随着化石能源的减少和需求的增加,开发地热能等可再生能源越来越受到人们的重视。我国地热能储量巨大,以中低温热源为主,这些低品位的热能很难推动水蒸汽朗肯循环发电。有机朗肯循环系统(ORC)可以利用低温地热能进行发电,在中低温热源场合被看作有效的发电方式。涡轮膨胀机具有转速高,单级膨胀比高、运行范围宽的特点,常被用作小功率有机朗肯循环系统的热功转换设备。本文针对90℃的低温地热能,选择R245fa作为有机工质,对有机朗肯循环系统进行热力学分析,然后对其循环参数展开优化研究。结果表明,冷凝温度的增加使得系统的?效率和膨胀机输出功率减小,增大了冷凝器内的?损失,同时使系统的经济性能变弱,因此低的冷温度会提高系统的效率和经济性能。过冷温度的增加不会影响膨胀机的输出功率,但会降低系统的?效率,增加蒸发器的?损失。较高的热源温度可以减小蒸发器的换热面积,提高系统的经济性。对200kW涡轮膨胀机进行一维热力设计,以及蜗壳、导叶和动叶的三维造型,然后通过Turbogrid进行网格划分,利用CFX进行数值模拟,最后对涡轮膨胀机进行了流场特性分析。结果表明,工质在蜗壳内分布均匀,没有出现明显的漩祸流动或者二次流,压力和温度在蜗壳内靠外侧较高,靠内侧出口处较低,呈层状分布。由于导叶结构在叶高方向不变,流场特性随着叶高方向的变化不大。在导叶内,前30%相对弦长处工质压力变化不大,在导叶尾缘出口处,由于气体在斜切部分膨胀,使得工质压力下降明显。动叶内的压力等值线在前缘附近比较稀疏,在尾缘附近比较密集,表明有机工质在动叶中的膨胀主要发生在后半段,动叶前缘处由于冲角的原因存在激波,在动叶尾缘处由于叶轮的弯曲,气体膨胀速度加快。叶顶间隙使流体在压力面和吸力面之间形成泄漏流动,对主流形成干扰,使得膨胀机的效率降低。由叶顶间隙引起的涡流随着叶顶间隙的增加而增大,并且涡流贯穿整个叶轮流场通道。对变工况的研究表明,在一定范围内,随着转速的增加膨胀机的效率先增大后减小,存在一个峰值,说明膨胀机在运转时如果转速超出额定转速,膨胀机的效率会下降,因此在实际运行时,应当防止膨胀机过度超速。