双作用斯特林发动机的活塞及活塞杆密封结构

徐静

摘 要：对双作用斯特林发动机的活塞和活塞杆的密封结构进行归纳和总结：活塞密封一般采用组合式活塞环或附有涨簧的活塞环，并采用两道密封结构；活塞杆的多种密封方式中，自紧式密封和隔膜式密封应用前景较为广阔。以上结论对双作用斯特林发动机的设计研发具有参考和借鉴作用。

关键词：双作用 斯特林发动机 活塞 密封

中图分类号：TB651 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）005-065-02

1 前言

斯特林发动机是19世纪初苏格兰牧师罗伯特·斯特林发明的一种外燃机。它依靠外部热源对密封在机器中的气体工质加热，使其不断热胀冷缩，进行闭式循环，推动活塞做功。

斯特林发动机具有不受热源形式限制、运行噪声低、热效率高等突出优点。双作用斯特林发动机是最有前途的斯特林发动机。双作用，是指气缸中的活塞，既起配气活塞的作用，又起动力活塞的作用。斯特林发动机内部密封的工质通常为氢气和氦气，而且双作用斯特林发动机各缸是相互联系的，这些都对其密封性能提出了较高的要求。

2 活塞的密封

双作用式斯特林发动机活塞的工作条件是配气式活塞和动力式活塞工作条件的综合，活塞两端同时具有大的温差和压差，其工作条件相对恶劣。活塞下部设置的密封装置为采用特殊结构和材料的活塞环。双作用活塞环一般为组合式环或附有涨簧的活塞环。所谓组合式环就是在钢质或铁质活塞环的外表面镀上一层鲁隆，厚度1-1.5毫米。设置涨簧的活塞环，具有良好的密封能力，在鲁隆环磨损20-30%后仍具有良好的密封性能。

双作用活塞的两端的热腔和冷腔分别属于两个独立的循环系统，在一个循环中压差方向变化一次。为了获得一致的环的密封特性，双作用斯特林发动机均采用两道密封环，在两个环槽中再设置一个槽，并与活塞头的内腔沟通。工作时，活塞头的内腔充满工质，并始终保持其压力为最小循环压力。

3 活塞杆的密封

为了防止工质通过活塞杆进入曲轴箱，同时也为了防止曲轴箱中的润滑油沿着活塞杆渗入闭式循环系统，活塞杆必须进行密封。在现代双作用斯特林发动机中，活塞杆的密封形式常见的有如下几种。

3.1 绝对密封装置

绝对密封又称卷筒式密封或套袜式密封。这种密封装置由三部分组成：橡胶密封卷筒、油泵和调节阀。橡胶卷筒呈圆锥形，大端固定在气缸上，小端固紧在往复运动的活塞杆上，这样橡胶卷筒就将冷腔和曲轴箱隔开，在橡胶卷筒上方是气体，下方是润滑油。

这种密封装置密封性能很好，在温度不大于60℃时寿命能达到10 000小时。但当温度上升时，使用寿命就大幅下降。

3.2 滑动密封装置

这种密封装置的基本元件为采用鲁隆制造的密封环，环的上下两端有锥度，同时有一个轴向弹簧提供初始压力。在密封环的上方有一个刮油环，将密封环泄漏的少量油刮除。在刮油环的上方有一个较高的活塞杆行程自由区，在自由区的上方有一个O形密封环。在自由区内充满工质，压力等于最小循环压力。活塞杆在自由区通过单向阀与油气过滤器相连，当少量工质漏入自由区时，自由区压力升高会打开单向阀，油气会进入过滤器，分离后的气和油分别返回冷腔和曲轴箱。

3.3 自紧式密封装置

自动补偿的自紧式密封装置也是滑动式密封装置的一种。密封环采用鲁隆材料，由于工质通过径向与轴向的多个孔道进入环的外侧，工质的压力会使密封环的内侧贴紧活塞杆，提高密封效果。这种装置安装前需使密封环与活塞杆进行磨合。

3.4 隔膜式密封装置

4 结论

斯特林发动机主要靠工质在汽缸内的往复运动进行工作，提高斯特林发动机的密封性能，无论是对提高性能还是增加寿命，都有重要的意义。

（1）双作用斯特林发动机活塞密封一般采用组合式活塞环或附有涨簧的活塞环，并采用采用两道密封结构。

（2）双作用斯特林发动机活塞杆的密封结构中，绝对密封不耐高温，滑动密封寿命较短，自紧式密封和隔膜式密封是改进的滑动密封，应用前景较为广阔。

参考文献：

[1] Reader G T，Hooper C.Stirling Engines[M].Cambridge：Cambridge University Press，1983.

[2] 邹隆清，刘洪硕，邓十洲.斯特林发动机[M].湖南：湖南大学出版社，1985.

[3] Yoshida，Herbert S.Cheng.Experimental and Analytical Tools for Evaluation of Stirling Engine Rod Seal Behavior[R].NASA CR-159453，2003.

[4] 龚俊.斯特林发动机活塞杆密封结构与材料研究[D].兰州：兰州理工大学，2012.