有机朗肯循环(ORC)发电技术在回收利用低品位热能方面所发挥的优势日渐突出。性能优良的透平膨胀机是保障整个循环系统安全、高效运行的基础。本文选择向心透平作为膨胀机,研究有机工质向心透平的设计方法、分析透平内流特点、探讨透平的变工况特性,对ORC技术的发展具有重要的学术意义。首先对有机工质物性计算状态方程进行了研究。以R245fa为工质、SW状态方程为基准参考方程,比较了理想气体状态方程和PR方程计算的工质比容、声速、内能、焓、熵等热力学参数与SW方程计算结果间的偏差;采用计算流体力学软件FLUENT,探讨了将有机工质添加到材料数据库中的方法,对一ORC强缩放二维导叶栅进行了数值模拟,分析了不同气体状态方程对压缩因子、密度、声速、绝对速度、马赫数沿叶型表面分布以及质量流量和叶栅出口角等气动参数的影响。结果表明:不论在热力学参数的计算还是气动参数的模拟方面,理想气体状态方程与SW状态方程间的偏差均很大,有机工质不能被当做理想气体处理;而PR方程与SW方程间的计算偏差很小、精度较高,其结构简单、适用范围广,因此被确定为有机工质透平设计和内流特性研究的物性计算方程。在工质物性研究的基础上,以120k W低温有机朗肯循环优化参数为设计目标,进行有机工质向心透平的气动设计和内部流动机理的研究。通过一维热力计算确定了透平导叶和动叶通流部分的几何尺寸,导叶选择TC-4P型和岛状型进行三维造型、动叶采用ANSYS Bladegen进行三维造型。应用ANSYS CFX进行整机数值模拟,一维热力计算结果与三维数值模拟结果基本一致,验证了透平设计方法的准确性。模拟计算结果表明,相比岛状叶型,TC-4P叶型沿叶片表面顺压降程度更平缓、总压损失范围小,变工况效率高;动叶片个数为15时,透平效率最高,流动分离区很小,因此确定TC-4P叶型和15个动叶片为该120kW有机工质向心透平的导叶型和最佳动叶片个数。提出了一种向心透平性能参数计算方法,通过MATLAB编程实现性能参数的计算,与CFD三维计算结果的一致性验证了计算方法有效可靠。以透平效率最优为目标,探讨了进口压力、质量流量和出口背压变化时的最佳调节方式。结果表明,进口压力变化时,采用转速调节的透平效率更高;质量流量变化时,采用喷嘴角度调节的调节范围更广、效率更高;出口背压变化时,喷嘴出口面积自适应调节即可维持较高的透平效率,仅当背压超过一定值后,转速调节才表现出其优越性。