斯特林發動機活塞桿密封裝置設計

□ 楊東亞 □ 解 歡 □ 龔 俊

蘭州理工大學 機電工程學院 蘭州 730050

斯特林發動機屬于外熱活塞式發動機，以氫氣或氦氣為工質，按照閉式回熱循環形式工作［1］，這就要求其具有優良的密封性能。隨著斯特林發動機工質壓力的升高，斯特林發動機的密封難度也不斷增加，由此密封性能成為影響斯特林發動機向大功率發展的關鍵因素［2］。斯特林發動機密封主要包括活塞密封與活塞桿密封兩種，而活塞桿密封是目前斯特林發動機亟待解決的主要問題之一。

1 幾種典型的斯特林發動機活塞桿密封裝置

1.1 絕對密封裝置

絕對密封又稱襪套式密封，該密封裝置（見圖1）主要包括：滑環密封，橡膠密封（襪套），泵環，調節閥［2-3］。安裝時，襪套橡膠卷筒的一端固定于活塞桿上，另一端則固定于機體上，或者是固定在動力活塞桿內壁。工作過程中，襪套可以將充有工質的氣腔與油腔分隔開來。在整個工質循環系統中，工質產生的壓力經過滑環密封之后，轉換成平均循環壓力作用于襪套上。為了保證襪套不會因為其上方的高壓氣體作用而破裂，需要在襪套下方設置一個油墊，油液壓力稍低于上方氣體壓力，壓差在0.5MPa左右。這樣可以將對高壓氣體的密封轉化成為對油墊腔的密封，降低了密封的難度。

圖1 絕對密封裝置

1.2 滑動式密封裝置

圖 2是瑞典聯合斯特林發動機公司研制的滑動密封裝置，主要由滑動O形密封環、刮油環、主密封環、預緊彈簧、單向閥和油氣分離器等部件構成。在工作過程中：活塞下方的冷腔中所充的工質壓力按照Pmin→Pmax→Pmin的規律變化。在經過滑動O形密封環的節流處理后，密封殼體中的壓力變為平均循環壓力，而其中的油氣則流向單向閥1，在進入油氣分離器后，分離出的氣體經過單向閥2進入冷腔（只有當冷腔工質壓處于Pmin循環狀態時才能進入）。這時，從冷腔泄漏進入密封殼體的工質在循環壓力最低的時候再次返回冷腔，經分離器分離出的潤滑油則進入曲軸箱。這樣，就將活塞桿的密封問題轉化成密封殼體中工質的密封問題。由于閥門與管道存在流阻損失，所以密封殼體的工質壓力通常低于平均循環壓力，高于Pmin，遠低于Pmax，而且相對穩定，密封處理的難度相對較低。

圖2 滑動密封裝置

工作過程中，為了對活塞桿進行冷卻，需要利用主密封下方的潤滑油噴孔進行噴油冷卻。同時也可以增加主密封的潤滑作用，降低其摩擦磨損，但是會使活塞桿上沾滿潤滑油。為了防止沾有潤滑油的活塞桿進入冷腔，設計時一般要求密封腔體的長度適當大于活塞行程。在實際使用中，當系統的工質壓力為15.3 MPa時，工質的泄漏率為0.1 L/h。

從滑動密封的工作原理來看，具有的優點是：1）密封結構較為簡單，沒有襪套式密封所需要的泵環、調節閥等，具有較高的可靠性；2）使用壽命較長，對周圍工作環境的敏感程度低。缺點是：1）不能對工質與潤滑油形成絕對密封，隨著密封件磨損量的加大，工質泄漏率隨之增加，且潤滑油可能進入循環冷腔，容易污染甚至堵塞換熱器；2）摩擦功耗相應較大，消耗整機功率，密封壽命較短。

2 斯特林發動機活塞桿密封結構設計

當前，大部分的無油潤滑活塞桿多數采用組合式密封方式來防止油、氣的泄漏，其中最常使用的組合形式為擋油圈與填料函組合［5，6］。利用填料函對氣缸座與活塞桿之間的間隙進行密封，防止氣體從氣缸內沿著活塞桿向外部泄漏；擋油圈則有效阻擋曲軸箱內的潤滑油經活塞桿進入密封填料函，最終滲入氣缸。部分密封裝置為了增加阻油的效果，還設置有刮油器。這種組合式密封結構雖然密封效果較好，但是依然存在著較多的不足：1）密封填料函的摩擦阻力較大，導致摩擦功率損耗大，且發熱量較多，冷卻效果差，如若加強冷卻，則又會導致密封結構過于復雜、成本增加等問題；2）填料磨損功率的增加使其容易漏氣，因此需要頻繁地調整、更換，維修保養工作繁重；3）當設置有刮油器時，其內密封環在磨損之后不能得到很好的補償，刮油效果下降；4）擋油圈采用橡膠擋油唇口和軸頸的卡緊程度缺乏對應的補償能力，密封性能較低［7，8］。

因此，有必要設計一種針對斯特林機高溫、無油潤滑特殊工況的活塞桿密封裝置，有效解決當前密封裝置存在的阻力大、功耗高以及密封組件自主補償磨損能力差的問題。本文所設計的組合式密封裝置結構如圖3所示。

圖3 改進型組合式密封結構

該密封裝置主要由：具有自緊能力的帽式密封件與滑動密封件構成，兩者分別穿置于活塞桿之上。帽式密封件中的密封環是采用填充聚四氟乙烯制成，分別裝置在墊板的3個座孔之中，其內圓與活塞桿進行良好接觸，而外圓則裝有O形圈。由于O形圈的內徑尺寸比帽式密封環的外徑稍小，因此在裝配過程中，O形圈對密封環在徑向方向產生一定的預緊力，使帽式密封環的內孔圓周面可以緊貼于活塞桿的外緣上，形成具有自緊能力的帽式密封件，達到有效防止缸體內氣體外泄的作用。

滑動密封件主要包括滑動密封套、套管、撐環、承壓座以及O形圈Ⅳ，其中，滑動密封套亦采用具有抗油、耐磨損能力的聚四氟乙烯材料制成，它在與承壓座接觸的一端通過設置錐形凸環的形式提高密封套的氣密能力，而套管也被加工成與密封套相同錐形的錐面。在裝配過程中，通過這個錐面施加對滑動密封套端面的壓力，使其向內收縮，造成滑動密封套的下端面內圓周壁始終與活塞桿緊密貼合，最終形成具有自緊能力的桿密封結構，這樣可以將活塞桿上粘附的潤滑油清除干凈。

彈簧則安裝在墊板與套管之間，給兩者的自緊行為提供自緊力。為了增加滑動密封套向內收縮的能力，在設計滑動密封套的錐形凸環時，可以設計采用雙錐面結構，而且在承壓座之上同樣設置可以和滑動密封套下端面錐形凸環匹配的錐面。降低滑動密封套與活塞桿之間的摩擦功耗，還可以在滑動密封套的另一端內孔中設置一個撐環，通過該撐環的內張力將滑動密封套的上半段內孔撐開，進而形成一個和活塞桿相分離的錐形間隙，有效降低兩者之間的摩擦。同時，形成的錐形間隙在封閉的活塞筒內，在氣體壓力的作用下形成一個楔形的泵壓區，便于將少量粘附在活塞桿之上的潤滑油泵送回去。設置活塞筒，可以將帽式密封件與滑動密封件分別固定于氣缸內壁。為了保證滑動密封套相接觸，或者是運動在滑動密封件范圍之內的活塞桿桿身部分不致運動至帽密封環處，應該保證滑動密封套與帽式密封件之間的距離應該適當大于活塞桿的行程，這樣才能保證其達到理想的防油效果。

通過上述對工作原理的分析，可以得知該型活塞桿密封結構具有的特點：1）帽式密封件的滑動密封套與活塞桿之間的摩擦因數較小，使得其工作阻力較小、發熱量低以及功耗小；2）在彈簧力以及O型密封圈的彈力作用下，帽式密封件與滑動密封套具有向內收縮的自緊力，有效地抵消活塞工作過程中對密封件的磨損，提高了工作可靠性，延長了使用壽命；3）該型密封結構具有較強的氣密性能，尤其是在高壓作用下具有泄漏量小、防油能力強的優點，提高了壓縮氣體的潔凈程度；4）減少了密封裝置的組件數目，降低了維護與保養的復雜程度，同時也降低了斯特林發動機的運行費用。

3 斯特林發動機活塞桿密封裝置實驗

將改進型組合式密封結構搭建成斯特林機試驗臺，模擬斯特林機的實際運行工況，并在其上進行密封性能試驗，試驗條件如下：

（1） 工 作 介質為氫氣，介質溫度為120℃，介質壓 力 為 9～20 MPa，工作壓差為0～9 MPa；

（2） 潤 滑 油為20號機械油，潤滑油壓力為0.03～0.15 MPa（表壓），潤滑油溫度為0～110℃；

（3）主要結構參數為活塞桿直徑12 mm，活塞行程40 mm，工作頻率1 421往復次/min，安裝尺寸φ55 mm×φ47 mm×67.5 mm。試驗結果如圖4所示。

圖4 斯特林機活塞桿密封壓力隨時間變化曲線

由圖4看出，斯特林機活塞桿密封壓力雖在120 min內泄漏速度較快，但在120 min之后壓力保持衡定，一直維持在8.37 MPa，總泄漏量僅為0.05 MPa。試驗結果表明，該新型斯特林機活塞桿密封結構設計合理，其密封效果顯著。

4 結論

針對斯特林機高溫高壓、無油潤滑等特殊運行工況，參考幾種典型的活塞桿密封裝置，最終設計出了一種新型斯特林機活塞桿密封試驗裝置。將該裝置加工成密封試驗臺，模擬斯特林機的實際運行工況進行密封性能試驗。試驗結果表明，新型斯特林機活塞桿密封裝置密封性能良好，密封效果顯著。

［1］ 李德才.壓縮機活塞桿磁性液體密封設計與試驗研究［J］.機械工程學報，2011，47（10）：133-138.

［2］ 張康雷.液壓往復運動活塞桿密封性能的研究［D］.北京：北京科技大學，2006.

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［6］ Bartolotta Paul A，Bowman Randy R，Krause David L.Longterm Durability Analysis of a 100，000+HR Stirling Power Convertor Heater ［C］.Proceedings of the Intersociety Energy Conversion Engineering Conference，Las Vegas，NV：IEEE Press，2000.

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