自由活塞斯特林机是靠活塞的往复运动实现热力循环的动力装置,清洁高效的优势使其被广泛使用,但寿命是制约其发展的瓶颈,重要因素就是运动部件造成的摩擦和磨损。针对上述问题,本文主要以气体轴承和间隙密封技术在斯特林机中应用,减小气缸与活塞间的摩擦和磨损为目的,探究了内部供压气体轴承在斯特林机动力活塞上的密封和润滑作用,具体研究内容如下:首先分析了动力活塞间隙密封的动态特性,基于动量方程建立了可压缩流体层流模型来预测自由活塞斯特林机工作腔气体泄漏的质量流量;提出了三种不同密封长度变化的物理模型,采用时间推进法求解分析了不同形式的密封对泄漏量的影响,优选出泄漏量最少的模型,对气膜间隙和背压等参数进行了优化设计,当气膜间隙为20～30μm,活塞长度10～15 cm,背压在3～5 MPa时,间隙密封泄漏量在3%以内,符合动力活塞间隙密封的设计要求。依据间隙密封优选的模型及运动参数,设计了圆柱式内部供压气体轴承结构,基于雷诺方程建立了可压缩流体层流模型来预测动力活塞与缸体间的气膜压力分布,利用有限差分法离散控制方程,通过时间推进法求解分析了内部供压气体轴承的动静态特性。同时还提出了一种可提高偏心时轴承承载能力的花键式动力活塞结构,分析对比了两种结构的气体轴承在不同工况下的承载特性,结果表明花键式轴承较圆柱式轴承承载力有一定提升,并分析了气膜厚度和偏心率对轴承承载能力的影响。基于对动力活塞的优化参数,研究了斯特林机动力活塞的动力学特性,推导了动力学—热力学耦合的控制方程,利用MATLAB/Simulink进行了模块搭建并求解,分析了空载工况下动力活塞的加速度和位移变化特性以及非空载工况下动力活塞和配气活塞的运动特性。在理论分析的基础上,设计了斯特林机空载时动力活塞运动特性的实验方案,以实验室自研的斯特林机为平台搭建了动力活塞运动特性实验平台及数据采集系统,测量了动力活塞动力学参数并与仿真结果进行了对比。综上所述,本文首先分析了动力活塞间隙密封动态特性,得到了最佳的间隙密封参数;在其基础上,设计了内部供压气体轴承结构,使活塞偏心时轴承能够提供与偏心方向相反的回复力;最后分析了基于优化参数的动力活塞动力学特性,对空载工况下的动力活塞运动特性进行了实验测试,通过对比验证了理论分析的正确性,可以为斯特林机动力活塞的密封与润滑设计提供合理的参考依据。