вала и под давлением пока не провериш. Чем выходной вал уплотняли если не секрет, может тупо сальник подобрать?

Игорь по чертежу в первом посту,напишу как я вижу работу. Допустиму нас утечка и давление в картере стало велико при проходе горячим поршнем вмт,холодный открывает клапан .Горячий начинает опускатся создавая давление в картере и через клапан закачивая из картера воздух для расширения. По идее давление должно уравнятся ,но горячий то уже внизу. Утечка устранена начался рабочий ход. Как то не очень складно но тем не менее. Это если на ветке без клапана кружочком кран обозначен.

Admin_Игорь пишет:Поперечное сечение порядка 50мм кв. Все стенки гладкие, завихрения, думаю, на такой примитивной модели, не сильно влияют на работу

Почему не влияют? Посчитайте. Во-первых, узнайте рабочую частоту оборотов (или прикиньте требуемую). Во-вторых, узнайте обьем рабочего тела, который перетекает в результате такта движения вытеснителя из одной полости в другую. Можно еще сделать поправки на расширение/сжатие, но пока попробуем так. Теперь умножим этот обьем на два (потому что за один такт он прокачивается дважды). А теперь умножим на количество оборотов в минуту или в секунду. При (данные взяты приблизительно с потолка) шестистах оборотах в минуту и при обьеме 50 мл, через канал прокачивается тридцать литров рабочего тела в минуту или поллитра в секунду. При приблизительной молек. массе воздуха 29 и атмосферном давлении масса этого воздуха составляет около 39 грамм - при 5 атмосферах - в пять раз больше или около 195г (в минуту). В секунду это соответственно 0,65г и 3,25г. Дальше считать не буду, но можно все же прикинуть, что масса, попеременно перемещаемая, пусть даже это газ, имеет инерцию это раз и испытывает силы трения это два. Если на стенках канала будут присутствовать неровности или завихрения, они будут создавать торможение и снижать мощность, при этом энергия будет переходить в тепло. Это я о том, что газ тоже имеет массу. В случае использования гелия, атомная масса которого равна 4, а не 29, как расчетная у воздуха, внутреннее трение будет пропорционально меньше. Можно выполнить полные рассчеты и прикинуть требуемую пропускную способность канала. Есть еще такая х-ка как вязкость, ее тоже нужно учитывать. Может, в моем посте много сумбурного и неточного, но все эти параметры играют не последнюю роль и их нужно учитывать. Канал должен быть рассчитан так, чтобы при рабочих оборотах не тормозить поток рабочего тела и в то же время не создавать дополнительного мертвого обьема. Но повторюсь - играет роль как поперечное сечение канала, так и отсутствие в нем тормозящих факторов. Если ошибаюсь, поправьте.

http://www.galileo-tv.ru/node/2218

Смущает вот ещё что - увеличение мощности выражается в увеличении оборотов.
А что если попробовать давать нагрузку, чтобы увеличение мощности выливалось не в увеличение оборотов, а в увеличенную нагрузку?
Привод на генератор с регулируемой нагрузкой.
Регенератор просто не успевает?

Пробовал уменьшить диаметр рабочего поршня - толку ни какого, даже ещё хуже стало, мощность упала заметно. Под давлением выше двух атмосфер захлёбывается и останавливается. Думаю на этой примитивной модели причину уже не определить, буду строить движок побольше, с регенератором и водяным охлаждением, может тогда это всё и само пройдёт.

Всё таки надо мучить пока и этот. Невыясненая проблема родит кучу новых.
Допустим сжатый воздух увеличивает свою теплоёмкость, разница температур резко уменьшается на больших оборотах. Значит надо нагрузить движок, не дать раскручиваться. Посмотреть на каких оборотах устойчиво работает.

Admin_Игорь пишет:Пробовал уменьшить диаметр рабочего поршня - толку ни какого, даже ещё хуже стало, мощность упала заметно. Под давлением выше двух атмосфер захлёбывается и останавливается. Думаю на этой примитивной модели причину уже не определить, буду строить движок побольше, с регенератором и водяным охлаждением, может тогда это всё и само пройдёт.

А что, если увеличить диаметр рабочего поршня либо его ход при том же диаметре? Ведь газ под давлением должен больше расширяться от нагревания, может он вам и тормозит сжатие, а расширяться ему уже некуда? Ведь повышением давления рабочего тела мы добиваемя его еще большего расширения от нагрева, а если так оно и получается, тогда оно заводит рабочий поршень в крайнюю точку и у него еще остается некая сила, которая могла бы совершить работу, но расширяться уже некуда... а сжать такой газ еще труднее, вот и заминка... Игорь, рекомендую сделать в полтора-два раза более обьемный рабочий цилиндр и потестировать на имеющемся двигателе. А то наделать кучу разных двигателей нет смысла, пока не уяснили общие закономерности. Но решать Вам.