Motor Tasarımında Karşılaşılan Problemler

Motor tasarlanırken, sıcak hava motorları konusunda yapılmış mevcut çalışmalarda karşılaşılan problemlerin, en aza indirilmesine amaçlanmıştır. Sıcak hava motoru tasarımda karşılaşılan problemler ve bu tipik sorunları çözmek için tasarımda yapılan geliştirmeler aşağıda verilmektedir:

4.1.1.Sızdırmazlık Problemi

Gazların piston ile silindir duvarı arasından sızması Stirling motorlarında karşılaşılan en önemli problemlerden birisidir. Sıcak hava motorlarında iki ayrı sızdırmazlık uygulaması mevcuttur. Birincisi motor içindeki basınçlı gazın, dış ortama kaçmasını önlemektir. Diğeri ise motor içindeki pistonların ön ve arka tarafındaki yüksek ve düşük basınç bölümlerini ayırmaktır. Silindir içindeki iş akışkanının piston çevresinden ve silindirden dışarıya kaçması, motor gücünün ve verimin azalmasına sebep olmaktadır. Sızdırmazlık problemi bu çalışmada iki farklı yöntemle; konstrüksiyon ve malzeme çözümleri aşılmaya çalışılmıştır. Sızdırmazlığı en çok etkileyen nedenlerden birisi, motordaki iki pistonun genellikle birbirlerine bir krank- biyel mekanizması ile bağlı olmasıdır. Bu nedenle prototipte, pistonların hareketinin krank-biyel yerine yay mekanizması ile yapılması düşünülmüştür. Böylece pistonların silindir duvarına çarparak aşınmaya neden olması engellenmektedir. Benzer tasarım düşüncesi farklı araştırmacılar ve özellikle NASA’ nin Stirling motoru çalışmalarında başarıyla kullanılmıştır. Sızdırmazlık sorununu çözmek için çalışmada aynı zamanda malzeme çözümü uygulanmaktadır. Yapılan tasarımda sızdırmazlığı sağlamak için teflon salmastralar kullanılmıştır. Salmastralar, hareket ve güç pistonları üzerine açılmış kanallara monte edilecektir

Motor bloğu-soğutma elemanı-motor tablası bağlantılarında karşılaşılabilecek sızdırmazlık problemi, sıkı bağlantı yöntemi ve conta kullanımı ile önlenmektedir. Ayrıca hareket pistonu rodları, motor tablasındaki deliklerden geçtiği için delikler içerisine salmastra yerleştirilerek, soğuk bölgedeki iş akışkanının motor dışına sızması önlenmektedir.

4.1.2.Ölü Hacim Problemi

Motorda, sıcak bölgede sıkıştırma işlemi sonunda elde edilen minimum hacim, rejeneratör hacmi, rejeneratörün her iki yanında yer alan ısıtma ve soğutmanın yapıldığı

hacimler ölü hacimdir. Sıkıştırma sonu hacmi, sıkıştırma oranını etkilemektedir. Minimum hacim azalırsa sıkıştırma oranı artmakta ve motor daha yüksek verim ile çalışmaktadır. Kısaca, ölü hacimlerin artması motor verimini düşürmektedir. Tasarımda motor bloğunun boyu değişken olduğundan motor farklı minimum hacimlerde çalıştırılarak, en uygun sıkıştırma sonu ölü hacim değeri tespit edilebilmektedir.

4.1.3.Pistonların Geri Hareketi

Yer değiştirme pistonu ve güç pistonu birbirine krank-biyel mekanizması ile bağlı değildir. Yer değiştirme pistonunun ÜÖN’dan AÖN’ya itilmesi, sıcaklığı artan iş akışkanının piston yüzeyine uyguladığı basınç kuvveti sayesinde gerçekleşmektedir. Sonra çevrime devam edebilmek için hareket pistonunun AÖN’dan ÜÖN’ya geri hareketini sağlayacak yardımcı kuvvete ihtiyaç duyulmaktadır. Aynı durum güç pistonu için de geçerlidir. Oluşturduğu kuvvet ile pistonların geri hareketini sağlayacak mekanizma tasarımı yapılırken, mekanik kayıpları en aza indirgeyecek şekilde sistem dizayn edilmelidir. Yapılan tasarımda krank-biyel mekanizması veya volan sistemi kullanılmamaktadır. Geri hareket yaylar aracılığı ile sağlanmaktadır.

4.1.4.Yetersiz Isıtma-Soğutma Yüzeyi

Isıtma ve soğutmanın etkin bir şekilde yapılması, Stirling motorunun yüksek verim ile çalışmasını sağlamaktadır. Transfer edilen ısı miktarı, transfer kesit alanı ile doğru orantılı olduğundan, temas yüzeyini arttırmak için soğutma elemanı kanatçıklı olarak tasarlanmıştır

4.1.5.Sürtünme kuvvetlerinin ihmal edilebilecek düzeyde azaltılması

Sürtünme etkisi ile oluşacak kayıpları azaltmak için piston ağırlığının minimum olması gerekmektedir. Bu amaçla piston malzemesi olarak yoğunluğu düşük olan Titanyum ve Alüminyum seçilmiş ve pistonun içi boşaltılmıştır.

4.1.6.Hareket aktarım mekanizmasında sürtünmeden dolayı oluşan kayıplar

Mekanik kayıpları azaltmak için güç pistonunun doğrusal hareketi, krank mili kullanılarak dairesel harekete dönüştürülmemiş, ileri-geri hareket ile çalışan lineer alternatöre bir mil vasıtası ile aktarılması planlanmıştır. Yer değiştirme pistonu ile güç pistonunun bağlantısı krank mekanizması ile sağlanmadığından, pistonlar, içinde hareket ettikleri silindir eteğine çarparak aşınmaya neden olmamaktadır.

4.1.7.Piston silindir arasındaki genleşme problemi

Motor içinde sıcaklığın artması ile motor elemanları genleşmektedir. Birbiri ile temas halinde olan sızdırmazlığı sağlanmış parçaların genleşme katsayıları uyumlu değil ise yükselen sıcaklık etkisi ile parçalar farklı oranlarda genleşmektedir. Bu durumda sistemde gaz kaçakları meydana gelebilir ve ya piston silindir içerisinde sıkışabilir. Bu durumu önlemek için yüksek sıcaklığa maruz kalan hareket pistonu ve silindiri genleşme katsayıları birbirine yakın malzemelerden üretilmiştir. Üç parçadan oluşan motor bloğunun her bir parçası da paslanmaz malzemeden imal edilmiştir. Soğuk bölgede yer alan güç pistonu ise genleşme katsayısı düşük olan fiber malzemeden üretilmiştir.

4.1.8.Yer değiştirme pistonunda ısı iletimi

Yer değiştirme pistonunun bir ucu bölgede diğer ucu ise soğuk bölge ile temas halindedir. Motor verimi sıcak ve soğuk bölgeleri dolduran akışkanın sıcaklık değerlerine bağlıdır. Maksimum ve minimum sıcaklık değerleri farkı ne kadar fazla olursa, buna bağlı olarak motor o oranda yüksek verim ile çalışacaktır. Bu nedenle hareket pistonunda ısı iletiminin önlenmesi gerekmektedir. Bu amaçla pistonun içi boşaltılarak, et kalınlığı azaltılmaktadır. Boşaltılan hacim, düşük ısı iletim katsayısına sahip bir izolasyon malzemesi çeşidi olan seramik battaniye ile doldurulmaktadır. Ayrıca radyasyon ile gerçekleşen ısı transferini önlemek için seramik battaniye katmanları arasına alüminyum folyo yerleştirilmektedir. Böylece hareket pistonunun iki ucu arasındaki ısı transferi büyük ölçüde önlenmektedir.