斯特林发动机密封方案分析

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斯特林制冷机无油润滑间隙密封的设计与研究

斯特林制冷机无油润滑间隙密封的设计与研究李垒;张姗【摘要】传统的制冷机回热器常使用接触式滑动密封,存在磨损,限制了制冷机的使用寿命.间隙密封的应用则可以避免这些问题.斯特林制冷机的密封关键在于气缸与活塞的间隙密封,能否有效地将其密封直接影响了斯特林制冷机的性能与可靠性.斯特林制冷机回热器采用间隙密封,这种密封方式不仅可以达到密封的目的,同时可以消除因密封面接触而产生的磨损,以及因此而产生的磨损污染.但是,由于间隙内气体的泄漏,引起了冷量的损失,使制冷量减少.因此在间隙密封的设计中要合理设计间隙的大小以及间隙的偏心度,以确保密封的有效性及其使用寿命.【期刊名称】《枣庄学院学报》【年(卷),期】2013(030)002【总页数】4页(P102-105)【关键词】斯特林制冷机;间隙密封;冷量损失【作者】李垒;张姗【作者单位】枣庄学院机电工程学院,山东枣庄277160;枣庄学院机电工程学院,山东枣庄277160【正文语种】中文【中图分类】TB6630 引言目前，制冷机械的泄漏主要通过设置密封装置的方式来防止泄漏. 根据运动特性与工作状态的不同，常用的密封装置可分为动密封和静密封两大类，而动密封又根据接触方式的不同分为非接触式密封和接触式密封两种［1］. 两者虽然各有优缺点，但通常认为非接触式密封的性能更好，更适用于制冷机械.这主要是因为对于非接触式密封而言，其密封表面不相互接触，故接触面不存在机械摩擦，较之于接触式密封就节省了这部分功耗.同时，因无机械摩擦，故而在活塞与气缸之间也不会产生因磨损而产生的污染. 斯特林制冷机常采用的密封方式就是非接触密封中的间隙密封.间隙密封不仅可以使斯特林制冷机达到密封的目的，同时，可以消除因为密封而浪费的功耗，以及由此而产生的污染. 斯特林制冷机间隙密封的原理就是在密封间隙中注入被密封的工质(常为制冷剂)，通过降低间隙中工质的压力达到密封的目的.虽然间隙密封会存在一定的间隙而产生泄漏，但通常泄漏量较小，不会影响系统的正常工作. 泄漏量的大小主要由密封间隙和系统内外压力差所决定，密封间隙通常由制造工艺等确定，而系统内外压力差由系统内压力确定，系统外压力常为大气压. 泄漏的工作介质在通过密封间隙时，会产生节流作用.为了精确节流，减小工作介质的泄漏，会存在一个最小泄漏量，采用间隙密封的方式必然会存在一定量的泄漏(铁磁流体密封除外). 所以，在不影响制冷系统正常运行的情况下，可以求得该系统的最小泄漏量［2］.间隙密封设备中常采用活塞环来实现密封. 斯特林制冷机也存在有活塞与气缸，因此常采用活塞环进行密封.而活塞环属于易损件，因此限制了斯特林制冷机的工作使用时间.活塞与气缸本身的磨损，加上密封活塞环所带来的磨损，以及由于磨损而产生的污染，进一步减小了斯特林制冷机的使用寿命，增加了泄漏，为延长斯特林制冷机的使用寿命带来了困难.因此，为延长斯特林制冷机的使用寿命，必须研究其密封方式，取消密封环的使用而采用其他密封方式.目前，为延长斯特林制冷机的使用寿命，其密封普遍采用间隙密封的方式［3］.间隙密封在活塞部位的密封主要是通过活塞与气缸之间的微小径向间隙，并使其轴向具有一定长度，通过这部分空间内介质压力的变化来实现密封的一种密封形式.在孔轴处，间隙密封在装配时的要求是需通过定心装配，使孔轴部件间存在一定间隙值，达到无接触密封.因而，在这类斯特林制冷机运转时，在气缸与活塞、孔与轴之间的密封采用间隙密封，达到无摩擦无磨损密封的目的. 综上可知，高效、长寿命、高可靠性的斯特林制冷机的密封可采用间隙密封的密封方式.所谓“自润滑”，对斯特林制冷机来说就是采用无油润滑间隙密封，在不添加润滑剂的情况下就可自动润滑的密封方式.“自润滑”常因无需润滑油，特别适用于压缩介质不能接触油液，或者其他特殊场合，比如各种不能存在氧气或油液的场合. 对于斯特林制冷机，如果密封材料选择不当，或者密封装置安装不合理，就会导致制冷系统频繁发生故障，制冷效率降低，甚至使制冷设备和相关配件的使用寿命大大缩短.1 间隙密封材料的选择最初的摩擦密封材料常选用金属材料，从1934 年开始，以石墨制造的密封元件登上历史舞台，在应用于第一台无油润滑往复式空气压缩机之后，人们逐渐认识到非金属材料作密封元件的优良特性.制冷压缩机活塞与压缩缸部位的无油润滑是通过采用具有自润滑性能的非金属材料制造密封元件来实现，同样，斯特林制冷机也是采用这种自润滑材料来实现无油润滑.制冷上常采用的材料主要为填充聚酰亚胺(PI)和填充聚四氟乙烯(PTFE)等.填充聚四氟乙烯作为密封元件的材料，其做法是在聚四氟乙烯基体中，加入特定比例的填充物(青铜粉、玻璃纤维、二硫化钼、石墨等)制作而成，以这种材料制造的密封元件具有优良的耐磨性能，是制造自润滑密封元件的首选材料之一. 但是，填充聚四氟乙烯材料在高温高压下会产生蠕变，从而引起密封元件的使用寿命缩短、耐磨性变差的问题.而以填充聚酰亚胺制造的自润滑密封元件可以克服这些问题，这在现在实验所用的密封材料中已有很好的体现. 目前，出现了一种新型材料:复合型填充聚四氟乙烯，它是由60%的高分子材料作为主体，同时对其填充一定量的的对羟基苯甲酸聚酯、玻璃纤维等材料，最后采用热压技术成型.以这种复合材料制造的密封元件，其表面硬度和导热系数均远高于普通填充聚四氟乙烯材料，同时具有优良的耐磨和自润滑性能，价格也远低于填充聚酰亚胺和填充聚四氟乙烯［4－7］.2 间隙密封泄漏量的理论分析90 年代以来，关于斯特林制冷机研究的热点，主要为如何提高其制冷效率和工作性能方面.而现阶段的斯特林制冷机，其工作性能的提高关键在于可靠性的提高，主要取决与提高其回热器的使用寿命［8］.常用的活塞式斯特林制冷机，其需要密封的部位主要有三处，分别为压缩机压缩缸与压缩活塞之间的密封1，动力活塞与压缩气缸之间的密封2，还有就是压缩缸与动力活塞之间的间隙密封3，具体结构如图1 所示.间隙密封由于间隙的存在，必然会造成一部分工作介质的泄漏，对于制冷系统来说，就会造成一部分制冷量的减少，以及制冷剂的损失.根据图1，结合斯特林制冷机的运行可知，这三处密封情况各不相同:间隙密封1 处因其两端制冷剂温度的不同而存在较大的温差，间隙密封2 处则会具有交替发生变化的压力差，间隙密封3 处则是上下两个密封表面都处在运作状态［9］.图1 密封间隙模型图Fig.1 Seal gap model diagram关于斯特林制冷机的间隙密封，其数学描述为:间隙中气体的基本控制方程为:上式中ρ、μ、p 分别为气体密度、动力粘度系数和压强分别表示气体所受力和速度矢量，t 则为时间.间隙中气体的状态方程为:上式中T 为气体温度，R 为常用质量气体常数.由于实际情况和计算的不同，以下计算基于如下假设［10］:(1)间隙中介质的厚度远小于它的宽度和长度(如非必要，部分计算中可忽略);(2)沿间隙中介质厚度方向上的压力变化可忽略，即为方便计算，假设空隙中没有旋转运动，间隙中介质的流动可看作一维流动;(4)忽略介质重力的影响;(5)假设介质的流动是准稳态的;(6)介质的流动较复杂，简单假设为层流流动;其控制边界条件为:y = h/2，u = up;y = － h/2，u = ud.式中h 为间隙密封的间隙高度，up、ud 分别为密封间隙流动上边界速度和下边界速度.如其间隙为环形，则其宽度为πDm，其中为名义直径，D1、D2 分别为此间隙的内直径和外直径.则关于此间隙的质量泄漏率G 可由下式计算:上式中的泄漏主要由三项组成:第一项和第二项的泄漏由速度边界层引起，第三项的泄漏由两端压差引起.3 偏心对间隙密封泄漏量的影响对于间隙密封来说，在孔轴设备装配的时候，由于装配误差的存在，使孔轴产生一定的偏心，因此，在孔轴的径向(圆周方向)，间隙密封的间隙大小不再是一常数，存在一定变化，符合下式:式中，为孔轴理想装配间隙为孔轴偏心度，e 为偏心量［11］.偏心环形密封间隙内介质的流动实际上是复杂的二元流，如要对其流动进行精确计算，则非常困难.根据前面的假设(1)可知，间隙中介质流动膜的厚度同它的宽度和长度相比较起来非常小，即间隙很小，则此处可将其简化为一元流动. 根据前面的介质速度公式，将介质按层流来处理，引入偏心，则可近似得到孔轴偏心时的泄漏量:由上式可见，装配偏心度与泄漏量的关系是成两次函数的关系，孔轴偏心度的增大会导致其密封处泄漏量的增加［12－13］. 装配偏心度的存在，对于斯特林制冷机的工作非常不利.对于间隙密封，密封元件的偏心还会使密封元件产生摩擦，以及由此而产生的磨损.磨损还会导致偏心度的进一步增大，密封间隙也随之增大，使泄漏量大大增加，降低了制冷机的制冷量.同时，磨损产生的污染也是很大的，碎屑会污染气缸或孔轴等部位，堵塞密封间隙，甚至严重降低制冷机的使用性能和可靠性，从而减小制冷机的寿命.4 结论从密封材料的性能选择上看，可知斯特林制冷机回热器的内壁材料可选用绝热性能良好或具有耐高温高压性能的材料，减小由于温度梯度过大而产生的泄漏量增大. 对于非金属自润滑密封材料可选用具有优良的自润滑和耐磨性的复合材料，如复合型填充聚四氟乙烯材料.影响间隙密封性能的因素除了材料以外，就是考虑间隙h 取值的大小问题. 在实际加工过程中，一般为了便于加工与安装，常将间隙h 取得稍大一些.但是间隙h过大，会使泄漏率增大，从而降低制冷效率，如斯特林制冷机活塞与压缩缸之间间隙密封内的泄漏与间隙h 成正比.所以，在保证活塞与压缩缸不会卡死的情况下，应尽可能的减小h 的取值，从而减少密封泄漏，提高系统效率，综合考虑间隙h 的选取. 另外，在对斯特林制冷机的装配过程中，应对间隙密封面进行合格检测，保证安装的精度和同轴度.参考文献［1］朱玉峰，董金华.无油润滑压缩机中开口型导向环的设计与研究［J］.润滑与密封，2009(6):49 －52.［2］杨绍侃.无润滑活塞密封的结构与设计［R］. 西安:西安交通大学科研处，1983.［3］朱玉峰，彭宝成.全无油润滑压缩机设计中参数选取的研究［J］.润滑与密封，2006 (6):71 － 73.［4］邓晓辉，郭方中.回热式制冷机间隙密封泄漏率的计算及实验研究［J］.低温工程，1995(1):42 － 50.［5］陈楠.大冷量斯特林制冷机用动磁式直线压缩机理论及实验研究［D］.上海:上海交通大学，2007.［6］李海生，陈英华.无油润滑涡旋压缩机轴向间隙密封的研究［J］.煤矿机械，2007(6)43 －46.［7］李海生，刘振全，彭斌.无油润滑涡旋压缩机齿端面密封的研究［J］.润滑与密封，2006(1):108 － 110.［8］陶丽，陈俊华.斯特林制冷机回热器间隙密封冷量损失分析(一)［J］.江苏工业学院学报，2004，16(3):18 － 20.［9］龚俊，田文静.斯特林发动机气缸与活塞间隙密封的泄漏量分析［J］.机械制造，2010，48(10):37 －39.［10］Jaime Reed.An investigation of certain thermodynamic losses in miniature cryocoolers［D］.Research report:NSN 7540 －01 －280 －5500，Cryogenics Group，Oxford University，2005:1 －29.［11］陶丽，陈俊华.斯特林制冷机回热器间隙密封冷量损失分析(二)［J］.江苏工业学院学报，2005，17(4):12 － 14.［12］吴迎.无油润滑压缩机的复合型填充PTFE 导向环活塞环［J］.化工装备技术，1997，18(4):17 － 19.［13］马诗旻.自由活塞式斯特林制冷机压缩活塞间隙密封泄漏的数值模拟［J］.制冷低温，2011(3):24 －28.。

试析斯特林原理发动机在创新实验中的应用

AUTO PARTS | 汽车零部件时代汽车试析斯特林原理发动机在创新实验中的应用张甜天水师范学院　甘肃省天水市　741000摘要：随着社会经济的不断发展，人们对能源的创新利用以及减少环境污染等方面产生了新的思考，对单缸高温置换型发动机借助斯特林原理加以改造可以有效优化热力学以及空气动力学的实际应用。

基于此，本文对斯特林原理发动机的创新实验进行探讨，分别从建立斯特林原理创新实验室的背景与意义、基于STL原理的创新实验活动以及STL原理创新实验活动的重要意义出发，进一步推动对能源综合利用的思考。

关键词：斯特林原理　发动机　创新实验1　引言自工业革命开始，机械设备开始在人们的实际生活中得到广泛应用，进而有效推动了社会的变革。

在这样的发展背景下，发动机也得到了显著的发展与提升，其中内燃机和电机被广泛应用于航天、交通、日常生活等各个方面，然而以斯特林原理为基础的发动机却应用的十分有限，进而限制了相关领域的发展。

因此应进一步加强对斯特林发动机的创新应用加以探讨，进而有效发挥其在能源利用上的重要作用。

2　建立斯特林原理创新实验室的背景与意义斯特林原理发动机是由英国科学家Robert Stirling在1816年发明的，该外燃发动机的主要工作原理是运用了“热—功转换”的相关模式，物理界将其统称为STL原理。

STL发动机的发明是在蒸汽机出现之后，在当时因为蒸汽机锅炉高温、高压的特性常会导致安全事故的发生，并以此为契机Stirling 开始了对不需要锅炉的发动机的研究，并有效并发明了STL循环以及STL热机[1]。

STL循环的本质是一种全封闭式的热机循环，这也就说明了在整个热机内部参与工作的气体是不需要与外界产生交换的，相较于蒸汽机、内燃机等开放式循环模式，STL循环的全封闭循环工作方式省略了进气和排气的环节，进而也大大提升了STL发动机的使用寿命、降低了后期的维护成本。

如果STL循环的热效率可以得到有效发挥，那么其理想状态就可以近似于卡诺循环；同时，相较于内燃机燃料参与发动机内部工作的燃料供给方式，STL发动机属于外燃机，即燃料只需要提供发动机所需的热量，而不需要参与发动机内部工作。

自由活塞斯特林制冷机间隙密封技术研究

低温与超导第36卷　第5期低温技术Cryogenics Cryo .&Supercond .Vol .36　No .5收稿日期:2008-02-18基金项目:上海高校选拔培养优秀青年教师科研专项基金(563102);上海理工大学博士启动基金(X718);上海市重点学科建设项目(T0503)。

作者简介:陈曦(1977-),男,讲师,博士,主要研究小型低温制冷机。

自由活塞斯特林制冷机间隙密封技术研究陈曦1,武卫东1,周志刚1,张华1,吴亦农2(1.上海理工大学动力工程学院,上海200093;　2.中科院上海技术物理研究所,上海200083)摘要:间隙密封作为自由活塞斯特林制冷机中的一项关键技术,可以在完成密封作用的同时消除接触磨损和因此而产生的污染,同时由于间隙内气体的泄漏,引起了冷量损失,使制冷量减少。

文中建立了层流工况下间隙密封的数学模型,推导了密封间隙的泄漏率。

针对自由活塞斯特林制冷机的结构,对三处不同位置的间隙密封分别进行分析,提出了不同位置的间隙密封设计要求。

对于直线压缩机的间隙密封,压缩机间隙密封的泄漏会带来压力波损失并同时影响压缩机固有频率;为消除压缩活塞的偏置,要求周期泄漏量为零,对于膨胀机的间隙密封,除了泄漏损失还包括了穿梭损失和摩擦损失等。

最后,考虑实际加工和装配工艺的局限性,对间隙密封的偏心影响进行了分析,并对自由活塞斯特林制冷机间隙密封的安装技术和检测手段提出了简单的建议。

关键词:自由活塞斯特林制冷机;间隙密封;直线压缩机;泄漏损失Study on the clearance sea l i n free -p iston Sti rli n g coolerChen Xi 1,W u W eidong 1,Zhou Zhigang 1,Zhang Hua 1,W u Yinong2(1.College of Power Engineering,University of Shanghai f or Science &Technol ogy,Shanghai 200093,China;2.Shanghai I nstitute of Technical Physics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200083,China )Abstract:A s a key technol ogy of free -p ist on Stirling cooler,the method of clearance seal can achieve the seal effect,e 2li m inate contact abrasi on and decrease the conta m inati on fr om sealing face .But,the gas leakage of clearance seal leads t o the leakage l osses and the reducti on of the cooling capacity .The paper establishes the mathe matical and physical model of the leak 2age of the clearance seal in Stirling cooler with clearance seals,and describes a set of equati ons of the leakage and the leakage l os 2ses of the clearance sea1.According t o the structure of free -p ist on Stirling cooler,after three different clearance seals were ana 2lyzed,the design references were put for ward .To the seal bet w een the p ist on and cylinder wall in linear comp ress or,the seal leakage would decrease p ressure wave and affect comp ress or natural frequency .A t the sa me ti m e,in order t o eli m inate p ist on shift,the cycle leakage rate should be zer o .T o the seal bet w een the dis p lacer and cylinder wall,the l osses include shuttle l oss and fricti on l oss besides leakage l oss .A t last,considering p ractical manufacturing p r ocedure and assembly technol ogy,the ec 2centricity effects of clearance seal were analyzed,and s ome advices about asse mbly technol ogy and test method were put f or ward .Keywords:Free -p ist on Stirling cooler (FPSC ),Clearance seal,L inear comp ress or,Leakage l osses1　引言自由活塞斯特林制冷机由于紧凑、高效的特点而受到重视,伴随着航天技术、红外技术、原子能技术、超导技术、低温物理、低温电子学、低温医学与低温生物学等现代科学技术的发展而得到广泛应用,如卫星红外探测器需要60—100K 的低温工作环境;在低温环境下工作的超导滤波器可以降低噪声对电讯信号的影响,大大减少信号故障率;超导量子干涉仪(S QU I D )在生物磁学、计量学、地球物理、军用反潜技术及空间技术的研究领域有着重要应用;磁悬浮列车、核磁共振成像仪、等离子技术等均必须以低温技术为支撑[1,2]。

斯特林发动机配气活塞变密封间隙的优化分析

斯特林发动机配气活塞变密封间隙的优化分析张嘉;陈曦;田健;王建中【摘要】Three positions of clearance seals for free-piston Stifling engine(FPSE) were introduced and the losses caused by the clearance seal were listed.According to the theoretical formulas,the influence of seal at hot side and cold side and length ration of displacer with variable diameters on pump loss,shuttle loss and total heat loss were analyzed and summarized.%介绍了自由活塞式斯特林发动机(FPSE)中的3处间隙密封以及间隙密封所产生的损失.根据理论公式计算,总结分析了变径配气活塞热端径向间隙、冷端径向间隙以及长度比对泵气损失、穿梭损失及总热损失的影响规律.【期刊名称】《低温工程》【年(卷),期】2013(000)004【总页数】5页(P14-18)【关键词】自由活塞斯特林发动机;间隙密封;泵气损失;穿梭损失【作者】张嘉;陈曦;田健;王建中【作者单位】上海理工大学能源与动力工程学院上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院上海200093;开利中国研发中心上海200083;上海理工大学能源与动力工程学院上海200093【正文语种】中文【中图分类】TB651自由活塞斯特林发动机(free-piston Stirling engine，FPSE)具有结构紧凑、燃料来源广、效率高、污染小、质量轻、体积小等优点，受到了各国动力工程、热能工程和低温工程领域的青睐，对节能减排和保护环境有重要意义，国外一些专家预言，21世纪将是斯特林发动机的世纪［1-4］。

车用斯特林发动机研究

车用斯特林发动机研究作者：阿古达木来源：《科学与财富》2018年第12期摘要：斯特林发动机，又称热气机，是一种外燃机，即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。

斯特林发动机对外燃方式无特殊要求，只要外部热源的温度高于机器中工质的温度即可，加热方式灵活，既可以使用传统的化石燃料，又可以使用太阳能、生物质能。

斯特林发动机的热效率很高，在热力学理论上等于同温限下的概括性卡诺循环效率。

关键词：斯特林发动机燃料安全性Abstract：The Stryn engine， also known as the hot air machine， is an external combustion engine， which relies on the external heat source to heat the gas working in the machine， making it expand continuously and shrink， and carry out the closed cycle to drive the piston to do the work. There is no special requirement for the external combustion mode of Stryn engine. As long as the external heat source temperature is higher than the working medium temperature of the machine， the heating mode is flexible， which can not only use traditional fossil fuel， but also use solar energy and biomass energy. Stryn engine thermal efficiency is very high， generally equal to Kano cycle efficiency under isothermal limit thermodynamic theory.Key words： fuel safety of Stryn engine.一、分析来源斯特林发动机与内燃机最大的区别在于：在做功时，不是通过燃料在气缸内部瞬间气化，然后以爆震的方式推动活塞；而是依靠外部的热源对热膨胀气缸中的工质持续传热，使其不断升温升压，然后推动活塞做功。

斯特林发动机绝热分析法研究

2 GPU - 3 型、P - 40 型斯特林发动机的绝热分析
基于斯特林发动机绝热分析法 ,作者利用 VB6. 0 编写了可视化计算程序。此程序将斯特林发动机的一个循环若干等分 ,输入发动机的结构参数和运行环境参数后 ,可以计算出各个等分点的性能参数值 ,并且可将计算结果绘制成曲线 ,直观地显现出来。
通过相同工况下程序计算数据和实验测试数据的对比对斯特林发动机绝热分析法进行分析评价并对斯特林发动机绝热分析法出现预测误差的原因和该方法存在的缺点进行了分析斯特林发动机绝热分析法介绍斯特林发动机的闭式循环系统由压缩腔加热器膨胀腔组成如图定容热容比热比微分方程组的解法斯特林发动机绝热分析法微分方程组是非线根据发动机的结构可以确定工作腔容积vcve及容积变化量dvcdce随曲轴角的变化关系式还可以确定热交换器容积vkvrvhcpcv根据发动机运行工况可以先斯特林发动机绝热分析法对发动机内部实际流动所做的主要简化假设发动机运行时工作腔与外界绝热工质遵循理想气体状态方程且一维稳定流动假定热交换器内工质温度tbschmidt分析法可以确定工质总质量过以上参数就可以求解关于工作腔温度tcte工质没有泄露质量不变活塞及死容热量和功的微分方程组
2009 年第 8 期 (总第 140 期) 应用能源技术 4 1
斯特林发动机绝热分析法研究
胡学光 ,董金钟 ,王明昆
(北京航空航天大学能源与动力工程学院 ,北京 100191)
摘要 :对斯特林发动机绝热分析法进行了详细的阐述 ,对 GPU - 3 型和 P - 40 型斯特林发动机进行了绝热分析。收集了 NASA Lewis 研究中心的 GPU - 3 型和 P - 40 型斯特林发动机不同工况下的一系列实验测试数据 ,通过绝热分析法计算数据和实验测试数据的对比可知 :斯特林发动机绝热分析法计算的轴功率、吸热量均偏大。轴功率的计算误差随着转速的增加而增大 ,随着压力的增加而减小。吸热量的计算误差随着转速的增加而增大。绝热分析法计算误差主要是由于没有计算机械损失、发动机漏气损失以及没有考虑非定常的交变流动的影响造成的。

发动机部件密封分析

发动机部件密封分析周君陈馨朱俊杰（奇瑞发动机工程研究院241009）摘要：本文用流固耦合的方法对发动机整机各主要部件在冷机、热机状态下的密封性能进行了分析，首先从燃烧计算与水套CFD计算得到缸体缸盖的温度边界条件，然后使用ABAQUS软件进行温度场与热变形分析，并对发动机各主要部件间的密封性能进行了评估。

关键词：整机；流固耦合；密封1 前言密封性能的优劣对发动机的工作状态与技术状况有着重要的影响，而随着大众对舒适性的日益重视，发动机的外观整洁性也变得越来越重要，因此选择合适的密封技术和密封工艺是发动机设计人员必须要考虑的一个问题。

与此同时，现代发动机正向重量轻、功率大、体积小方向发展，越来越多地采用新技术、新工艺，而由于市场竞争的激烈，发动机的研发周期却需要不断地被缩短。

因此，只凭借设计经验与试验情况来指导密封设计，无论从可行性还是从时间性来看都已难以满足实际要求。

在现代发动机设计中，数值分析技术已被充分证明可以对设计工作提供指导性的意见，并大大缩短开发时间和开发费用。

本文采用流固耦合的方法使用ABAQUS计算了发动机整机的温度场，其中温度边界取之于燃烧计算与水套CFD计算，然后计算了热变形，最后对发动机主要部件间在冷机、热机状态下的密封性能进行了评估。

根据计算结果，对密封性能进行了评估，并对设计方案提出了修改意见。

2 发动机密封微观检测表明即使2个加工最好的表面贴合在一起，两者之间的接触面积也只有25%～35%，其他的表面实际上是脱离的。

因此，对于有严格密封要求的表面，垫片必须被使用来保证系统内部的流体不泄漏和外部的污染物质不侵入。

发动机部件之间由于密封状况和密封要求各不相同，密封形式非常多元化。

按是否接触分有接触式密封和非接触式密封，其中以前者为主要方式。

接触式密封又分为动密封与静密封，动密封主要涉及活塞环、气门杆这些运动部件，其他部件的密封形式基本都属于静密封。

再进一步细分，静密封使用的垫片可以有固体、液体两种类型。

斯特林发动机活塞杆密封装置设计

１．２
滑动式密封装置
氦气为工质，按照闭式回热循环形式工作［１］，这就要求其具有优良的密封性能。随着斯特林发动机工质压力
的升高斯特林发动机的密封难度也不断增加．由此密封性能成为影响斯特林发动机向大功率发展的关键因
机械工业出版社．２０１１．
参考文献
［１］吕文华．全自动太阳跟踪器的研制和应用［Ｊ］．光学精密工
再次返回冷腔，经分离器分离出的润滑油则进入曲轴
了对太阳的全天候跟踪，可大大提高太阳能的利用率。在支撑架的下方安装纬度刻度板．可根据任何地点的纬度，结合当地时间进行太阳跟踪。日落后执行机构可
决的主要问题之一。
环、刮油环、主密封环、预紧
１几种典型的斯特林发动机活塞杆密封装置
１．１绝对密封装置
弹簧、单向阀
和油气分离器
绝对密封又称袜套式密封，该密封装置（见图１）主要包括：滑环密封，橡胶密封（袜套），泵环，调节阀￣２－－３］。
关键词：斯特林发动机活塞杆密封帽式密封
中图分类号：ＴＨ１３６；ＴＢ４２

斯特林发动机循环分析-工程热力学

斯特林发动机循环分析(北京交通大学机电）摘要：斯特林发动机不仅理论热效率高，等于卡诺循环效率，而且作为外燃机其排放特性非常好，所以近三十年来一直是研究的热点。

本文介绍了斯特林发动机的装置特点、动力性能等，并对理论循环进行了分析，提出了提高循环热效率的方法及措施。

关键词：斯特林发动机，斯特林循环，热效率1.斯特林发动机介绍1.1斯特林发动机的装置特点热气机是一种外燃的、闭式循环往复活塞式热力发动机。

热气机可用氢、氮、氦或空气等作为工质，按斯特林循环工作。

在热气机封闭的气缸内充有一定容积的工质。

气缸一端为热腔，另一端为冷腔。

工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀作功燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换。

已设计制造的热气机有多种结构，可利用各种能源，已在航天、陆上、水上和水下等各个领域进行应用。

试验热气机的功率传递机构分为曲柄连杆传动、菱形传动、斜盘或摆盘传动、液压传动和自由活塞传动等。

按缸内循环的组成形式分，热气机主要有配气活塞式和双作用式两类。

在一个气缸内有两个活塞作规律的相对运动，冷腔与热腔之间用冷却器、回热器和加热器连接，配气活塞推动工质在冷热腔之间往返流动。

1.2斯特林发动机的应用现状1.2.1 国内发展状况我国从七十年代末即开始斯特林发动机的研究开发工作，已设计出功率150W-IOkW发动机11种，多数已在实验室正常运转。

现从事此项工作的约300人，并正筹建中国热气机研究会。

北京农业工程大学凌泽芝同志在能源政策研究通讯1991年第一期“发展热气机、促进农村电气化”一文中介绍国内外斯特林发动机的发展概况及其特点后建议：“充分利用我国农村丰富的生物质能源和部分地区丰富的太阳能资源以解决农业用电问题”。

并希望纳入国家“八五”科技规划和组织有关单位联合攻关。

上海711研究所研制出热气机，是一种具有国际水准的科研成果，而排放的污染气体比目前市面上的其它发动机都要小，达到欧洲排放标准。

斯特林发动机密封套的相关技术研究

研究与分析
doi： 10． 16576 / j． cnki． 1007－4414． 2016． 01． 011
2016 年第 1 期（第 29 卷，总第 141 期）
·机械研究与应用·
斯特林发动机密封套的相关技术研究
陈国祥，陈方泉 * ，邵道勇
（上海大学机电工程与自动化学院，上海 200072 ）
0
引
言
质系统，需要进行活塞杆密封。密封套的材质选用碳纤维填充聚四氟乙烯，动密封装置活塞杆与密封套过盈配合，接触面积较大，工作状态活塞杆相对密封套轴向高速运动，需要向活塞杆进行高压泵油冷却、润滑，以提高活塞杆和密封套的使用寿命同时降低摩擦功耗。
斯特林发动机是一种外燃机，通过加热工质气体膨胀推动活塞运动做功。发动机工作原理及工况要低功耗及摩求发动机的滑动密封具有良好的密封性、擦使用寿命。该类发动机的功率与其对应的平均循环压力成正比，压力和功率密度越大，对应的密封难度也会随之增加
1
基本工况
实用性斯特林发动机工作介质一般选用氦气，工
作状态冷腔压力≤10 MPa；平均往复线速度： 2 m / s 5 m / s；工作温度： ≤150 ħ 。工作状态下为防止工质气体经过活塞杆漏入曲轴箱，同时也阻止曲轴箱中的润滑油沿活塞杆渗入工
*
收稿日期： 2015－10－03 作者简介：陈国祥（ 1991－），男，河北泊头人，在读硕士研究生，研究方向：机械制造与自动化。通讯作者：陈方泉（ 1975－），男，上海人，博士，研究方向：机械制造与自动化。
化（ P min －P max －P min ）［2］。当布满润滑油的活塞杆向上运动时，虽然经过密封套将大部分润滑油刮去，但仍有极少量润滑油进入活塞杆行程自由区，因此，活塞杆行程自由区是一个既有工质又有润滑油雾的混合腔室，压力约为平均循环压力 P m （ P min ＜ P m ＜ P max ）。基于此工况，根据高速滑动密封原理，密封套内孔与活塞杆采用过盈配合，朝向行程自由区端孔口加装支撑环，使孔口呈现轻微的 “喇叭口 ” 变形，沿轴向形成一段间隙配合。为最大限度的控制自由区工质的微量泄漏，密封套与密封套支撑座之间锥形面上设计有密封圈，在压紧弹簧轴向力的作用下，始终处于密封状态。滑动密封装置是一组精细设计的密封组件，主要有密封套、支撑环、密封套支撑座、弹性压套、密封圈

108 斯特林制冷机回热器密封间隙泄漏率分析

斯特林制冷机回热器密封间隙泄漏率分析东华大学环境科学与工程学院陶丽顾平道摘要：回热器是斯特林制冷机冷头的重要组成部分。

传统的回热器使用接触式滑动密封，存在磨损，限制制冷机的使用寿命。

间隙密封的应用则可以在完成密封作用的同时消除接触磨损和因此而产生的污染。

但由于间隙内气体的泄漏，引起了冷量损失，使制冷量减少。

本文建立了间隙密封式斯特林制冷机间隙泄漏率的数学物理模型，并获得了密封间隙的泄漏率的表达式。

关键词：斯特林制冷机回热器间隙密封泄漏率斯特林制冷机冷头主要由冷腔、室温腔及回热器组成。

制冷机冷头的性能主要取决于回热器的性能。

因此，要解决斯特林制冷机的可靠性问题，首先要提高回热器的工作寿命。

.长寿命斯特林制冷机采用间隙密封，降低密封轴孔间的磨损，提高工作寿命。

如果采用传统的胀圈式接触密封，早期的密封效率高，但磨损较严重，产生污染物，并且随着运行时间的增加，其后期的密封性能下降，影响制冷效率，最终导致制冷机寿命终结。

因此，长寿命斯特林制冷机只有采用间隙密封，才能满足对寿命的要求。

间隙密封是利用密封零件之间的径向微小间隙及该间隙在轴向的一定长度来实现的一种密封形式。

它的孔轴两部件采用间隙配合，通过定心装配，使得两部件之间无接触。

间隙密封的突出优点是无磨损、不产生污染物、密封性能稳定，尤其适合星载长寿命斯特林制冷机。

采用间隙密封是提高斯特林制冷机工作寿命和可靠性的关键技术[1,2,3]。

就斯特林制冷机回热器而言，共有两处采用间隙密封，一为回热器与气缸之间，二为回热器轴与密封座之间。

1 回热器与气缸壁的密封间隙内气体流动特性[4,5,6]1.1 层流流动对间隙内气体流动，当雷诺数Re<2000时，为层流流动。

假设：（1）流动膜的厚度与它的宽度、长度相比很小，即间隙很小；（2）孔隙在往复相对运动过程中没有旋转运动，间隙内气体可看作一维流动，如图1所示；（3）沿流动膜厚度方向上不计压力变化， ; （4）忽略质量力的影响；（5）内外圆柱面是同心的，因此间隙高度在圆周方向处处相等；（6）流体的惯性力与粘滞力相比可以忽略不计，即动是准稳的；（7）气体流过间隙时温度为已知函数T(x)；（8）工质气体为完全气体；（9）忽略间隙内径向温差，即：径向温度不变；（10）气体是正压性的，即：密度只是压力的函数，()p ρρ=;（11）忽略气体的导热；（12）忽略回热器边壁的影响；（13）冷热端的气体温度为常数，即：T 2=C 2，T 1=C 1 ；（14）动力粘性系数μ为温度T 的已知函数。