为详细研究涡旋膨胀机的性能特点,基于圆渐开线型线的基本方程,运用微分几何学理论计算求解得到压力随容积的变化规律。从热力学基本定律的角度出发,结合质量、能量守恒方程和气体状态方程,综合考虑气体的传热模型和泄漏模型,建立了涡旋膨胀机的数学模型。运用改进的欧拉法对所建立的数学模型进行求解计算,得到了气体在每个工作腔的质量流量的变化规律。通过建立的泄漏模型,进一步分析得到了,相邻的工作腔之间泄漏的质量差。该数学模型对涡旋膨胀机的研发和性能分析,具有一定的指导和借鉴作用。

为分析基圆变化的涡旋型线对膨胀机结构性能的影响,对变径基圆涡旋膨胀机的几何特性进行了探讨。推导了各膨胀腔的容积计算方法;建立了变径基圆涡旋膨胀机的泄漏模型;讨论了不同的基圆变化规律对膨胀机型线的影响,并对其容积和泄漏进行了分析比较,得出了在基圆不断变小所展成的渐开线有较大的容积和较小的泄漏,更加适用于涡旋膨胀机。为变径基圆涡旋膨胀机参数的选取提供了参考。

建立了一种涡旋膨胀机的三维模型,利用PumpLinx流体计算软件,模拟和分析了不同径向间隙对涡旋膨胀机性能和涡盘受力情况的影响.结果表明,径向间隙增加0.15mm时,涡旋膨胀机的输出功和扭矩的平均值分别减小4.48%和3.35%,涡盘所受的压力则会增长3.79%;径向间隙每增长0.05mm,涡旋膨胀机入口平均质量流量增长19.57%;径向间隙从0.042mm增长到0.192mm,涡盘所受径向气体力大小从100N减小到0N再增加到100N,其方向发生改变,并在主轴转角为225°附近出现最大值,而切向气体力大小变化则相对不明显,但波动加剧.

为了研究涡旋膨胀机的性能特点,从等截面和变截面涡旋膨胀机的几何模型出发,分析了等截面和变截面涡旋膨胀机容积在一个运转周期内的变化情况。基于质量和能量守恒构建了涡旋膨胀机的整体数学模型,通过对数学模型的求解,得到了涡旋膨胀机工作腔内工质的压力、温度和质量随主轴转角的实际变化规律。通过对涡旋膨胀机数学模型的定量化分析,揭示了等截面和变截面涡旋膨胀机几何参数对其性能的影响规律,为涡旋膨胀机类型的选择以及涡旋膨胀机的性能优化研究打下了基础。

提出了一种采用半封闭式膨胀机、发电机一体化设计的涡旋膨胀机组，其具有小型、可靠、高效的特点。分析了涡旋膨胀机组的工作过程，以变质量热力学及传热学理论为基础，建立了描述涡旋膨胀机工作过程的热力学模型，并自行编制程序进行了数值模拟计算。设计搭建了涡旋膨胀机组性能测试实验台。以氮气为工质，对涡旋膨胀机组的工作性能参数进行了测量，并将测得的结果和模拟分析结果进行了对比分析。实验结果验证了理论模型的合理性。

回收发动机冷却水的热量，建立余热回收型涡旋膨胀机系统，以提高燃油利用效率和涡旋膨胀机的工作效率，为汽车发电机提供动力，供各电子电器工作。对车用余热回收型涡旋膨胀机的速度特性、输入特性、涡旋膨胀机内泄漏情况进行了试验研究。试验结果表明：当余热回收型涡旋膨胀机的转速在1000～3000 r/min范围内时，其功率随着转速的提高而不断增大，并且做功效率也有所提高，内泄漏情况也有所降低；涡旋膨胀机输出功率随着气动功率的增大而增大；加装余热回收系统后，提高了涡旋膨胀机的效率；试验结果表明本系统的各项性能结果能够满足为汽车电子电器供电的应用要求。通过对涡旋膨胀机样机的性能试验，对于本余热回收型涡旋膨胀机的后期改进和对余热回收系统的优化提供一定的参考依据。

通过 ORC 试验台开展热态试验，获取系统稳定运行时，膨胀机旁通阀和开启阀切换后蒸发器出口压力及温度的变化以及系统其他部件性能参数变化规律。试验结果表明：膨胀机旁通阀和开启阀切换时，系统总的阻力特性会发生变化，继而隔膜泵的出口压力随系统阻力特性发生变化，从而导致 ORC 各部件都出现对应的性能参数变化。通过阻力变化特性和设备响应规律的研究，为膨胀机和减压阀匹配设计以及膨胀机故障诊断提供了相关的指导。

以圆渐开线等截面涡旋型线为基础，对涡旋膨胀机的几何模型进行了探讨。从圆渐开线几何学出发，对涡旋齿齿头修正进行了论述，并以双圆弧加直线修正为例，用解析法得到修正后齿头面积变化。通过积分法对涡旋膨胀机各腔容积进行了模拟计算，得出工作腔容积以及容积变化率随主轴转角的变化规律。将修正与未修正型线构成的涡旋膨胀机吸气腔容积做对比分析，得出齿头的修正对工作腔容积的影响较小，但其刚度明显增大。最后，对涡旋膨胀机的泄漏进行了分析并计算出径向泄漏线长度，为涡旋膨胀机的热力学研究奠定了良好的基础。

搭建了以压缩空气为工质的涡旋膨胀机性能测试平台,研究了涡旋膨胀机润滑油量和进出口工质参数对其输出性能的影响。结果表明：油气比在0.4%~10.0%范围内涡旋膨胀机输出功率和效率稳定不变;涡旋膨胀机输出功率随进出口压比的增大而增大,等熵效率受欠膨胀损失影响随进出口压比的增大而降低;涡旋膨胀机输出功率、等熵效率和容积效率均随转速的增大而增大,机械效率随转速的增大而降低,膨胀机运行效率在转速为2600r/min时达到最大值58.9%。

对圆渐开线涡旋型线的齿头修正展开了研究。首先从圆渐开线几何学出发,叙述了涡旋膨胀机的几何模型,探讨了涡旋齿齿头修正方法。为了提高涡旋机械的综合性能,着重分析了型线修正问题,研究了双圆弧修正与双圆弧加直线修正的修正参数的变化规律和修正面积系数的变化规律,为涡旋膨胀机的几何模型研究奠定了基础。