斯特林發動機密封套的技術研究分析

張甜

摘 要：斯特林發動機與內燃機不同，是一種外燃機，通過加熱工質氣體，氣體膨脹之后推動活塞做功。斯特林發動機的使用，其密封套設計工作十分重要，直接關系到斯特林發動機的性能。本文主要介紹了斯特林發動機的基本工況，并且對現階段發動機的密封套結構進行分析，通過流體力學的分析結果，對發動機密封套的技術進行了研究，以供相關工作人員借鑒分析。

關鍵詞：斯特林發動機 密封套結構 受力分析 活塞桿

Technical Research and Analysis of Stirling Engine Seal

Zhang Tian

Abstract：The Stirling engine is different from the internal combustion engine. It is an external combustion engine that heats the working fluid gas and then pushes the piston to do work after the gas expands. For the use of Stirling engine， the design of the seal sleeve is very important， and is directly related to the performance of the Stirling engine. This article mainly introduces the basic working conditions of the Stirling engine， and analyzes the seal sleeve structure of the engine at this stage. Through the analysis results of fluid mechanics， the technology of the engine seal sleeve is studied for reference to the relevant staff.

Key words：Stirling engine， seal sleeve structure， force analysis， piston rod

密封套技術是研制斯特林發動機的關鍵技術，需要研究人員在日常工作中，重視對密封套的性質與結構進行分析，從而改善當前設備質量。隨著現階段工業生產中，對于斯特林發動機提出了新的要求。需要技術人員重視斯特林發動機的研發工作，朝著高速、高效的方向發展，從而解決當前工業生產中遇到的功率不夠的問題。

1 斯特林發動機基本工況

斯特林發動機研發至今，經過了不同研究人員的分析與改進，現階段工作人員對于該發動機的壓力、溫度、粘度、速度等性能有了初步了解。當前工作人員重視理論與實際相互結合的研究方法，對于如何提升斯特林發動機性能作出了改進。尤其是在密封套技術處理過程中，需要技術人員提高重視，從而改善當前工作質量[1]。

現階段斯特林發動機工作的介質一般選擇為氦氣，在正常工作狀態下，需要保持內腔壓力小于10MPa，發動機工作溫度應該小于150℃。在發動機運轉過程中，需要工作人員提高重視，有效防止工質氣體進入曲軸箱，并且還應該避免曲軸箱中的潤滑油進入工質氣體區域，做好密封工作尤為重要。在斯特林發動機工作中，需要技術人員在選擇合適的材料，做好發動機活塞環的密閉工作。在打洞機運動過程中，由于接觸面積較大，工質氣體受到外部加熱，自身膨脹，推動活塞，通過曲軸設備完成對外部的做功。

同時，為了提高斯特林發動機性能，延長該設備的使用壽命，需要技術人員重視對高壓泵油冷卻與潤滑，從而提升當前工作性能。

2 發動機密封套結構

在斯特林發動機日常工作中，研究人員根據設備的不同運行狀態，需要做好密封套設計工作，從而改善當前工作質量。一般情況下，發動機在工作階段，內部活塞會做高速往復運動，對外做功。隨著發動機的不斷輸出，冷腔的工質壓力會發生變化。在工質氣體膨脹過程中，活塞桿會朝著曲軸方向移動。通過活塞推動曲軸，從而完成對外做功，將工質氣體的熱能轉化為機械能。在這過程中，密封套的存在，能夠避免工質氣體發生泄漏現象，同時杜絕曲軸部分的潤滑油進入冷腔。雖然在設計階段，密封套的存在能夠杜絕兩者兩側的物質交互，但是依舊有部分潤滑油進入活塞桿行程自由區[2]。

因此，在斯特林發動機工作中，需要活塞的行程周邊設置混合腔室，提高密封套的性能。在這種情況下，設計人員需要根據活塞桿的運動特性，從而改善當前發動機的性能，適應現階段工業生產對于發動機的需求。在活塞桿行程中，需要技術人員根據高速滑動密封的原理，對工質氣體腔室進行改進，從而提高產品性能。在設計中，工作人員將孔口進行擴大處理，在活塞滑動的自由區添加支撐環，最大程度上做好密封工作，避免潤滑油與工質氣體之間的交互，提高整體設備性能。

目前，研究人員通過互動自由區的改造，最大限度控制了潤滑油的微量泄漏，并且在活塞兩邊設置了密封環，在曲軸壓力的作用下，能夠保證氣體做功之后，活塞會在慣性的作用下回歸原來的位置，始終保持密封狀態[3]。

在斯特林發動機工作中，主要是添加了一組精細設計的密封組件，從而提高整體設備性能，能夠在日常工作中提高自身工作效率，降低斯特林發動機維護成本。在該設備運行工程中，密封套的作用十分重要，在現階段設備生產中，主要是碳纖維填充的聚四氟乙烯，這種材料的使用，具有較好的熱力學性能，能夠適應發動機運轉過程中的各種外界作用，同時具有較強的抗壓性能。在斯特林發動機應用過程中，這種密封套結構能夠適應發動機做功的需求，同時在運動過程中，能夠將工質氣體有效密封在腔室中，并且杜絕了曲軸箱中的潤滑油進入腔室。在斯特林發動機運動過程中，會出現一定的設備磨損現象。設計人員需要充分考慮該問題，有效補償磨損量，延長設備的使用時間。

3 斯特林發動機密封套流體力學分析

3.1 受力分析

在斯特林發動機運動過程中，為了提高設計工作質量，需要技術人員對整體設備進行力學分析，從理論的角度上，對設備進行改進，及時發現設備使用過程中存在的安全隱患與不合理設計因素。為了提高斯特林發動機密封套性能，需要技術人員對活塞與曲軸運動過程的受力進行科學分析。

在密封套工作中，由于密封套與活塞桿之間相互配合，需要技術人員提高重視，有效應對靜密封與活塞運行階段發生的變化。由于潤滑油自身存在一定的黏度，在活塞運動過程中，會在外界壓力的作用下，造成入口端油膜出現凹型。在活塞運行階段，由于活塞桿的往復運動，會造成潤滑油發生抽吸效應。研究人員根據該效應，對活塞的運動狀況進行科學分析，對密封套進行合理改進，從而降低了活塞軸運轉過程中出現的彈性形變，穩定了密封區域存在的循環應力?，F階段斯特林發動機工作中，由于潤滑油的抽吸效應，會在活塞自由區表面形成一層油膜，既起到了潤滑的作用，還能夠避免活塞在運動過程中對于發動機結構的摩擦，減少了活塞在運動階段出現的損耗，提高了斯特林發動機的使用壽命。在發動機設備內部設計中，需要技術人員控制接觸區域的循環應力。

3.2 密封模型分析

對發動機密封裝置搭建力學分析模型，如圖1所示。圖1中a部分作為發動機安裝完成時的結構示意圖，虛線用以表示未變形密封套的內徑位置，通常情況下，過盈量取值范圍為[0.1，0.15]毫米，孔口為喇叭形。喇叭孔口間隙取值范圍為[0.35，0.45]毫米。如圖1中b部分所示，是密封套在完成支撐環安裝時，添加潤滑油后產生內徑形態變化的具體情況，此時密封套與活塞桿處于隔離狀態，隔離介質為油膜。圖2中c部分表示的是無油膜的油壓分布情況。圖2中d部分表示的是有油膜的油壓分布情況。

在發動機正常運行的情況下，其活塞桿密封性的影響因素包括：接觸點位置屬性，屬性具體表現為：運動參數、幾何位置。設定發動機運動為穩定工況，針對流體動壓潤滑開展計算程序。將活塞桿與密封套兩者之間產生的接觸面設為研究對象，在實際工況中，使用油膜流體，開展潤滑模擬試驗。斯特林發動機運行傳動以機械運作為主，傳動主體為曲柄連桿結構，活塞桿在缸套定位作用下，采取往復直線運動，曲軸轉速具有均勻性，活塞連桿組在運動期間，完成了正弦運動的重復程序，重復運動期間存在速度變化，各項參數關系如下：

曲軸角轉速：w=

曲柄長度比：g=，g<

運動速度：u=rw（sinφ+gsin2φ）

關系式中：t表示的是曲軸轉動速度，單位為r/min;r表示的是曲柄半徑值，單位為米;l表示的是連桿實際長度，單位為米;φ表示的是曲柄轉動角度，單位為rad。

發動機的密封狀態，以油膜厚度最小值作為第二個重要的研究項目。以彈性流體潤滑理論為依據，搭建潤滑方程，假設不存在其他影響因素，方程組具體表現為：

雷諾方程關系式：（）=f，a=ph3;

黏度壓力形成的關系式：h=hoeαp;

關系式中，f表示的是活塞桿運動速度均值，單位為m/s;p表示的是潤滑油使用時產生的壓力作用，單位為Pa;h表示的是一般壓力狀態下的油液黏度。經計算發現：油膜厚度最小值的干擾條件為油液運動的速度均值f、油液黏度h，荷載p對其產生的影響并不明顯;為此，應加強油液運動均速控制、油液黏度保持。

4 結語

總而言之，在現階段研究工作中，結合國內外一些較為實用的參考文獻，對于密封套的結構進行詳細研究，從而改善當前斯特林發動機的性能。為了提高發動機的功率，研究人員在確保發動機安全性的前提下，重視對設備內部改造，調整了密封套與活塞桿之間的過盈量，從而提高發動機自身性能。

項目名稱：斯特林發動機活塞桿密封材料研究。項目編號：0110-101100110106。

參考文獻：

[1]秦哲，楊廣武，張艷峰等.利用數據采集系統研究斯特林發動機熱效率[J].低溫工程，2020（02）：34-38.

[2]譚德寧，張燕紅，魏紅梅等.一種斯特林發動機的設計[J].新技術新工藝，2019（09）：50-52.

[3]冶文蓮，王小軍，劉迎文等.自由活塞斯特林發動機的響應面法設計[J].真空與低溫，2019，25（04）：270-279.