一种自由活塞斯特林发动机及其气体轴承

摘要

本发明涉及气体轴承技术领域，提供一种自由活塞斯特林发动机及其气体轴承，气体轴承包括气缸和活塞，活塞同轴置于气缸内，活塞与气缸之间预留有气隙，并可在气缸内作往复运动；还包括设在气缸侧壁内的第一气道和第二气道；第一气道、第二气道的一端分别连通气缸的腔体，另一端分别伸向气缸的腔体外，并对应连接气泵的出气口与回气口；本发明通过外部供气的气泵向气体轴承提供了一个稳定的供、排气环境，确保了气体轴承在工作状态下的稳定性，并且气体轴承在斯特林发动机的启动状态依然可以保持正常工作，有效防止了活塞与气缸发生“干磨”的现象，确保了斯特林发动机的使用寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及气体轴承技术领域，尤其涉及一种自由活塞斯特林发动机及其气体轴承。

背景技术

自由活塞斯特林发动机是一种高效率、使用寿命长的新型发动机。当前，对自由活塞斯特林发动机的热力学研究已经基本成熟，其样机效率可以和内燃机相媲美，甚至更高。然而，自由活塞斯特林发动机在机械设计与制作工艺方面还不是很成熟，限制其发展的主要因素是自由活塞斯特林内部的两个运动部件：排出器和动力活塞的支撑方式，这两个运动部件通过支撑，使得运动部件(动力活塞)与气缸之间不接触，通过10微米量级的间隙实现运动部件两侧腔体的压差密封以及无油润滑的相对运动。

目前，自由活塞斯特林发动机中运动部件的支撑有两种方式，其一种支撑为采用板弹簧来支撑排出器或动力活塞。由于板弹簧的支撑刚度的限制，该类支撑方式仅适用于千瓦级及以下功率的自由活塞斯特林发动机上使用。此外，采用这种支撑方式的自由活塞斯特林发动机寿命严重地受制于板弹簧的寿命，从而对板弹簧的加工和设计要求非常高。与此同时，自由活塞斯特林发动机在装配时，多片板弹簧需要保持与排出器或动力活塞比较严格的同轴度，这增加了装配的难度。

自由活塞斯特林发动机中运动部件的另一种支撑，为采用气体轴承来支撑排出器或动力活塞。活塞与气缸间的气体轴承原理就是利用气体的粘性，当轴向壁面相靠近时，气体的粘性使得气体无法及时排出，从而间隙减小时压力增加，进而可以抵抗轴与壁面间的间隙进一步减小，从而支撑住轴并保持轴与气缸无接触。根据压力产生的原理，气体轴承可以分为动压型、静压型和压膜型。在自由活塞斯特林发动机中，大多采用静压型和动压型气体轴承。动压型需要配备一个小型电机将活塞旋转到一定转速，从而获得动压轴承支撑。虽然动压型气体轴承相较于静压型气体轴承，其损失更小且无需压力源，但是，根据现有的分析与实验积累可知，动压型气体轴承的稳定性问题对于实际应用仍存在不成熟的问题。此外，动压型气体轴承上的旋转激励装置增加了系统的复杂性，自由活塞的内部紧凑结构特性相对于额外的旋转电机配置存在困难。因而，现有技术普遍采用静压型气体轴承来实现对排出器或动力活塞的支撑。

目前，静压型气体轴承的供气方式主要为内部供气，可分为两种方式，静压型气体轴承的第一种内部供气如图1所示，该气体轴承的供气原理是利用活塞两侧波动的压力，在其合适的位置时，将高压侧的气体通过气缸13上的第一供气管道1和高压储气腔3上的第一气孔2，排入高压储气腔3内，然后高压储气腔3内的气体通过其第二气孔4流入活塞14与气缸13侧壁之间的气隙，之后再通过低压储气腔7上的第三气孔5进入低压储气腔7内，低压储气腔7内的气体在活塞14运动到合适的位置后，通过低压储气腔7上的第四气孔6和气缸13上的第二供气管道8，排入活塞两端压力较低一侧。

静压型气体轴承的第二种内部供气如图2所示，活塞14的活塞内腔24作为高压储气腔，并在活塞14上设有单向阀9和第五气孔10。单向阀9由压力控制，在压力高于单向阀9设定的阈值时，单向阀9打开，活塞外侧高压气体进入活塞内腔24中，然后高压气体经由第五气孔10进入活塞14与气缸13的侧壁之间的气隙，最后排入压缩腔11和活塞背腔12。

尽管静压型气体轴承的上述两种内部供气结构均比较紧凑，但是这种气体轴承是工作在一个波动的压力环境中，这样会导致气体轴承的稳定性下降，甚至在压力失衡后出现卡死的情况，并且活塞两侧的压力波动越大，此问题越严重；与此同时，由于该种气体轴承是由波动的压力来驱动的，在自由活塞斯特林发动机启动阶段，系统内没有形成合适的压力波动，此时气体轴承是失效的，活塞会存在一段时间的“干磨”，这样会一定程度的降低自由活塞斯特林发动机的寿命。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的之一是提供一种气体轴承，用以解决当前由波动压力驱动的静压型气体轴承存在稳定性差的问题。

本发明的另一个目的是提供一种采用上述气体轴承的自由活塞斯特林发动机，用以解决当前由波动压力驱动的静压型气体轴承在压力波动未形成时出现失效，导致斯特林发动机的活塞发生“干磨”，进而影响到斯特林发动机使用寿命的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种气体轴承，包括气缸和活塞，所述活塞同轴置于所述气缸内，所述活塞与所述气缸之间预留有气隙，并可在所述气缸内作往复运动；

还包括设在所述气缸侧壁内的第一气道和第二气道；

其中，所述第一气道、所述第二气道的一端分别连通所述气缸内侧的腔体，所述第一气道、所述第二气道的另一端分别伸向所述气缸的腔体外，并对应连接气泵的出气口与回气口。

优选的，本发明还包括分别沿径向设在所述气缸内壁上的多组进气孔和多组排气孔；

每组所述进气孔相对于所述气缸的中轴线，沿圆周均匀排布且共面布置，并与所述第一气道相连通；

每组所述排气孔相对于所述气缸的中轴线，沿圆周均匀排布且共面布置，并与所述第二气道相连通。

优选的，本发明中所述排气孔与所述活塞端部的轴向距离大于100mm；或者，所述活塞两端的侧壁上分别设有一个凸起的台阶面。

优选的，本发明中所述进气孔设有两组，所述排气孔设有一组或两组，所述排气孔设在两组所述进气孔之间或位于两组所述进气孔的外侧；所述进气孔和所述排气孔在所述气缸内壁上排布的轴向长度小于所述活塞的长度；所述活塞往复运动的行程小于所述进气孔与所述排气孔沿轴向排布的距离。

优选的，本发明中所述活塞上设有第一回中孔和第三气道；所述第一回中孔位于两个所述台阶面之间的所述活塞的外侧壁上，所述第一回中孔与所述排气孔相对应；所述第三气道位于所述活塞内，所述第三气道的一端连通所述第一回中孔，另一端伸向所述活塞的端部。

优选的，本发明中所述气缸的侧壁上设有第二回中孔，所述气缸的侧壁内上设有第四气道，所述第四气道的一端通过所述第二回中孔连通所述气缸内侧的腔体，另一端伸向所述气缸的腔体外；所述第一回中孔与所述第二回中孔相对应。

优选的，本发明中所述活塞具有活塞内腔，所述活塞的侧壁上设有中转气孔，所述中转气孔用于将所述活塞内腔与所述活塞的外部相连通。

优选的，本发明中所述气缸的侧壁内还设有中转气腔，所述中转气腔连通所述排气孔与所述第二气道。

优选的，本发明还提供了一种自由活塞斯特林发动机，包括上述所述的气体轴承，斯特林发动机中的气缸和活塞对应采用所述气体轴承中的所述气缸和所述活塞。

(三)技术效果

本发明提供的气体轴承，通过在气缸的侧壁上设置第一气道和第二气道，并由这两个气道分别将气缸、活塞之间的气隙与外界相连通，则在实际使用时，可将气泵的出气口与回气口对应连通第一气道与第二气道，经由气泵加压后的气体通过第一气道进入气隙，并在活塞两端的气隙处形成间隙密封，以对活塞提供稳定的支撑，而气隙中的气体可从第二气道返回气泵；因而，在外部供气的气泵和活塞两端的间隙密封的共同作用下，该种供气结构可以为气体轴承提供了一个稳定的供、排气环境，确保了气体轴承工作状态下的稳定性。

与此同时，本发明提供的自由活塞斯特林发动机，由于其气体轴承的工作状态由气泵独立控制，气体轴承在斯特林发动机的启动状态下，依然可以保持正常工作，有效防止了斯特林发动机的活塞与气缸发生“干磨”的现象，确保了斯特林发动机的使用寿命；另外，还可根据运行环境的变化，通过调节气泵来控制活塞的承载力，提高了斯特林发动机在不同运行工况下的适应能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中采用第一种内部供气的静压型气体轴承的局部剖面结构示意图；

图2为现有技术中采用第二种内部供气的静压型气体轴承的局部剖面结构示意图；

图3为本发明实施例所示的第一种结构的气体轴承的局部剖面结构示意图；

图4为本发明实施例所示的第二种结构的气体轴承的局部剖面结构示意图；

图5为本发明实施例所示的第三种结构的气体轴承的局部剖面结构示意图；

图6为本发明实施例所示的第四种结构的气体轴承的局部剖面结构示意图；

图7为本发明实施例所示的自由活塞斯特林发动机的剖面结构示意图。

图中：1-第一供气管道，2-第一气孔，3-高压储气腔，4-第二气孔，5-第三气孔，6-第四气孔，7-低压储气腔，8-第二供气管道，9-单向阀，10-第五气孔，11-压缩腔，12-活塞背腔，13-气缸，14-活塞，15-第一气道，16-第二气道，17-进气孔，18-排气孔，19-台阶面，20-第一回中孔，21-第三气道，22-第二回中孔，23-第四气道，24-活塞内腔，25-中转气孔，26-中转气腔，27-筒体，28-高温端换热器，29-回热器，30-低温端换热器，31-第一法兰，32-排出器，33-热端气体弹簧，34-冷端气体弹簧，35-第二法兰。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图3，本实施例提供了一种气体轴承，包括气缸13和活塞14，活塞14同轴置于气缸13内，活塞14与气缸13之间预留有气隙，并可在气缸13内作往复运动；

还包括设在气缸13的侧壁内的第一气道15和第二气道16；

其中，第一气道15、第二气道16的一端分别连通气缸13内侧的腔体，第一气道15、第二气道16的另一端分别伸向气缸13的腔体外，并对应连接气泵的出气口与回气口。

本实施例所述的气体轴承通过在气缸13的侧壁上设置第一气道15和第二气道16，并由这两个气道分别将气缸13、活塞14之间的气隙与外界相连通，则在实际使用时，可将气泵的出气口与回气口对应连通第一气道15与第二气道16，经由气泵加压后的气体通过第一气道15进入气隙，并在气隙的两端因气体的粘性自然形成间隙密封，以对活塞提供稳定的支撑，而气隙中的气体可从第二气道16返回气泵，从而由外部供气的气泵向气体轴承提供了一个稳定的供、排气环境，确保了气体轴承工作状态下的稳定性；与此同时，由于其气体轴承的工作状态由气泵独立控制，在运行环境发生变化时，通过调节气泵的供气压力来相应控制活塞的承载力，提高了气体轴承在不同运行工况下的适应能力。

进一步的，为了提高供排气的效率，并确保活塞14在气缸13内受力的均衡性，本实施例还包括分别沿径向设在气缸13内壁上的多组进气孔17和多组排气孔18；每组进气孔17相对于气缸13的中轴线，沿圆周均匀排布且共面布置，并与第一气道15相连通；每组排气孔18相对于气缸13的中轴线，沿圆周均匀排布且共面布置，并与第二气道16相连通。

进一步的，为了确保活塞14在气缸13内运行的稳定性，本实施例中排气孔18与活塞14端部的轴向距离大于100mm，其中，活塞14的直径与长度均为255mm，气缸13的长度为活塞14行程的两倍与活塞的长度之和，气缸13的内径比活塞14的外径大30μm；通过确保排气孔18与活塞14端部之间的长度，使得活塞14的两端与气缸13的侧壁之间形成较好的间隙密封，从而确保了气隙区域气压的稳定性，有效地将气缸13内波动的气压进行隔断。

或者，在活塞14的两端的侧壁上分别设有一个凸起的台阶面19，从而使得活塞14两端的气隙间距小于活塞14中部的气隙间距，则可利用气体的粘性，在两个台阶面19所对应的气隙处形成较好的间隙密封，从而确保了气隙区域气压的稳定性，有效地将气缸13内波动的气压进行隔断。

进一步的，为了确保对气缸13内往复运动的活塞14构成较好的气体支撑，并确保气体轴承的正常工作，本实施例中进气孔17和排气孔18在气缸13内壁上排布的轴向长度小于活塞14的长度；活塞14往复运动的行程小于进气孔17与排气孔18沿轴向排布的距离。

进一步的，为了确保活塞14在气缸13内相对其运行中心作往复运动，并防止活塞14的运行中心发生漂移，本实施例一方面，在活塞14上设有第一回中孔20和第三气道21；第一回中孔20位于两个台阶面19之间的活塞14的外侧壁上；第三气道21位于活塞14内，第三气道21的一端连通第一回中孔20，另一端伸向活塞14的端部。

与此同时，本实施例在另一方面，还可在气缸13的侧壁上设有第二回中孔22，气缸13的侧壁内上设有第四气道23，第四气道23的一端通过第二回中孔22连通气缸13内侧的腔体，另一端伸向所述气缸13的腔体外。

由此，在活塞14运行至其运行中心位置时，可通过第一回中孔20与其相应的第三气道21，或者，通过第二回中孔22与其相应的第四气道23对活塞14两侧的腔体内的气压进行平衡，以达到对活塞的运行中心位置的校准。

进一步的，基于上述结构的改进，本实施例得到如图3所示的第一种结构的气体轴承，其区别之处在于，本实施例中设有两组进气孔17和两组排气孔18，其中，两组进气孔17位于两组排气孔18之间，从而通过采用两组进气孔17同时向气隙的中部供气，可使得气体轴承获得较大的承载能力。

本实施例还包括两条第三气道21，两条第三气道21的一端对应连通两组第一回中孔20，两条第三气道21的另一端分别伸向活塞14的两端，其中，每组第一回中孔20分别与每组的排气孔18相对应，由此，通过将第一回中孔20与排气孔18进行耦合，在活塞14运行至其运行中心位置时，每组第一回中孔20将与每组的排气孔18一一对准，这有利于活塞14通过两条第二气道16辅助均衡其两侧的气压，以达到对活塞的运行中心位置的校准。

进一步的，基于上述结构的改进，本实施例得到如图4所示的第二种结构的气体轴承，其区别之处在于，本实施例中设有两组进气孔17和一组排气孔18，其中，一组排气孔18位于两组进气孔17之间。由此，该气体轴承从气隙的两端进气，从气隙的中部排气，这种结构虽然会使得气体轴承的承载能力部分降低，同时会对活塞14两端的间隙密封造成一定程度的影响，但是，由于两组用于提供高压气体的进气孔17设在气体轴承的两端，这可以大幅度提高气体轴承的径向抗扭矩能力，从而适用于直径比较大的轴承。

进一步地，为了实现对活塞的运行中心位置的校准，本实施例在活塞14上设置第四气道23，并在气缸13的侧壁上设置第三气道21，并且，第三气道21所连通的第一回中孔20分别与第四气道23所连通的第二回中孔22及排气孔18相对应。

进一步的，基于上述结构的改进，本实施例得到如图5所示的第三种结构的气体轴承，其区别之处在于，本实施例中设有两组进气孔17和一组排气孔18，其中，一组排气孔18位于两组进气孔17的外侧；并且，活塞14具有活塞内腔24，活塞14的侧壁上设有两组中转气孔25，每组中转气孔25用于将活塞内腔24与活塞14的外部相连通；并在本实施例中设有与每组中转气孔25相对应的一组第二回中孔22，每组第二回中孔22通过相应的第四气道23，将气缸13与活塞14之间的气隙与外界相连通。需要说明的是，此种结构的一组排气孔18与第二回中孔22是位于同一轴向位置，但是其轴向位置是不重合的，此种设计避免了第二回中孔22与排气孔18的持续相连，影响系统的回中效果。

由于上述结构的气体轴承用于排气的中转气孔25位于活塞上，可由活塞内的活塞内腔24对气隙的排气进行中转，减小了中转气孔25处的气压波动，确保了活塞运行的稳定性。与此同时，随着活塞的运行，气体轴承的气膜会发生变化，则气体轴承的承载力的中心变化与活塞运动的变化一致，从而相对于上述结构的气体轴承而言，本实施例所示的气体轴承会使得活塞在运动时获得一个更加稳定的承载力，从而有益于确保气体轴承的稳定性。

进一步的，基于上述结构的改进，本实施例得到如图6所示的第四种结构的气体轴承，其区别之处在于，本实施例中气缸13的侧壁内还设有中转气腔26，中转气腔26连通排气孔18与第二气道16。这种结构的气体轴承在工作原理上与第一种结构的气体轴承相似，通过增加中转气腔26，可对气隙的排气进行中转，以减小在排气孔处的气压波动，确保活塞运行的稳定性。

进一步的，本实施例还提供了基于上述结构的气体轴承的自由活塞斯特林发动机，参见图7，该斯特林发动机包括依次装设于筒体27内的高温端换热器28、回热器29、低温端换热器30和第一法兰31、排出器32、热端气体弹簧33、冷端气体弹簧34、第二法兰35、气缸13及活塞14，其中，第一法兰31连接排出器32，第二法兰35连接气缸13的端部。

本实施例中气缸13与活塞14采用上述所示的气体轴承结构，在第二法兰35内设有与上述气体轴承相对应第一气道15、第二气道16；并且，排出器32同样采用上述所示的气体轴承结构，在第一法兰31内也设有与上述气体轴承相对应第一气道15、第二气道16。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。