雙作用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞及活塞桿密封結(jié)構(gòu)

徐靜

摘 要：對(duì)雙作用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞和活塞桿的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行歸納和總結(jié)：活塞密封一般采用組合式活塞環(huán)或附有漲簧的活塞環(huán)，并采用兩道密封結(jié)構(gòu)；活塞桿的多種密封方式中，自緊式密封和隔膜式密封應(yīng)用前景較為廣闊。以上結(jié)論對(duì)雙作用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)具有參考和借鑒作用。

關(guān)鍵詞：雙作用 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī) 活塞 密封

中圖分類號(hào)：TB651 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）005-065-02

1 前言

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是19世紀(jì)初蘇格蘭牧師羅伯特·斯特林發(fā)明的一種外燃機(jī)。它依靠外部熱源對(duì)密封在機(jī)器中的氣體工質(zhì)加熱，使其不斷熱脹冷縮，進(jìn)行閉式循環(huán)，推動(dòng)活塞做功。

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)具有不受熱源形式限制、運(yùn)行噪聲低、熱效率高等突出優(yōu)點(diǎn)。雙作用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是最有前途的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。雙作用，是指氣缸中的活塞，既起配氣活塞的作用，又起動(dòng)力活塞的作用。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部密封的工質(zhì)通常為氫氣和氦氣，而且雙作用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)各缸是相互聯(lián)系的，這些都對(duì)其密封性能提出了較高的要求。

2 活塞的密封

雙作用式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的工作條件是配氣式活塞和動(dòng)力式活塞工作條件的綜合，活塞兩端同時(shí)具有大的溫差和壓差，其工作條件相對(duì)惡劣。活塞下部設(shè)置的密封裝置為采用特殊結(jié)構(gòu)和材料的活塞環(huán)。雙作用活塞環(huán)一般為組合式環(huán)或附有漲簧的活塞環(huán)。所謂組合式環(huán)就是在鋼質(zhì)或鐵質(zhì)活塞環(huán)的外表面鍍上一層魯隆，厚度1-1.5毫米。設(shè)置漲簧的活塞環(huán)，具有良好的密封能力，在魯隆環(huán)磨損20-30%后仍具有良好的密封性能。

雙作用活塞的兩端的熱腔和冷腔分別屬于兩個(gè)獨(dú)立的循環(huán)系統(tǒng)，在一個(gè)循環(huán)中壓差方向變化一次。為了獲得一致的環(huán)的密封特性，雙作用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)均采用兩道密封環(huán)，在兩個(gè)環(huán)槽中再設(shè)置一個(gè)槽，并與活塞頭的內(nèi)腔溝通。工作時(shí)，活塞頭的內(nèi)腔充滿工質(zhì)，并始終保持其壓力為最小循環(huán)壓力。

3 活塞桿的密封

為了防止工質(zhì)通過活塞桿進(jìn)入曲軸箱，同時(shí)也為了防止曲軸箱中的潤滑油沿著活塞桿滲入閉式循環(huán)系統(tǒng)，活塞桿必須進(jìn)行密封。在現(xiàn)代雙作用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)中，活塞桿的密封形式常見的有如下幾種。

3.1 絕對(duì)密封裝置

絕對(duì)密封又稱卷筒式密封或套襪式密封。這種密封裝置由三部分組成：橡膠密封卷筒、油泵和調(diào)節(jié)閥。橡膠卷筒呈圓錐形，大端固定在氣缸上，小端固緊在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞桿上，這樣橡膠卷筒就將冷腔和曲軸箱隔開，在橡膠卷筒上方是氣體，下方是潤滑油。

這種密封裝置密封性能很好，在溫度不大于60℃時(shí)壽命能達(dá)到10 000小時(shí)。但當(dāng)溫度上升時(shí)，使用壽命就大幅下降。

3.2 滑動(dòng)密封裝置

這種密封裝置的基本元件為采用魯隆制造的密封環(huán)，環(huán)的上下兩端有錐度，同時(shí)有一個(gè)軸向彈簧提供初始?jí)毫?。在密封環(huán)的上方有一個(gè)刮油環(huán)，將密封環(huán)泄漏的少量油刮除。在刮油環(huán)的上方有一個(gè)較高的活塞桿行程自由區(qū)，在自由區(qū)的上方有一個(gè)O形密封環(huán)。在自由區(qū)內(nèi)充滿工質(zhì)，壓力等于最小循環(huán)壓力。活塞桿在自由區(qū)通過單向閥與油氣過濾器相連，當(dāng)少量工質(zhì)漏入自由區(qū)時(shí)，自由區(qū)壓力升高會(huì)打開單向閥，油氣會(huì)進(jìn)入過濾器，分離后的氣和油分別返回冷腔和曲軸箱。

3.3 自緊式密封裝置

自動(dòng)補(bǔ)償?shù)淖跃o式密封裝置也是滑動(dòng)式密封裝置的一種。密封環(huán)采用魯隆材料，由于工質(zhì)通過徑向與軸向的多個(gè)孔道進(jìn)入環(huán)的外側(cè)，工質(zhì)的壓力會(huì)使密封環(huán)的內(nèi)側(cè)貼緊活塞桿，提高密封效果。這種裝置安裝前需使密封環(huán)與活塞桿進(jìn)行磨合。

3.4 隔膜式密封裝置

4 結(jié)論

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)主要靠工質(zhì)在汽缸內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行工作，提高斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的密封性能，無論是對(duì)提高性能還是增加壽命，都有重要的意義。

（1）雙作用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)活塞密封一般采用組合式活塞環(huán)或附有漲簧的活塞環(huán)，并采用采用兩道密封結(jié)構(gòu)。

（2）雙作用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)活塞桿的密封結(jié)構(gòu)中，絕對(duì)密封不耐高溫，滑動(dòng)密封壽命較短，自緊式密封和隔膜式密封是改進(jìn)的滑動(dòng)密封，應(yīng)用前景較為廣闊。

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