斯特林发动机密封套的技术研究分析
2020-03-03张甜
张甜
摘 要:斯特林发动机与内燃机不同,是一种外燃机,通过加热工质气体,气体膨胀之后推动活塞做功。斯特林发动机的使用,其密封套设计工作十分重要,直接关系到斯特林发动机的性能。本文主要介绍了斯特林发动机的基本工况,并且对现阶段发动机的密封套结构进行分析,通过流体力学的分析结果,对发动机密封套的技术进行了研究,以供相关工作人员借鉴分析。
关键词:斯特林发动机 密封套结构 受力分析 活塞杆
Technical Research and Analysis of Stirling Engine Seal
Zhang Tian
Abstract:The Stirling engine is different from the internal combustion engine. It is an external combustion engine that heats the working fluid gas and then pushes the piston to do work after the gas expands. For the use of Stirling engine, the design of the seal sleeve is very important, and is directly related to the performance of the Stirling engine. This article mainly introduces the basic working conditions of the Stirling engine, and analyzes the seal sleeve structure of the engine at this stage. Through the analysis results of fluid mechanics, the technology of the engine seal sleeve is studied for reference to the relevant staff.
Key words:Stirling engine, seal sleeve structure, force analysis, piston rod
密封套技術是研制斯特林发动机的关键技术,需要研究人员在日常工作中,重视对密封套的性质与结构进行分析,从而改善当前设备质量。随着现阶段工业生产中,对于斯特林发动机提出了新的要求。需要技术人员重视斯特林发动机的研发工作,朝着高速、高效的方向发展,从而解决当前工业生产中遇到的功率不够的问题。
1 斯特林发动机基本工况
斯特林发动机研发至今,经过了不同研究人员的分析与改进,现阶段工作人员对于该发动机的压力、温度、粘度、速度等性能有了初步了解。当前工作人员重视理论与实际相互结合的研究方法,对于如何提升斯特林发动机性能作出了改进。尤其是在密封套技术处理过程中,需要技术人员提高重视,从而改善当前工作质量[1]。
现阶段斯特林发动机工作的介质一般选择为氦气,在正常工作状态下,需要保持内腔压力小于10MPa,发动机工作温度应该小于150℃。在发动机运转过程中,需要工作人员提高重视,有效防止工质气体进入曲轴箱,并且还应该避免曲轴箱中的润滑油进入工质气体区域,做好密封工作尤为重要。在斯特林发动机工作中,需要技术人员在选择合适的材料,做好发动机活塞环的密闭工作。在打洞机运动过程中,由于接触面积较大,工质气体受到外部加热,自身膨胀,推动活塞,通过曲轴设备完成对外部的做功。
同时,为了提高斯特林发动机性能,延长该设备的使用寿命,需要技术人员重视对高压泵油冷却与润滑,从而提升当前工作性能。
2 发动机密封套结构
在斯特林发动机日常工作中,研究人员根据设备的不同运行状态,需要做好密封套设计工作,从而改善当前工作质量。一般情况下,发动机在工作阶段,内部活塞会做高速往复运动,对外做功。随着发动机的不断输出,冷腔的工质压力会发生变化。在工质气体膨胀过程中,活塞杆会朝着曲轴方向移动。通过活塞推动曲轴,从而完成对外做功,将工质气体的热能转化为机械能。在这过程中,密封套的存在,能够避免工质气体发生泄漏现象,同时杜绝曲轴部分的润滑油进入冷腔。虽然在设计阶段,密封套的存在能够杜绝两者两侧的物质交互,但是依旧有部分润滑油进入活塞杆行程自由区[2]。
因此,在斯特林发动机工作中,需要活塞的行程周边设置混合腔室,提高密封套的性能。在这种情况下,设计人员需要根据活塞杆的运动特性,从而改善当前发动机的性能,适应现阶段工业生产对于发动机的需求。在活塞杆行程中,需要技术人员根据高速滑动密封的原理,对工质气体腔室进行改进,从而提高产品性能。在设计中,工作人员将孔口进行扩大处理,在活塞滑动的自由区添加支撑环,最大程度上做好密封工作,避免润滑油与工质气体之间的交互,提高整体设备性能。
目前,研究人员通过互动自由区的改造,最大限度控制了润滑油的微量泄漏,并且在活塞两边设置了密封环,在曲轴压力的作用下,能够保证气体做功之后,活塞会在惯性的作用下回归原来的位置,始终保持密封状态[3]。
在斯特林发动机工作中,主要是添加了一组精细设计的密封组件,从而提高整体设备性能,能够在日常工作中提高自身工作效率,降低斯特林发动机维护成本。在该设备运行工程中,密封套的作用十分重要,在现阶段设备生产中,主要是碳纤维填充的聚四氟乙烯,这种材料的使用,具有较好的热力学性能,能够适应发动机运转过程中的各种外界作用,同时具有较强的抗压性能。在斯特林发动机应用过程中,这种密封套结构能够适应发动机做功的需求,同时在运动过程中,能够将工质气体有效密封在腔室中,并且杜绝了曲轴箱中的润滑油进入腔室。在斯特林发动机运动过程中,会出现一定的设备磨损现象。设计人员需要充分考虑该问题,有效补偿磨损量,延长设备的使用时间。
3 斯特林发动机密封套流体力学分析
3.1 受力分析
在斯特林发动机运动过程中,为了提高设计工作质量,需要技术人员对整体设备进行力学分析,从理论的角度上,对设备进行改进,及时发现设备使用过程中存在的安全隐患与不合理设计因素。为了提高斯特林发动机密封套性能,需要技术人员对活塞与曲轴运动过程的受力进行科学分析。
在密封套工作中,由于密封套与活塞杆之间相互配合,需要技术人员提高重视,有效应对静密封与活塞运行阶段发生的变化。由于润滑油自身存在一定的黏度,在活塞运动过程中,会在外界压力的作用下,造成入口端油膜出现凹型。在活塞运行阶段,由于活塞杆的往复运动,会造成润滑油发生抽吸效应。研究人员根据该效应,对活塞的运动状况进行科学分析,对密封套进行合理改进,从而降低了活塞轴运转过程中出现的弹性形变,稳定了密封区域存在的循环应力。现阶段斯特林发动机工作中,由于润滑油的抽吸效应,会在活塞自由区表面形成一层油膜,既起到了润滑的作用,还能够避免活塞在运动过程中对于发动机结构的摩擦,减少了活塞在运动阶段出现的损耗,提高了斯特林发动机的使用寿命。在发动机设备内部设计中,需要技术人员控制接触区域的循环应力。
3.2 密封模型分析
对发动机密封装置搭建力学分析模型,如图1所示。图1中a部分作为发动机安装完成时的结构示意图,虚线用以表示未变形密封套的内径位置,通常情况下,过盈量取值范围为[0.1,0.15]毫米,孔口为喇叭形。喇叭孔口间隙取值范围为[0.35,0.45]毫米。如图1中b部分所示,是密封套在完成支撐环安装时,添加润滑油后产生内径形态变化的具体情况,此时密封套与活塞杆处于隔离状态,隔离介质为油膜。图2中c部分表示的是无油膜的油压分布情况。图2中d部分表示的是有油膜的油压分布情况。
在发动机正常运行的情况下,其活塞杆密封性的影响因素包括:接触点位置属性,属性具体表现为:运动参数、几何位置。设定发动机运动为稳定工况,针对流体动压润滑开展计算程序。将活塞杆与密封套两者之间产生的接触面设为研究对象,在实际工况中,使用油膜流体,开展润滑模拟试验。斯特林发动机运行传动以机械运作为主,传动主体为曲柄连杆结构,活塞杆在缸套定位作用下,采取往复直线运动,曲轴转速具有均匀性,活塞连杆组在运动期间,完成了正弦运动的重复程序,重复运动期间存在速度变化,各项参数关系如下:
曲轴角转速:w=
曲柄长度比:g=,g<
运动速度:u=rw(sinφ+gsin2φ)
关系式中:t表示的是曲轴转动速度,单位为r/min;r表示的是曲柄半径值,单位为米;l表示的是连杆实际长度,单位为米;φ表示的是曲柄转动角度,单位为rad。
发动机的密封状态,以油膜厚度最小值作为第二个重要的研究项目。以弹性流体润滑理论为依据,搭建润滑方程,假设不存在其他影响因素,方程组具体表现为:
雷诺方程关系式:()=f,a=ph3;
黏度压力形成的关系式:h=hoeαp;
关系式中,f表示的是活塞杆运动速度均值,单位为m/s;p表示的是润滑油使用时产生的压力作用,单位为Pa;h表示的是一般压力状态下的油液黏度。经计算发现:油膜厚度最小值的干扰条件为油液运动的速度均值f、油液黏度h,荷载p对其产生的影响并不明显;为此,应加强油液运动均速控制、油液黏度保持。
4 结语
总而言之,在现阶段研究工作中,结合国内外一些较为实用的参考文献,对于密封套的结构进行详细研究,从而改善当前斯特林发动机的性能。为了提高发动机的功率,研究人员在确保发动机安全性的前提下,重视对设备内部改造,调整了密封套与活塞杆之间的过盈量,从而提高发动机自身性能。
项目名称:斯特林发动机活塞杆密封材料研究。项目编号:0110-101100110106。
参考文献:
[1]秦哲,杨广武,张艳峰等.利用数据采集系统研究斯特林发动机热效率[J].低温工程,2020(02):34-38.
[2]谭德宁,张燕红,魏红梅等.一种斯特林发动机的设计[J].新技术新工艺,2019(09):50-52.
[3]冶文莲,王小军,刘迎文等.自由活塞斯特林发动机的响应面法设计[J].真空与低温,2019,25(04):270-279.