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有机朗肯循环(ORC)发电技术在低品位热源回收方面具有显著的优势,而膨胀机作为其中实现热功转换的重要部件,其能否安全高效的运行对系统性能有着重要的影响。本文以150℃的低温烟气作为系统热源,选取6种有机工质,基于系统热力性能模型,得到各工质透平的设计工况,并采用筛选法对各工质透平进行热力设计。通过研究发现,在相同热源参数条件下,各工质透平的质量流量、进汽压力、进汽温度排汽压力、排气温度及压比等参数均有差异;采用R600a设计的透平相对内效率居中,但系统热效率最高,为9.17%,功率最大,为80.70kW,采用R123的系统热效率为8.33%,功率最低,为68.53kW;而R600和R245fa工质均具有较高的理想循环热效率,系统热效率和功率均高于R601、R601a和R123工质透平;对比各工质透平设计方案,分别采用R600、R600a和R245fa为工质设计的透平均有较好的透平热力性能,使其对应的系统热力性能良好,但结合安全性要求,R245fa应作为较为适宜的选择。根据设计参数,对R245fa透平进行三维造型及数值模拟研究,验证热力设计方法的可靠性,并对R245fa透平通流部分的流场进行分析,进而结合系统热力性能参数,分析透平整体性能。根据数值模拟可知,R245fa工质透平的气动与热力性能均较好,对应设计的透平热力性能参数与模拟结果基本一致,数值模拟可真实的反映向心透平通流部分的流动特性;透平相对内效率和系统输出功率均较大,分别为74.28%和73.98kW。采用CFD软件,模拟透平热源参数变动导致的变工况条件下的运行状况,提出重构过程法,求解透平热力性能参数,分析透平变工况热力特性与系统热力性能间的关系,并探讨了热源参数变动时较为适用的透平运行方式。结果表明,随着热源进口温度的降低,透平分别采用饱和滑参数和滑压运行两种变工况方式,透平内部损失发生变化,导致透平相对内效率先增后降,在透平各项损失中,余速损失最大,摩擦损失增加较剧烈;由于热源温度降低导致吸热量减小,进而引起透平功率下降;综合透平性能和系统性能,在热源温度发生变化时,透平采用滑压运行的变工况方式,其性能优于采用饱和滑参数运行方式的,更适合热源参数变动导致的变工况条件。