Роберт Стирлинг: Шотландиялық дін қызметкері және инженер

Кіріспе

Шотланд дін қызметкері және инженер (1790–1878)

Роберт Стирлинг (25 қазан 1790 – 6 маусым 1878) – шотланд дін қызметкері және инженер. Ол Стирлинг қозғалтқышын ойлап тапты және 2014 жылы Шотландия инженерлік даңқ залына енгізілді.

Ерте өмір

Роберт Стирлинг Шотландиядағы Метвен ауылының жанында орналасқан Фатал Филдс деген жерде дүниеге келді. Ол Патрик пен Агнес есімді ата-анасының сегіз баласының бірі болған. Оның ағасы Джеймс, Стирлингтің болашақ инженерлік ізденістерінде маңызды рөл атқарды және 14 жасында Эдинбургке оқуға түсті. Ол классикалық әдебиетті, философияны, теологияны және математиканы оқыды, бірақ ғылымды аз зерттеді. Соңында, 1824 жылдың ақпанында Стирлинг жақын жердегі Галстон шіркеуінің пасторы болып тағайындалды және 1878 жылға дейін осы қызметін атқарды. 1819 жылдың шілдесінде Роберт Стирлинг Джейн Рэнкинге үйленді. 1807 жылы Амонтоннан кейін Джордж Кейли келді, оның қозғалтқышында от жабық күйде сақталады және grate астына соққымен берілетін ауа отты жандыру үшін жеткілікті мөлшерде беріледі, ал ауаның басым бөлігі оттың үстінен кіріп, қыздырылып, кеңейеді; бұл процестің барлығы, жану өнімдерімен бірге, поршеньге әсер етеді және жұмыс цилиндрі арқылы өтеді; операция тек қарапайым араласудан тұратындықтан, металл бетін қыздырудың қажеті жоқ, қыздырылатын ауа тікелей отпен жанасады. 1816 жылы Стирлинг әуе қозғалтқышына алғашқы патент алды. Стирлингтің ауа қозғалтқышының принципі Кейлидің қозғалтқышынан өзгеше, онда ауа пеш арқылы өтіп, шығарылады, ал Стирлингтің қозғалтқышында ауа жабық циклда жұмыс істейді. Ол өнертапқыш осы мәселеге ең көп көңіл бөлді. 1818 жылы Айрширдегі карьерде су сору үшін салынған екі атты күшті Стирлингтің ыстық ауа қозғалтқышы біраз уақыт жұмыс істеді, бірақ абайсыз жұмысшы жылытқыштың қатты қызуына жол берді. Бұл тәжірибе өнертапқышқа қозғалтқышты сол кезде сұраныс болмаған шағын қуаттарға ғана бейімдеуге болатынын көрсетті, себебі жұмыс қысымы өте төмен болды. 1816 жылғы Стирлинг патенті "Экономайзер" туралы да айтады, ол регенератордың алғашқы нұсқасы еді. Бұл патентте (#4081) ол "экономизатор" технологиясын және осы технологияны қолдануға болатын бірнеше салаларды сипаттайды. Осыдан ыстық ауа қозғалтқышының жаңа құрылымы пайда болды. 1818 жылы Айрширдегі карьерден су сору үшін бір қозғалтқыш салынды, бірақ техникалық мәселелерге байланысты ол біраз уақытқа тоқтатылды. Стирлинг 1827 жылы ағасы Джеймспен бірге екінші ыстық ауа қозғалтқышына патент алды. Олар конструкцияны өзгертіп, ыстық бөліктерін механизмнің астына орналастырды және ауаның ішіндегі қысымды 20 атмосфераға дейін арттыру үшін қысылған ауа сорғысын қосты. Екі Стирлинг ағайындысынан кейін 1828 жылы Паркинсон мен Кросли, ал 1829 жылы Арнотт та осы салада жұмыс істеді. Осылардың ішінде Джон Эриксон да бар. Олар әлемге ыстық ауа қозғалтқышы технологиясын және оның бу қозғалтқышына қарағанда үлкен артықшылықтарын ұсынды. Олардың әрқайсысы өзінің ерекше технологиясын ұсынды, және Стирлинг қозғалтқышы мен Паркинсон мен Кросли қозғалтқыштары өте ұқсас болғанымен, Роберт Стирлинг регенераторды ойлап табу арқылы ерекше көзге түсті, ол регенеративті жылу алмастырғыштың алғашқы үлгісі еді. Паркинсон мен Кросли атмосфералық ауадан тығыздығы жоғары ауаны пайдалану принципін енгізді, соның арқасында бірдей өлшемдегі қозғалтқыштың қуатын арттырды. Джеймс Стирлинг осы идеяны қолданып, әйгілі Дунди қозғалтқышын жасады. 1827 жылғы Стирлинг патенті 1840 жылғы Стирлингтің үшінші патентінің негізі болды. 1827 жылғы патентке қарағанда өзгерістер аз болды, бірақ маңызды болды. Осы үшінші патент Дунди қозғалтқышының пайда болуына себеп болды. Джеймс Стирлинг 1845 жылы Азаматтық инженерлер институтының алдында өзінің қозғалтқышын көрсетті. Бұл типтегі алғашқы қозғалтқыш, түрлі өзгерістерден кейін тиімді түрде жасалып, қыздырылды, оның цилиндрі 12 дюймді (шамамен 30 см) диаметрлі, соққы ұзындығы 2 фут (шамамен 61 см) және минутына 40 соққы немесе айналым жасады (40 айналым). Бұл қозғалтқыш Дунди құю компаниясының зауытындағы барлық машиналарды сегіз-он ай бойы қозғалтты және бұрын минутына 700 000 фунтты бір футқа көтеруге қабілетті болды (шамамен 21 атты күш). Бұл қуат зауыт үшін жеткіліксіз болғандықтан, Дунди құю компаниясы 16 дюймдік цилиндрлі (шамамен 40 см), 4 футтық (шамамен 1,20 м) соққы ұзындығы және минутына 28 соққы жасайтын екінші қозғалтқышты орнатты. Бұл қозғалтқыш қазір екі жылдан астам уақыттан бері үздіксіз жұмыс істеп келеді және құю цехының жұмысын қанағаттанарлықтай орындап қана қоймай, үшінші қозғалтқыштағы сүргіш тежегішпен сынақтан өтті, нәтижесінде шамамен 1 500 000 фунт (шамамен 45 атты күш) көтерілді. Бұл 2,7 фунтты (шамамен 1,22 кг) ат күшіне сағатына жұмсады, бірақ қозғалтқыш толық жүктемеде болмаған кезде, жұмсалатын мөлшері 2,5 фунттан (шамамен 1,13 кг) ат күшіне сағатына төмен болды. Бұл көрсеткіш шамамен 10% тиімділікке ие болған ең жақсы бу қозғалтқыштарының деңгейінде болды. Джеймс Стирлингтен кейін мұндай тиімділік тек экономизаторды (немесе регенераторды) пайдалану арқасында ғана мүмкін болды.

Robert Stirling was born at Fatal Fields, a location in Scotland near the village of Methven, Perthshire. He was one of eight children that Patrick and Agnes shared. His brother James, who would play a major role in Stirling's future engineering endeavours, also attended Edinburgh at the age of 14. he studied the classics, philosophy, theology and mathematics, but probably very little science. Finally, in February 1824, Stirling was appointed as the minister of nearby Galston Parish Church where he continued his ministry until 1878. In July 1819, Robert Stirling married Jane Rankine. Amontons was followed in 1807 by George Cayley whose engine was of those in which the fire is enclosed, and fed by air pumped in beneath the grate in sufficient quantity to maintain combustion, while by far the largest portion of the air enters above the fire, to be heated and expanded; the whole, together with the products of combustion, then acts on the piston, and passes through the working cylinder; and the operation being one of simple mixture only, no heating surface of metal is required, the air to be heated being brought into immediate contact with the fire. Stirling came up with a first patent for an air engine in 1816. The principle of the Stirling Air Engine differs from Cayley's, in which the air is forced through the furnace and exhausted, whereas in Stirling's engine the air works in a closed circuit. It was to it that the inventor devoted most of his attention. A two horse power Stirling hot air engine, built in 1818 for pumping water at an Ayrshire quarry, continued to work for some time, until a careless attendant allowed the heater to become overheated. This experiment proved to the inventor that, owing to the low working pressure obtainable, the engine could only be adapted to small powers for which there was at that time no demand. The Stirling 1816 patent was also about an "Economiser", the predecessor of the regenerator. In this patent (# 4081) he describes the "economiser" technology and several applications where such technology can be used. Out of them came a new arrangement for a hot air engine. In 1818, one engine was built to pump water from a quarry in Ayrshire, but due to technical issues, the engine was abandoned for a time. Stirling patented a second hot air engine, together with his brother James, in 1827. They inverted the design so that the hot ends of the displacers were underneath the machinery and they added a compressed air pump so the air within could be increased in pressure to around 20 atmospheres. The two Stirling brothers were followed shortly after in 1828 by Parkinson & Crossley and in 1829 and Arnott. These precursors, to whom John Ericsson should be added, have brought to the world the hot air engine technology and its enormous advantages over the steam engine. Each of them came with his own specific technology, and although the Stirling engine and the Parkinson & Crossley engines were quite similar, Robert Stirling distinguished himself by inventing the regenerator, the first example of a Regenerative heat exchanger. Parkinson and Crosley introduced the principle of using air of greater density than that of the atmosphere, and so obtained an engine of greater power in the same compass. James Stirling followed this same idea when he built the famous Dundee engine. The Stirling patent of 1827 has been the base of the Stirling third patent of 1840. The changes against the 1827 patent were minor but essential. It was this third patent that gave the birth to the Dundee engine. James Stirling gave a presentation of his engine before the Institution of Civil Engineers in 1845. The first engine of this kind which, after various modifications, was efficiently constructed and heated, had a cylinder of 12 inches (approx. 30 cm) in diameter, with a length of stroke of 2 feet (approx. 61 cm), and made 40 strokes or revolutions in a minute (40 rpm). This engine moved all the machinery at the Dundee Foundry Company's works for eight or ten months, and was previously found capable of raising 700,000 lbs one foot in a minute (approx. 21 HP). Finding this power insufficient for their works, the Dundee Foundry Company erected the second engine, with a cylinder of 16 inches (approx. 40 cm) in diameter, a stroke of 4 feet (approx. 1.20 m), and making 28 strokes in a minute. This engine has now been in continual operation for upwards of two years, and has not only performed the work of the foundry in the most satisfactory manner, but has been tested (by a friction brake on a third mover) to the extent of lifting nearly 1,500,000 lbs (approx. 45 HP). This gives a consumption of 2.7 lbs. (approx. 1.22 kg) per horse power per hour; but when the engine was not fully burdened, the consumption was considerably under 2.5 lbs. (approx. 1.13 kg) per horse power per hour. This performance was at the level of the best steam engines whose efficiency was about 10%. After James Stirling, such efficiency was possible only thanks to the use of the economiser (or regenerator).

Ыстық ауа қозғалтқышы

Роберт Стирлингтің ең танымал өнертабысы – қазір Стирлинг қозғалтқышы деп аталатын жылу қозғалтқышы. 1816 жылы Стирлинг ағайындылары Шотландия мен Англияда өздері ойлап тапқан жылуды үнемдейтін құрылғыға патент алуға өтініш берді. Бұл өнертабыстың мақсаты ауаның механизмдер арқылы айналып өтуі кезінде жылуды сақтау және босату болды. Бұл, энергияны сақтау және шығару әдісі ретінде буды қолданатын көптеген жылу қозғалтқыштарынан ерекшеленді. Килмарнок қаласында ол Томас Мортонмен бірлесіп жұмыс істеді, ол Стирлингтің зерттеулері үшін шеберхана ұсынды. 1818 жылға қарай Стирлинг осы жылу экономизерін поршеньді қозғалтқышқа біріктірді, нәтижесінде ауамен жұмыс істейтін және сол кездегі басым булы қозғалтқыштардан өзгеше жабық циклды жылу қозғалтқышы пайда болды. Бұл жылу қозғалтқышының жаңартылған нұсқасы карьерден су сору үшін қолданылды. Стирлингтің жылу қозғалтқышы жақсы жұмыс істеді, бірақ сол кездегі нашар металдардың мүмкіндіктерімен шектелді. Қолданылған материалдардың нашарлығына байланысты, ауа ыдыстары қыздырылған ауаның жоғары қысымынан қирады. 1824 жылы Стирлинг экономизердегі ауаны бөліп, жылу қозғалтқышының тиімділігін арттыруға тырысты. Ол үшін ауа қозғалтқышының поршеньдерін жұқа металл пластиналардан жасады. Бұл ауа ағынын жақсартуға және қозғалтқышты жақсырақ жылыту мен салқындатуға мүмкіндік берді. Бұл идея патенттелгенімен, жылу қозғалтқышының жалпы тиімділігін арттыруға жеткіліксіз болды. 1840 жылы Стирлинг жылу қозғалтқышының дизайнын өзгертіп, оның беріктігін арттыруға тағы бір әрекет жасағаннан кейін тағы бір патент алды. Стирлинг енгізген жақсартуларға қозғалтқыштың суық бөліміне ыстық ауаның өтетін жолына қосымша таяқшалар немесе пластиналар орнату кірді. Бұл беткейлердің болуы ауаның қозғалтқыштың ыстық бөлімінен суық бөліміне өтетін кезінде төмен температураға дейін салқындауына мүмкіндік берді. Сонымен қатар, Стирлинг поршеньдердің айналасына былғарыдан жасалған жағалар қосты, бұл саңылауларды жабуға және қозғалтқыштан ауаның ағып шығуын азайтуға көмектесті. Осы жақсартуларды жасағаннан кейін Стирлинг Дундидегі темір қорыту зауытында пайдалану үшін осы жылу қозғалтқыштарының екеуін құрастырды. 1876 жылы Роберт Стирлинг Генри Бессемердің болат өндірісі үшін жасаған Бессемер процесінің маңыздылығын мойындайтын хат жазды. Стирлинг жаңа болаттың ауа қозғалтқыштарының жұмысын жақсартады деп үміттенеді. Роберт Стирлингтің ыстық ауалы қозғалтқышты жасауының бір бөлігі қауіпсіздікпен байланысты болды. Оның қозғалтқышы сол кездегі булы қозғалтқыштарға қарағанда әлдеқайда аз апатты түрде жұмыс істеуге және тиімділігі жоғары болуға арналған еді.

Robert Stirling's best known invention is the heat engine now referred to as the Stirling engine. In 1816 the Stirling brothers applied for a patent in both Scotland and England for a device they invented, a Heat Economiser. The function of this invention was to store and release heat as air circulated through its mechanisms. This differed from most heat engines which used steam as their method of storing and releasing energy. While in Kilmarnock, he collaborated with another inventor, Thomas Morton, who provided workshop facilities for Stirling's research. By 1818 Stirling had incorporated this Heat Economiser into a piston engine that created a closed cycle heat engine, which was powered by air, a contrast to the steam engines that were predominant at the time. This updated version of the heat engine was used to pump water from a quarry. Stirling's heat engine was able to run well but was limited by the weaker metals available at the time. Due to the flimsiness of the materials used, the air vessels were eventually crushed by the high pressure of the heated air. In 1824 Stirling sought to improve the efficiency of the heat engine by attempting to separate the air present in the economizer. This was done by making the plungers in the air engine from thin plates of metal. This was to improve airflow and offer better heating and cooling of the engine. Although this idea received a patent, it was ultimately unsuccessful in improving the heat engine's overall efficiency. In 1840 Stirling received another patent for the heat engine after altering the design in a new attempt to increase durability. The improvements added by Stirling included the addition of rods or plates in the passage through which hot air travelled to the cold section of the engine. By having these surfaces, the air was able to be cooled to a lower temperature when travelling from the hot section of the engine to the cold section of the engine. Additionally, Stirling added cupped leather collars around the piston rods to seal gaps and minimize the leakage of air from the engine. After developing these improvements, Stirling built two of these heat engines to use at an iron foundry he managed in Dundee. In 1876 Robert Stirling wrote a letter acknowledging the importance of Henry Bessemer's new invention, the Bessemer process for the manufacture of steel. Stirling was optimistic that the new steel would improve the performance of the air engines. Robert Stirling's development of the hot air engine was in part motivated by safety. His engine was designed to fail far less catastrophically than the steam engines of the time while obtaining greater efficiency.