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真空与低温 第 31 卷 第 4 期
454 Vacuum and Cryogenics 2025 年 7 月

换 热 器 结 构 及 热 力 学 参 数 对 自 由 活 塞 斯 特 林 发 动 机 性 能 影 响

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隆海洋 ，冶文莲 ，王伟杰 ，孙述泽 ，罗新奎 2
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（1. 兰州理工大学能源与动力工程学院，兰州 730050；
2. 兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）
摘要：自由活塞斯特林发动机的输出性能受到多个参数的影响，深入分析自由活塞斯特林发动机内部换热器
结构及热力学参数，有助于优化发动机的设计并提高整体性能。基于 SAGE 软件建立了空间千瓦级自由活塞斯
特林发动机热力学模型，选取了热端温度、冷端温度、充气压力、回热器孔隙率、填料丝径和配气活塞相位角等
6 个参数，探讨不同换热器结构（纤维-管式、丝网-管式、纤维-翅片式、丝网-翅片式）和热力学参数对斯特林发动
机输出性能的影响。研究结果表明：斯特林发动机的输出功率和热功转换效率随热端温度的增大而增大，随丝网
直径和孔隙率的增加先增大后减小。其中，孔隙率对斯特林发动机的输出功率和热功转换效率的影响较大，在孔
隙率为 0.9 时，斯特林发动机的最大输出功率和热功转换效率分别为 15.38 kW 和 32.48%。在不同换热器结构中，
纤维-管式和丝网-管式结构的热功转换效率最大值分别为 37.04% 和 36.23%，较于翅片式结构，管式结构能够实现
更高的热功转换效率。采用纤维-翅片式和丝网-翅片式结构的最大输出功率分别达到 20.25 kW 和 20.73 kW，
且翅片式加热器结构表现出最佳的热力性能。综上，深入分析了不同换热器结构对输出性能的影响，还探讨了在
不同热力学参数条件下，斯特林发动机的输出功率和热功转换效率的变化规律，为空间千瓦级自由活塞斯特林发
动机的性能优化提供了理论基础。
关键词：自由活塞斯特林发动机；加热器；回热器；热力性能
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中图分类号：TB65 .5 文献标志码：A 文章编号：1006−7086（2025）04−0454−08
DOI：10.12446/j.issn.1006-7086.2025.04.005

Effects of Heat Exchangers Structure and Thermodynamic Parameters on the
Performance of a Free-piston Stirling Engine

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LONG Haiyang ，YE Wenlian ，WANG Weijie ，SUN Shuze ，LUO Xinkui 2
（1. College of Energy and Power Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China；2. Science and
Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）
Abstract：The output performance of a free-piston Stirling engine is affected by multiple parameters. Analyzing the in-
ternal heat exchanger structure and thermodynamic parameters of a free-piston Stirling engine can aid in optimizing the en-
gine design and enhancing thermal performance. In this study，a thermodynamic model of a free-piston Stirling engine for
space power generation is established based on SAGE software，and six parameters，such as the hot-end temperature，cold-
end temperature，charging pressure，regenerator’s porosity，wire diameter，and displacer phase angles are selected to explore
the effects of different heat exchanger structures （fiber-tubular，screen-tubular，fiber-fin，screen-fin） and thermodynamic pa-
rameters on the output performance of the free-piston Stirling engine. The investigation compares the performance of the wo-
ven screen matrix/random fiber matrix structure regenerator with that of the fin heater/tubular heater in terms of the thermo-
dynamic parameters，the effects of different heat exchanger structures，and input parameters on the free-piston Stirling engine
output performance. The results indicate that the output power and thermal-to-power efficiency of the free-piston Stirling en-
gine increase with the increase of the hot end temperature，and increase and then decrease with the rise of the wire diameter
and porosity. The regenerator porosity significantly impacts the output power and thermal-to-power efficiency，and the maxi-

收稿日期：2024−12−25
基金项目：国家自然科学基金（52466002）
作者简介：隆海洋，硕士研究生。E-mail：232085802078@lut.edu.cn
通信作者：冶文莲，工学博士，高级工程师。E-mail：ywl-315@lut.edu.cn