Роберт Стирлинг: шотландский священник и инженер.

Введение

Шотландский священнослужитель и инженер (1790–1878)

Роберт Стирлинг (25 октября 1790 года – 6 июня 1878 года) был шотландским священнослужителем и инженером. Он изобрел двигатель Стирлинга и был включен в Шотландский инженерный зал славы в 2014 году.

Ранние годы

Роберт Стирлинг родился в Фэтал-Филдс, местности в Шотландии недалеко от деревни Метвен, Пертшир. Он был одним из восьми детей Патрика и Агнес. Его брат Джеймс, который сыграл важную роль в будущих инженерных разработках Стирлинга, также поступил в Эдинбургский университет в возрасте 14 лет. Он изучал классическую литературу, философию, теологию и математику, но, вероятно, совсем немного естественных наук. Наконец, в феврале 1824 года Стирлинг был назначен пастором приходской церкви Галстон, расположенной неподалеку, где он продолжал служение до 1878 года. В июле 1819 года Роберт Стирлинг женился на Джейн Рэнкин. За Амонтоном в 1807 году последовал Джордж Кейли, двигатель которого относился к типу с закрытой камерой сгорания, куда воздух подавался снизу под колосниковую решетку в количестве, достаточном для поддержания горения, в то время как большая часть воздуха поступала сверху для нагрева и расширения; все вместе с продуктами сгорания воздействовало на поршень и проходило через рабочий цилиндр; поскольку процесс заключался лишь в смешивании, не требовалась нагреваемая металлическая поверхность, а нагреваемый воздух приводился в непосредственный контакт с огнем. Стирлинг получил первый патент на воздушный двигатель в 1816 году. Принцип работы воздушного двигателя Стирлинга отличается от принципа двигателя Кейли, в котором воздух нагнетается через топку и выпускается, тогда как в двигателе Стирлинга воздух циркулирует в замкнутом контуре. Именно этой разработке изобретатель посвятил большую часть своего внимания. Двухсильный двигатель Стирлинга, работающий на горячем воздухе, построенный в 1818 году для откачки воды из карьера в Аэршире, продолжал работать некоторое время, пока нерадивый работник не допустил перегрева нагревателя. Этот эксперимент показал изобретателю, что из-за низкого рабочего давления двигатель можно было адаптировать только для небольших мощностей, на которые в то время не было спроса. Патент Стирлинга 1816 года также касался "Экономайзера" – предшественника регенератора. В этом патенте (# 4081) он описывает технологию "экономайзера" и несколько областей ее применения. На основе этого появилась новая конструкция двигателя горячего воздуха. В 1818 году был построен один двигатель для откачки воды из карьера в Аэршире, но из-за технических проблем его временно забросили. Стирлинг запатентовал второй двигатель горячего воздуха вместе со своим братом Джеймсом в 1827 году. Они изменили конструкцию так, что горячие концы вытеснителей оказались под машиной, и добавили компрессор для повышения давления воздуха внутри до примерно 20 атмосфер. Вскоре после этого, в 1828 году, Parkinson & Crossley, а в 1829 году – Arnott последовали примеру братьев Стирлинг. Эти предшественники, к которым следует добавить Джона Эрикссона, представили миру технологию двигателя горячего воздуха и ее огромные преимущества перед паровым двигателем. Каждый из них разработал свою собственную технологию, и хотя двигатель Стирлинга и двигатели Parkinson & Crossley были довольно похожи, Роберт Стирлинг отличился изобретением регенератора – первого примера регенеративного теплообменника. Паркинсон и Кросли внедрили принцип использования воздуха большей плотности, чем атмосферный, и таким образом получили двигатель большей мощности при тех же габаритах. Джеймс Стирлинг придерживался этой же идеи при создании знаменитого двигателя Данди. Патент Стирлинга 1827 года стал основой для третьего патента Стирлинга 1840 года. Изменения по сравнению с патентом 1827 года были незначительными, но существенными. Именно этот третий патент положил начало созданию двигателя Данди. Джеймс Стирлинг представил свой двигатель Институту инженеров-строителей в 1845 году. Первый двигатель такого типа, который после различных модификаций был эффективно построен и нагрет, имел цилиндр диаметром 12 дюймов (около 30 см) и ход поршня 2 фута (около 61 см), совершая 40 рабочих циклов или оборотов в минуту (40 об/мин). Этот двигатель приводил в движение все оборудование на заводе Dundee Foundry Company в течение восьми или десяти месяцев и ранее был способен поднимать 700 000 фунтов на один фут в минуту (около 21 л.с.). Считая эту мощность недостаточной для своих нужд, Dundee Foundry Company установила второй двигатель с цилиндром диаметром 16 дюймов (около 40 см), ходом поршня 4 фута (около 1,20 м), совершающий 28 рабочих циклов в минуту. Этот двигатель работает непрерывно уже более двух лет и не только успешно справляется с работой литейного цеха, но и был испытан (с помощью динамометрического тормоза на третьем приводе) и способен поднимать почти 1 500 000 фунтов (около 45 л.с.). Расход топлива при этом составлял 2,7 фунта (около 1,22 кг) на одну лошадиную силу в час; однако, когда двигатель не был полностью загружен, расход топлива снижался до менее чем 2,5 фунта (около 1,13 кг) на одну лошадиную силу в час. Эта производительность соответствовала уровню лучших паровых двигателей, эффективность которых составляла около 10%. После Джеймса Стирлинга такой эффективности удалось достичь только благодаря использованию экономайзера (или регенератора).

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).

Горяче-воздушный двигатель

Наиболее известным изобретением Роберта Стирлинга является тепловой двигатель, ныне известный как двигатель Стирлинга. В 1816 году братья Стирлинг подали заявку на патент в Шотландии и Англии на изобретение – теплоэкономизатор. Функция этого устройства заключалась в накоплении и высвобождении тепла по мере циркуляции воздуха через его механизмы. Это отличалось от большинства тепловых двигателей, использовавших пар для хранения и высвобождения энергии. Находясь в Килмарноке, он сотрудничал с другим изобретателем, Томасом Мортоном, который предоставил мастерскую для исследований Стирлинга. К 1818 году Стирлинг включил этот теплоэкономизатор в поршневой двигатель, создав тепловой двигатель замкнутого цикла, работавший на воздухе, в отличие от преобладающих в то время паровых двигателей. Эта усовершенствованная версия теплового двигателя использовалась для перекачки воды из карьера. Тепловой двигатель Стирлинга работал достаточно хорошо, но был ограничен прочностью доступных в то время металлов. Из-за непрочности используемых материалов воздушные камеры в конечном итоге разрушались под высоким давлением нагретого воздуха. В 1824 году Стирлинг попытался повысить эффективность теплового двигателя, попытавшись разделить воздух в теплоэкономизаторе. Это было сделано путем изготовления плунжеров в воздушном двигателе из тонких металлических пластин. Это должно было улучшить воздушный поток и обеспечить лучший нагрев и охлаждение двигателя. Хотя эта идея была запатентована, она не смогла существенно повысить общую эффективность теплового двигателя. В 1840 году Стирлинг получил еще один патент на тепловой двигатель после изменения конструкции в новой попытке повысить его долговечность. Улучшения, внесенные Стирлингом, включали добавление стержней или пластин в канал, по которому горячий воздух проходил в холодную секцию двигателя. Благодаря этим поверхностям воздух мог охлаждаться до более низкой температуры при переходе из горячей секции в холодную. Кроме того, Стирлинг добавил кожаные манжеты вокруг поршневых стержней для герметизации зазоров и минимизации утечки воздуха из двигателя. После разработки этих улучшений Стирлинг построил два таких тепловых двигателя для использования на чугунолитейном заводе, которым он управлял в Данди. В 1876 году Роберт Стирлинг написал письмо, в котором признал важность нового изобретения Генри Бессемера – бессемеровского процесса производства стали. Стирлинг выразил оптимизм, что новая сталь улучшит характеристики воздушных двигателей. Разработка Робертом Стирлингом двигателя горячего воздуха была частично обусловлена соображениями безопасности. Его двигатель был спроектирован так, чтобы его выход из строя был гораздо менее катастрофичным, чем у паровых двигателей того времени, при сохранении более высокой эффективности.

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.