渦旋膨脹機研究進展及展望

摘要：隨著“雙碳”目標的提出，渦旋膨脹機作為回收低品位能量的機械裝置備受關注。首先，對近年來渦旋膨脹機的理論研究成果進行了綜述，主要包括型線理論、熱動力學和計算流體力學（CFD）仿真。然后，對渦旋膨脹機在有機朗肯循環（ORC）中的應用進行了總結，梳理了渦旋膨脹機在跨臨界CO2制冷循環中的應用研究成果。最后，對渦旋膨脹機未來的研究方向進行了展望。結果表明：變壁厚渦旋膨脹機因其可以在不增加泄漏線長度的情況下增加內容積比，因此將成為未來型線優化的主要方向；CFD仿真已成為重要的研究工具；潤滑油是影響渦旋膨脹機性能的關鍵因素，提高潤滑油的黏度有利于提升效率，而過量的潤滑油則會使其性能下降；工作壓力是影響渦旋膨脹機性能的最主要的因素，過膨脹、欠膨脹以及泄漏現象都會使其性能下降。此外，渦旋膨脹[CD*2]壓縮一體機集成了膨脹機和壓縮機兩個功能單元于一個機殼中，顯著簡化了系統結構并提高了能量回收效率，是提升新能源車用CO2熱泵空調系統性能的有效途徑。基于當前的研究成果和行業需求，提出渦旋膨脹機未來應繼續深入研究和優化型線設計、減少泄漏、優化工作壓力等，以滿足日益增長的能量回收和環境保護需求。

關鍵詞：渦旋膨脹機；“雙碳”目標；有機朗肯循環；渦輪壓縮-膨脹一體機

中圖分類號：TK11;TB653 文獻標志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202403001 文章編號：0253-987X（2024）03-0001-14

A Review of Research Progress and Prospect of Scroll Expander

Abstract：With the proposal of the “carbon peaking and carbon neutrality” target， the scroll expander has garnered attention as a mechanical device for the recovery of low-grade energy. An overview of the theoretical research achievements of scroll expanders in recent years are provided， mainly including profile theory， thermodynamics， and computational fluid dynamics （CFD） simulation. Subsequently， the application of scroll expanders in organic Rankine cycles （ORC） is summarized. The application research results of scroll expanders in transcritical CO2 refrigeration cycles are collated. Lastly， the future research directions for scroll expanders are projected. The findings indicate that the variable wall thickness scroll expander， which can increase the volumetric ratio without lengthening the leakage path， will become the main direction for future profile optimization; CFD simulation has emerged as a significant research tool; lubricant is a key factor affecting the performance of scroll expanders， where increasing the viscosity of the lubricant can enhance efficiency， while an excess of lubricant will reduce the performance; working pressure is the most critical factor affecting the performance of scroll expanders， with phenomena such as over-expansion， under-expansion， and leakage leading to decreased performance. Moreover， the integrated scroll compression-expansion unit， which combines the expander and compressor into one casing， significantly simplifies the system structure and improves energy recovery efficiency， proving to be an effective way to enhance the performance of CO2 heat pump air-conditioning systems for new energy vehicles. Based on current research achievements and industry demands， future development of scroll expanders should continue to delve into and optimize profile design， reduce leakage， and optimize working pressure， to meet the growing needs for energy recovery and environmental protection.

Keywords：scroll expander; carbon peaking and carbon neutrality target; organic Rankine cycles; scroll compressor-expander unit

在“雙碳”目標驅動下，提高能源利用效率、減少碳排放，是近年來我國各工業領域的熱門研究課題。膨脹機技術是一種通過低品位能量回收提升常規動力循環效率，實現節能減排的有效技術。其中，基于渦旋式機械原理的渦旋膨脹機是一種通過容積變化來實現氣體膨脹的新型能量轉換裝置，是目前在制冷、低品位余熱回收等領域小流量范圍內優選的膨脹機解決方案［1］。鑒于渦旋膨脹機優良的機械性能和運行效率，渦旋膨脹機技術具有廣闊的應用前景和巨大的經濟效益。近年來，為支撐渦旋膨脹機產品設計與應用，國內外研究人員對渦旋壓縮機的基本原理、機械機構、數學模型和流場仿真等方面進行了系統研究。然而，隨著諸如新能源電動汽車等應用領域的擴展以及對膨脹機性能及可靠性要求的進一步提升，諸多理論和技術還需進一步研究。

為充分掌握渦旋膨脹機的理論研究現狀、技術水平和應用情況，以指導產品的進一步優化和應用擴展，本文將從理論研究和應用研究兩個方面入手，對渦旋膨脹機近年來的研究成果進行綜述，并對渦旋膨脹機未來的研究方向進行展望。

1 渦旋膨脹機簡介

渦旋式機械具有運行穩定、噪聲低、效率高等特點。近年來，渦旋壓縮機被廣泛運用于各種空調、熱泵系統中。渦旋膨脹機作為一種渦旋壓縮機的逆向運用，也具有上述優點。由于渦旋式機械內部沒有直接從高壓腔向低壓腔泄漏的通道，因此渦旋膨脹機只需取消壓縮機排氣口處的閥門，即可將壓縮機改裝成膨脹機，實現吸氣—膨脹—排氣的工作過程。

1.1 渦旋膨脹機的工作原理

與渦旋壓縮機一樣，渦旋膨脹機的結構主要包括動渦盤、靜渦盤、防自轉機構、平衡塊、殼體及其他附件等。渦旋膨脹機與渦旋壓縮機的主要區別在于膨脹機去除了在壓縮機排氣處的閥片，而其他部件可以直接沿用，因此在早期研究中，多數渦旋膨脹機是由壓縮機改進得來的。

動、靜渦盤是組成渦旋膨脹機工作腔的核心部件，一般兩者具有相同的型線參數，其相位角相差θ=180°，二者偏心嚙合后形成數對封閉的月牙形工作容積，高壓氣體在工作容積中完成吸氣、膨脹、排氣的過程。渦旋膨脹機中氣體流動的方向與渦旋壓縮機相反，圖1為渦旋膨脹機不同主軸轉角下動、靜渦盤的相對位置。

1.2 渦旋膨脹機的分類方式

由于渦旋膨脹機與渦旋壓縮機具有類似的工作原理和相同的組成部件，因此兩者具有相同的分類方式。如圖2所示，Song等［2］根據渦旋壓縮機的分類標準，將用于有機朗肯循環（ORC）系統的渦旋膨脹機分為3種類型，即全封閉式渦旋膨脹機、半封閉式渦旋膨脹機和開啟式渦旋膨脹機。

全封閉式渦旋壓縮機的制冷能力較小，但其密封性能優于半封閉式和開放式渦旋壓縮機。它的內部動、靜渦盤和電機通過一個共用的軸組裝并焊接在一個密閉的機殼中，這使得它不易于改裝成膨脹機。相比之下，半封閉式渦旋壓縮機只需去除排氣閥門就可以改裝成膨脹機。開放式渦旋壓縮機廣泛應用于汽車空調系統，它的機殼內不安裝電機，而是通過外部離合器驅動。因此，當將其改裝為膨脹機時，易于與發電機連接，特別適用于膨脹機的實驗研究［2］。

1.3 渦旋膨脹機的主要應用領域

目前渦旋膨脹機的主要應用領域主要集中在兩個方面，一是余熱回收，二是跨臨界CO2循環系統中的膨脹功回收。

1.3.1 余熱回收

Lemort等［3］和Wang等［4］指出，近年來人類對低品位熱的回收需求急劇增長，并衍生出了各種解決方案，如太陽能熱電、地熱、發動機廢氣和家用鍋爐等。在目前所提出的方案中， ORC系統是應用最廣泛的。ORC系統將有機物作為工質，可以回收不同溫度范圍的低溫熱能并將其轉換為電能，具有能量轉換率高、適應性好、操作方便以及傳輸距離短和儲存限制少等［5］優點，是目前提升能源回收利用的有效途徑。圖3為典型的ORC發電系統的原理圖。與傳統的蒸汽朗肯循環相比，ORC系統可以在較低的熱源溫度工作，因此具有更廣泛的應用范圍；同時，由于ORC系統中為有機工質，其循環的壓力和流量小于蒸汽朗肯循環中的水蒸汽，因此可以顯著減小系統管道的尺寸和占地面積，同時較低的壓力對材質的要求也更低。

目前，在ORC中應用的膨脹機主要有兩種類型，第一種是速度式，如軸向渦輪和徑向流渦輪；另一種是容積式，如渦旋膨脹機、螺桿膨脹機、活塞膨脹機和旋轉葉片膨脹機［6］。其中，渦輪膨脹機不適合小型機組，通常應用在輸出功率大于50kW的系統中［7］，這是由于其轉速隨渦輪輸出功率的降低呈現出指數級增加［8］。與其他形式的膨脹機械相比，渦旋膨脹機的轉速低、閥門少、對兩相流的耐受性和可靠性高使其適用于輸出功率從幾百W到10kW的小型或微型ORC系統［3，4，9-11］，在運行成本方面也具有優勢［12-13］。Zanelli 等［14］也指出，由于渦旋膨脹機具有運動部件少、可靠性高、輸出范圍寬的優點，在ORC系統中有很好的應用前景。由于渦旋膨脹機容量較小且需要潤滑，因此不適用于大型的余熱回收系統［10］，也不適合所需壓比較大的場景［15］。

如圖4所示，對于ORC發電系統，可以將渦旋膨脹機設計為膨脹機[CD*2]發電機組，將2臺結構參數相同的渦旋膨脹機和1臺發電機進行組合，2臺膨脹機對稱安裝在發電機的兩側，發電機與膨脹機共用一個主軸。氣體被吸入膨脹機后，分兩路同時推動兩側的膨脹機以及中間的發電機轉動，實現由氣體的壓力能向電能的轉化。膨脹后的低壓氣體經機殼上的通道匯集于發電機內，實現對電機的冷卻，再經排氣孔排出。由于渦旋膨脹機的對稱安裝，兩側動渦盤及平衡塊慣性力產生的力矩得到平衡，因此，不需要添加二次平衡塊來實現慣性力矩平衡。

1.3.2 跨臨界CO2循環系統中的膨脹功回收

為了解決臭氧層破壞等問題，人類開始限制使用包括R134a在內的氫氟烴類以及其混合物的制冷劑。CO2作為一種安全、穩定、單位制冷量高、運動黏度低并且循環壓比相較于傳統工質制冷循環更低［16］的制冷劑由此便廣受關注。然而，跨臨界CO2循環在發展過程中也遇到了許多困難：一方面是由于其工作壓力高，對系統設備的密封性提出了更高的要求；另一方面則是其循環過程中的不可逆損失相比傳統制冷循環更大［17］，跨臨界CO2循環的制冷性能系數常比常規循環低20%左右［18］。為了降低節流過程中的能量損失，可以利用膨脹機和噴射機代替節流閥。馬一太等［19］的研究結果表明，在相似的條件下，帶膨脹機的循環性能高于帶噴射器的循環。圖5為典型的帶膨脹機的跨臨界CO2循環系統原理圖。

跨臨界CO2制冷循環的膨脹比一般在2～4之間，僅為常規工質的1/10 ，其可供回收的膨脹功的比例也更大［17］。魏東［20］詳細研究了跨臨界CO2的膨脹過程，發現CO2系統的膨脹過程與通常的高壓氣體的膨脹做功是不同的：一般的高壓氣體的膨脹是自發過程，主要靠其他的體積膨脹輸出做功；而CO2的膨脹過程中出現氣液相變，但體積變化不大，主要靠壓力勢能和氣液相變提供輸出功。馬一太等［18］對比挪威、德國以及美國等西方國家有關CO2跨臨界循環的部分研究結果發現，不同研究者得出的CO2跨臨界制冷循環與傳統制冷循環制冷性能系數之比很不一致，由此提出了當量溫度法，解決了CO2跨臨界循環與常規循環對比分析的基準問題，并組建滾動轉子式膨脹機樣機以及實驗平臺，針對帶膨脹機的跨臨界CO2循環對其熱力學模型和工作過程進行了計算和實驗分析，驗證了回收跨臨界CO2膨脹功的可行性［20-21］。在文獻［19］所比較計算的工況下，跨臨界CO2循環帶膨脹機相比帶噴射器，前者在回收膨脹功方面具有明顯的優勢，其制冷性能系數提升30%以上，而膨脹[CD*2]壓縮機機組的總效率為57%。上述研究表明，利用膨脹機可以有效回收跨臨界CO2循環中的膨脹功，從而提高系統的工作效率。Huff等［22］將用于汽車空調的渦旋壓縮機改裝成為膨脹機，實現了對跨臨界CO2循環膨脹功的回收。同時，膨脹[CD*2]壓縮一體機也是CO2制冷系統中的一項關鍵技術［23］。Kim等［24］開發了一種由渦旋膨脹機和渦旋壓縮機組成的一體機機組。圖6為渦旋式壓縮[CD*2]膨脹一體機的側面剖視圖。該結構型式可實現壓縮機對膨脹機回收攻的直接利用，結構緊湊，非常適用于新能源車用CO2熱泵空調系統。

2 渦旋膨脹機的理論研究

渦旋膨脹機構與渦旋壓縮機構只是運行的方式相反，其主要工作原理與機構部件是一致的，因此，對渦旋膨脹機的研究可以建立在渦旋壓縮機的基礎上。本節將結合渦旋壓縮機的現有研究成果，從型線理論研究、熱動力研究以及計算流體動力學（CFD）仿真3個方面，對渦旋膨脹機的理論研究進展進行總結。[HJ2mm]

2.1 渦旋膨脹機型線理論研究

由于渦旋膨脹機與渦旋壓縮機在結構上具有相似性，膨脹與壓縮互為逆向過程，因此渦旋壓縮機的型線理論研究是渦旋膨脹機型線選型與優化的基礎。樊靈等［26］指出，常見的渦旋壓縮機型線主要有圓漸開線、正多邊形漸開線、線段漸開線、半圓漸開線、阿基米德螺旋線、代數螺旋線、變基圓漸開線、包絡型線以及通用型線等，并從壓縮機的小型化、輕量化、容積效率、運行平穩性、加工精度以及提高效率等方面，提出了對渦旋壓縮機型線優劣的判別準則。彭斌等［27］也對渦旋壓縮機型線的研究進行了系統性的總結，將其分為單一型線、通用型線、組合型線和修正型線4大類，表明今后的研究將朝著開發和研究新型組合型線和渦旋齒齒頭修正型線的方向進行。馮詩愚等［28］研究了對稱圓弧修正、不對稱圓弧修正、對稱圓弧加直線修正和不對稱圓弧加直線修正這4種渦旋型線圓弧修正方式，并給出了不同圓弧修正的排氣角的計算方法。

近年來，為了提升渦旋膨脹機的性能，研究人員針對渦旋膨脹機的工作特點，對其型線理論和幾何模型進行了深入的研究。2016年，朱兵國［29］分別利用法向等距法和積分法模擬了渦旋膨脹機工作腔容積隨主軸轉角的變化，對比發現法向等距法與實際模型的最大相對誤差為8.76%，而積分法的最大相對誤差為15.95%。同時，在綜合考慮泄漏與傳熱因素后，利用Fortran軟件模擬得到了膨脹機工作腔壓力隨主軸轉角的變化曲線。彭斌等［30］在現有渦旋型線幾何理論的基礎上，對圓、線段和正四邊形漸開線以及變徑基圓漸開線和組合型線的幾何特性進行了詳細的探討，采用控制變量的方法，對比分析了不同渦旋型線幾何參數和結構參數之間的相互關系。2017年，張朋成［31］根據嚙合原理和曲面共軛接觸條件以及變截面渦旋齒基線的構建方法，推導出了變截面渦旋膨脹機的型線方程，并構建了詳細的數學模型。同年，彭斌等［32］以圓漸開線型線對渦旋膨脹機的幾何模型展開研究，并以雙圓弧修正為基礎，得出了雙圓弧加直線修正后膨脹機的吸氣容積，并利用積分法對雙圓弧加直線修正型線進行分析，使用Matlab編程得出容積變化和變化率曲線，發現該修正方法對膨脹機容積的變化影響較小，且通過增大修正角可以增大膨脹機的吸氣容積。2018年，彭斌等［33］基于能量守恒與質量守恒構建了渦旋膨脹機的整體模型，得到了膨脹機工作腔的壓力、溫度等隨主軸轉角的變化規律，并利用歐拉法和Newton-Raphson法對不同幾何參數的定量分析，揭示了等截面與變截面渦旋膨脹機幾何參數對膨脹機性能的影響。2018年，Emhardt等［15］指出，渦旋膨脹機的內容積比越大，其工作壓力越大，從而可以提升軸功率，但對于固定壁厚的渦旋膨脹機，內容積比的增加會使渦齒的長度大幅增加，從而引起泄漏量增加和潤滑困難的問題。同時指出，利用可變壁厚的渦旋膨脹機，可以在不增加渦齒長度的情況下增加內容積比。2022年，彭斌等［34］根據嚙合型線的嚙合原理，對變徑基圓渦旋膨脹機的型線公式進行了推導計算，發現隨著基圓變化控制系數（k）的增加，各個工作腔的容積減小，因此，對于變基圓渦旋膨脹機，k的值應小于0。

渦旋膨脹機的型線理論研究主要涉及不同型線參數和幾何模型對于性能的影響，近年來研究人員進行了大量的研究。總的來說，對于變截面渦旋膨脹機，尤其是變基圓型線的研究，將成為未來渦旋膨脹機優化設計的重要研究方向。

2.2 渦旋膨脹機熱動力研究

一直以來，研究人員都試圖建立一個完整的數學模型，對渦旋膨脹機的熱力學過程進行描述，以預測渦旋膨脹機的熱力性能。Lemort等［3］指出，影響膨脹機熱力性能的主要損失是內部泄漏，其次是供給壓降和機械損失。馬一太等［35］指出，無論開發研制哪種膨脹機面臨的主要困難都是密封與壽命問題。由于工質在渦旋膨脹機間隙處的流動方式和泄漏途徑與渦旋壓縮機的完全一致，因此在描述渦旋膨脹機的泄漏模型時，渦旋壓縮機的泄漏研究成果是重要依據。

1998年，江波等［36］對泄漏工質的流態做了進一步的研究，認為是否單相泄漏取決于泄漏通道的大小，并給出了臨界間隙值的求解方法。2002年，Chen等［37］給出了切向間隙和徑向間隙的計算公式，根據膨脹機或壓縮機的具體幾何參數，采用壓比的線性函數表示。2016年，Peng等［38］在文獻［37］的基礎上對渦旋膨脹機在不同轉角下泄漏間隙進行分析，對膨脹腔室的個數（Nc）進行了討論，并得到了Nc=0、Nc=1和Ncgt;1這3種情況下的徑向泄漏生成角。2002年，王向紅等［39］對渦旋膨脹機的泄漏損失分別做了數值計算和分析。2013年，Liu等［40］建立了詳細的描述渦旋膨脹機穩態和動態過程的數學模型，并建立了實驗系統，對渦旋膨脹機的性能進行了測試，表明渦旋式膨脹機的容積效率隨轉速的增大而增大，在試驗條件下，其最大值為63%；等熵效率在低轉速下先增大后減小，最大值為36.4%；膨脹機的總效率和系統效率隨轉速的增大先增大后減小，最大值分別為41%和2.9%，卡諾效率為21.2%，理論效率最大值為8%。回收車輛的發動機余熱也是渦旋膨脹機的重要應用場景，因其發熱量可能會根據運行條件而變化，因此膨脹機的工作有時會處于非設計工況條件下運行。Kim等［13］基于渦旋膨脹機在非設計工況下的效率特性，提出了一種優化雙回路模式發動機余熱回收系統中正排量膨脹機設計壓力比的分析方法。2015年，Morini等［41］采用集成逆向工程-計算流體動力學方法，獲取了渦旋壓縮機的真實幾何形狀，通過簡化的二維模型進行數值模擬得出了由渦旋壓縮機改裝為膨脹機后的間隙泄漏特性影響因素。2016年，Garg等［42］通過估計渦旋膨脹機的泄漏損失、入口壓降損失、機械損失等，開發出了一個針對不同規格的ORC系統，得到最高效的膨脹機幾何模型的通用框架，并且發現在某一固定的操作工況下，渦旋膨脹機存在唯一的高度或者高寬比，使得其等熵效率最高。2017年，彭斌等［32］給出了渦旋膨脹機泄漏線長度和泄漏面積的計算方法，并作出了徑向泄漏線長度隨轉角的變化曲線，發現徑向泄漏線的長度隨著主軸轉角的增大而增大。Yang等［11］的研究表明，不同的制冷劑對于帶膨脹機的ORC循環的性能會產生很大的影響，并對R1233zx（E）與R245fa進行了實驗對比，利用遺傳算法對經驗模型的計算結果進行了驗證。2020年，王建吉等［43］通過建立數學計算模型并對模型運算求解，采用有限元分析軟件對渦旋壓縮機的工作過程進行仿真模擬，對比了兩種方法得到的結果，對軸向間隙泄漏模型展開深入研究，提出了一種變齒厚渦旋齒軸向間隙的泄漏量計算模型，定量計算不同軸向間隙時的徑向泄漏量，得出軸向間隙控制在0.025 mm以下較為恰當。2022年，彭斌等［34］在對變基圓渦旋膨脹機的研究中發現，在渦盤直徑（D）一定的條件下，切向泄漏線長度（h）與基圓半徑變化率（k）成正比，徑向泄漏線長度（Lr）與k成反比，對于變基圓渦旋膨脹機，應選擇klt;0來減小泄漏。

綜上所述，建立一個完整描述渦旋膨脹機工作過程的數學模型的難點在于對泄漏過程的研究，控制泄漏是渦旋膨脹機優化設計的一個重要方向。前文中提到的有關渦旋膨脹機型線的研究表明，采用變基圓型線的渦旋膨脹機可以有效減小泄漏線的長度，從而提高整體性能。除此之外，優化密封系統、加強部件設計和制造質量控制，也是減小渦旋膨脹機泄漏的關鍵措施。

2.3 渦旋膨脹機CFD仿真研究

CFD仿真是一種模擬仿真技術，其基本原理是數值求解控制流體流動的微分方程，得出流體流動的流場在連續區域上的離散分布，從而近似模擬流體流動情況。由于渦旋膨脹機獨特的工作原理，利用傳統方法很難對其工作腔內部的流動情況進行研究，因此CFD仿真是研究渦旋膨脹機的重要工具。特別是近五年針對渦旋機械的研究，大多都集中于CFD仿真模擬領域。

2015年，Morini等［41］利用CFD方法，對實際渦旋膨脹機和渦旋壓縮機的性能和流動特性進行了綜合分析，發現渦旋膨脹機工作腔內部的非對稱現象、壓縮機吸氣腔處的回流現象以及泄漏速度會受到間隙尺寸的影響。2015年，Song等［44］基于CFD對不同吸入口位置的渦旋膨脹機進行了三維數值模擬，分析了渦旋膨脹機吸入口脈動質量流量、內部流動的非對稱分布、渦旋所受氣體力和力矩等氣動參數的瞬態特征。2015年，Wei等［45］基于動網格技術，采用三維瞬態計算流體動力學數值研究方法，對R123渦旋膨脹機吸力過程中的非定常流動進行了研究，深入了解渦旋式膨脹機的吸氣過程，對渦旋式膨脹機吸氣口和渦旋頂部型線的優化設計具有重要的指導意義。2017年，Song等［46］提出了一種基于動網格和局部網格細化技術的三維數值模擬方法，研究了兩個軸向間隙的徑向泄漏的流場，并分析了上下軸向間隙的泄漏流量差異以及對工作腔的影響。2017年，吳竺等［47］從徑向間隙對渦旋膨脹機的影響角度，以某渦旋壓縮機改造而成的渦旋膨脹機作為研究對象，在建立其三維模型的基礎上，利用Pumplinx流體計算軟件，從輸出性能、受力情況等方面對其進行動態模擬和研究分析。2018年，Yang等［11］將渦旋膨脹機的建模和優化準則集成到ORC循環中，用以研究制冷劑R1233zd（E）作為R245fa替代方案的可行性。結果表明，兩種制冷劑的系統性能幾乎相同，而R245fa的等熵效率略高、內泄漏損失較小。同時發現，提高渦旋膨脹機的轉速可以減小其內部的泄漏損失。2018年，Song等［48］提出了一種新型的渦旋擴張器雙向對稱排氣結構，并與采用CFD方法的單邊排氣結構進行了比較，表明對稱排氣結構可以平衡排氣間的壓力脈動水平，使驅動力矩提高6.38%。2018年，Peng等［49］基于CFD對渦旋膨脹機進行了三維非定常流場數值模擬，詳細分析了渦旋式膨脹機在不同轉速下的流動特性、機械性能及輸出扭矩和功率。Emhardt等［50-51］建立了變壁厚渦旋膨脹機的CFD模型，并利用R123作為工作流體，研究了幾何形狀對變壁厚渦旋膨脹機內部流動特性的影響。研究結果表明，渦旋膨脹機在低壓比為2.5時出現過膨脹現象，而高壓比為5.5時出現欠膨脹現象；可變壁厚的渦旋膨脹機與定壁厚的渦旋膨脹機相比，在不增加渦旋圈數和膨脹機尺寸的情況下，可以增加內容積比，但定壁厚渦旋膨脹機具有更高的等熵效率。

CFD技術是研究渦旋膨脹機工作腔內部非定常流動的重要手段，也是近年來的研究熱點。以上研究為渦旋膨脹機的設計和優化提供了重要的理論基礎和指導，為進一步提高渦旋膨脹機的性能和效率提供了有益的參考和借鑒。

3 渦旋膨脹機在ORC系統中的應用

膨脹機作為ORC循環發電系統的核心設備，直接影響整個系統的性能和效率，因此開發一款高效率的膨脹機具有非常重要的現實意義［1］。近年來，研究人員開發了用于各種ORC系統的渦旋膨脹機，并對其進行了詳細的性能測試，結果見表1所示。[HJ0][FL）]

對渦旋膨脹機在ORC系統中的應用研究發現，潤滑油和工作壓力是影響渦旋膨脹機性能的關鍵因素，潤滑油黏度高有利于效率提升，而過膨脹、欠膨脹現象和過量潤滑油都會使得性能降低。Kane等［52］將兩個不同工作容積的渦旋膨脹機集成到一個由兩個ORC系統組成的小型太陽能發電系統中，發現過膨脹、欠膨脹以及過量的潤滑油都會使膨脹機系統的性能降低。Peterson等［7］將渦旋空氣壓縮機改裝成膨脹機，實驗結果表明，高黏度的潤滑油有利于效率的提升。Mathias等［55］通過對制冷渦旋壓縮機的改裝，將其作為ORC系統的膨脹機，最大輸出功率為2.96kW，最大等熵效率達到83%；結果還表明，欠膨脹會降低膨脹機的效率。Lemort等［3］研究了開啟式無油R123渦旋膨脹機的性能特點，結果表明，其最大輸出功率為1.8kW，最大等熵效率可達68%，且過度膨脹可能會對膨脹機的效率產生很大的影響。Woodland等［59］的研究也表明，渦旋膨脹機的過膨脹與欠膨脹都會降低其工作效率，這與前人的研究結果一致。Bracco等［63］對由全封閉渦旋壓縮機改裝而成的渦旋膨脹機進行了性能測試，其最大輸出功率為1.5kW，實驗結果表明，在欠膨脹狀態下等熵效率由75%下降至60%。Zhou等［65］對煙氣余熱回收的ORC系統進行了實驗研究，同樣發現由于過度膨脹的影響，使膨脹機的最大輸出功率低于設計值。

除此之外，研究人員對用于ORC系統的渦旋膨脹機也進行了大量的實驗研究。Saitoh等［53］將開啟式車用渦旋壓縮機改裝為膨脹機，并應用在小型太陽能ORC系統中，實驗結果表明，在轉速為1800r/min的條件下，膨脹機最大輸出功率可達0.45kW。Manolakos等［54］則將渦旋膨脹機應用于反滲透海水淡化太陽能ORC系統中，結果表明，在轉速1000～3000r/min的范圍內，膨脹機的效率在60%左右。Wang等［56］將小型渦旋壓縮機改裝成膨脹機，經過測試發現，膨脹機的性能會受轉速、膨脹比和工作壓力的影響。Hoque［57］將一臺半封閉的車用空調渦旋壓縮機改裝成以R134a為工質的ORC系統的膨脹機，其最大等熵效率可達80%。Bell［58］的實驗表明，在膨脹機的壓力比略高于其內置體積比時，等熵效率達到最大值。Lemort等［9］研究了油質量分數對熱泵用的壓縮機改裝的全封閉渦旋膨脹機性能的影響，得到整體的最大等熵效率為71.03%。Twomey［60］將汽車渦旋壓縮機改裝成膨脹機，實驗得到的最大效率為59%。嚴雨林［61］針對渦旋膨脹機的內泄漏這一最重要的不可逆損失中最重要的因素進行了分析和探討，結合實驗得到了泄漏系數的平均值。韋偉等［62］搭建了采用渦旋式膨脹機的小型ORC系統，并使用R134a、R245fa、R22和R32這4種不同的工質，測試了ORC系統的整體性能以及渦旋式膨脹機的工作特性。Liu等［40］設計了一種半封閉的渦旋膨脹機，測試了其轉速對等熵效率和容積效率的影響。Declaye等［64］將一種無油渦旋空氣壓縮機改裝成膨脹機，其最大等熵效率可達75.5%，最大功率為2.1kW。Jradi等［66］將半封閉式汽車空調渦旋壓縮機改裝為膨脹機，并以HFE-7100作為工質，在系統壓比為4.6、熱源為9.6kW的情況下，膨脹機輸出功率為0.5kW，等熵效率為75%。潘登等［67］搭建以R123為工質，設計輸出功率為3kW的ORC渦旋膨脹機試驗平臺，對其在不同工況下的性能進行了試驗研究，驗證得到渦旋膨脹機的最大輸出功率為2.425kW，[HJ2mm]最高等熵效率為55%。Chang等［68］研究ORC系統中開啟式渦旋膨脹機的實驗性能，結果表明，膨脹機的最大功率并不對應于實際循環的最大循環效率，且膨脹機的工作壓差和轉速是影響其性能的主要因素。Miao等［69］對內置容積比為2.27的渦旋膨脹機進行了實驗，其最大功率可達2.65kW。Feng等［70］則研究了膨脹機、泵、蒸發器、冷凝器這4大部件對ORC循環性能的影響，隨著質量流量的增加，膨脹機的等熵效率大幅提高，最高可達85.17%。Yang等［71］的研究結果表明，增加膨脹機的壓降可以改善ORC系統的性能，而質量流量的增加也可以提升膨脹機的軸功率和等熵效率。孫健［73］搭建了以壓縮空氣為驅動工質的渦旋膨脹機性能測試平臺，借助測試平臺對所建立的熱力學模型進行了試驗驗證。曹鑫鑫等［74］[JP+1]對比了膨脹機在有無潤滑條件下的性能，并對膨脹機的性能進行了全面測試。此外，還進行了針對ORC系統的渦旋膨脹機的全工況下熱力輸出特性實驗研究，為渦旋膨脹機的全工況輸出特性規律提供了更全面的指導［75］。劉海倫等［78］對渦旋膨脹機進行了變工況分析，得到了不同工況下渦旋膨脹機的性能變化規律。劉帥［5］、彭斌等［76］以及石磊等［77］都通過實驗研究驗證了所建立數學模型的準確度，可以為渦旋膨脹機性能分析提供一定的借鑒意義。

4 渦旋膨脹機在跨臨界CO2循環系統中的應用

利用渦旋膨脹機可以有效回收跨臨界CO2制冷循環的膨脹功，研究人員對此進行了大量的理論分析和實驗研究。針對CO2渦旋膨脹機的性能實驗結果如表2所示。隨著天然工質CO2在各領域的應用推廣，引入膨脹機提升跨臨界CO2系統性能，是目前最為有效的手段之一。然而，近年來相關新的研究成果較少，也意味著此領域仍需進一步的研究和探索。

針對跨臨界CO2循環的渦旋膨脹機最早由Huff等［22］于2003年將R134a汽車空調渦旋壓縮機渦盤高度減小，改裝成為膨脹機，得到最高等熵效率為50%，最大容積效率為68%。2004年，Westphalen等［79］針對在高溫環境下運行的跨臨界CO2空調系統研制了一種渦旋膨脹機樣機。發現預估的膨脹機總效率為72%；對于功率為10.5kW的膨脹機，泄漏損失估計約為20%，摩擦損失占15%左右，將減少系統1.5～2kW的輸入功率，節能將近20%。2006年，Fukuta等［80］討論了CO2渦旋膨脹機中泄漏量的計算方法并進行了計算，結果表明當泄漏間隙為0.01mm、轉速3600r/min時，膨脹機的總效率約為60%。此外，利用一個渦旋壓縮機的機械元件研制了渦旋膨脹機樣機，在沒有對元件進行任何重大改進的情況下，實驗得到容積效率為80%，總效率為55%。同年，Kohsokabe等［23］研制了一種膨脹壓縮機組，該機組采用了渦旋式膨脹機和滾動轉子副壓縮機，并將兩者用一根傳動軸相連。作者將此膨脹壓縮機組用于兩級壓縮的跨臨界CO2循環實驗中，結果表明循環的制冷性能系數提升了30%以上，同時膨脹壓縮機組的總效率為57%。2008年，Kim等［24］開發了一種由渦旋膨脹機和渦旋副壓縮機組成的膨脹壓縮機組，利用傳動軸將膨脹機回收的膨脹功直接傳輸給副壓縮機，利用數值模擬的方法給出了在壓縮機吸氣壓力為3.5MPa、排氣壓力為10MPa，膨脹機吸氣溫度為35℃時，主壓縮機減少功耗12.1%，系統制冷性能系數提升23.5%。此外，討論了膨脹機參數的變化對其性能的影響，結果表明制冷性能系數的改善會隨著膨脹機入口溫度的降低而增加，同時也會隨吸入壓力的的增加而降低。Hiwata等［81］則對其原型機進行了力學分析，重新設計開發了渦圈型線，使得渦旋膨脹機的工作過程過度膨脹，從而避免動渦盤與靜渦盤在軸向上的分離，樣機的容積效率為92%，膨脹機的工作效率可達62%。Kakuda等［82］和Nagata等［83］設計、制造和測試了一種由渦旋膨脹機和渦旋副壓縮機組成的膨脹壓縮機組，用于帶中間冷卻的兩級壓縮跨臨界CO2循環中，發現通過中間冷卻，制冷性能系數提升了10%；在中冷器和膨脹機組合的條件下，制冷性能系數提升了30%左右；對于主壓縮機，膨脹機的存在使其功耗下降約25%；系統的容積效率為104%。

渦旋膨脹機在跨臨界CO2循環中的應用研究結果表明，渦旋膨脹機可以有效回收跨臨界CO2制冷循環中的膨脹功；利用膨脹機與副壓縮機組合形成的一體機可提升制冷性能系數和循環效率，并降低功耗，該技術是能源車用CO2熱泵空調系統能效提升的有效手段。同時，過膨脹和泄漏對膨脹機性能有不利影響，如何改善泄漏并避免過膨脹是CO2渦旋膨脹機優化的重要方向。[HJ0][FL）]

5 總結與展望

隨著全球環保意識的不斷提高，渦旋膨脹機作為一種高效、節能、環保的新型能源裝備，受到了越來越多的關注和重視。在“雙碳”目標的引領下，節能減排已經成為了社會的新共識，在這樣的時代背景下渦旋膨脹機有著良好的發展前景和廣闊的應用空間。本文從理論研究與應用研究兩個方面入手，對近年來國內外的針對渦旋膨脹機的研究成果進行了總結。國外在渦旋膨脹機的應用領域的研究相對比較充分，在制冷和余熱回收領域都取得了一定的研究成果。相比之下，國內的研究進展較慢，特別是針對CO2渦旋膨脹機的研究較少，因此國內在渦旋膨脹機的設計、制造、測試等方面的技術還需要進一步提升。本文認為，為了提升渦旋膨脹機的性能，拓寬應用范圍，未來的研究重點將集中在以下幾個方向。

（1）渦旋膨脹機的內置容積比越大，其工作壓力也越大，可以有效提升軸功率。傳統定壁厚型線的渦旋膨脹機在增加內容積比的同時勢必會使渦圈長度增加，其泄漏線的長度也會增加，這對密封和潤滑提出了很高的要求。而變壁厚型線可以在不增加泄漏線長度的條件下增加渦旋膨脹機的內置容積比，因此可以有效提升膨脹機的性能。現階段對于變壁厚型線的研究還不夠充分，未來應加強型線研究。

（2）由于跨臨界CO2循環的工作壓力較高，因此對渦旋膨脹機的密封提出了很高的要求，解決渦旋膨脹機在高壓力下的泄漏問題，是未來CO2渦旋膨脹機的研究重點之一。

（3）由于渦旋機械的特殊結構，利用傳統方法很難對其工作腔內部的工作狀態進行研究，在未來的研究與發展中，CFD仿真技術仍是研究渦旋膨脹機內部流場的有效工具。

（4）渦旋膨脹壓縮一體機集成了膨脹機和壓縮機兩個功能單元，其突出優點在于將兩者放置于一個機殼中，實現高度集成與輕量化，同時提高了能量回收效率，是目前新能源車用CO2熱泵空調系統能效提升的有效手段。對膨脹[CD*2]壓縮一體機的開發與研究還需深入探究，以便未來能夠更好地挖掘跨臨界CO2制冷循環的性能潛力。

致謝 感謝廣東省重點領域研究計劃項目（2023B0909050005）對本研究的支持。

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