斯特林发动机气缸与活塞间隙密封的泄漏量分析.pdf

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1、斯转林发动机笺缸与活塞间隙密封的泄漏量分析口龚俊口田文静兰州理工大学机电工程学院兰州730050摘要：斯特林发动机的密封关键是气缸与活塞的间隙密封，能否有效地将其密封直接影响了斯特林发动机的性能与可靠性。斯特林发动机采用间隙密封，可以在完成密封作用的同时消除接触磨损和因此而产生的污染，但由于间隙内气体的泄漏．引起了工质的损失。建立了层流工况下斯特林发动机气缸与活塞间隙密封的数学物理模型，推导了密封间隙的泄漏量。再考虑由于实际工况和位置偏心引起的密封间隙的泄漏量，最后与理想条件下的泄漏量进行比较，得出结论：实际工况和位置偏心引起的密封间隙的泄漏量较理想状态下泄漏量

2、大。关键词：斯特林发动机间隙密封气体泄漏量中图分类号：TH136文献标识码：A文章编号：1000—4998(2010)10—0037—03目前，国内外通常利用密封装置来防止泄漏，密封立了层流2]2况下斯特林发电机气缸与活塞间隙密封的装置按其工作状态与运动特性不同，可分为静密封和数学物理模型，推导了理想状态下密封间隙的泄漏量。动密封两大类，本文着重讨论动密封技术在生产中关再考虑实际状态下密封间隙的泄漏量和位置偏心泄漏于气体的密封。动密封主要可以分成接触式、非接触式量，进行比较、分析，得出结论。，两种。接触式密封通过密封面的接触而达到密封的效1间隙密封数学模型的建立

3、[l、l1果，可以通过密封面消除间隙或使间隙为最小，但接触式密封需要花费额外的功耗来克服摩擦，而且气缸与活对间隙内气体流动，当雷诺数Re<2000时，为层塞间由于磨损而产生污染。而非接触式密封的密封件流流动¨]。不直接接触，密封件无机械摩擦。间隙密封就属于非接假设：①流动膜的厚度与它的宽度、长度相比很触密封，它可以在完成密封作用的同时消除接触磨损小；②孔隙在往复相对运动过程中没有旋转运动，间和因此而产生的污染。通常间隙密封是通过在被密封隙内气体可看作一维流动，如图1所示；③沿流动膜的工质中产生压力降来达到密封的目的，且容许通过厚度方向上不计压力变化，aP／0y=

4、0；④忽略质量力一定的间隙产生最小的泄漏量，而不影响系统的正常的影响；⑤内外圆柱面是同心的，因此间隙高度在圆运行。间隙密封能够有效地保持系统内与系统外的大周方向处处相等；⑥流体的惯性力与粘滞力相比可以气之间的压力差，这一压差是通过密封对泄漏流体的节忽略不计，即：流动是准稳的；⑦气体流过间隙时温流作用形成的。为了实现对流体的精确节流，要求有一度为已知T；⑧工质气体为完全气体；⑨忽略间隙内最小流量，所以采取间隙密封不可能实现系统流体完径向温差；⑩气体是正压性的，即：密度只是压力的全不泄漏(铁磁流体密封除外)，必须容许有一定的泄函数；⑩忽略气体的导热。漏量。所以，在保

5、证不影响系统正常运行的情况下得到1．1运动微分方程_5l、I】最小泄漏量。根据以上假设，气体运动微分方程可以简化为：由文献[1]可以看出，在现有的非接触密封研究中警=熹(1l)存在着盲点或者尚存在的问题如下：前人虽提出了间边界条件：隙密封，但他们都是在绝热、等温的模型下研究斯特林_y=一h／2，“=发动机工质的密封。没有把斯特林机的实际工况(压力0；=h／2，=up变化，温度变化等)考虑进去。另外，国外在研究间隙密(up为上壁面的封时采用柔性弹簧支撑，由于装配误差，从而引起间隙平移速度)。密封的孔轴存在偏心。这时，在圆周；b-向间隙不再是常1．2连续方程、数，而

6、是一个分布函数⋯。正因为斯特林发动机气缸的根据以上分间隙密封尚存在这些问题有待解决，从而本文首先建析，简化为：收稿日期：2010年3月机械制造48卷第554期2010／10国鲁+=0(2)1．3状态方程⋯对以氦气为工质的完全气体，在低温时其压缩性因数z1，所以可采用理想气体状态方程：P=pRT(3)由假设知P只是的函数，只是Y的函数，若要使式(1)成立，必须有誓：02U=常数。忽略气体的压缩性，对式(1)积分，并且考虑到边界条件，则可以得出间隙内的速度分布为：=一Dh3+十h2(6u)，(1+)+(_dP)1一：()](4)由前面假设知：间隙高度不变，h：常数，

7、即h=(D一D。)／2，所以在等温、常黏度情况下的泄漏量为：所以，间隙内气体的平均速度为：对式(6)两边积分：粤告告：÷』“dy=1／(+)dy一／fPdP=／[+】d一号一号一告dPl上一()]d)，2PIp一竹L+hL粤告号整理后得：：二二!堡2』2dy+1』dy一}』告警dy一L+9——叮T因此：一12pLU(MRT)24(MRT)LG1fhdP4y一．一—=再+JdYG=[+](7)～+一24u2位置偏心对间隙密封泄漏量的影响旦f51：一‘212udx如图2为间隙密封的偏心情况，间隙密封的孔轴又因为间隙为环形，所以，间隙宽度记为：D=耵偏心大多数是由于装

8、配误差引起的，这时在圆周