斯特林发动机活塞杆密封装置设计

□ 杨东亚 □ 解 欢 □ 龚 俊

兰州理工大学 机电工程学院 兰州 730050

斯特林发动机属于外热活塞式发动机，以氢气或氦气为工质，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素［2］。斯特林发动机密封主要包括活塞密封与活塞杆密封两种，而活塞杆密封是目前斯特林发动机亟待解决的主要问题之一。

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

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］。安装时，袜套橡胶卷筒的一端固定于活塞杆上，另一端则固定于机体上，或者是固定在动力活塞杆内壁。工作过程中，袜套可以将充有工质的气腔与油腔分隔开来。在整个工质循环系统中，工质产生的压力经过滑环密封之后，转换成平均循环压力作用于袜套上。为了保证袜套不会因为其上方的高压气体作用而破裂，需要在袜套下方设置一个油垫，油液压力稍低于上方气体压力，压差在0.5MPa左右。这样可以将对高压气体的密封转化成为对油垫腔的密封，降低了密封的难度。

图1 绝对密封装置

1.2 滑动式密封装置

图 2是瑞典联合斯特林发动机公司研制的滑动密封装置，主要由滑动O形密封环、刮油环、主密封环、预紧弹簧、单向阀和油气分离器等部件构成。在工作过程中：活塞下方的冷腔中所充的工质压力按照Pmin→Pmax→Pmin的规律变化。在经过滑动O形密封环的节流处理后，密封壳体中的压力变为平均循环压力，而其中的油气则流向单向阀1，在进入油气分离器后，分离出的气体经过单向阀2进入冷腔（只有当冷腔工质压处于Pmin循环状态时才能进入）。这时，从冷腔泄漏进入密封壳体的工质在循环压力最低的时候再次返回冷腔，经分离器分离出的润滑油则进入曲轴箱。这样，就将活塞杆的密封问题转化成密封壳体中工质的密封问题。由于阀门与管道存在流阻损失，所以密封壳体的工质压力通常低于平均循环压力，高于Pmin，远低于Pmax，而且相对稳定，密封处理的难度相对较低。

图2 滑动密封装置

工作过程中，为了对活塞杆进行冷却，需要利用主密封下方的润滑油喷孔进行喷油冷却。同时也可以增加主密封的润滑作用，降低其摩擦磨损，但是会使活塞杆上沾满润滑油。为了防止沾有润滑油的活塞杆进入冷腔，设计时一般要求密封腔体的长度适当大于活塞行程。在实际使用中，当系统的工质压力为15.3 MPa时，工质的泄漏率为0.1 L/h。

从滑动密封的工作原理来看，具有的优点是：1）密封结构较为简单，没有袜套式密封所需要的泵环、调节阀等，具有较高的可靠性；2）使用寿命较长，对周围工作环境的敏感程度低。缺点是：1）不能对工质与润滑油形成绝对密封，随着密封件磨损量的加大，工质泄漏率随之增加，且润滑油可能进入循环冷腔，容易污染甚至堵塞换热器；2）摩擦功耗相应较大，消耗整机功率，密封寿命较短。

2 斯特林发动机活塞杆密封结构设计

当前，大部分的无油润滑活塞杆多数采用组合式密封方式来防止油、气的泄漏，其中最常使用的组合形式为挡油圈与填料函组合［5，6］。利用填料函对气缸座与活塞杆之间的间隙进行密封，防止气体从气缸内沿着活塞杆向外部泄漏；挡油圈则有效阻挡曲轴箱内的润滑油经活塞杆进入密封填料函，最终渗入气缸。部分密封装置为了增加阻油的效果，还设置有刮油器。这种组合式密封结构虽然密封效果较好，但是依然存在着较多的不足：1）密封填料函的摩擦阻力较大，导致摩擦功率损耗大，且发热量较多，冷却效果差，如若加强冷却，则又会导致密封结构过于复杂、成本增加等问题；2）填料磨损功率的增加使其容易漏气，因此需要频繁地调整、更换，维修保养工作繁重；3）当设置有刮油器时，其内密封环在磨损之后不能得到很好的补偿，刮油效果下降；4）挡油圈采用橡胶挡油唇口和轴颈的卡紧程度缺乏对应的补偿能力，密封性能较低［7，8］。

因此，有必要设计一种针对斯特林机高温、无油润滑特殊工况的活塞杆密封装置，有效解决当前密封装置存在的阻力大、功耗高以及密封组件自主补偿磨损能力差的问题。本文所设计的组合式密封装置结构如图3所示。

图3 改进型组合式密封结构

该密封装置主要由：具有自紧能力的帽式密封件与滑动密封件构成，两者分别穿置于活塞杆之上。帽式密封件中的密封环是采用填充聚四氟乙烯制成，分别装置在垫板的3个座孔之中，其内圆与活塞杆进行良好接触，而外圆则装有O形圈。由于O形圈的内径尺寸比帽式密封环的外径稍小，因此在装配过程中，O形圈对密封环在径向方向产生一定的预紧力，使帽式密封环的内孔圆周面可以紧贴于活塞杆的外缘上，形成具有自紧能力的帽式密封件，达到有效防止缸体内气体外泄的作用。

滑动密封件主要包括滑动密封套、套管、撑环、承压座以及O形圈Ⅳ，其中，滑动密封套亦采用具有抗油、耐磨损能力的聚四氟乙烯材料制成，它在与承压座接触的一端通过设置锥形凸环的形式提高密封套的气密能力，而套管也被加工成与密封套相同锥形的锥面。在装配过程中，通过这个锥面施加对滑动密封套端面的压力，使其向内收缩，造成滑动密封套的下端面内圆周壁始终与活塞杆紧密贴合，最终形成具有自紧能力的杆密封结构，这样可以将活塞杆上粘附的润滑油清除干净。

弹簧则安装在垫板与套管之间，给两者的自紧行为提供自紧力。为了增加滑动密封套向内收缩的能力，在设计滑动密封套的锥形凸环时，可以设计采用双锥面结构，而且在承压座之上同样设置可以和滑动密封套下端面锥形凸环匹配的锥面。降低滑动密封套与活塞杆之间的摩擦功耗，还可以在滑动密封套的另一端内孔中设置一个撑环，通过该撑环的内张力将滑动密封套的上半段内孔撑开，进而形成一个和活塞杆相分离的锥形间隙，有效降低两者之间的摩擦。同时，形成的锥形间隙在封闭的活塞筒内，在气体压力的作用下形成一个楔形的泵压区，便于将少量粘附在活塞杆之上的润滑油泵送回去。设置活塞筒，可以将帽式密封件与滑动密封件分别固定于气缸内壁。为了保证滑动密封套相接触，或者是运动在滑动密封件范围之内的活塞杆杆身部分不致运动至帽密封环处，应该保证滑动密封套与帽式密封件之间的距离应该适当大于活塞杆的行程，这样才能保证其达到理想的防油效果。

通过上述对工作原理的分析，可以得知该型活塞杆密封结构具有的特点：1）帽式密封件的滑动密封套与活塞杆之间的摩擦因数较小，使得其工作阻力较小、发热量低以及功耗小；2）在弹簧力以及O型密封圈的弹力作用下，帽式密封件与滑动密封套具有向内收缩的自紧力，有效地抵消活塞工作过程中对密封件的磨损，提高了工作可靠性，延长了使用寿命；3）该型密封结构具有较强的气密性能，尤其是在高压作用下具有泄漏量小、防油能力强的优点，提高了压缩气体的洁净程度；4）减少了密封装置的组件数目，降低了维护与保养的复杂程度，同时也降低了斯特林发动机的运行费用。

3 斯特林发动机活塞杆密封装置实验

将改进型组合式密封结构搭建成斯特林机试验台，模拟斯特林机的实际运行工况，并在其上进行密封性能试验，试验条件如下：

（1） 工 作 介质为氢气，介质温度为120℃，介质压 力 为 9～20 MPa，工作压差为0～9 MPa；

（2） 润 滑 油为20号机械油，润滑油压力为0.03～0.15 MPa（表压），润滑油温度为0～110℃；

（3）主要结构参数为活塞杆直径12 mm，活塞行程40 mm，工作频率1 421往复次/min，安装尺寸φ55 mm×φ47 mm×67.5 mm。试验结果如图4所示。

图4 斯特林机活塞杆密封压力随时间变化曲线

由图4看出，斯特林机活塞杆密封压力虽在120 min内泄漏速度较快，但在120 min之后压力保持衡定，一直维持在8.37 MPa，总泄漏量仅为0.05 MPa。试验结果表明，该新型斯特林机活塞杆密封结构设计合理，其密封效果显著。

4 结论

针对斯特林机高温高压、无油润滑等特殊运行工况，参考几种典型的活塞杆密封装置，最终设计出了一种新型斯特林机活塞杆密封试验装置。将该装置加工成密封试验台，模拟斯特林机的实际运行工况进行密封性能试验。试验结果表明，新型斯特林机活塞杆密封装置密封性能良好，密封效果显著。

［1］ 李德才.压缩机活塞杆磁性液体密封设计与试验研究［J］.机械工程学报，2011，47（10）：133-138.

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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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［8］ Gary Wood J，Wilson Kyle，Buffalino Andrew，et al.Continued Development of the Advanced Stirling Convertor（ASC） ［C］.5th International Energy Conversion Engineering Conference，OH，USA，2007.