本文是一篇机械论文，本文对涡旋膨胀机关键几何结构进行了不同型线结构设计：（1）基于定基圆渐开线型线，建立了变半径基圆渐开线和圆弧组合型线两种涡旋型线结构；（2）对齿头分别进行了双圆弧修正和圆弧加直线修正；
1 绪论
1.1 研究背景及意义
能源是人类生存以及社会发展的重要物质基础，它在人类文明史上有着无法取代的地位[1]。长期以来，世界各国都在为能源短缺、能源可再生、能源可持续发展等问题展开深入探索。随着能源需求的增大，在固有能源的基础上，大力发展可再生能源、提高能源的综合使用效率，积极推行节能减排已成为填补能源短缺必不可少的途径之一。目前，在人类生活和工业发展过程中，存在相当数量的中低品位热能未经有效利用而被直接耗散至大气环境中，造成严重的能源浪费，如工业废热、内燃机余热、太阳能、地热及生物质能等[2]，若能对这部分中低品质热能加以有效回收利用，这将对节能减排，提升资源效益，维护和改善自然环境产生很重要的促进意义。就汽车行业而言，内燃机的热效率利用并不高，燃料燃烧产生的大部分的能量都通过排气和冷却水带走，只有一部分能量被转化成了有用功。龚正波等[3]通过对某柴油机进行热平衡试验探究了内燃机的能量分布，试验结果显示：燃料燃烧产生的总热量中有35%~45%的热量通过排气带走，输出的有用功只占20%~40%；另外有 15%~25%的热量被冷却水带走；其余辐射及润滑油带走的热量占2%~10%。由此可见通过技术手段回收发动机排气余热能将对提升发动机能源利用率、对节能减排具有战略意义。在车用发动机余热回收技术领域中，有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle, ORC)技术受到了国内外学者的广泛关注[4-8]。
有机朗肯循环(ORC)凭借系统回收效率高、设备简单、密封性要求低及环境友好等优点[9-10]，成为近年来国内外中低温余热回收利用领域研究的热点。膨胀机作为有机朗肯循环余热回收系统的核心做功部件，其工作效率与可靠性极大地影响着余热回收系统的效率及技术经济性。目前用于小型余热回收系统的膨胀机多为容积式膨胀机械，它能适用于小功率、小流量的工作场合。容积式膨胀机又分为旋叶式、螺旋式、转子式、活塞式和涡旋式。在各类膨胀机中，涡旋式膨胀机优点突出，具备运转稳定、低噪声、高效率、结构紧凑等特点，进而成为车用发动机 ORC 余热回收系统优选的做功部件，以满足小流量、高膨胀比的运行要求[11]。
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1.2 车用余热回收技术及发展
为充分利用车用燃油所产生的能量，提高能源利用率，在保证汽车动力性和经济性的前提下，人们对车用余热回收方式进行了不断创造和相应技术改革。目前，针对汽车发动机余热资源，主要的回收利用手段和技术有废气涡轮增压技术、温差发电技术、余热取暖、制冷技术以及有机朗肯循环技术等[15,16]。在这些余热回收方式中，涡轮增压技术全工况匹配性较差，能量回收效率低；温差发电技术受热电材料的制约，热电转换效率大约只有5%~7%，适用范围较窄且回收效率不高；余热取暖、制冷技术需要加装外来部件、依靠优良装置和高性能换热材料，在汽车使用上存在一定局限性[17]。而有机朗肯循环技术，系统密封性要求低、设备简单，可根据热源大小调整有机循环工质和循环参数，热源回收范围更广、运用更灵活，同时具备较高的利用效率，因此，在余热回收领域有着极大的发展潜力。
有机朗肯循环与传统朗肯循环在工质的选用上有所不同，有机朗肯循环是以低沸点有机物为循环工质的朗肯循环，其基本循环系统主要由工质泵、膨胀机、蒸发器和冷凝器四大部件组成。有机朗肯循环按其工作过程可分为等熵压缩、等压换热、等熵膨胀和等压冷凝四个方面。在循环过程中，低沸点有机工质在蒸发器中被余热流体加热变成高温、高压过热蒸汽，并通过管路输送到膨胀机中，随后在膨胀机中膨胀做功，对外输出机械能或电能。膨胀后的乏汽在冷凝器中与冷却水进行热交换，从而冷凝为饱和液态有机工质，并由工质泵加压后再次输送到蒸发器中，进行下一个循环，通过不断地周期性循环从而达到余热回收的目的。
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2 涡旋膨胀机基本理论及求解方法
2.1 涡旋膨胀机基本结构、运行原理
涡旋膨胀机作为一种典型的容积式旋转机械，优点突出，应用广泛，其结构主要由动、静涡旋盘相互啮合而成，形成多对封闭的月牙形容积腔。通过容积腔的周期性改变实现气体的膨胀，将气体的压力能转化为机械能。
（1）基本结构
如图2.1，涡旋膨胀机主要由动涡盘、静涡盘、主轴、进排气口、平衡块及机架壳体几部分组成。
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2.2 涡旋型线啮合理论
2.2.1 平面啮合理论
涡旋型线啮合是指当动静涡旋齿头接触时，它们接触特征是相同的，定义这两个接触点为共轭点。设计的膨胀机的型线要满足如下条件。具体条件如下：
（1）构成一对共轭型线的两条型线是光滑的、连续可导的，且两条型线下的共轭接触点是唯一的，该接触点沿涡盘运动方向啮合移动。
（2）如果两条曲线是共轭的，那么它的中心必然有一条法向等距线。
（3）当一对共轭线闭合时，其啮合处的切线必然是彼此平行的。
（4）任何时刻，共轭型线的啮合点都不会发生嵌入或分离现象。
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3 不同涡旋型线下涡旋膨胀机的变形研究 ............................ 19
3.1 不同涡旋型线模型的建立 ............................. 19
3.1.1 圆渐开线-圆弧-圆渐开线组合型线 ......................... 19
3.1.2 变径基圆渐开线型线 ....................................... 21
4 齿头修正对涡旋膨胀机齿头变形特性的影响研究 .......................... 46
4.1 齿头修正方法 ............................. 46
4.1.1 双圆弧修正(PMP修正) ............................ 46
4.1.2 双圆弧加直线修正(EA-SAL修正) ......................... 47
5 进气口形状对涡旋膨胀机流场和变形分布的影响 .......................... 57
5.1 进气口开设条件及方法............................. 57
5.1.1 进气口开设条件 ............................ 57
5.1.2 圆形进气口开设 ..................................... 57
5 进气口形状对涡旋膨胀机流场和变形分布的影响
5.1 进气口开设条件及方法
5.1.1 进气口开设条件
与涡旋压缩机类似，涡旋膨胀机的进气口开设要充分考虑其开设条件。进气口开设形状、开设面积、开设位置以及不同齿头修正形式都会影响涡旋齿齿头对进气口的入侵，从而影响进气口有效流通面积进气口气速、进气腔内气体状态参数和进气损失。所以，进气孔口设计是否合理对涡旋膨胀机的性能有着较大的影响。 涡旋膨胀机进气口开设应当遵循以下几条原则：
（1）在任意时刻，进气口都要始终与中心吸气腔连通，不能与吸气腔以外的任何腔室连通，避免膨胀过程的振动和不均匀受力；
（2）应追求尽可能大的进气面积，尽量减少齿头入侵率，以减少高能态气体在进气口功率损失；
（3）进气口的形状不能出现尖角，要尽量圆滑。尖角易让进气口处的局部阻力和气流摩擦因数增大，增加损耗。
（4）进气口的开设应具有良好的加工工艺性。
理论上，进气口的形状可以是多样的，但任何形状进气口都必须满足以上开设条件。目前，由于圆形进气口的形状圆滑，且易于加工，所以圆形进气口是目前较为普遍的开设方式。
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6 总结及展望
6.1 全文总结
本文以车用余热回收用涡旋膨胀机为研究对象，以膨胀机实际运行工况为研究条件，建立多个流-热-固耦合模型，探究了关键几何结构变化对流-热-固耦合下膨胀机内部非定常流动及涡旋盘变形的影响规律，具体表现为改变涡旋膨胀机几何型线、改变涡旋齿齿头修正形式以及改变涡旋膨胀机进气口形状下膨胀机的内部流场变化规律以及变形特征分布，为优化涡旋膨胀机性能、提高膨胀机整机效率以及减少膨胀机结构变形等方面提供了一定理论参考，从而对于提升ORC余热回收效率，提高能源利用率具有一定实际意义，本文开展的主要工作及结论如下：
（1）建立了多个涡旋膨胀机流-热-固耦合模型，采用单向耦合的方式进行仿真求解。对用于膨胀机计算的湍流模型、气体模型，控制方程离散方法、边界条件、网格划分等进行了研究设置，最终验证了膨胀机求解模型以及求解方法的适用性，结果表明，与实验误差相差不足5%。
（2）建立了等基圆渐开线、变半径基圆渐开线以及圆弧组合型线膨胀机模型，探究了不同型线膨胀机的结构特点以及型线改变对膨胀机变形的影响。研究发现：在齿头高度一致、占用空间相同的情况下，圆弧组合型线形成的涡旋盘圈数和工作腔对数更少，泄漏线长度更短。相比定基圆渐开线，圆弧组合型线泄漏线减少19.11%，变半径基圆渐开线减少5.14%；圆弧组合型线吸气腔容积大于另外两种型线下的吸气容积，且其内部流场流动受腔体形状和型线曲率以及内外压差的影响，流动更为复杂、杂乱，在涡旋齿壁面出现多处层流和涡流，甚至在排气腔口出现折返流和二次流；相同进出口压力条件下，圆弧组合型线内部相邻工作腔的压力变化幅度相比变径基圆渐开线更大，造成涡旋盘所受径向气体力和径向气体力下的变形波动较大，这对于膨胀机的平稳运转是不利的。温度载荷作用下，圆弧组合型线所受轴向变形较小，这有利于减少轴向间隙引起的径向泄漏，但径向变形较变半径基圆渐开线而言较大。
参考文献（略）