一种基于斯特林发动机的油气隔离密封结构
技术领域
本发明涉及斯特林发动机技术领域，尤其涉及一种基于斯特林发动机的油气隔离密封结构。
背景技术
斯特林发动机是英国物理学家罗巴特斯特林于1816年发明的，因此命名为“斯特林发动机”。斯特林发动机是通过气缸内工作介质（氢气、氮气或氦气）吸热膨胀、放热收缩产生的压力差来推动活塞做功，从而将热能转化为机械能输出，因此又被称为热气机。斯特林发动机中，活塞在机座的缸腔内运动，准确的说是活塞在膨胀腔、压缩腔之间运动，压缩腔内填充有气态工作介质，而机座中的曲轴腔（曲轴、连杆安装区域）则充满润滑油以确保足够的润滑与散热，活塞杆通过连杆与曲轴连接。
为了将压缩腔内气态工作介质与润滑油完全隔离、密封，通常在机座内的压缩腔与曲轴腔之间的活塞杆的中段设置密封机构，该密封机构需要将润滑油与气态工作介质完全隔离，同时活塞杆从该密封机构的中心穿过，活塞杆与密封机构之间需要保持良好的滑动密封。由于曲轴腔内的润滑油压大于与压缩腔内的气压，而活塞杆又处于往复运动状态，润滑油容易沿着活塞杆的外周间隙渗入压缩腔内，最终使得气态工作介质被润滑油污染，导致斯特林发动机性能降低，甚至无法正常工作。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的斯特林发动机动力中气态工作介质与润滑油之间密封效果差的问题，提供了一种基于斯特林发动机的油气隔离密封结构，该种隔离密封结构能将油气稳定隔离，保证气态工作介质免受润滑油污染，提高斯特林发动机的整体性能和使用寿命。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于斯特林发动机的油气隔离密封结构，设置在机座内的压缩腔与曲轴腔之间，包括套设在活塞杆中段的密封组件，所述的密封组件包括密封组件本体、与密封组件本体上端固定的密封端盖，所述密封组件本体内设有封闭的平衡腔，活塞杆从平衡腔的中心贯穿，所述密封组件本体的侧面设有与平衡腔连通的平衡进气孔，平衡进气孔的外端与外部气源连接，所述密封组件本体的外周、密封端盖的外周均设有环形密封圈；所述平衡腔的下端设有密封座，所述密封座内设有套设在活塞杆上的密封套，所述密封套的上端设有下压套，所述活塞杆上位于平衡腔内的部位套设有压簧，所述压簧的下端与下压套的上端抵接。在密封组件内设置平衡腔，平衡腔通过外部气源供气（该气体与斯特林发动机压缩腔、膨胀腔内的气态工作介质相同），使得平衡腔内的气压大于等于曲轴腔内的油压，用于平衡油压；同时平衡腔内的气压使得活塞杆与密封组件滑动摩擦间隙处形成气膜，减小摩擦阻力。
作为优选，所述密封座的内腔下端设有下密封锥面，所述下压套的下端设有上密封锥面，所述密封套的下端外侧设有密封凸环，所述密封凸环的下端面与下密封锥面贴合密封，密封凸环的上端面与上密封锥面贴合密封；所述密封座的下端面与平衡腔的底面之间设有下密封圈。密封凸环的下端面与下密封锥面贴合形成静态密封，密封凸环的上端面与上密封锥面贴合形成静态密封，密封座的下端面与平衡腔的底面通过下密封圈密封，密封套的内圈与活塞杆之间滑动密封，密封套的下侧为润滑油，密封套的上侧为平衡腔内的气体；密封凸环受到压簧的压力作用，还具有良好的磨损补偿功能，能确保密封套与活塞杆之间稳定的密封。
作为优选，所述密封套的内孔上端设有上平衡锥面，所述密封套的内孔下端设有下平衡锥面，所述上平衡锥面与活塞杆的轴线夹角为5.1°-5.6°，所述下平衡锥面与活塞杆的轴线夹角为4.5°-5°。上平衡锥面与活塞杆之间充满平衡气体，下平衡锥面与活塞杆之间充满润滑油，由于上平衡锥面、下平衡锥面与活塞杆的轴线夹角存在差异（压力角存在差异），从而使得下平衡锥面内的润滑油能进入密封套与活塞杆之间的间隙内形成油膜，但是润滑油无法进入上平衡锥面处，从而实现油膜滑动密封。
作为优选，所述密封座的外侧与平衡腔的侧面之间形成环形进气间隙，所述平衡进气孔的内端与环形进气间隙连通。平衡进气孔处的气体先进入环形进气间隙后再进入平衡腔内，从而使得平衡腔内的气体更加稳定（不易产生涡流、扰流），防止涡流、扰流影响密封套与活塞杆之间油膜平衡。
作为优选，所述平衡腔的上端设有套设在活塞杆上的滑套，所述滑套的外侧与平衡腔的侧面之间设有上密封圈，所述滑套的上端内侧设有环形槽，所述环形槽内设有套设在活塞杆上的内密封圈，所述内密封圈的外侧设有环形限位槽，所述环形限位槽内设有外密封圈，所述活塞杆上位于环形槽的上侧设有上压套，所述上压套的下端与内密封圈的上端面抵接，压簧的上端与滑套抵接。滑套、上密封圈、内密封圈、外密封圈均是为了对平衡腔的上端密封，防止平衡腔内的气体进入压缩腔内。
作为优选，所述密封组件本体的下端外侧设有环形外导流槽，密封组件本体的下端内孔处设有环形内导流槽，所述环形外导流槽与环形内导流槽之间设有若干导流通孔，所述密封组件本体的内孔与活塞杆之间形成与曲轴腔连通的回流间隙，机座上设有与环形外导流槽连通的注油孔。通过外部循环泵将曲轴腔内的润滑油泵入注油孔内，从而对活塞杆循环润滑、散热。
作为优选，所述活塞杆的上端固定有活塞座，活塞座的上端固定有活塞顶，活塞顶内设有储气腔，所述活塞杆的中心设有中心孔，活塞杆的侧面设有与中心孔连通的侧气孔，侧气孔的外端与平衡腔连通，活塞杆运动过程中，侧气孔始终位于平衡腔内。平衡腔内的气体一方面起到平衡润滑油压力的作用，另一方面该气体通入活塞顶内的储气腔内，用于平衡活塞顶内外的压差，同时还能减小膨胀腔内的热量通过活塞传递给压缩腔。
作为优选，所述活塞座的外侧设有两道密封槽，每道密封槽内均设有密封环，密封槽的底部与密封环的内圈之间设有支撑环；活塞座上位于两道密封槽之间的部位设有环形平衡槽，所述活塞座内设有用于连接储气腔与环形平衡槽的引流通道。由于活塞座外侧的两道密封环的外侧分别对应膨胀腔、压缩腔，膨胀腔、压缩腔内都具有较高的气压，从而导致密封环的两个端面之间存在很大的压差，严重降低密封环的密封效果和使用寿命，本结构中平衡腔内的气体经过侧气孔、中心孔、储气腔、引流通道后进入环形平衡槽内，用于平衡密封环两个端面之间的气压差，提高密封环的密封效果和使用寿命。
作为优选，所述密封组件本体的侧面还设有介质通道，所述介质通道的上端贯穿密封组件后与压缩腔连通。机座内的气路直接通过介质通道与压缩腔连接，使得整体结构更加紧凑、精简。
因此，本发明具有如下有益效果：（1）通过外部气源向平衡腔内供气以平衡曲轴腔内的油压，使得活塞杆与密封组件之间的滑动密封更加稳定，密封效果更好；（2）利用曲轴腔内的润滑油通过外部循环泵对活塞杆的下端位置进行循环润滑、散热，保持活塞杆良好的性能；（3）平衡腔内的气体还能平衡活塞顶内外的气压差以及隔热性能，提高活塞的稳定性；（4）平衡腔内的气体还为环形平衡槽内供气，使得活塞座上的密封环的两端气压保持平衡，提高活塞座上的密封环的密封效果和使用寿命；（5）该种密封组件集油气隔离密封、活塞杆循环润滑冷却、活塞顶内的储气腔内外气压平衡、密封环两侧气压平衡、压缩腔供气于一体，极大的减少了整体斯特林发动机的零部件，降低了斯特林发动机的成本，减小了斯特林发动机的体积，同时也使得装配也更加方便、热损失小，整体效率得到提升。
附图说明
图1为本发明的一种结构示意图。
图2为密封组件的结构示意图。
图3 为活塞杆、密封组件的连接示意图。
图4为图3中的局部结构示意图。
图5为密封套的结构示意图。
图6为图3中A处局部放大示意图。
图7为图1中B处局部放大示意图。
图中：机座1、注油孔100、压缩腔2、曲轴腔3、活塞杆4、活塞座40、活塞顶41、储气腔42、中心孔43、侧气孔44、密封环45、支撑环46、环形平衡槽47、引流通道48、密封组件5、密封组件本体6、平衡进气孔60、环形外导流槽61、环形内导流槽62、导流通孔63、回流间隙64、密封端盖7、平衡腔8、介质通道9、环形密封圈10、密封座11、下密封锥面110、环形进气间隙111、下密封圈12、密封套13、密封凸环130、上平衡锥面131、下平衡锥面132、下压套14、上密封锥面140、压簧15、滑套16、上密封圈17、内密封圈18、外密封圈19、上压套20。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：
如图1、图2、图3和图4所示的一种基于斯特林发动机的油气隔离密封结构，设置在机座1内的压缩腔2与曲轴腔3之间，包括套设在活塞杆4中段的密封组件5，密封组件5包括密封组件本体6、与密封组件本体6上端固定的密封端盖7，密封组件本体6内设有封闭的平衡腔8，活塞杆4从平衡腔的中心贯穿，密封组件本体6的侧面还设有介质通道9，介质通道9的上端贯穿密封组件后与压缩腔连通；
密封组件本体6的侧面设有与平衡腔8连通的平衡进气孔60，平衡进气孔60的外端与外部气源连接，外部气源与斯特林发动机压缩腔、膨胀腔内的气态工作介质相同，密封组件本体6的外周、密封端盖7的外周均设有环形密封圈10；平衡腔8的下端设有密封座11，密封座11的下端面与平衡腔的底面之间设有下密封圈12，密封座11内设有套设在活塞杆上的密封套13，密封套13的上端设有下压套14；如图4和图5所示，密封座11的内腔下端设有下密封锥面110，下压套14的下端设有上密封锥面140，密封套13的下端外侧设有密封凸环130，密封凸环130的下端面与下密封锥面贴合密封，密封凸环130的上端面与上密封锥面贴合密封，密封套13的内孔上端设有上平衡锥面131，上平衡锥面与活塞杆的轴线夹角为5.1°-5.6°，密封套的内孔下端设有下平衡锥面132，下平衡锥面与活塞杆的轴线夹角为4.5°-5°，活塞杆4上位于平衡腔内的部位套设有压簧15，压簧的下端与下压套的上端抵接；密封座11的外侧与平衡腔的侧面之间形成环形进气间隙111，平衡进气孔的内端与环形进气间隙连通；
平衡腔8的上端设有套设在活塞杆4上的滑套16，滑套16的外侧与平衡腔的侧面之间设有上密封圈17，滑套的上端内侧设有环形槽，环形槽内设有套设在活塞杆上的内密封圈18，内密封圈的外侧设有环形限位槽，环形限位槽内设有外密封圈19，活塞杆4上位于环形槽的上侧设有上压套20，上压套20的下端与内密封圈的上端面抵接，压簧的上端与滑套抵接。
如图、图3和图6所示，密封组件本体6的下端外侧设有环形外导流槽61，密封组件本体6的下端内孔处设有环形内导流槽62，环形外导流槽与环形内导流槽之间设有若干导流通孔63，密封组件本体6的内孔与活塞杆之间形成与曲轴腔连通的回流间隙64，机座1上设有与环形外导流槽连通的注油孔100，通过外部的循环泵将曲轴腔与注油孔100连接，循环泵将曲轴腔内的润滑油持续泵入注油孔内，从而对活塞杆进行持续润滑、冷却（膨胀腔的热量通过活塞座传递给活塞杆）。
如图1、图3和图7所示，活塞杆4的上端固定有活塞座40，活塞座的上端固定有活塞顶41，活塞顶内设有储气腔42，活塞杆4的中心设有中心孔43，活塞杆的侧面设有与中心孔连通的侧气孔44，侧气孔的外端与平衡腔连通，活塞杆运动过程中，侧气孔始终位于平衡腔内；活塞座40的外侧设有两道密封槽，每道密封槽内均设有密封环45，密封槽的底部与密封环的内圈之间设有支撑环46；活塞座40上位于两道密封槽之间的部位设有环形平衡槽47，活塞座内设有用于连接储气腔与环形平衡槽的引流通道48。
结合附图，本发明的原理如下：在密封组件内设置平衡腔，平衡腔通过外部气源供气（该气体与斯特林发动机压缩腔、膨胀腔内的气态工作介质相同），使得平衡腔内的气压大于等于曲轴腔内的油压，用于平衡油压，防止润滑油进入压缩腔内而污染气态工作介质；平衡腔内的气体还为活塞顶内的储气腔供气，从而使得活塞顶内外压力平衡；另一方面平衡腔内的气体还为环形平衡槽供气，使得密封环两侧的气压趋于平衡，提高密封环的密封效果及使用寿命；该种密封组件集油气隔离密封、活塞杆循环润滑冷却、活塞顶内的储气腔内外气压平衡、密封环两侧气压平衡、压缩腔供气于一体，极大的减少了整体斯特林发动机的零部件，降低了斯特林发动机的成本，减小了斯特林发动机的体积，同时也使得装配也更加方便、热损失小，整体效率得到提升。
以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明为基础，为解决基本相同的技术问题，实现基本相同的技术效果，所作出的简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。
