Page 41 - 《真空与低温》2025年第4期

456 真空与低温 第 31 卷 第 4 期

了不同换热器结构对斯特林发动机输出功率、热 膨胀腔、压缩腔、配气活塞热端和冷端气体弹簧腔、
功转换效率的影响规律。通过优化换热器结构和 背压腔、加热器、冷却器、配气活塞和动力活塞组
选择热力学参数，可以提升发动机的热功转换效率 成，配气活塞和动力活塞均采用气体弹簧支撑，主
和输出功率，为千瓦级自由活塞斯特林发动机在实 要用于提供轴向刚度。其基本原理为：气体工质在
际应用中的高效运行提供理论支持。 胀腔内被加热器加热膨胀，压力升高，配气活塞向

压缩腔运动，工质在压缩腔被压缩，流经回热器时，
1 自由活塞斯特林发动机结构
通过回热器吸收热量进入膨胀腔，工作腔压力进一
图 1 为千瓦级自由活塞斯特林发电机系统结 步升高，推动动力活塞向背离压缩腔方向运动，工
构简图。由图可知，该系统由斯特林发动机和直线 作腔与背压腔之间的压差以及气体弹簧使活塞进
电机两部分组成。自由活塞斯特林发动机主要由 行往复运动，从而使得工作空间膨胀和压缩。

热端气体弹簧 直线电机
加热器 回热器
冷却器
动力活塞

背压腔

膨胀腔 配气活塞 冷端气体弹簧 压缩腔

图 1 千瓦级自由活塞斯特林发动机结构图
Fig. 1 The schematic diagram of the kilowatt level free-piston Stirling engine

表 1 为斯特林发动机的主要结构参数，这种结 MS-DOS 开发的一个用于交变流动的准一维数值
[15]
构有效地提高了斯特林发动机的热功转换效率和 计算软件，主要用于斯特林发动机的设计和优化 。
使用寿命，主要能量转换为：斯特林发动机将热端 SAGE 软件能够将斯特林发动机中的各个部件转
输入的热能转化为机械能，通过动力活塞与线性交 化为软件中的模块，并采用模块化的方式对各个部
流发电机转子将机械能转化为电能，最终实现热能- 件进行建模，通过几何尺寸和能量流将各个模块连
机械能-电能之间的转化。 接成一个整体系统，对每个模块内部的节点数进行
调整，以获得正确的数值结果和精度，从而进行斯
表 1 自由活塞斯特林发动机结构参数 特林发动机的仿真模拟计算。
Tab. 1 The structural parameters of the free-piston
自由活塞斯特林发动机内部气体的流动和传
Stirling engine
热为非定常、周期、可压缩流动，在 SAGE 软件中，
部件 参数 每个模块中都包含相应的数学、物理方程和来源
膨胀腔 体积：7.22×10 m 3
−2
于大量实验的经验公式，将各个模块离散成节点区
−4
压缩腔 体积：4.62×10 m 3
域，通过计算节点区域的连续性方程、动量方程和
配气活塞 质量：2.2 kg；横截面积：1.35×10 m 2
−2
能量方程从而得到整个区域的状态参数，对于每个
动力活塞 质量：13 kg；横截面积：2.01×10 m 2
−2
[16]
节点的方程如下 。
−3
背压腔 体积：6.52×10 m 3
连续性方程：

∂ρA ∂ρuA
2 基于 SAGE 的自由活塞斯特林发动机建模 + = 0 （1）
∂t ∂x
SAGE 软件是由 David Gedeon 等在 1995 年根据 动量方程：