膨胀机是船舶柴油机余热回收利用系统中的关键部件之一,主要功能是将系统从余热中吸收的热能转化为动能或电能输出,膨胀机的性能将直接影响整个余热回收系统的性能。本论文根据某船舶主机尾气余热利用系统中的有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)系统参数,设计活塞膨胀机结构,并在GT-SUITE中建立膨胀机模型进行性能分析及优化。首先,根据某柴油机余热利用系统中的ORC系统要求,确定活塞膨胀机的设计性能指标。根据ORC系统中膨胀机的进出口参数,确定膨胀机的运转参数及结构参数,进而结合有机朗肯循环系统中活塞膨胀机的工作条件,对活塞膨胀机进行主要设计参数计算与热力计算,确定活塞膨胀机的主要参数。根据ORC系统中活塞膨胀机的工作特点,采用的二气阀配置方案,对活塞膨胀机配气机构展开设计。而后根据计算所得的活塞膨胀机参数,在GT-SUITE中建立有机工质活塞膨胀机的单缸模型。然后,利用在GT-SUITE中搭建的膨胀机模型研究分析膨胀机的运转参数、结构参数以及配气相位对活塞膨胀机性能的影响规律。结果显示,活塞膨胀机的进口压力对其影响比进口温度影响较大,适当提高进气压力可提高其有效功率及绝热效率;相对余隙容积系数应在满足膨胀机工作条件的前提下尽量取最小值;可以通过增大活塞冲程及气缸缸径来提高活塞膨胀机的循环质量流量及有效功率,但这会使其绝热效率与单位输出功下降;活塞膨胀机进气相位对膨胀机性能的影响要大于排气相位,进气开闭正时存在一个最佳范围为进气开启正时为上止点前2~oCA~10~oCA,进气关闭正时为上止点后71~oCA~75~oCA,排气开启正时建议在下止点前10~oCA~30~oCA,排气关闭正时建议在进气门开启前0~oCA~10~oCA。根据上述所得结论,在GT-SUITE中建立四缸活塞膨胀机模型,开展膨胀机进气系统中进气支管长度、进气支管直径等结构参数对活塞膨胀机性能的影响规律研究,并应用试验设计(Design of Experiment,DOE)进行多目标寻优,提供一个用于活塞膨胀机初步设计时进气系统结构参数预取值的范围,为后人开展活塞膨胀机的设计与优化提供参考。