CN112160845B - 斯特林发动机及单向节流式活塞动密封机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了单向节流式活塞动密封机构及斯特林发动机，所述单向节流式活塞动密封机构包括：活塞壳体，具有活塞腔；活塞动组件，所述活塞动组件可活动地安装于所述活塞腔，所述活塞动组件包括：活塞座，顶部具有安装槽；所述活塞座的外壁由上至下依次具有节流环安装位、单向环安装位、闭口环安装位以及导向环安装位；活塞顶，所述活塞顶安装于所述活塞座的所述安装槽，并且所述活塞顶和所述活塞座之间围绕形成中间腔；活塞杆，所述活塞杆安装于所述活塞座；活塞环组件，包括节流活塞环、单向活塞环、闭口活塞环以及导向环。其能够降低作用在闭口活塞环背侧的气体压力，以减小斯特林发动机的闭口活塞环的磨损率。

Description

斯特林发动机及单向节流式活塞动密封机构

技术领域

本发明涉及发动机领域，进一步地涉及一种斯特林发动机及单向节流式活塞动密封机构。

背景技术

斯特林发动机是一种外部供热(或燃烧)的活塞式发动机，它以气体作为工作介质，按闭式回热循环的方式进行工作，主要由外部供热(燃烧)系统、工作循环系统(热能-机械能转换系统)、传动系统(机械能输出系统)、辅助系统及监控系统组成。

其中，活塞动密封是影响斯特林发动机性能和可靠性的关键技术。斯特林发动机活塞动密封一般采用活塞环结构(自由活塞式斯特林发动机除外)，活塞环依靠工质气体交变压力贴紧缸套产生密封作用，通过传动机构按一定规律运动，隔离热端工作腔与冷端工作腔的高压气体，其需要在高速、高载的恶劣工况下运行，理想的活塞环动密封应该实现密封性好、摩擦耗功低以及耐磨性高的要求。同时，为了防止润滑油污染工质系统，斯特林发动机活塞动密封采用无油润滑设计，活塞环选用高分子材料，利用高分子材料与金属材料之间较好的减摩耐磨特性，实现动密封高效可靠运行。

通过前述可知，与传统内燃机活塞环油润滑方式不同，斯特林发动机活塞动密封是一种特殊的摩擦润滑形式，气体润滑与干摩擦同时存在。其中，活塞环与缸套之间的干摩擦会导致高分子材料活塞环磨损，现有斯特林发动机活塞动密封结构存在的主要问题是活塞环使用寿命偏低，需要根据使用时间定期更换活塞环，增加了斯特林发动机的维修保养成本，限制了斯特林发动机的应用场景。

目前国内外针对斯特林发动机活塞动密封的技术专利较少，且相关专利一般从活塞环截面造型、内部涨圈结构形式和外部压差补偿系统等角度开展设计，缺乏对活塞环组布置和环背压力分布的优化设计。

综上所述，需要对传统斯特林发动机进行改进。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种斯特林发动机及单向节流式活塞动密封机构，其能够降低作用在闭口活塞环背侧的气体压力，以减小斯特林发动机的闭口活塞环的磨损率。

为了实现上述目的，本发明的目的在于提供单向节流式活塞动密封机构，包括：

活塞壳体，具有活塞腔；

活塞动组件，所述活塞动组件可活动地安装于所述活塞腔，所述活塞动组件包括：

活塞座，顶部具有安装槽；所述活塞座的外壁由上至下依次具有节流环安装位、单向环安装位、闭口环安装位以及导向环安装位；

活塞顶，所述活塞顶安装于所述活塞座的所述安装槽，并且所述活塞顶和所述活塞座之间围绕形成中间腔；

活塞杆，所述活塞杆安装于所述活塞座；

活塞环组件，包括节流活塞环、单向活塞环、闭口活塞环以及导向环，所述节流活塞环安装于所述节流环安装位，所述单向活塞环安装于所述单向环安装位，所述闭口活塞环安装于所述闭口环安装位，所述导向环安装于所述导向环安装位。

优选地，所述节流活塞环具有第一开口，所述单向活塞环具有第二开口；所述基座与所述活塞腔内壁之间具有活塞环背压腔；所述活塞环背压腔内的气体能够通过所述第一开口进入所述中间腔，所述中间腔的气体能够通过所述第二开口进入所述活塞环背压腔。

优选地，所述闭口活塞环靠近所述中间腔装配；当所述中间腔的压力高于循环压力时，所述闭口活塞环脱离所述闭口环安装位，所述中间腔内的气体通过所述单向活塞环的所述第二开口泄漏；当所述中间腔内的气体压力小于所述循环压力时，所述闭口活塞环紧密贴合于所述闭口环安装位，以隔离所述环背压腔与所述中间腔之间的连通。

优选地，所述导向环、所述闭口活塞环、所述单向活塞环以及所述节流活塞环相对于所述中间腔对称设置。

优选地，所述活塞顶螺纹连接于所述安装槽的内壁。

优选地，所述活塞动组件还包括密封圈，所述密封圈安装于所述活塞顶与所述活塞座的连接处，以密封所述活塞顶与所述活塞座的连接处。

优选地，所述活塞座的中间部位具有安装孔，所述活塞杆安装于所述安装孔。

优选地，所述安装孔是锥形孔；所述活塞动组件还包括固定螺钉，所述固定螺钉固定安装于穿过所述锥形孔的所述活塞杆的端部。

优选地，所述导向环是工程塑料。

根据本发明的另一方面，本发明进一步提供斯特林发动机，包括：

发动机主体；

上述任一项所述的单向节流式活塞动密封机构，所述单向节流式活塞动密封机构安装于所述发动机主体。

本发明所提供的所述单向节流式活塞动密封机构及斯特林发动机具有以下至少一条有益效果：

1、本发明所提供的所述单向节流式活塞动密封机构及斯特林发动机，所述单向节流式活塞动密封机构能够降低作用于闭口活塞环背侧的压力，从而能够减少闭口活塞环的磨损率，增加闭口活塞环的使用寿命。

2、本发明所提供的所述单向节流式活塞动密封机构及斯特林发动机，所述单向节流式活塞动密封机构通过在闭口活塞环的外侧设置节流活塞环，能够显著降低所述闭口活塞环背侧的压力，从而能够显著增加所述闭口活塞环的使用寿命，降低发动机的保养维护成本，提高产品的可靠性。

3、本发明所提供的所述单向节流式活塞动密封机构及斯特林发动机，所述单向节流式活塞动密封机构的节流活塞环、单向活塞环、闭口活塞环以及导向环相对于中间腔对称，以使得所述单向节流式活塞动密封机构的上腔室和下腔室的循环压力相一致。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对本发明的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1的本发明的优选实施例的单向节流式活塞动密封机构的剖视图；

图2是本发明的优选实施例的单向节流式活塞动密封机构的剖视图；

图3是本发明的优选实施例的单向节流式活塞动密封机构的各腔室的压力曲线图。

附图标号说明：

2活塞动组件，21活塞座，22活塞顶，23活塞杆，24活塞环组件，20中间腔，25上腔室，27环背压腔，28固定螺钉，210安装槽，211节流环安装位，212单向环安装位，213闭口环安装位，214导向环安装位，215安装孔，241节流活塞环，242单向活塞环，243闭口活塞环，244导向环，271上环背压腔，272下环背压腔，2410第一开口，2420第二开口。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅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，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在本文中，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。

另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例1

参考说明书附图1至图3，本发明提供一种单向节流式活塞动密封结构，所述单向节流式活塞动密封结构能够降低作用在活塞环背侧的气体压力，从而能够减小斯特林发动机活塞环磨损率。

具体地，所述单向节流式活塞动密封结构包括活塞壳体和活塞动组件2，所述活塞壳体具有活塞腔(图中未示出)，所述活塞动组件2可滑动地安装于所述活塞壳体的所述活塞腔。

所述活塞动组件2包括活塞座21、活塞顶22、活塞杆23以及活塞环组件24，所述活塞座21的顶部具有安装槽210。所述活塞座21的外壁由上至下依次具有节流环安装位211、单向环安装位212、闭口环安装位213以及导向环安装位214。所述活塞顶22安装于所述活塞座21的所述安装槽210，并且所述活塞顶22与所述活塞座21之间围绕形成中间腔20。所述活塞杆23安装于所述活塞座21的底部，也就是说，所述活塞杆23和所述活塞顶22分别位于所述活塞座21的两端。所述活塞环组件24包括节流活塞环241、单向活塞环242、闭口活塞环243以及导向环244，所述节流活塞环241安装于所述节流环安装位211，所述单向活塞环242安装于所述单向环安装位212，所述闭口活塞环243安装于所述闭口环安装位213，所述导向环244安装于所述导向环安装位214。

本发明通过设置所述节流活塞环241能够减小作用于所述闭口活塞环243背侧的压力，从而能够减小所述闭口活塞环243磨损率，提高所述闭口活塞环243的使用寿命。本发明所提供的所述单向节流式活塞动密封机构还能够实现单向节流的功能，能够在保证密封性能的前提下，降低作用在所述闭口活塞环243背侧的气体压力，以提高所述闭口活塞环244的使用寿命。

具体地，所述单向节流式活塞动密封机构进一步具有形成于所述活塞顶22远离所述活塞座21一侧的上腔室25、形成于所述活塞座21远离所述活塞顶22一侧的下腔室(图中未示出)以及形成于所述活塞座21的侧壁与所述活塞壳体之间的环背压腔27。

参考说明书附图2，所述节流活塞环241具有第一开口2410，所述单向活塞环242具有第二开口2420，所述环背压腔27内的气体能够通过所述第一开口2410进入所述中间腔20，所述中间腔20的气体能够通过所述第二开口2420进入所述环背压腔27。调节所述第一开口2410的开口大小可以改变所述上腔室25和/或所述下腔室中的气体进入所述中间腔20的流阻，实现降低所述闭口活塞环243背侧气体压力的目的。调节单所述第二开口2420的开口大小可以改变所述中间腔20中的气体进入所述上腔室25和/或所述下腔室的泄漏通道，保证所述中间腔20内的压力稳定在工质循环最低压力，实现可靠密封。

由于双作用斯特林发动机的所述上腔室25和所述下腔室的循环压力幅值相一致，因此所述闭口活塞环243和所述导向环244关于所述中间腔20对称设置。

本发明所提供的所述单向节流式活塞动密封机构具有两套活塞环组结构，所述导向环244、所述闭口活塞环243、所述单向活塞环242和所述节流活塞环241关于所述中间腔20对称布置。其中，所述导向环244采用工程塑料，主要作用是防止装配和运动过程中所述活塞座21与活塞壳体擦碰。所述闭口活塞环243起主要密封作用，同样也是主要发生磨损的活塞环。所述单向活塞环242和所述节流活塞环241属于开口环，起到配气和节流的作用。所述闭口活塞环243靠近所述中间腔20装配，所述单向活塞环242装配于所述闭口活塞环243的上面。所述闭口活塞环243和所述单向活塞环242这种开、闭口组合式活塞环的工作原理与单向阀类似。

工作过程中，当所述中间腔20内的压力高于循环压力时，所述闭口活塞环243脱离所述活塞座21的所述闭口环安装位213，所述中间腔20内的气体通过所述单向活塞环242的开口处泄漏；当所述中间腔20的压力小于循环压力时，所述闭口活塞环243压紧所述活塞座21侧面的所述闭口环安装位213和所述活塞壳体形成密封，所述环背压腔27内的气体难以进入所述中间腔20。因此，当斯特林发动机的所述单向节流式活塞动密封机构运动时，所述中间腔20内的压力可以维持在循环最低压力，避免所述上腔室25与下腔室之间的泵气现象。

进一步地，所述环背压腔27进一步包括上环背压腔271和下环背压腔272，所述上环背压腔271位于所述闭口活塞环243的上方，所述上环背压腔271内的气压指的是下闭口活塞环背压，循环压力经过所述节流活塞环241后进入所述下环背压腔272，压力曲线相对所述下腔室中的工质循环压力有所下降。

所述下环背压腔272位于所述闭口活塞环243的下方，所述下环背压腔272中的气压指的是所述上闭口活塞环背压，压力曲线相对于所述上腔室25的工质循环压力有所下降。

所述下腔室的压力曲线是工质循环压力，相邻所述节流活塞环241在所述节流环安装位211通过气孔与所述下腔室25相连通，压力曲线相一致。所述中间腔20是所述活塞顶22与所述活塞座21连接后形成的气体压力腔，工作中压力维持在循环最低压力。所述上腔室26是活塞顶侧腔室，压力曲线是工质循环压力，相位领先所述下腔室九十度，相邻所述节流活塞环241所在所述节流环安装位211通过气孔与所述上腔室26相连通，压力曲线相一致。

由于双作用斯特林发动机的所述上腔室25和所述下腔室循环压力幅值一致，相位不同(一般相差90°)，因此所述闭口活塞环243和所述导向环244往往关于所述中间腔20对称布置。所述闭口活塞环243是闭口圆环结构，受压胀开后起主要密封作用；所述单向活塞环242和所述节流活塞环241是开口环结构，起到配气和节流的作用；所述导向环244的外径略大于所述活塞座21，防止所述活塞座21与所述活塞壳体擦碰，起导向作用。所述活塞座21用于连接所述活塞顶22和所述活塞杆23，从而使气体力传递至传动系统，实现做功；同时所述活塞座21与所述活塞顶22组成所述中间腔20，所述中间腔20和所述活塞环组件24一起实现密封隔离所述上腔25和所述下腔室的功能。

本发明所提供的所述单向节流式活塞动密封机构主要特点是具备单向和节流功能。“单向”指的是气体流动方向具有选择性，具体来说就是：当所述上腔室25和所述下腔室中的气体向所述中间腔20的方向流动时，流动通道阻力大；当所述中间腔20内的气体向所述上腔室25和所述下腔室的方向流动时，流动通道阻力小。单向功能通过气孔和开口结构实现：当所述上腔室25和所述下腔室中的压力高于所述中间腔20的压力时，所述上腔室25和所述下腔室中的气体通过所述节流活塞环241的所述第一开口2410进入所述环背压腔27，由于所述闭口活塞环243的密封作用，气体流入所述中间腔20的流阻大，气体难以流通。当所述上腔室25和所述下腔室中的压力小于中间腔20时，所述中间腔20中的气体通过所述单向活塞环242，并通过气孔与所述上腔室25和所述下腔室相连通，该通道流阻小，气体容易流通。“节流”指的通过附加流阻结构来降低流体压力，节流功能通过所述节流活塞环241的所述第一开口2410的流阻实现，当高频变化的气体从所述上腔室25和所述下腔室经过所述节流活塞环241的所述第一开口2410时，流通面积变小，流阻增大，减小了所述环背压腔27的压力，从而实现降低所述闭口活塞环243磨损的目的。

本发明所提供的所述单向节流式活塞动密封机构能够降低所述闭口活塞环243的磨损率，提升所述闭口活塞环243的使用寿命。斯特林发动机活塞环属于软的高分子材料与硬的金属材料对磨，其主要磨损机理是黏着磨损，依据Holm-Achard黏着磨损公式推导得出式1，用于分析所述闭口活塞环243的磨损情况。

h＝k·PN·v·t(1)

式中，h表示所述闭口活塞环243的径向磨损量，k表示材料磨耗系数，PN表示微凸体接触平均压力，v表示所述闭口活塞环243运动速度，t表示磨损时间。依据式1可知，减小微凸体接触平均压力是降低斯特林发动机的所述闭口活塞环243磨损率的主要方法之一，而研究表明降低所述闭口活塞环243的背侧压力是减小微凸体接触平均压力的最有效方法。

本发明所提供的所述单向节流式活塞动密封机构通过优化设计所述活塞环组件24的布置和所述活塞座21的气体流动结构，利用所述节流活塞环241的节流作用降低所述闭口活塞环243背侧压力，以理论缸内压力曲线和动密封结构参数作为输入，通过仿真计算得到的各腔室压力曲线如图3所示。依据图3可知，当循环压力上升时，由于所述节流活塞环241的节流作用，所述上环背压腔271和所述下环背压腔272中的压力显著小于所述上腔室25和所述下腔室中的压力。假设磨耗系数k和速度v不变，将计算得到的压力曲线数据代入式1，则本发明所提供的所述单向节流式活塞动密封机构的所述闭口活塞环243的使用寿命预期可增加10％～20％。

依据上述分析和计算可知，使用本发明所提供的所述单向节流式活塞动密封机构，可以显著增加所述闭口活塞环243的使用寿命，从而降低斯特林发动机维修保养成本，提升斯特林发动机产品的可靠性。

需要指出的是，在本优选实施例中，所述节流环安装位211具有节流环安装槽，供安装所述节流活塞环241。所述单向环安装位212具有单向环安装槽，供安装所述单向活塞环242。所述闭口环安装位213具有闭口环安装槽，供安装所述闭口活塞环243。所述导向环安装位214具有导向环安装槽，供安装所述导向环244。

所述活塞顶22通过螺纹连接的方式安装于所述活塞座21。所述活塞座21顶端的所述安装槽210的内壁具有内螺纹，所述活塞顶22的外壁具有外螺纹，所述活塞顶22的外壁的所述外螺纹与所述安装槽210的内壁的所述内螺纹和所述活塞顶22的外壁的所述外螺纹能够螺纹连接。

所述活塞动组件2还包括密封圈28，所述密封圈28安装于所述活塞顶22与所述活塞座21的连接处，以密封所述活塞顶22与所述活塞座21之间的连接处。

所述活塞座21的中间部位具有安装孔215，所述活塞杆23安装于所述安装孔215内。

优选地，所述安装孔215是锥形孔，所述活塞动组件2还包括固定螺钉28，所述固定螺钉28螺纹连接于穿过所述锥形孔的所述活塞杆23的端部，以将所述活塞杆23固定安装于所述活塞座21。

实施例2

根据本发明的另一方面，本发明进一步提供一种斯特林发动机，所述斯特林发动机包括发动机主体和上述实施例所述的单向节流式活塞动密封机构，所述单向节流式活塞动密封机构安装于所述发动机主体。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.单向节流式活塞动密封机构，其特征在于，包括：活塞壳体，具有活塞腔；活塞动组件，所述活塞动组件可活动地安装于所述活塞腔，所述活塞动组件包括：活塞座，顶部具有安装槽；所述活塞座的外壁由上至下依次具有节流环安装位、单向环安装位、闭口环安装位以及导向环安装位；活塞顶，所述活塞顶安装于所述活塞座的所述安装槽，并且所述活塞顶和所述活塞座之间围绕形成中间腔；活塞杆，所述活塞杆安装于所述活塞座；活塞环组件，包括节流活塞环、单向活塞环、闭口活塞环以及导向环，所述节流活塞环安装于所述节流环安装位，所述单向活塞环安装于所述单向环安装位，所述闭口活塞环安装于所述闭口环安装位，所述导向环安装于所述导向环安装位；

其中所述节流活塞环具有第一开口，所述单向活塞环具有第二开口；所述活塞座与所述活塞腔内壁之间具有活塞环背压腔；所述活塞环背压腔内的气体能够通过所述第一开口进入所述中间腔，所述中间腔的气体能够通过所述第二开口进入所述活塞环背压腔；

其中所述闭口活塞环靠近所述中间腔装配；当所述中间腔的压力高于循环压力时，所述闭口活塞环脱离所述闭口环安装位，所述中间腔内的气体通过所述单向活塞环的所述第二开口泄漏；当所述中间腔内的气体压力小于所述循环压力时，所述闭口活塞环紧密贴合于所述闭口环安装位，以隔离所述环背压腔与所述中间腔之间的连通。

2.根据权利要求1所述的单向节流式活塞动密封机构，其特征在于，其中所述导向环、所述闭口活塞环、所述单向活塞环以及所述节流活塞环相对于所述中间腔对称设置。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的单向节流式活塞动密封机构，其特征在于，其中所述活塞顶螺纹连接于所述安装槽的内壁。

4.根据权利要求3所述的单向节流式活塞动密封机构，其特征在于，其中所述活塞动组件还包括密封圈，所述密封圈安装于所述活塞顶与所述活塞座的连接处，以密封所述活塞顶与所述活塞座的连接处。

5.根据权利要求4所述的单向节流式活塞动密封机构，其特征在于，其中所述活塞座的中间部位具有安装孔，所述活塞杆安装于所述安装孔。

6.根据权利要求5所述的单向节流式活塞动密封机构，其特征在于，其中所述安装孔是锥形孔；所述活塞动组件还包括固定螺钉，所述固定螺钉固定安装于穿过所述锥形孔的所述活塞杆的端部。

7.根据权利要求6所述的单向节流式活塞动密封机构，其特征在于，其中所述导向环是工程塑料。

8.斯特林发动机，其特征在于，包括：发动机主体；权利要求1-7中任一项所述的单向节流式活塞动密封机构，所述单向节流式活塞动密封机构安装于所述发动机主体。

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