一种双作用斯特林发动机活塞双向密封与润滑装置

摘要

本发明涉及机械技术领域，具体地说是涉及一种双作用式斯特林发动机活塞的冷腔与热腔的双向密封和活塞的润滑方法。本发明是一种双作用斯特林发动机活塞双向密封与润滑装置所述的活塞安装在活塞缸体内作往复运动，活塞两端与活塞缸体内腔分别形成气缸热腔、气缸冷腔；所述的活塞右端部外圆处设置有热腔端一道气环、热腔端二道气环和热腔端油环，活塞左端部外圆处设置有冷腔端二道气环、冷腔端一道气环和冷腔端油环。本发明的优点是一种通过活塞上的气环、油环的对称布置将热腔、冷腔分别的、单独的密封形式，在活塞中部利用两个油环之间形成的润滑区域，实现活塞的油润滑，以减小活塞环与缸壁的磨损，提高活塞的密封性能和使用寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及机械技术领域，具体地说是涉及一种双作用式斯特林发动机活塞的冷腔与热腔的双向密封和活塞的润滑装置。 

背景技术

斯特林发动机是一种外部加热的闭式循环活塞式发动机。斯特林发动机通常由集热器、气缸热腔、气缸冷腔、回热器、冷却器和传动机构等几个部分组成。气缸热腔和集热器处于循环的高温高压部分，因此通常称它们为热腔：气缸冷腔和冷却器处于循环的低温部分，称为冷腔。斯特林发动机的理想工作过程是以斯特林循环为基础的，由两个等温过程和两个等容过程组成。 

所谓双作用式斯特林发动机，是指气缸中的活塞既有热腔配气活塞的作用，也具备冷腔动力活塞的作用，即活塞一端为热腔，另一端为冷腔。每一个气缸的冷腔都与相邻的一个气缸的热腔相连，并且在其间装备有冷却器、回热器和集热器，组成一个完整的循环系统。 

所谓四缸双作用斯特林发动机，是由四套活塞组、四个回热器、四个冷却和四个集热器组成的一个完整的闭式循环系统。相当于四个单缸双作用斯特林发动机，气缸和活塞组的数目减小了一半，使得其结构紧凑，相同功率发动机的体积和重量大大下降，生产成本也大大降低。 

双作用斯特林发动机内部密封的工质通常为氢气和氦气，有时1KW以下的小功率斯特林发动机也以空气作为工质，活塞两端同时具有大的温差和压差，其工作条件相对恶劣，而且双作用斯特林发动机相邻各缸是相互联系的，加上活塞往复运动的工作特性，目前，双作用斯特林发动机活塞的密封与润滑均采用无油润滑密封的方式，即采用具备自润滑特性、耐高温、耐磨的聚四氟乙烯和氟橡胶等材料作密封和自润滑，而不能直接采用润滑油润滑，这种类型的材料，在高温、高压、高速往复运行环境中，易产生蠕变，对其工作稳定性和寿命都有极大的影响，故西安航空动力股份有限公司和西安航天动力研究所十一室在《斯特林发动机活塞及活塞杆密封技术报告》中指出：“现斯特林发动机装机后已经过多次试验考核，目前采用电加热炉为热源，发动机功率可达14kW，效率达20%~30%,活塞杆主密封静态泄漏率为2.0×10^-7Pam³/s,发动机累积运转80多小时无明显泄漏...... 目前发动机运转摩擦寿命有待进一步考证。”这就是双作用斯特林发动机活塞密封与润滑是影响双作用斯特林发动研发和推广应用的主要障碍。 

发明内容

本发明要解决的技术是针对现有双作用斯特林发动机活塞密封技术存在的不足，和解决目前双作用斯特林发动机的活塞不能采用润滑油润滑的技术问题，提供一种可靠、稳定、成本低、寿命长、维修方便，适用于双作用斯特林发动机中的活塞双向密封与油润滑技术，为实现可靠密封、润滑油润滑提供一种新的技术方法。 

本发明是一种双作用斯特林发动机活塞双向密封与润滑装置通过下述技术方案予以实现：一种双作用斯特林发动机活塞双向密封与润滑装置包括气缸热腔、活塞顶、热腔端一道气环、热腔端二道气环、热腔端油环、活塞缸进油孔、活塞、冷腔端油环、冷腔端二道气环、冷腔端一道气环、气缸冷腔、活塞杆、活塞缸出油孔、活塞缸体，所述的活塞安装在活塞缸体内作往复运动，活塞两端与活塞缸体内腔分别形成气缸热腔、气缸冷腔；所述的活塞右端部外圆处设置有热腔端一道气环、热腔端二道气环和热腔端油环，活塞左端部外圆处设置有冷腔端二道气环、冷腔端一道气环和冷腔端油环，热腔端一道气环、热腔端二道气环、热腔端油环和冷腔端二道气环、冷腔端一道气环和冷腔端油环在活塞外圆上呈对称布置，热腔端油环和冷腔端油环设置在活塞中部，热腔端油环、冷腔端油腔之间的距离根据活塞设计行程和活塞缸进油孔的宽度确定； 

所述的活塞缸体内活塞的右端设置有活塞顶。

本发明一种双作用斯特林发动机活塞双向密封与润滑装置与现有技术相比较有如下有益效果：本发明采用两套气环和油环，分别呈对称布置在活塞冷腔端部和热腔端部，活塞中部两个油环之间形成润滑区域，两个油环间距由活塞设计行程和油嘴宽度确定；本发明提供一种双作用斯特林发动机活塞双向密封与润滑装置，是一种通过活塞上的气环、油环的对称布置将气缸热腔、气缸冷腔分别的、单独的密封形式与油润滑方法，提高活塞的密封性能和使用寿命，对加快推进斯特林发动机的研发和推广起到一定的积极作用。 

本发明的优点在于：冷腔热腔分别密封，活塞中部油环之间为润滑区域，本发明解决了双作用斯特林发动机活塞的密封与润滑均采用无油润滑密封的方式，即采用具备自润滑特性、耐高温、耐磨的聚四氟乙烯和氟橡胶等材料作密封和自润滑，而不能直接采用润滑油润滑的技术问题，本发明可实现双作用斯特林发动机活塞可靠密封和油润滑，延长了斯特林发动机的使用寿命，对加快推进斯特林发动机的研发和推广提供技术了保证。 

附图说明

本发明一种双作用斯特林发动机活塞双向密封与润滑装置有如下附图： 

图1是本发明一种双作用斯特林发动机活塞双向密封与润滑装置活塞往复运动至左右侧极限位置剖视示意图。

其中：1、气缸热腔；2、活塞顶；3、热腔端一道气环；4、热腔端二道气环；5、热腔端油环；6、活塞缸进油孔；7、活塞；8、冷腔端油环；9、冷腔端二道气环；10、冷腔端一道气环；11、气缸冷腔；12、活塞杆；13、活塞缸出油孔；14、活塞缸体；15、活塞右润滑油腔；16、有效润滑区域；17、活塞左润滑油腔；18、活塞行程。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明一种双作用斯特林发动机活塞双向密封与润滑装置技术方案作进一步描述。 

如图1所示，一种双作用斯特林发动机活塞双向密封与润滑装置包括气缸热腔1、活塞顶2、热腔端一道气环3、热腔端二道气环4、热腔端油环5、活塞缸进油孔6、活塞7、冷腔端油环8、冷腔端二道气环9、冷腔端一道气环10、气缸冷腔11、活塞杆12、活塞缸出油孔13、活塞缸体14，所述的活塞7安装在活塞缸体14内作往复运动，活塞7两端与活塞缸体14内腔分别形成气缸热腔1、气缸冷腔11；所述的活塞7右端部外圆处设置有热腔端一道气环3、热腔端二道气环4和热腔端油环5，活塞7左端部外圆处设置有冷腔端二道气环9、冷腔端一道气环10和冷腔端油环8，热腔端一道气环3、热腔端二道气环4、热腔端油环5和冷腔端二道气环9、冷腔端一道气环10和冷腔端油环8在活塞7外圆上呈对称布置，热腔端油环5和冷腔端油环8设置在活塞中部，热腔端油环5、冷腔端油腔8之间的距离根据活塞7设计行程和活塞缸进油孔6的宽度确定； 

所述的活塞缸体14内活塞7的右端设置有活塞顶2。

所述热腔端一道气环3和热腔端二道气环4设置在活塞7热腔端部外圆上，根据气缸热腔1内的压力大小设置一至三道气环；所述气缸热腔油环5设置在活塞7热腔端部外圆上热腔端二道气环4的内侧，即活塞7中部；所述冷腔端二道气环9和冷腔端一道气环10设置在活塞7冷腔端部外圆上，根据冷腔内压力大小设置一至三道气环；所述气缸冷腔油环8设置在活塞7冷腔端部外圆上冷腔端二道气环9的内侧，即活塞7的中部。 

所述活塞7双向密封是指在活塞7外圆上的热腔端一道气环3、　热腔端二道气环4、冷腔端二道气环9、冷腔端一道气环10和热腔端油环5、冷腔端油环8呈对称布置，热腔端一道气环3、热腔端二道气环4设置在密封气缸热腔1一侧，冷腔端二道气环9、冷腔端一道气环10设置在密封气缸冷腔11一侧，活塞7中部的热腔端油环5、冷腔端油环8的距离为热腔端油环5和冷腔端油环8不超过活塞缸进油孔6和活塞缸出油孔13，活塞7运动至活塞缸体14右侧极限位置时热腔端油环5和冷腔端油环8之间形成活塞右润滑油腔15，活塞7运动至活塞缸体14左侧极限位置时热腔端油环5和冷腔端油环8之间形成活塞左润滑油腔17，活塞右润滑油腔15右端部至活塞左润滑油腔17左端部的长度加上活塞行程18为有效润滑区域16。 

所述的热腔端一道气环3、热腔端二道气环4、热腔端油环5、冷腔端油环8、冷腔端二道气环9和冷腔端一道气环10均为弹性涨环。 

实施例1。 

一种双作用斯特林发动机活塞双向密封与润滑的方法包括气缸热腔1、活塞顶2、热腔端一道气环3、热腔端二道气环4、热腔端油环5、活塞缸进油孔6、活塞7、冷腔端油环8、冷腔端二道气环9、冷腔端一道气环10、冷腔11、活塞杆12、活塞缸出油孔13、活塞缸体14，所述活塞缸体14内安装有活塞组作往复运动，活塞7两端分别为气缸热腔1、气缸冷腔11；所述活塞组设置在活塞缸14内，活塞7两端部外圆处分别设置有一至三道活塞环3、4、9、10和一道油环5、8，左右气环3、4、9、10和油环5、8呈对称布置，油环5、8设置在活塞中部，两个油环5、8之间的距离由活塞7设计行程和活塞缸进油孔6的宽度确定；所述气缸热腔气环3、4设置在活塞7热腔端部外圆上，根据气缸热腔1内的压力大小可设置一至三道气环，防止气缸热腔1内的工质渗漏到气缸冷腔11内；所述气缸热腔油环5设置在活塞7热腔端部外圆上最后一道气环4的后边，即活塞7中部；所述气缸冷腔气环9、10设置在活塞7冷腔端部外圆上，根据冷腔内压力大小可设置一至三道气环，防止气缸冷腔11内的工质渗漏；所述气缸冷腔油环8设置在活塞7冷腔端部外圆上最后一道气环9的后边，即活塞7的中部。 

所述活塞7双向密封是指在活塞7外圆上采用的两套气环3、4、9、10和油环5、8呈对称布置，活塞7热腔端气环3、4密封气缸热腔1，活塞7冷腔端气环9、10密封气缸冷腔11，活塞7中部为两个有一定间距的油环5、8，活塞7往复运动至左右两个极限位置，使中部左右油环5、8都不超过活塞缸进油孔6、活塞缸出油孔13，这样两个油环5、8之间，形成活塞右润滑区域15，润滑区域15的长度加上活塞设计行程就是有效润滑区域16。 

所述活塞润滑是指在活塞双向密封结构的基础上，在活塞7的中部、两个油环5、8之间形成的润滑区域15，在循环润滑系统中油泵的作用下，通过活塞缸进油孔6注入润滑油，再通过活塞缸出油孔13排除润滑油，形成封闭循环润滑，达到活塞7润滑目的。 

双作用斯特林发动机活塞双向密封与润滑的方法包括气缸热腔、气缸冷腔、活塞缸、活塞组、热腔气环（弹性涨环）、热腔油环（弹性涨环）、冷腔气环（弹性涨环）和冷腔油环（弹性涨环）等，所述活塞缸内安装有活塞组作往复运动，活塞缸两端分别与气缸热腔、气缸冷腔相连；所述活塞组设置在活塞缸内，活塞两端部外圆处分别设置有一至三道气环和一道油环，左右气环和油环呈对称布置，油环设置在活塞中部，两个油环之间的距离由活塞设计的往复行程和进出油嘴宽度确定；所述热腔气环设置在活塞热腔端部外圆上，根据气缸热腔内压力大小可设置一至三道气环，防止气缸热腔工质渗漏到气缸冷腔，造成各缸压力不均；所述热腔端油环设置在活塞热腔端部外圆上最后一道气环的后边，即活塞中部；所述气缸冷腔气环设置在活塞冷腔端部外圆上，根据冷腔内压力大小可设置一至三道气环，防止冷腔工质渗漏；所述气缸冷腔油环设置在活塞冷腔端部外圆上最后一道气环的后边，即活塞中部。 

所述活塞双向密封结构是指在活塞外圆上采用的两套气环和油环呈对称布置，活塞热腔端气环密封热腔，活塞冷腔端气环密封冷腔，活塞中部为两个有一定间距的油环，活塞往复运动的两个极点，使中部左右油环都不超过进出油孔，这样两个油环之间，形成润滑区域。 

所述活塞润滑是指在活塞双向密封结构的基础上，在活塞中部、两个油环之间形成的润滑腔，在循环润滑系统中油泵的作用下，通过进油孔注入润滑油，再通过出油孔排除润滑油，形成封闭循环润滑。 

本发明一种双作用斯特林发动机活塞双向密封与润滑的方法与现有技术相比较有如下有益效果：本发明采用两套气环和油环，分别呈对称布置在活塞冷腔端部和热腔端部，活塞中部两个油环间距由活塞设计形成和油嘴宽度确定；本发明提供双作用斯特林发动机活塞双向密封与润滑的方法，是一种通过活塞上的气环、油环的对称布置将热腔、冷腔分别的、单独的密封形式，在活塞中部利用两个油环之间形成的润滑区域，实现活塞的油润滑，以减小活塞环与缸壁的磨损，提高活塞的密封性能和使用寿命，对加快推进斯特林发动机的研发和推广起到一定的积极作用。 

本发明的优点在于：冷腔热腔分别密封，活塞中部油环之间为润滑区域，解决双作用斯特林发动机活塞可靠密封和油润滑问题，延长使用寿命，提供技术保证。