Page 58 - 《真空与低温》2025年第5期

张丹妮等：基于正交模拟试验和灰度分析的自由活塞斯特林发动机性能优化 597

lational grade was identified as the optimal configuration. Further analysis involved calculating the average grey relational
values for each factor across different levels to determine the theoretically optimal parameter configuration. Finally，a control
group was selected based on the power piston mass to enable a more comprehensive evaluation of different parameter combi-
nations. Through comparative analysis of performance indicators， it was found that when the displacer spring stiffness is
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2.02×10 N/m，the power piston spring stiffness is 8.0×10 N/m，the displacer mass is 0.075 kg，and the power piston mass is
0.27 kg，the displacer and power piston amplitudes reach 2.98 mm and 6.261 mm，respectively，with a thermal efficiency of
35.39% and an output power of 90.97 W. This combination demonstrates superior performance among the three comparison
schemes. These findings provide important guidance for engineering design and significantly enhance the overall perfor-
mance of free-piston Stirling engines.
Key words：free piston Stirling engine；performance optimization；orthogonal simulation；gray relational analysis

[9]
0 引言 响。张蓉等 为提高自由活塞斯特林动力系统的
热电转化效率和输出功率，利用 Sage 软件对其关
近年来，随着航天技术的快速发展，世界各国
键参数进行模拟分析，旨在讨论不同温比下结构参
相继提出并开展一系列深空探测活动。为保障能
数对输出功率的影响。
源的持续供应，对空间电源的比功率和效率的要求
通过分析自由活塞斯特林发动机的国内外研
日益严苛，相比于传统热电转化装置，自由活塞斯
究现状可知，现阶段国内在 FPSE 性能提升和性能
特林发动机（free-piston Stirling engine，FPSE）具有
优化方面做了很多有益的工作，包括运行参数、结
[1]
可靠性高、结构简单、寿命长、成本低等优势 ，可
构参数对整机性能的影响，部分学者还采用响应面
与发电机、空间热源和电源转换控制系统构成性
法开展了回热器参数与性能的影响规律研究。然而，
能突出的新型空间电源。
关于自由活塞斯特林发动机功率、效率等参数的多
由于影响 FPSE 的参数众多，其性能优化成为
目标优化及其对 FPSE 性能影响的研究相对而言较
研究人员持续关注的核心问题和热点话题，国内外
[10]
少 ，尤其是动力学参数对其性能影响。本文对支
有许多学者都对其开展一系列的研究。陈曦等 [2]
撑两活塞板弹簧刚度、两活塞质量与 FPSE 功率、
采用 Sage 软件对自由活塞斯特林发动机仿真模拟，
效率及两活塞振幅之间的影响关系进行探究。
为分析回热器对于 FPSE 整机性能的影响，重点研
[3]
究其结构参数和内部的热量损失。冶文莲等 基 1 模型的建立
于响应面法研究自由活塞斯特林发动机各项参数 1.1 自由活塞斯特林发动机结构
及其交互作用，研究 FPSE 换热器和配气活塞结构 FPSE 主要由加热器、回热器、冷却器、配气活
[4]
参数与输出功率、热效率之间的关系。祁云等 通 塞、动力活塞、压缩腔、膨胀腔以及背压腔构成，
过 Sage 软件建立了自由活塞斯特林发动机的数理 其结构如图 1 所示。配气活塞和动力活塞都是独
模型，对运行参数和内部结构开展优化，分析活塞 立的且均由板弹簧支撑，其工作原理为：处于膨胀
位移和相位角对 FPSE 的影响。牟建等 建立了热 腔的工质经加热器加热后膨胀，导致工作腔内压力
[5]
动耦合的振动模型，提出 FPSE 比功率的提高与运 升高。首先，配气活塞朝着压缩腔的方向运动，使
行频率有关，探究充气压力、板弹簧刚度和负载电 得压缩腔中的工质被压缩，并流经回热器再次加热
[6]
阻等对运行频率产生的影响。隆海洋等 基于 后压缩至膨胀腔，随着压力持续上升，动力活塞克
Sage 软件建立了自由活塞斯特林发动机的热力学 服弹力向膨胀腔方向运动，同时，配气活塞基于工
模型，讨论并分析冷热端温度、充气压力和回热器 作腔与背压腔间的压差往复运动，从而使工质不断
孔隙率等参数条件下，不同类型的换热器对自由活 经历膨胀和压缩过程 。
[11]
塞斯特林发动机性能的影响。Chen 等 提出了将 1.2 Sage 建模
[7]
热-动力学模型与 Sage 模型相结合，并基于响应面 Sage 软件是被广泛用于斯特林发动机数值计
法对多截面钢丝网回热器研究以优化 β 型 FPSE 性 算的一维建模软件，能够实现不同部件间的模块化
能。Wu 等 [8] 为了精准预测输出功率和转换效率， 连接，并根据物性参数、结构材料等将其串联起来
对 FPSE 的运行性能开展研究，通过改变充气压力、 形成完整的 FPSE 内部系统，在此基础上可以进行
[12]
负载电阻、加热器温度等来分析对系统性能的影 热动力学仿真 。