Page 40 - 《真空与低温》2025年第4期

隆海洋等：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 455

mum output power and thermal-to-power efficiency are 15.38 kW and 32.48%，respectively，at a porosity of 0.9. Among the
different heat exchanger structures，the maximum values of the thermal-to-power efficiency are 37.04% and 36.23% for the
fiber-tubular and screen-tubular structures，respectively，and the tubular heater structures can achieve higher thermal-to-pow-
er efficiencies compared to the fin heater structures for different variations of the input parameters. Additionally，the maxi-
mum output power for fiber-fin and screen-fin structures reaches 20.25 kW and 20.73 kW，respectively，and the fin heater
structure demonstrates superior thermal performance. In conclusion，this paper not only provides a comprehensive analysis of
the influence of different heat exchanger structures on output performance but also explores the trends of output power and
thermal-to-power efficiency under different thermodynamic parameters. This research contributes a theoretical basis for the
performance optimization of free-piston Stirling engines for space applications.
Key words：free piston Stirling engine；heater；regenerator；thermal performance

0 引言 发出一种以实验数据为基准的代码来评估所提出
的 20 kW 自由活塞斯特林发动机的性能，效率的最
随着人类对深空领域的探索不断深入，以及空
大相对误差为 17.1%，输出功率为 21 kW。陈曦等 [11]
间站和行星基地建设需求的日益增加，对空间能源
通过使用 Sage 软件建立了 Re-1000 自由活塞斯特
供给系统提出了更高的要求。空间核反应堆电力
林发动机的热力学模型，并与实验数据进行了对比，
系统凭借其寿命长、可靠性高、输出功率大、不受
光照条件限制等优势，在众多能源技术中脱颖而 验证了模型的准确性。
[1] 分析国内外斯特林发动机研究现状可知，尽管
出 。自由活塞斯特林发动机（Free-Piston Stirling
Engine，FPSE）作为热电转换装置，具有结构简单、 国内在斯特林发动机领域已取得一定进展和若干
热电效率高、噪声和振动小、自起动、可靠性高、 技术突破，但总体而言，国内对斯特林发动机的研
[2]
寿命长等优点，可作为空间任务连续的动力来源 ， 究基础仍较为薄弱。从现有文献来看，兰州空间技
成为未来深空探索和空间任务的理想方案之一。 术物理研究所正在开展空间斯特林发电技术的研
[3]
自 1964 年 Beale 博士研发了气体弹簧支撑 究，已成功研制出“T”型和 β 型结构自由活塞斯特
自由活塞斯特林发动机以来，国内外加强了对斯特 林发动机原理样机，并进行了整机性能测试 [12-13] 。
林发动机的研究。在大功率斯特林发动机的整机 此外，中国科学院理化技术研究所、中电 16 所也分
[14]
研制方面，1984 年，NASA 设计开发了 SP-100 中的 别研制了多款自由活塞斯特林发动机原理样机 。
空间动力演示机，验证了对置自由活塞斯特林热功 在自由活塞斯特林发动机性能提升方面，国内的研
转换以及更大功率水平的可行性，并优化了空间电 究多集中于整机性能的试验和探索阶段，主要侧重
力系统的使用寿命和运行温度 ；1988 年，MTI 进 于发动机的整体运行、热功转换效率和输出功率
[4]
行组件测试发动机的研究，进一步验证整机的高温 等方面。然而，在不同加热器和回热器部件结构下
运行情况以及单活塞输出功率能否满足核反应堆 进行输出性能优化的研究相对较少，尤其是在换热
[6]
[5]
的要求 。在热动力学理论研究方面，Zare 等 使 器的结构设计和整机性能的提升上，国内与国际先
用遗传算法，对整机输出功率进行了影响分析，以 进水平仍存在较大的差距。考虑到我国在航空航
基于目标频率获取设计变量的最优值，通过数学方 天、深空探索等领域的重大发展战略需求，对高效、
法计算出动力活塞和配气塞运动之间的相位差为 可靠性强的千瓦级自由活塞斯特林发动机的性能
[7]
60°。李珂等 建立了 1 kW 的自由活塞斯特林发 优化显得尤为迫切。
动机实验平台，考虑不同热源条件下斯特林发动机 本文从自由活塞斯特林发动机的加热器和回
的性能，运用热声理论对内部运行机理进行分析。 热器部件结构出发，利用 SAGE 软件构建了四种不
Ye 等 采用响应面法和灰色关联分析对自由活塞 同换热器结构组合的自由活塞斯特林发动机理论
[8]
斯特林发动机进行性能分析和优化，并提出回归模 模型。研究内容包括热端温度、冷端温度、充气压
型研究了自由活塞斯特林发动机结构参数对其性 力、回热器孔隙率、丝网直径以及配气活塞相位角
能的影响。Qi 等 采用数值模型，设计了 8 台 1 kW 等参数对发动机性能的影响。同时，本文探讨了丝
[9]
自由活塞斯特林发动机组成的核动力斯特林系统， 网/无序纤维结构回热器与翅片式/管式结构加热器
并分析其内部传热特性和各项损失。Dai 等 [10] 开 在这些热力学参数下的表现，通过对比分析，揭示