基于单螺杆膨胀机的有机朗肯循环系统可以实现热能到机械能的高效转换,是开发利用广泛分布的中低温热能的可行技术手段,有着广阔的应用前景。理论上,提升循环的蒸发温度可以提升系统的运行效率,但工作温度的提升会带来膨胀机运行膨胀比急剧上升、啮合副热弹性变形增加及摩擦磨损加剧等问题。此时,膨胀机的结构设计不仅影响样机及整个系统的效率,更关系到设备的使用可靠性。因此,本文主要研究单螺杆膨胀机工作温度提升过程中工质热力学过程与结构的耦合机理,为适用于更高工作温度及更大膨胀比单螺杆膨胀机的结构设计提供理论支撑,具体研究内容如下。基于变质量热力学第一定律,联立质量守恒方程、气体状态方程、换热方程等建立考虑泄漏、摩擦、换热、进排气过程压力损失的可变内容积比单螺杆膨胀机热力学工作过程模型。以轴效率为指标,优化得到了蒸发温度提升过程中4种工质对应的膨胀机最优内容积比。针对最高轴效率随着最优内容积比的增加而降低的问题,通过分析内容积比对进排气压力损失、泄漏、摩擦等不可逆损失的影响,研究发现进气过程的压力损失是限制大内容积比单螺杆膨胀机性能的关键因素。通过数值优化的方法分析了内容积比、进气口的形状及间隙高度、排气面积在降低进气压力损失、进气口的泄漏损失、排气压力损失中的作用。得到了降低内容积比和进气口间隙高度、移除封闭螺旋线的结构设计建议并开发出了样机。试验结果表明,转速为3000rpm时,样机的填充因子由125%降低到近100%,最高轴效率从56%提高到67.7%。样机综合性能的提升证明了优化方向的正确性,所得结论均有助于开发大膨胀比单螺杆膨胀机。以热力学工作过程模型为基础,通过将各位置换热流体的时间平均温度作为该位置换热流体温度的方法,建立了综合考虑工质及各间隙处润滑油粘性摩擦换热的单螺杆膨胀机各部件稳态温度场求解模型,用试验的方法获得了与运行工况对应的机壳、螺杆、星轮不同位置的温度数据,验证了各部件温度场模型的正确性。得到的各部件温度场模型及温度试验数据为进一步研究单螺杆膨胀机内部工质与各部件的耦合换热、啮合副的热变形与摩擦磨损奠定基础。本文从热力耦合变形角度计算得到了适用于不同温度工况的星轮材料弹性模量与热膨胀系数指标范围。通过分析各部件关键尺寸与间隙的几何关系,研究出了监测各部件形变的路径标记方法,得到了膨胀机工作温度提升过程中各关键位置的热弹性变形及各间隙的冷热态关联。研究发现中心距及螺杆轴向位置的偏离随着膨胀机进口温度提升变化明显,在进口温度160°C时,分别达到了0.1 mm、0.027 mm。为了消除这两种因素的影响,从理论啮合关系推导出了中心距及螺杆轴向位置偏离造成的星轮齿偏折,提出了适当增加齿前后侧间隙来降低干涉风险的结构调整方法,得到了与进口温度对应的齿前后侧间隙调整量。采用作用线与瞬时臂法,建立了直线包络啮合副传动精度模型,分析了加工装配误差、各部件热弹性变形误差、齿前后侧间隙调整量对系统啮合精度的影响,得到了啮合误差随膨胀机进口温度的变化关系。运用冲击理论,导出了存在啮合误差时啮合副动力侧与密封侧冲击动载的表达式。研究表明减小星轮材料的弹性模量可以降低冲击动载对啮合误差的敏感性。综合考虑热弹性变形与冲击动载,适宜的星轮材料弹性模量为10 GPa。建立了直线包络啮合副星轮齿前后侧间隙内润滑油的压力分布方程,并导出了多齿啮合时的星轮油膜力矩表达式。分析了星轮齿前后侧倾角、星轮齿在螺槽中的位置、总间隙宽度、润滑油粘度等因素对油膜力矩的影响。研究表明星轮动力侧啮合点下侧倾角（αL′）是影响油膜力矩的关键结构参数,且当αL′=0.6600.67α′min（螺槽动力侧啮合点下侧切线与星轮平面的最小夹角）时,油膜力矩可以有效平衡运行静载。以最小油膜厚度及临界胶合温度为润滑失效的评判准则,研究了影响啮合副润滑状态的因素。结果表明增加润滑油粘度、降低星轮材料弹性模量及啮合表面粗糙度可以有效增加油膜厚度并降低运行闪温。基于前文研究结论,开发出了一台内容积比为6.00的单螺杆膨胀机样机,并在以R123为工质的有机朗肯循环系统上测试了其性能。试验结果表明,膨胀机的最高进气温度为163.8°C,最高进气压力为16.13 bar,该温度及压力均高于之前的样机（进气温度130°C,进气压力12 bar）,且在最高进气温度与压力工况点,样机运行稳定,验证了膨胀机结构设计的合理性。转速3000±20 rpm工况下,膨胀机的最大输出功为6.05 k W,最高轴效率为46.13%。所得试验数据均用于对相关部分理论研究的验证,通过对比实验值与计算值可知,本文建立的工作过程模型、啮合副温度场及热弹性变形模型、啮合副受力及摩擦磨损模型是正确的。对于有机朗肯循环系统,当冷凝温度不变,蒸发温度从111.6°C提升到135.4°C时,考虑工质泵耗的最高循环效率从5.3%提升到了5.6%,这从试验的角度证明了通过增加蒸发温度来提高循环效率思路的正确性。本文的工作有助于进一步提升单螺杆膨胀机可稳定运行的工作温度。