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斯特林系列讲座之1:斯特林发动机的工作原理

2014-8-18 11:18| 发布者: admin| 查看: 4277| 评论: 0|原作者: 皮蛋豆腐

摘要: How does a Stirling engine work? 编译说明: 这篇帖子是斯特林系列讲座第一篇:斯特林发动机的工作原理,原文出处http://www.bekkoame.ne.jp/~khirata/indexe.htm,由“我爱制作网”编译。这个系列有好几篇文 ...
How does a Stirling engine work?

编译说明:
      这篇帖子是斯特林系列讲座第一篇:斯特林发动机的工作原理,原文出处http://www.bekkoame.ne.jp/~khirata/indexe.htm,由“我爱制作网”编译。这个系列有好几篇文章,读完以后,你会对斯特林发动机有比较深入的了解了,如果你同时又喜欢动手、爱琢磨,那么有了理论基础,就很容易成为这方面的高手。本文欢迎转载,但是请注明来自“我爱制作网www.52zhizuo.com”,翻译整理不易,请尊重我们的劳动。


1、空气的特性
      我们从气球上剪下一块橡皮,把一个空罐子的开口蒙住,如图1。当罐子被加热的时候,橡皮就会向上鼓起来,如图2;当罐子被冷却的时候,橡皮就会向内凹陷,如图3。当然这个道理很简单:罐子被加热,里面的空气受热后体积膨胀,压力增加,就把开口处的橡皮顶了起来;罐子被冷却,空气遇冷体积收缩,压力降低,外界大气压就让橡皮凹陷下去。
        这就是空气的特性,当然我们用眼睛是看不到空气压力的变化的,但是我们可以通过橡皮的变化观察出来。
1.GIF

2、什么是置换活塞
        我们在罐子里安装一个活塞,如图4。活塞的高度是罐子的一半,直径比罐子小一些,这样它才能在罐子里上下移动。
        我们给罐子的下方加热,上方制冷。这时用手把活塞提到罐子上方,如图5左。这样空气只存在于罐子下半部分了,因为上半部分的空间都被活塞占据了,空气被排挤了出去。于是空气被加热,体积膨胀,压力增加,蒙在罐口的橡皮被顶起,如图2的状态。
        如果把活塞放下去,这时空气都回到罐子的上半部分,如图5右。于是空气被冷却,体积缩小,压力降低,橡皮凹陷下去,如图3状态。
        这个活塞的作用是替换容器里的空气所占据的空间,让空气上下移动,交替受到加热或冷却,因此在斯特林发动机里,被称作“空气置换活塞”,简称“置换活塞”。
2.GIF

3、曲轴连杆机构:把活塞运动变成转动
        看了前面的教程,你已经了解了空气的特性,并懂得了置换活塞的工作原理了吗?这两点对理解斯特林发动机的原理非常重要。
        下面我们进一步解释斯特林发动机的结构。
        首先,通过一根细线,把置换活塞与一根弯曲的铁丝连在一起,如图6。当铁丝旋转的时候,活塞就会跟着上下运动,这就叫做“曲轴连杆机构”。
        现在给罐子的上方制冷,下方加热,就像前面描述的情况一样。同时你用手转动曲轴,活塞就会在细线(连杆)的带动下不断上下运动,罐口的橡皮会跟着不停地向上凸出——向下凹陷,如图7。
3.GIF

4、做功活塞——橡皮的功能
        橡皮的运动可以推动弯曲的铁丝(曲轴)的转动——我们不能一直用手转动曲轴啊!
        如图8那样,用一根小木棍(连杆)把橡皮和曲轴连接在一起。木棍与曲轴连接处那一段,与连接置换活塞那一段要有90度的夹角。
        如图9,橡皮交替凸——凹,通过连杆推动曲轴转动,最终带动置换活塞交替下——上。
4.GIF

5、飞轮——更平稳地转动
        完成了上一步,如图8、9,这个自制的斯特林发动机仍然不能持续工作,它只能运动到橡皮凸出的最高点或凹陷的最低点,然后就停下来了。为了让它能够持续、平稳地运转,还要再曲轴上加一个飞轮。
        一般来说,飞轮就是一个圆盘,如图10。但是你也可以把曲轴一端弯曲,末端粘一个小物体来代替飞轮,如图11。这个小物体除了具有飞轮的作用,还能用来平衡置换活塞的重量。因此你得恰当地设计小物体的位置,例如置换活塞在最高位置的时候,小物体应该最低。
5.GIF
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