传统罗茨动力机内部流场不稳定,余热回收效率低,亟待开展降低罗茨动力机内部流场扰动,提升罗茨动力机动力性能的研究。论文对余热用动力机结构及其内部流场扰动的研究现状进行了分析,通过热流固耦合模拟及相关实验对罗茨动力机内部流场及转子结构展开研究,并对动力机进行了结构优化,提出了一种负变位转子型线设计方法。主要内容及成果如下:1.对动力机内部流场扰动问题与动力性能提升进行了研究。通过对余热发电装置及动力机膨胀做功机理的研究,发现转子设计对动力机流量波动和动力性能的重要影响。通过对动力机的内部流场扰动原因及危害进行分析,提出了罗茨动力机内部流场扰动特性的评价指标。探究了罗茨动力机径向间隙对内部流场扰动的影响,结合热流固耦合模拟及实验设计的方法对径向间隙进行了优化,为动力机动力性能优化提供了新的方向。2.对动力机叶片结构进行了设计。基于动力机优化后的径向间隙,利用负变位渐开线理论,提出了系统性的转子型线设计方法。并对罗茨动力机转子进行了型线设计,有效解决了罗茨动力机内部流场扰动强度大的问题。将传统渐开线转子与负变位渐开线转子进行了对比分析,负变位渐开线转子有效提升了罗茨动力机转子的重合度、渐开线利用率和面积利用率。理论计算结果表明改进后的动力机的功率和稳定性等动力性能有所提升。3.动力机热流耦合模拟及相关实验研究。建立了适用于罗茨动力机仿真的湍流模型,提出了适用于罗茨动力机的三维计算机仿真的研究方法。并对负变位渐开线转子罗茨动力机进行了非稳态热流耦合模拟,对比了优化前后罗茨动力机的内部流场扰动特性,验证了结构设计的合理性;在此基础上,为研究罗茨动力机改进前后的内部流场扰动和动力性能,加工了实验样机,搭建了实验平台。针对优化前后的罗茨动力机,进行了不同转速下的罗茨动力机动力性能测试实验。实验结果显示改进后的动力机额定功率由4.5 k W提升至6.5 k W,扭矩性能增强,出口处质量流量波动明显减弱。经过对内部流场扰动进行理论分析、动力机转子进行结构优化、优化结果进行热流固耦合仿真模拟及相关实验研究,优化后的动力机动力性能得到明显提升。研究表明罗茨动力机负变位型线优化方法的可行性和仿真计算的正确性,为罗茨动力机转子优化,罗茨动力机内部流场扰动强度减弱,罗茨动力机动力性能提升提供了重要依据。