[实用新型]一种自由活塞斯特林发动机及其气体轴承

说明书

本实用新型涉及气体轴承技术领域，提供一种自由活塞斯特林发动机及其气体轴承，气体轴承包括气缸和活塞，活塞同轴置于气缸内，活塞与气缸之间预留有气隙，并可在气缸内作往复运动；还包括设在气缸侧壁内的第一气道和第二气道；第一气道、第二气道的一端分别连通气缸的腔体，另一端分别伸向气缸的腔体外，并对应连接气泵的出气口与回气口；本实用新型通过外部供气的气泵向气体轴承提供了一个稳定的供、排气环境，确保了气体轴承在工作状态下的稳定性，并且气体轴承在斯特林发动机的启动状态依然可以保持正常工作，有效防止了活塞与气缸发生“干磨”的现象，确保了斯特林发动机的使用寿命。

技术领域

本实用新型涉及气体轴承技术领域，尤其涉及一种自由活塞斯特林发动机及其气体轴承。

背景技术

自由活塞斯特林发动机是一种高效率、使用寿命长的新型发动机。当前，对自由活塞斯特林发动机的热力学研究已经基本成熟，其样机效率可以和内燃机相媲美，甚至更高。然而，自由活塞斯特林发动机在机械设计与制作工艺方面还不是很成熟，限制其发展的主要因素是自由活塞斯特林内部的两个运动部件：排出器和动力活塞的支撑方式，这两个运动部件通过支撑，使得运动部件(动力活塞)与气缸之间不接触，通过10微米量级的间隙实现运动部件两侧腔体的压差密封以及无油润滑的相对运动。

目前，自由活塞斯特林发动机中运动部件的支撑有两种方式，其一种支撑为采用板弹簧来支撑排出器或动力活塞。由于板弹簧的支撑刚度的限制，该类支撑方式仅适用于千瓦级及以下功率的自由活塞斯特林发动机上使用。此外，采用这种支撑方式的自由活塞斯特林发动机寿命严重地受制于板弹簧的寿命，从而对板弹簧的加工和设计要求非常高。与此同时，自由活塞斯特林发动机在装配时，多片板弹簧需要保持与排出器或动力活塞比较严格的同轴度，这增加了装配的难度。

自由活塞斯特林发动机中运动部件的另一种支撑，为采用气体轴承来支撑排出器或动力活塞。活塞与气缸间的气体轴承原理就是利用气体的粘性，当轴向壁面相靠近时，气体的粘性使得气体无法及时排出，从而间隙减小时压力增加，进而可以抵抗轴与壁面间的间隙进一步减小，从而支撑住轴并保持轴与气缸无接触。根据压力产生的原理，气体轴承可以分为动压型、静压型和压膜型。在自由活塞斯特林发动机中，大多采用静压型和动压型气体轴承。动压型需要配备一个小型电机将活塞旋转到一定转速，从而获得动压轴承支撑。虽然动压型气体轴承相较于静压型气体轴承，其损失更小且无需压力源，但是，根据现有的分析与实验积累可知，动压型气体轴承的稳定性问题对于实际应用仍存在不成熟的问题。此外，动压型气体轴承上的旋转激励装置增加了系统的复杂性，自由活塞的内部紧凑结构特性相对于额外的旋转电机配置存在困难。因而，现有技术普遍采用静压型气体轴承来实现对排出器或动力活塞的支撑。

目前，静压型气体轴承的供气方式主要为内部供气，可分为两种方式，静压型气体轴承的第一种内部供气如图1所示，该气体轴承的供气原理是利用活塞两侧波动的压力，在其合适的位置时，将高压侧的气体通过气缸13上的第一供气管道1和高压储气腔3上的第一气孔2，排入高压储气腔3内，然后高压储气腔3内的气体通过其第二气孔4流入活塞14与气缸13侧壁之间的气隙，之后再通过低压储气腔7上的第三气孔5进入低压储气腔7内，低压储气腔7内的气体在活塞14运动到合适的位置后，通过低压储气腔7上的第四气孔6和气缸13上的第二供气管道8，排入活塞两端压力较低一侧。

静压型气体轴承的第二种内部供气如图2所示，活塞14的活塞内腔24作为高压储气腔，并在活塞14上设有单向阀9和第五气孔10。单向阀9由压力控制，在压力高于单向阀9设定的阈值时，单向阀9打开，活塞外侧高压气体进入活塞内腔24中，然后高压气体经由第五气孔10进入活塞14与气缸13的侧壁之间的气隙，最后排入压缩腔11和活塞背腔12。