应用有机朗肯循环(ORC)将低品位热能转换为高品位电能,适用于工业废热、地热能、海洋温差能等领域。ORC系统具有结构简单、环境友好、无有害气体排放等特点,其关键的换能设备是有机工质膨胀机。本文在实验室搭建的ORC低温余热发电实验平台上,对自主设计的向心透平膨胀机进行性能研究。分别研究了向心透平的工作性能和转子系统的振动特性;对向心透平流动特性、转子系统临界转速以及不平衡响应特性进行了实验和数值研究,并优化了透平的结构。以R123为工质,实验研究了向心透平及其系统的性能变化规律。对向心透平转轴的径向振动进行了测量,研究了转子系统的振动特性。结果表明:随着工质流量的增加,透平转速增大,存在最佳转速,使得向心透平等熵效率最大;随着热源温度的升高,最佳转速不断增大;随着冷源流量的增加,向心透平的压比、转速以及膨胀功率不断增加,系统热效率逐渐升高;随着透平转速的增加,转轴径向振动幅值增加,振动峰值的特征频率增大;向心透平的最高转速达到54850r/m,等熵效率最大值为83.6%,膨胀机最大功率为3.041kW,达到设计要求。使用ANSYS Fluent软件,建立向心透平内部流动的单流道数值计算模型,研究不同的导叶安装角、导叶静叶数以及动叶的非可展直纹抛物面对内部流动特性的影响;根据实验数据,对比工质流量、膨胀功率以及等熵效率等参数的计算值,验证了单流道模型的正确性;根据数值研究结果,对透平结构进行了优化,导叶优化后,周向速度提高7.4%,速度系数提高1.12%;动叶优化后,叶轮效率提高1.05%,最大叶轮效率为90.3%。向心透平整级优化后,总-静效率提高1.7%。利用ANSYS Workbench软件,对叶轮进行了模态分析,得到叶轮和转子前八阶固有频率及振型,并对向心透平转子系统进行临界转速分析。结果表明:预应力下的叶轮固有频率大于无预应力的情况,离心力对叶轮的刚化作用明显;实验用转子系统一阶临界转速为33218r/min,二阶临界转速为65061 r/min;随着轴承支撑刚度的增加,临界转速先快速增大后逐渐缓慢增加,选取转子系统的轴承刚度为1×10~8N/m较为合理;随着转轴轴尾伸长量的增加,转子临界转速不断减小;随着叶轮密度的增加,临界转速将逐渐减小。通过灵敏度分析发现,转子临界转速受轴承刚度的影响最大,叶轮密度的影响次之,而转轴轴尾伸长量对转子临界转速的影响程度最小。编写ANSYS APDL程序,结合转子模态以及临界转速分析结果,进行了向心透平转子系统的不平衡响应分析,分别研究了转子结构参数、不平衡量位置以及平衡精度与响应幅值的关系。结果表明:当转轴直径的增大,转子系统各结点不平衡响应幅值减小;当轴间跨距的增加,叶轮结点的响应幅值逐渐增大,轴尾结点的不平衡响应幅值先减小后增大,轴承结点的不平衡响应幅值增大;当轴尾长度增加,转子系统各结点不平衡响应逐渐减小;在相同平衡精度下,叶轮离两轴承中间点距离增加时,转子系统各结点的响应幅值先减小后增大;在不平衡位置一定时,当平衡精度逐步降低,转子各结点的响应幅值均出现相应增加。