Как сделать двигатель внутреннего сгорания из подручных средств

Двигатель ньюкомена: начало паровой эры

Паровой двигатель — это машина, которая преобразует тепловую энергию пара в механическую энергию посредством поршня, движущегося в цилиндре. По сути, паровую машину можно считать конвертером тепловой энергии в механическую. 

Как двигатель внешнего сгорания (поскольку он сжигает свое топливо вне двигателя) паровой двигатель пропускает свой пар в цилиндр, где пар затем толкает поршень вперед и назад. Именно с этим движением поршня двигатель может выполнять механическую работу.

Паровой двигатель был главным источником энергии промышленной революции (которая началась в Англии в XVIII веке) и доминировал в промышленности и транспорте в течение 150 лет. Он по-прежнему полезен сегодня в решении многих задач, во многих развивающихся странах.

Да, вам не послышалось! Паровые машины и нынче массово используются в Англии, Германии, Франции. Что касается стран со слабой экономикой, то паровая тяга в буквальном смысле слова обслуживает сельское хозяйство.

Самые ранние известные паровые машины были новинками, созданными греческим инженером и математиком Героном (Heron) из Александрии (ок. 10-70), жившим в первом веке нашей эры. Его самое знаменитое изобретение называлось аэлиопилом. Это изобретение представляло собой небольшой полый шар, к которому были прикреплены две изогнутые трубки.

Сфера была прикреплена к котлу, который производил пар. Когда пар выходил из полых трубок сферы, сама сфера начинала вращаться. Герон и несколько других греков разработали множество других паровых устройств, таких как паровой орган и автоматические двери, но всегда в контексте игр и развлечений, казалось бы, без всякого интереса к использованию пара в практическом плане.

Изучая историю Древнего Рима я заметил, что многие технические достижения наших древних предков почти вплотную подходили к созданию паровой машины: создавались насосы ля пожарников, паровые игрушки для музыки… Ещё немного и паровой трактор мог выйти на дороги Рима.

Хотя греки установили принцип паровой энергии, он был проигнорирован в течение более чем 1500 лет до конца 1600-х годов в Европе. В течение этого длительного периода основными источниками энергии были сначала мускульная сила человека или тягловые животные, а затем энергия ветра и воды.

Однако для некоторых работ, таких как откачка воды из шахтного ствола, источник энергии, который мог бы прекратиться в любой момент, не всегда был способен решать поставленные задания. На самом деле, сама глубина английских шахт побуждала инженеров разрабатывать насосы, которые были бы быстрее, чем старые водяные насосы.

К середине XVI века работа над воздушными насосами утвердила представление о поршне, работающем в цилиндре, и примерно в 1680 году французский физик Дени Папен (1647-1712) поместил немного воды на дно трубы, нагрел ее, превратил в пар и увидел, что расширяющийся пар с силой толкает и перемещает поршень прямо перед собой.

Когда трубка остыла, поршень вернулся в прежнее положение. Хотя Папен прекрасно сознавал, что создал двигатель, который в конечном счете мог бы работать, его отпугнули вполне реальные механические трудности того времени, и он решил работать в меньшем масштабе — создать первую в мире скороварку.

Вслед за Папеном английский военный инженер Томас Савери (1650-1715 гг.) построил то, что большинство считает первым практическим паровым двигателем. В отличие от системы Папена, эта машина не имела поршня, так как Савери хотел только черпать воду из угольных шахт глубоко под землей.

Зная, что он может использовать пар для создания вакуума в сосуде, он соединил такой сосуд с трубой, ведущей в воду внизу. Затем вакуум втягивал воду в трубку и выдувал ее под давлением пара. Система Савери была названа «другом Шахтера», поскольку она поднимала воду из шахт с помощью всасывания, производимого конденсацией пара.

Несколько лет спустя английский инженер и партнер Савери Томас Ньюкомен (1663-1729) усовершенствовал паровой насос, вновь введя поршень. К 1712 году он построил двигатель, который использовал пар при атмосферном давлении (обычная кипящая вода), которую изготовить сегодня в силах каждый школьник.

Его поршневой двигатель был очень надежен и вошел в общее употребление в Англии в 1725 году. Его машина называлась лучевым двигателем, потому что в верхней части у нее была огромная качалка, или Пильная балка, движение которой передавало энергию от единственного цилиндра двигателя к водяному насосу.

Понимание того, как работал двигатель Ньюкомена, дает представление обо всех более поздних паровых двигателях. 

Во-первых, вся машина помещалась в машинном отделении высотой примерно в три этажа, из верхней стены которого торчала длинная Дубовая Балка, способная качаться вверх и вниз. Дом был построен в стороне от шахты. В нижней части вала находился водяной насос, который соединялся с двигателем длинной насосной штангой.

Под балкой внутри дома находился длинный медный цилиндр, стоявший на кирпичном котле. Котел питался углем и подавал пар. Внутри цилиндра находился поршень, который мог скользить вверх и вниз и был соединен с балкой наверху. Двигатель всегда заводился с поршнем в верхнем положении.

Затем пар наполнил цилиндр из открытого клапана. При заполнении цилиндр распылялся водой, что приводило к тому, что пар внутри него конденсировался в воду и создавал частичный вакуум. С помощью этого изобретения давление наружного воздуха заставило бы поршень опуститься вниз, который качал балку и тянул вверх штанги насоса и всасывал около 12 галлонов (45 л) воды.

Затем поршень возвращался в исходное положение (вверх) в цилиндре, и процесс повторялся. Помимо того, что он назывался лучевым двигателем, двигатель Ньюкомена также назывался атмосферным мотором, поскольку он использовал давление воздуха для перемещения поршня (вниз).

Двигатель стирлинга своими руками

Всем известный двигатель Стирлинга можно создать самостоятельно из подручных материалов. Любой источник тепла в этой конструкции способен дать вам на выходе из устройства энергию.

Для изготовления двигателя Стирлинга своими руками понадобятся:

• CD –диск;
• пластиковый холдер из-под CD-дисков;
• лист алюминия размером 25 х 13 см;
• эпоксидная смола;
• проволока;
• 7-дюймовая ПВХ-труба;
• пенопласт;
• медная труба ¾ дюйма;
• клейкая лента;
• термопистолет и горячий клей;
• ножевка по металлу;
• нож;
• сверла;
• кусачки;
• лобзик;
• циркуль.

. От CD-холдера необходимо отрезать часть конструкции. В итоге должна получиться окружность без дна и верха с ровными краями. Высота – около 4 см.

. Циркулем замеряйте диаметр получившейся окружности. Перенесите его на пенопласт. Сделайте два круга. Обязательно отметьте центр. Круги отшлифуйте лобзиком. Склейте их. Для четкого попадания в окружность проклейте внешний край клейкой лентой.

. Круги, диаметром с окружность CD-холдера вырежьте из алюминиевых листов. Их должно быть два.

. Ровно посредине верхнего алюминиевого листа просверлите отверстие, в которое будет входить проволока. Чтобы проволока двигалась прямо, как это необходимо нам, приварите кусочек угловой трубы, так как это показано на фото. В его верхней шляпке сделайте еще одно отверстие для проволоки.

Ближе к краю верхней крышки просверлите еще одно отверстие диаметром равное кусочку имеющейся металлической трубы.

. Теперь необходимо сделать поршень. Для этого, возьмите кусок металлической трубы, который потом и войдет в данную конструкцию. Промойте ее и поставьте на крышку, застеленную кусочком полиэтиленового пакета. Изнутри смажьте трубку и сам пакет маслом.

После этого залейте в получившуюся форму, подогретую эпоксидную смолу. Она должна быть теплой, не горячей. По мере ее застывания с силой поучившийся поршень вам придется вытолкнуть. Из проволоки сформируйте крючок. Просверлите в куске эпоксидной смолы отверстие и вставьте в него эту проволоку. Поршень готов.

. Часть конструкции нужно собрать. Дно конструкции приклейте при помощи горячего клея. Также сделайте еще несколько крючков из проволоки. Крючок, который будет располагаться посередине всей конструкции, обрежьте. Концы крючков заделайте эпоксидной смолой.

. Закрепите на алюминиевом верхнем листе трубу. Смажьте ее, вставьте поршень. Сделайте макет двигающей части конструкции. Для этого просто приложите бумагу и сделайте основные разметки. По нарисованному макету загните проволоку.

. В крючках просверлите отверстие, размером немного больше основной проволоки.

. ПВХ трубу разрежьте пополам прикрепите к алюминиевому основанию горячим клеем. В трубе сделайте отверстия, в которые вы и ставите проволочный коленчатый вал. На другой конец вала прикрепите крышку от пластиковой банки или компакт-диск. Они должны вращаться.

. Проверьте работоспособность механизма. Подгоните все детали. При необходимости смажьте движущиеся части механизма. Правильно собранный двигатель должен приходить в движение от нагревания воздуха. Последний, расширяясь от горячих температур, выталкивает поршень, который и приводит в движение сам двигатель.

Двигатель стирлинга своими руками

Небольшое отступление: перегретый пар и уголь паровоза

Однако одно плотно зависело от другого. В наших самодельных, домашних паровых машинках, мы нагреваем воду до температуры 200 градусов, рассчитывая, что она дойдет до 100-110 градусов и превратится в пар. Но паровоз на таком пару не поедет, ему нужно больше.

Пар должен быть перегрет, он должен обладать большой кинетической энергией. Его температура должна составлять 1600 градусов (да, именно таких отметок достигал пар в котле). Более того, пар находится в котле под давлением 10-15 атмосфер. Это чудовищные условия и, конечно, не удивительно, что такой пар толкал десятки выгонов и тысячи людей.

Интуитивно нам кажется, что пар с температурой выше 100 градусов – это какой-то нонсенс, однако это не так. Вода – вообще штука удивительная и часто разрушает всё интуитивное.

Мы привыкли воду видеть в жидком состоянии. Таков наш океан и таковы наши моря. Однако, вода – это химическое вещество и у неё есть свои правила существования, которые далеко не всегда пересекаются с нашими мироощущениями и представлениями. В жидком виде она существует при совпадении целого ряда условий.

Выходит, если давление поднять то вода не спешит кипеть? Да, именно так. Более того, в котле паровоза пар запирается под давлением 10-15 атмосфер, а значит, чтобы кипение продолжалось нам нужно нещадно поднимать температуру. А значит: «Больше пара! Больше угля! Больше огня!

Поэтому, можно немного «обмануть» машину. А что, если пар будет выходить из котла и дополнительно нагреваться? Да, это вполне возможно. В одной из своих паровых машинок я постарался провести этот интересный эксперимент. Медная трубка выходила из котла и делала два витка. Такое изобретение напоминало спираль кипятильника. Однако это спираль помещалась в… котёл!

Температура моего пара в итоге зашкаливала за 400 градусов. Обороты машины выросли в 3-4 раза. Всё шаталось, дрожало и вибрировало! Конечно в этом нет ничего особенного: молекулы водяного пара при нагреве начинают бешено ударяться друг о друга, лететь во все стороны и в таком «нервном» состоянии они влетают в рабочий цилиндр, напрочь снося поршень в нижнюю мёртвую точку.

Следует помнить! Перегретый водяной пар – не игрушка! Во-первых, его перестаёт быть видно, влажные микроскопические капли воды напрочь превращаются в пар, скорость его увеличивается в разы. Он абсолютно невидим. Кожа при соприкосновении с таким паром слазит за мгновение. Будьте очень осторожны с перегретым паром!

В паровозах специально существовал, так называемый, пароперегреватель, который разгонял пар и выжимал дополнительную мощность из тех молекул воды, которые уже покинули котёл.

Вернемся к углю. Конечно паровоз можно было «топить» и дровами, однако развить ту скорость, мощность, давление и температуру, которая способна тянуть грузовой состав представляется реальным лишь на мощном топливе, которым является уголь.

А вот одной из важнейших промышленных проблем конца XVII века был дренаж шахт, особенно угольных. Уголь заменил древесину в качестве основного источника топлива для таких отраслей, как стеклоделие, мыловарение и металлообработка, и спрос на него был высоким.

Проблема добычи воды будет решена, как только кто-нибудь найдет дешевый источник механической энергии для работы водяных насосов. В течение 16 и 17 веков шахты осушались в основном лошадиной силой, иногда для работы насосов на одной шахте требовались команды лошадей.

В 1664 году, когда кризис добычи воды достиг своего апогея, в Дартмуте родился Томас Ньюкомен. После ученичества в качестве торговца скобяными изделиями он начал продавать инструменты для горной промышленности Корнуолла. Во время своих визитов на рудники он начал осознавать, какая огромная финансовая награда была бы получена, если бы он смог разработать механическое средство для удаления паводковых вод: тогда руду можно было бы добывать гораздо быстрее и безопаснее из-под естественного дренажа шахт.

Вместе со своим помощником Джоном Калли Ньюкомен много лет экспериментировал, пытаясь обуздать свойства пара. Его работа принесла свои плоды в 1712 году, когда он смог продемонстрировать первый атмосферный двигатель, откачивающий воду из угольной шахты недалеко от замка Дадли в Южном Стаффордшире.

Двигатели XVIII века приводились в действие весом земной атмосферы, действуя против вакуума, который создавался на нижней стороне поршня конденсацией пара. Двигатели приводились в действие таким образом, потому что в начале восемнадцатого века технология не была достаточно продвинута, чтобы сделать котлы, которые сдерживали бы силы пара, поднятого до высокого давления. Большие, безопасные, паропроницаемые посудины просто не могли быть сделаны в то время.

Паровая машина из сантехники

Есть такая вещь, как пневматический режим паровой машины. Когда ваш двигатель собран, вы можете его проверить на работоспособность без кипячения воды, без пара. Достаточно просто подуть в штуцер водяного пара и крутануть маховик. Машина должна прийти в действие. Чем легче вам дуть в такой двигатель, тем лучше он будет работать, тем меньше потребуется воды и пара.

Начиная собирать двигатель и тестируя его, я понял, что паровой котёл – куда более важная деталь, чем весь двигатель. Он может быть недостаточно эффективным просто потому, что в нём не всё герметично, либо потому что его стенки слишком толстые и вода кипит очень медленно.

И так, начнем с цилиндра и золотника. За основу берется сантехника с резьбой ½ дюйма. В качестве рабочего цилиндра используется сгон пол-дюйма, в качестве золотника тройник с внутренним диаметром меньше, чем у сгона.

Кто же у нас поршни? Решение пришло неожиданно и оказалось очень и очень эффективным. В качестве поршней выбираются подшипники. Во-первых он идеально круглый,; во-вторых, в нём есть отверстие, которое очень нужно для посадки поршня на шток.

В рабочий цилиндр устанавливался в качестве поршня подшипник с внешним диаметром 19 мм. (вообще поршень 19 мм. идеально подходит для цилиндра-сгона) и внутренним М6. В золотник я установил 6 шайб, но, как оказалось, в строительном магазине были подшипники меньше, просто я их не нашел. Советую всё-таки не допускать мою ошибку и устанавливать подшипники и в цилиндр и клапан.

Велосипедные спицы – идеальны при создании кришипных механизмов, но у меня их не было, поэтому я пошел более сложным путем – в качестве штока использовал фрагмент болта М6 (часть где нет резьбы), а в качестве кривошипов использовал полосы фанеры.

Рабочий цилиндр устанавливался на два хомута, которые прикручивались к плотной деревянной подушке.

Что делает кран между золотником и цилиндром? Оказалось, что маховик и его тяги слишком широки, а бочонка или малого сгона, который бы соединял клапан и цилиндр у меня не было. Пришлось импровизировать. Не допускайте моей ошибки – устанавливайте золотник прямо на сгон цилиндра.

А вот котёл был практически идеален, единственное, что угнетало – слишком малый объём и пара недостаточно много. Котёл, собранный таким образом, просто отлично подходит, поскольку сантехнические узлы выдерживают колоссальное давление и можно не переживать, что пар разорвет его изнутри (консервные банки и банки от ананасов – разрывало только так).

За основу брался сгон диаметром в 1 дюйм. С одной стороны надевалась заглушка (закрутить до упора), с другой стороны устанавливаем чугунный переходник на пол-дюйма. Далее ставим бочонок и уголок типа «мама-мама», который формирует сухопарник. Здесь нужно сделать небольшое отступление.

Котёл – самая важная часть всей затеи. Проблема паровой машины в том, что она очень часто гонит вместе с паром воду. Сухопарник – это удлинение, в которое вода просто не может долететь и поэтому выходит в машину лишь пар. На практике это оказалось не совсем так, поэтому дюймовый котловой сгон установлен под небольшим наклоном, чтобы вода скапливалась не в сухопарнике.

Дальше от уголка вверх идёт опять сгон пол-дюйма, после чего устанавливается крестовина. Почему крестовина, почему не тройник? Или совсем не уголок? Дело всё в том, что данная модель котла – упрощенная, поскольку она не вмещает много воды, однако я делал её так, чтобы иметь возможность модернизировать.

Четыре выхода крестовины:

1. Левый выход. Идёт на кран, после чего отправляет пар на паровой двигатель. Кран можно перекрыть, тем самым мы запираем пар внутри системы. Зажатому пару некуда деться, более того, вода продолжает кипеть и пара становится всё больше и больше. Помимо этого пар нагревается топливом (я использовал сухое топливо для розжига) и буквально «бешенеет». Давление пара растёт и он врывается в золотник, проходит к рабочему цилиндру и начинает совершать полезную работу.
2. Правый выход. Тут стоит заглушка, но предусмотрен был еще один кран для экстренного сброса пара. Если давление растет в котле быстрее, чем успевает спадать в машине, значит пар нужно «сбросить».
3. Нижний выход мы уже обсудили – он идёт от топки.
4. Верхний канал также содержит заглушку, но теория предусматривала наличие манометра, который способен измерять и контролировать давление.

В планах есть собрать котел на 3 дюймовом сгоне. Такой котел действительно следует снабжать манометром, т.к. воды в нём будет много,  пара – ещё больше.

Паровой двигатель с качающимся цилиндром: самый простой из эффективных

Осциллирующий паровой двигатель, или как ещё её называют, паровая машина с качающимся цилиндром – лично на мой взгляд, настоящее чудо техники, которое открыло многим моделистам возможность быстро и без особых затрат собрать паровую машинку высокой мощности, которая будет работать.

В чём же её основная суть? И почему она так грозно называется – с качающимся цилиндром? Неужели в ней всё настолько сурово, что даже цилиндр должен вращаться, не только маховики с поршнями?

В этой машине вообще отсутствует золотниковый клапан. Кривошипно-шатунный механизм настолько просто, что крепится шатуном к маховику всего с одной стороны (ведь золотника нет). 

И так, возьмём стандартную паровую машинку, и уберем напрочь в ней клапан и всё, что с ним связано. При этом уберем также все «суставы» кривошипов, которые идут от штока рабочего поршня к маховику. Да, шток прочно закреплен с маховиком.

При этом напрочь запаяем днище цилиндра и оставим только одно впускное отверстие, сверху над мертвой точкой. Что будет если мы начнем подавать на впуск пар? Поршень стремится выскочить наружу, но не может, так как изгибов и рычагов нет, он просто давит штоком на колесо маховика!

Тогда система будет поворачивать колесо маховика, а потом возвращаться. Что ж, попробуем сделать такой простой двигатель.

Находим трубку из нержавейки или меди.  Сделаем отверстие в ней.

Далее из холодной сварки делаем поршень и прикрепляем его на шпильку. С другой стороны устанавливаем крепление для будущего маховика. В качестве крепления идеально подходит клемма для подключения проводника, а поршень можно изготовить из подшипника, как мы делали ранее.

Проверяем насколько плавно поршень входит в цилиндр и, если он там застревает – полируем цилиндр изнутри, а поршень – снаружи. Он должен ходить свободно, но должна ощущаться компрессия.

Далее, днище цилиндра (то, которое ближе к верхней мертвой точке, возле отверстия) прикрепляем уголок. 

Он должен быть закреплен так, чтобы полностью закрывать цилиндр. Если цилиндр и уголок из меди или нержавейки их можно спаять. Если всё из железа, можно сварить. А можно поступить ещё проще и посадить его на жаростойкую эпоксидную смолу с затвердителем.

Внимательный читатель наверное понял, что уголок – это будущая ось вращения (качения) цилиндра, а отверстие в цилиндре – впускное. Поэтому уголок необходимо разместить так, чтобы его отверстие лежало с впускным на одной прямой параллельной цилиндру.

Далее нужно установить конструкцию на ось, для этого следует создать небольшой каркас – раму.

Прикреплять конструкцию следует не только винтом, но и пружиной, чтобы цилиндр был перпендикулярен оси вращения, но не жестко. Жесткость создаст силу трения в механизме газораспределения (цилиндр будет тормозиться, притираясь к планке выпуска и впуска).

Дальше следует найти две идеально гладкие (желательно идеально гладкие) поверхности. В идеале – медные, натертые до зеркального блеска пластины. Но поскольку это почти не реально, то можно использовать фрагменты глянцевого ламината. Я использовал керамическую плитку, но её сложно сверлить.

Далее эту поверхность прикрепляем к цилиндру отверстие к отверстию.

Далее ищем маховик потяжелее. Можно использовать даже диск от циркулярки.

Устанавливаем его в подшипник и подставку (вилку). 

Это достаточно забавно, но можно выполнить всё идеально и ошибиться в расчете хода поршня. Один из моделистов как-то заметил, что при финальных этапах сборки он постоянно ощущает, что начинает халтурить. 

Это действительно так, когда конечный результат не за горами и вы уже видите, что всё начинает вырисовываться, вероятность ошибки начинает возрастать.

Когда цилиндр и его система газораспределения установлена, нужно рассчитать две вещи:

• где будет маховик;
• где на маховике будет рычаг крепления со штоком.

Помните три главные вещи:

1. В верхней мёртвой точке точка крепления маховика и штока ближе всего к цилиндру и цилиндр горизонтален, в нижней мертвой точке — крепление маховика и штока дальше всего от цилиндра и цилиндр горизонтален опять.
2. Ход поршня – это диаметр внутреннего круга, который описывает точка крепления штока к маховику, т.е. расстояния от центра маховика до точки крепления – половина хода поршня.
3. Верхняя мертвая точка – это не дно цилиндра, а любая выбранная вами позиция, которая должна быть выше впускного отверстия.

Далее нужно сделать шатун. Его можно изготовить из фанеры или металлической планки. Металлическая планка может казаться надежней, но она тяжелее и из-за нее могут возникнуть небольшие биения махового колеса.

Теперь следует завершить систему газораспределения. Когда поршень находится в верхней мёртвой точке – пар должен попадать в цилиндр и выталкивать поршень, поворачивая тем самым и маховик и сам цилиндр.

Когда поршень доходит до нижней мертвой точки, цилиндр поворачивается и поршню пора возвращаться. Значит впускное отверстие становится выпускным и из него отработанный пар должен выйти.

Таким образом берем нашу вторую гладкую планку и делаем два отверстия. Одно располагается в том месте, где оказывается отверстие в верхней мертвой точке, второе – в нижней. Эти два отверстия должны быть соединены друг с другом в верхнем слое планки, т.е. содержать канавку (дабы пар наполнял цилиндр до самой нижней мертвой точки, даже когда цилиндр «уйдёт» с отверстия).

Затем аккуратно устанавливаем эту планку, совмещая отверстия и фиксируя положения цилиндра и самой планки. Планка должна очень плотно прилегать к планке цилиндра, но не выталкивать его из плоскости.

Всё! Двигатель готов. 

Данный двигатель действительно приятно собирать и есть простор для мысли. Собирать его вот таким образом – несколько неуклюже, куда лучше использовать медь и пайку, тогда наверняка его можно построить за час.

Кроме того, данный мотор можно усовершенствовать, например, установить второй цилиндр на тот же шатун, но с другой стороны.

Также, можно очень легко создать такой осциллирующий двигатель двойного действия: ось вращения будет посередине цилиндра, а справа и слева от неё будут два отверстия и соответственно две планки. Отверстия будут меняться между собой, сначала правое будет впускным, а левое – выпускным, а затем – наоборот. Двигатель сможет сам запускаться, его можно устанавливать в модели чего угодно, либо превратить в паровой генератор тока.

Какой цилиндр лучше изготавливать – длинный или короткий? Машины с длинными цилиндрами требуют больше пара и являются более тихоходными, медленными. Однако их крутящий момент выше.

Проблемы паровой машины, собранной из сантехнических узлов

С точки зрения моделирования, паровой двигатель, собранный из сантехнических узлов, имеет  ряд преимуществ. Во-первых, он действительно собирается легко и просто, в прямом смысле слова: не требует пайки, сварки, точных настроек и притирок. Во-вторых, он очень близок к идеальному паровому двигателю, собранному Ваттом и другими знаменитыми инженерами, поскольку собран из высококачественных компонентов.

Действительно, следует признать, что узлы для сантехники изготовлены из прочных материалов: сталь, чугун, латунь или медь, используемые в создании сгонов, тройников и переходников отбираются в строгих, заводских условиях. Сгоны, бочонки и тройники, используемые нами при создании паровой машины рассчитаны на высокие давления, контакт с водой предусмотрен, а коррозии можно не боятся.

Но данная глава называется «Проблемы паровой машины» не случайно. И, к сожалению, останавливаться на сантехнических компонентах нельзя, и вот почему.

Однажды, на просторах Интернета, у меня возник небольшой спор с одним моделистом. Он назвал свой проект одноцилиндровой паровой машины одиночного действия почему-то «двухцилиндровой» и я сразу спросил его, куда скрылся второй цилиндр. Он ответил: «Да вот же он!» и указал на золотник.

Золотник действительно включает в себя поршенёк, который через шток и кривошипно-шатунный механизм соединён с маховым колесом. Однако, колесо вращается из-за тяги, созданной рабочим поршнем, а не золотниковым. 

Истинная роль золотника хорошо истолкована в главе «Паровая машина с качающимся цилиндром», — там попросту нет никакого золотника. Да, он нужен не для создания тяги. Синонимом к слову «золотник» является термин «клапан». Его основная задача – контролировать впуск и выпуск в пара в рабочий цилиндр, золотник – неотъемлемая часть газораспределительного механизма, не более.

Кривошипно-шатунный механизм золотника даже сложно назвать таковым, поскольку он (здесь следует быть внимательным) НЕ вращает маховик, а наоборот «СНИМАЕТ» с него показания. Маховик, уже вращаемый рабочим поршнем, «даёт понять» через свой «кривошип», когда следует впускать нагретый пар в цилиндр и выпускать отработанный. Именно поэтому, в правильной паровой машине, используется скользящий эксцентрик, а не компонента коленчатого вала и шатун.

В четырёхтактных двигателях внутреннего сгорания золотника нет, но есть клапана, распределительный вал, цепь (или ремень) газораспределительного механизма и впуск/выпуск, подачу топлива контролирует система, заменяющая золотниковый механизм.

Применяя сантехнические узлы, мы выбрали сгон ½ дюйма в качестве рабочего цилиндра и подшипник диаметром 19 мм, в качестве поршня. Это отличное решение, так как поршень идеально круглый, цилиндр идеально ровный, материалы прекрасно сочетаются. И, если в случае с созданием рабочего цилиндра/поршня разнообразие сантехнических устройств нас выручило, то в случае с золотником, дела идут несколько хуже.

Нами был выбран тройник и это естественно, поскольку у золотника в самом простом исполнении три выхода: канал впуска пара, канал выпуска пара, канал впуска пара в рабочий цилиндр. Однако, что сантехника нам может предложить. Поскольку золотник должен плотно соединяться с цилиндром (через бочонок или напрямую), то соединительная гайка должна подходить к резьбе сгона ½ дюйма.

Выходит, что внутренний диаметр золотникового цилиндра почти такой же, как и у рабочего. Более того, поршенёк золотника – не такой уж «поршенёк», он почти соизмерим с массой поршня рабочего цилиндра. Именно поэтому, при испытания паровой машины наблюдается странная, даже немного абсурдная картина: пар толкает поршень золотника и этот поршень совершает полезную работу, вращая маховик, затем проходит до канала, соединяющего его с рабочим цилиндром; попадает на рабочий поршень и совершает ещё одну полезную работу, вращая маховик далее.

Такой громоздкий поршенёк золотника и правда напоминает второй цилиндр, однако так не должно быть. Кто-то, конечно, скажет, что это не так страшно. Действительно, функционально ошибка не так пугает, ведь маховик вращается, а значит термодинамика пара превращается в механику махового колеса, что говорит о решении главной задачи.

Однако есть одно существенное «но». Пара должно хватать. Котёл созданный на дюймовом сгоне с чугунной заглушкой не справился с поставленной задачей вообще. А значит котёл нужно увеличивать. Скороварка на газовой плите справится, но, на мой взгляд, кипятить 6 литров воды, чтобы раскрутить паровую машину с диаметром рабочего цилиндра 20 мм. – не разумно.

Кроме того, хотел бы напомнить, что наша задача – создать автономную паровую систему, без внешних газовых источников, огромных котлов, атомных реакторах на быстрых нейтронах. Паровая машина не должна съедать слишком много пара. Вспомните паровоз: он тянул огромные составы с людьми и грузами, используя свой собственный котёл.

На самом деле, более опытные моделисты могут посчитать информацию из данной главы почти что бесполезной, но мой опыт указывает на то, что большинство тех, кого заинтересовала тема моделирования паровых машин, не владеют знаниями касательно действительного назначения золотниковых клапанов.

Какие выходы из сложившейся ситуации? На мой взгляд, использование сантехнического сгона ½ дюйма и подшипника 19 мм. в конструировании паровых систем – идеальное решение. Однако над золотником следует задуматься. Ещё раз отмечу, что работу пара, затрачиваемую на сдвиг тяжелого поршня золотника, только с первого взгляда можно считать полезной, т.к. пар должен «работать» в основном цилиндре.

Вторым колоссальным недостатком сантехнической сборки парового двигателя является избыток конденсата. Я уже писал, что паровая машина – не просто машина, с точки зрения физики её можно рассматривать как настоящий конвертер кинетической энергии нагретого пара в кинетическую энергии механических узлов: маховое колесо, кривошип и т.д.

Совсем наивные моделисты, которые (звучит иронично) «бегут впереди паровоза» и хотят собрать машину быстрее, чем понять её, считают, что совершенно не важно, что толкает наш поршень – пар, воздух, вода, — главное, чтобы толкало.Это не так, гидравлические машины (в которых жидкая вода, проходя через насосы,  оказывает полезное давление) устроены совсем иначе.

Если в двигателе появился конденсат, значит мы потеряли энергию, значит пар затормозился где-то, не успев дойти до выпускного клапана. Разумеется, в наших паровых моделях вода будет, от неё практически невозможно избавиться (хотя, чуть дальше мы научимся её конденсировать вне системы газораспределения).

Есть несколько вариантов решения, рассмотрим их. Для начала, и таково было моё решение, сделать поршень золотникового клапана более лёгким. Да, диаметр и его ход по-прежнему будет соизмерим с характеристиками рабочего цилиндра, но всё же сбросив массу мы решим часть проблем.

Обратившись к Абрамову. На ум пришла достаточно старомодная, но действенная схема – две шайбы на краях поршня и вата, смазанная густым машинным маслом. Данный способ действительно эффективен, даже в пневматическом режиме (от пуска обычного сжатого воздуха) мотор стал вращаться лучше, однако трение в золотниковом цилиндре увеличилось.

Также я использовал специальный войлок, который активно применяется в мебельной индустрии (им оклеивают ножки стульев и столов во избежание царапин на паркете). Установив несколько таких войлочных колечек между шайбами получаем лёгкий поршень и действительно приятный его ход внутри золотникового клапана.

В пневматическом режиме машина работает безупречно, более того войлочные вкладки между шайбами буквально полируют до блеска стенки поршня изнутри и с каждой минутой ход поршня всё лучше и лучше. Однако на этом все победы войлока заканчиваются. Стоит впустить в систему живой пар, как начинаются неприятности.

С одной стороны пар выходит из рабочего цилиндра наружу, через золотник. Выходит в одну сторону, на «свободу», и в другую сторону – давя на золотниковый поршенёк и выталкивая его обратно. Выходит, что поршенёк клапана оказывается в неприятном положении – с одной стороны на него давит рабочий пар из котла, с другой – отработанный из цилиндра.

Пар пропитывает собой войлок и волей-неволей конденсируется, пропитывая волокна влагой. Войлок разбухает, расширяется и все его плюсы по снижению трения начинают превращаться в минусы. После минуты работы такой паровой машины, поршенек фактически не желает выходить из золотника – он полностью мокрый, разбухший и клинит в клапане.

Чтобы сдвинуть такой плотный поршенёк рабочий пар должен проделать не слабую работу, что опять-таки мешает всему процессу. Более того, шток перестаёт быть параллелен стенке цилиндра, поршень перекашивает: часть, которая ближе к котлу разбухает сильнее и цилиндр наклоняется.

Это увеличивает трение штока о край цилиндра и шайб поршня о внутренние стенки. Решение есть: поставить штуцер на 10 мм. Он попросту накручивается на сантехнический тройник золотника и выравнивает собой шток. Трение штока о внутренние стенки штуцера можно легко нейтрализовать маслом, однако сам штуцер препятствует выпуску отработанного пара из золотника, а следовательно – повышает конденсацию рабочего пара в клапане и пропитывает войлок влагой ещё сильнее. Это настоящий кошмар, который нужно обойти любой ценой.

Такое решение оказалось неудачным. Второй вариант стандартный – изготовить маленький цилиндр и маленький поршенёк внутрь. В хороших, высокопродуктивных машинах сам по себе золотник почти такой же в диаметре как паропровод, подводящий к нему пар – иногда даже проблематично разглядеть золотник, кажется, что он является продолжением трубки.

Многие стремятся в процессе изготовления обойти процесс пайки. Да, действительно, для тех моделистов, которые никогда не были связаны с радиолюбительством, литьём метала или электротехникой, пайка кажется таким же недосягаемо сложным занятием, как и работа за токарным станком.

Скажу сразу: решения существуют, однако они намного более сложные и материально-затратные, чем покупка паяльника и краткий курс самостоятельного обучения пайки. Можно воспользоваться штуцерами и трубками. В стеклянных многоразовых шприцах времён СССР использовались очень высококачественные штуцеры, которые можно монтировать в отверстия золотников и цилиндров, соединяя их трубками.

Ничего паять при этом не нужно, поскольку трубки устанавливаются на специальных прокладках-шайбах, которые не пропускают пар. Шприцы, как я уже упоминал, являются многоразовыми, а значит подлежат стерилизации. Они выдерживают температуру 200-250 градусов. Они решают много проблем и при грамотном использовании можно из шприцов создавать рабочие модели паровых двигателей.

Процесс изготовления щёчек

На гайку необходимо положить бумагу, сверху следует пробить отверстие болтом. После надевания бумаги на болт в верхней части его ставится шайба. Всего следует проделать четыре такие детали. Накручивание гаек проводят на верхнюю щёчку, снизу следует подложить шайбочку и зафиксировать конструкцию с помощью термоклея. Конструкция каркаса готова.

Далее необходима перемотка проволоки для электродвигателей своими руками. Конец проволоки наматывают на каркас, скручивая при этом концы проволоки, чтобы катушка была красива и презентабельна. Далее следует раскрутить гайки удалить болт. Начало и конец проволоки очищают от лака, а затем устанавливают конструкцию на болт.

Сделав подобным образом вторую катушку, необходимо соединить конструкцию и проверить, как работает электродвигатель. Шляпку болта подключают к плюсу. Следует провести плавный пуск электродвигателя, собранного своими руками.

Внимательно стоит отнестись к контактам. До пуска следует проверить их тщательность подключения. Конструкцию необходимо приклеить на суперклей. При увеличении тока происходит возрастание электродвигательной мощности.

Если катушки соединены параллельно, то происходит уменьшение суммарного сопротивления и возрастания электрического тока. Если соединяется конструкция последовательно. то суммарное сопротивление увеличивается, а электрический ток сильно уменьшается.

Проходя через конструкцию катушки, наблюдается увеличение электрического тока, что приводит к увеличению размеров магнитного поля. При этом электрический магнит сильно притягивает к себе электродвигательный якорь.

Если конструкция собрана правильно, то работа электродвигателя происходит быстро и эффективно. Чтобы собрать модель электродвигателя, не нужны какие-то специальные навыки и знания.

Можно на просторах интернета найти пошаговую инструкцию с фото на каждом из этапов. Воспользовавшись этим, любой человек быстро может собрать электродвигатель из подручных материалов.

Источник

Свечной мотор: самая простая, мембранная паровая машина

Изначально, у меня не было в планах рассказывать про эту «игрушку». Если ты собираешь поршневую систему с пальцами, цилиндрами, кривошипами и шатунами, то не можешь себе позволить размениваться на идеи, для которых нужна всего одна трубка.

Однако, дабы отдохнуть от создания паровых двигателей, радостей успехов и горечи неудач, я всё же решил сделать это устройство и был очень доволен результатом.

Те, кто занимаются моделированием кораблей и самоходных катеров, и не  хотят использовать электромотор, могут обратить внимание на это интереснейшее изобретение. Оказывается, ему больше столетия и такие лодки действительно строили в конце 19 века.

Стоимость материалов – минимальна. Инструменты? Желательно иметь паяльник, ножницы, канцелярский нож и всякую мелочь.

Названий у этого изобретения – множество. Кто-то называет его мембранным двигателем (из-за наличия мембраны в котле), кто-то свечным из-за того, что работает он от свечки), кто-то реактивным паровым водомётом (из-за того, что лодка движется по сути из-за реактивной тяги кипящих струй воды). Однако самым ходовым названием такой игрушки является термин «поп-поп-лодка».

Поп-поп-лодка — это игрушка с очень простым паровым двигателем без движущихся частей (поршни, шатуны, маховики), которые приводятся в действие свечой, спиртовкой или горелкой растительного масла. Название происходит от шума, производимого некоторыми версиями лодок. Они издают очень интересный звук, словно на борту настоящий дизельный мотор.

Поп-поп-лодки обычно делаются из жести. Корпус лодки может быть изготовлен из любого материала, который плавает. Самодельные поп-поп-лодки часто делаются из дерева или пенопласта.

Двигатель лодки состоит из котла и одной или нескольких выхлопных труб. Хотя можно использовать одну выхлопную трубу, гораздо чаще используются две выхлопные трубы. Это происходит потому, что котел и выхлопные трубы должны быть заполнены водой, а использование двух труб позволяет впрыскивать воду в одну трубу, в то время как воздух внутри двигателя выходит через другую трубу.

Конструкции котлов различаются. Обычно применяют простые металлические контейнеры в форме коробки или цилиндра. Более эффективный котел может быть изготовлен с помощью металлического поддона, верхняя часть которого представляет собой слегка вогнутую диафрагму, изготовленную из очень тонкого, пружинистого металла.

Существует очень простой способ самостоятельно изготовить такой двигатель из банки от пепси и двух шариковых ручек. Строится такая машинка за час.

Берём банку с Пепси-колой. Банку следует брать только новую, запечатанную. Делаем осторожно отверстие и спускаем через него весь напиток. Рядом делаем второе отверстие. Оба отверстия должна находится на линии параллельной оси банки.

В отверстия необходимо вставить две трубки. Конечно идеальными будут медные трубки, но подойдут и стеклянные от шариковых ручек. Главное, чтобы между ручками и банкой не было никаких щелей и люфтов – совсем никаких! Конструкция должна быть герметичной, единственными отверстиями через которые воздух может попасть в банку являются – трубки.

Учитывая, что у нас трубки из стеклопластика, то оптимальным будет эпоксидная смола или холодна сварка. Трубки отлично будут держаться на ней, а все зазоры будут плотно загерметизированы. Под котлом помещается какой-то нагревательный элемент. Обычно используются свечи или небольшие масляные горелки.

Внутрь банки набирается вода (через трубки), вода начинает вскипать, пар выходит через трубки и толкает лодку вперед. Новая, холодная вода набирается за счёт разницы давлений и цикл повторяется снова и снова. Двигатель будет функционировать до тех пор, пока будет гореть свеча. Характерный «дыр-дыр» звук возникает из-за вибрирования стенок банки.

Первый патент на дизайн поп-поп двигателя был оформлен Томасом Пиотом в 1891 году. Двигатель диафрагменного типа был запатентован Полом Джонсом в 1934 году (котел плоский, с медной мембраной). Двигатель катушечного типа, из патентной заявки, поданной Уильямом Перселлом в 1920 году (в качестве котла использована спираль).

Как мы уже отметили, Поп-поп-лодка приводится в действие очень простым тепловым двигателем. Этот двигатель состоит из небольшого котла, который соединен с выхлопной трубой. Когда тепло подается в котел, вода в котле испаряется, образуя пар. Расширяющийся пар внезапно выталкивается из котла, издавая звук «поп», и выталкивает часть воды из выхлопной трубы, толкая лодку вперед.

Котел теперь сухой, и поэтому больше не может генерировать пар. Импульс столба воды в выхлопной трубе заставляет его двигаться наружу, так что давление внутри котла падает ниже атмосферного давления. В случае двигателя диафрагменного типа котел также выпячивается внутрь в этот момент, также издавая хлопающий звук.

Любой воздух в котле может действовать как пружина и поддерживать колебания воды, но если в котел поступает слишком много воздуха, колебания прекратятся, потому что вся вода была вытеснена, и пар не может быть произведен. Вода содержит некоторое количество растворенного воздуха, который может накапливаться в двигателе во время работы. Поэтому двигатели должны периодически «отрыгивать» воздух, чтобы работать в течение длительного времени.

В лодках поп-поп с двумя выхлопными трубами (которую я и предлагаю изготовить из банки пепси) вода выталкивается из обеих труб во время первой фазы цикла и втягивается из обеих труб во время второй фазы цикла. Вода не циркулирует в одной трубке и не выходит через другую. Это своего рода импульсный реактивный двигатель.