摘要：隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，渦旋膨脹機(jī)作為回收低品位能量的機(jī)械裝置備受關(guān)注。首先，對(duì)近年來渦旋膨脹機(jī)的理論研究成果進(jìn)行了綜述，主要包括型線理論、熱動(dòng)力學(xué)和計(jì)算流體力學(xué)（CFD）仿真。然后，對(duì)渦旋膨脹機(jī)在有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）中的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，梳理了渦旋膨脹機(jī)在跨臨界CO2制冷循環(huán)中的應(yīng)用研究成果。最后，對(duì)渦旋膨脹機(jī)未來的研究方向進(jìn)行了展望。結(jié)果表明：變壁厚渦旋膨脹機(jī)因其可以在不增加泄漏線長(zhǎng)度的情況下增加內(nèi)容積比，因此將成為未來型線優(yōu)化的主要方向；CFD仿真已成為重要的研究工具；潤(rùn)滑油是影響渦旋膨脹機(jī)性能的關(guān)鍵因素，提高潤(rùn)滑油的黏度有利于提升效率，而過量的潤(rùn)滑油則會(huì)使其性能下降；工作壓力是影響渦旋膨脹機(jī)性能的最主要的因素，過膨脹、欠膨脹以及泄漏現(xiàn)象都會(huì)使其性能下降。此外，渦旋膨脹[CD*2]壓縮一體機(jī)集成了膨脹機(jī)和壓縮機(jī)兩個(gè)功能單元于一個(gè)機(jī)殼中，顯著簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并提高了能量回收效率，是提升新能源車用CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能的有效途徑?；诋?dāng)前的研究成果和行業(yè)需求，提出渦旋膨脹機(jī)未來應(yīng)繼續(xù)深入研究和優(yōu)化型線設(shè)計(jì)、減少泄漏、優(yōu)化工作壓力等，以滿足日益增長(zhǎng)的能量回收和環(huán)境保護(hù)需求。

關(guān)鍵詞：渦旋膨脹機(jī)；“雙碳”目標(biāo)；有機(jī)朗肯循環(huán)；渦輪壓縮-膨脹一體機(jī)

中圖分類號(hào)：TK11;TB653 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202403001 文章編號(hào)：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(biāo)驅(qū)動(dòng)下，提高能源利用效率、減少碳排放，是近年來我國(guó)各工業(yè)領(lǐng)域的熱門研究課題。膨脹機(jī)技術(shù)是一種通過低品位能量回收提升常規(guī)動(dòng)力循環(huán)效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的有效技術(shù)。其中，基于渦旋式機(jī)械原理的渦旋膨脹機(jī)是一種通過容積變化來實(shí)現(xiàn)氣體膨脹的新型能量轉(zhuǎn)換裝置，是目前在制冷、低品位余熱回收等領(lǐng)域小流量范圍內(nèi)優(yōu)選的膨脹機(jī)解決方案［1］。鑒于渦旋膨脹機(jī)優(yōu)良的機(jī)械性能和運(yùn)行效率，渦旋膨脹機(jī)技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。近年來，為支撐渦旋膨脹機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)渦旋壓縮機(jī)的基本原理、機(jī)械機(jī)構(gòu)、數(shù)學(xué)模型和流場(chǎng)仿真等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究。然而，隨著諸如新能源電動(dòng)汽車等應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展以及對(duì)膨脹機(jī)性能及可靠性要求的進(jìn)一步提升，諸多理論和技術(shù)還需進(jìn)一步研究。

為充分掌握渦旋膨脹機(jī)的理論研究現(xiàn)狀、技術(shù)水平和應(yīng)用情況，以指導(dǎo)產(chǎn)品的進(jìn)一步優(yōu)化和應(yīng)用擴(kuò)展，本文將從理論研究和應(yīng)用研究?jī)蓚€(gè)方面入手，對(duì)渦旋膨脹機(jī)近年來的研究成果進(jìn)行綜述，并對(duì)渦旋膨脹機(jī)未來的研究方向進(jìn)行展望。

1 渦旋膨脹機(jī)簡(jiǎn)介

渦旋式機(jī)械具有運(yùn)行穩(wěn)定、噪聲低、效率高等特點(diǎn)。近年來，渦旋壓縮機(jī)被廣泛運(yùn)用于各種空調(diào)、熱泵系統(tǒng)中。渦旋膨脹機(jī)作為一種渦旋壓縮機(jī)的逆向運(yùn)用，也具有上述優(yōu)點(diǎn)。由于渦旋式機(jī)械內(nèi)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(jī)只需取消壓縮機(jī)排氣口處的閥門，即可將壓縮機(jī)改裝成膨脹機(jī)，實(shí)現(xiàn)吸氣—膨脹—排氣的工作過程。

1.1 渦旋膨脹機(jī)的工作原理

與渦旋壓縮機(jī)一樣，渦旋膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)主要包括動(dòng)渦盤、靜渦盤、防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、平衡塊、殼體及其他附件等。渦旋膨脹機(jī)與渦旋壓縮機(jī)的主要區(qū)別在于膨脹機(jī)去除了在壓縮機(jī)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(shù)渦旋膨脹機(jī)是由壓縮機(jī)改進(jìn)得來的。

動(dòng)、靜渦盤是組成渦旋膨脹機(jī)工作腔的核心部件，一般兩者具有相同的型線參數(shù)，其相位角相差θ=180°，二者偏心嚙合后形成數(shù)對(duì)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(jī)中氣體流動(dòng)的方向與渦旋壓縮機(jī)相反，圖1為渦旋膨脹機(jī)不同主軸轉(zhuǎn)角下動(dòng)、靜渦盤的相對(duì)位置。

1.2 渦旋膨脹機(jī)的分類方式

由于渦旋膨脹機(jī)與渦旋壓縮機(jī)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(jù)渦旋壓縮機(jī)的分類標(biāo)準(zhǔn)，將用于有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）系統(tǒng)的渦旋膨脹機(jī)分為3種類型，即全封閉式渦旋膨脹機(jī)、半封閉式渦旋膨脹機(jī)和開啟式渦旋膨脹機(jī)。

全封閉式渦旋壓縮機(jī)的制冷能力較小，但其密封性能優(yōu)于半封閉式和開放式渦旋壓縮機(jī)。它的內(nèi)部動(dòng)、靜渦盤和電機(jī)通過一個(gè)共用的軸組裝并焊接在一個(gè)密閉的機(jī)殼中，這使得它不易于改裝成膨脹機(jī)。相比之下，半封閉式渦旋壓縮機(jī)只需去除排氣閥門就可以改裝成膨脹機(jī)。開放式渦旋壓縮機(jī)廣泛應(yīng)用于汽車空調(diào)系統(tǒng)，它的機(jī)殼內(nèi)不安裝電機(jī)，而是通過外部離合器驅(qū)動(dòng)。因此，當(dāng)將其改裝為膨脹機(jī)時(shí)，易于與發(fā)電機(jī)連接，特別適用于膨脹機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究［2］。

1.3 渦旋膨脹機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域

目前渦旋膨脹機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在兩個(gè)方面，一是余熱回收，二是跨臨界CO2循環(huán)系統(tǒng)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(duì)低品位熱的回收需求急劇增長(zhǎng)，并衍生出了各種解決方案，如太陽(yáng)能熱電、地?zé)?、發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣和家用鍋爐等。在目前所提出的方案中， ORC系統(tǒng)是應(yīng)用最廣泛的。ORC系統(tǒng)將有機(jī)物作為工質(zhì)，可以回收不同溫度范圍的低溫?zé)崮懿⑵滢D(zhuǎn)換為電能，具有能量轉(zhuǎn)換率高、適應(yīng)性好、操作方便以及傳輸距離短和儲(chǔ)存限制少等［5］優(yōu)點(diǎn)，是目前提升能源回收利用的有效途徑。圖3為典型的ORC發(fā)電系統(tǒng)的原理圖。與傳統(tǒng)的蒸汽朗肯循環(huán)相比，ORC系統(tǒng)可以在較低的熱源溫度工作，因此具有更廣泛的應(yīng)用范圍；同時(shí)，由于ORC系統(tǒng)中為有機(jī)工質(zhì)，其循環(huán)的壓力和流量小于蒸汽朗肯循環(huán)中的水蒸汽，因此可以顯著減小系統(tǒng)管道的尺寸和占地面積，同時(shí)較低的壓力對(duì)材質(zhì)的要求也更低。

目前，在ORC中應(yīng)用的膨脹機(jī)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(jī)、螺桿膨脹機(jī)、活塞膨脹機(jī)和旋轉(zhuǎn)葉片膨脹機(jī)［6］。其中，渦輪膨脹機(jī)不適合小型機(jī)組，通常應(yīng)用在輸出功率大于50kW的系統(tǒng)中［7］，這是由于其轉(zhuǎn)速隨渦輪輸出功率的降低呈現(xiàn)出指數(shù)級(jí)增加［8］。與其他形式的膨脹機(jī)械相比，渦旋膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速低、閥門少、對(duì)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(tǒng)［3，4，9-11］，在運(yùn)行成本方面也具有優(yōu)勢(shì)［12-13］。Zanelli 等［14］也指出，由于渦旋膨脹機(jī)具有運(yùn)動(dòng)部件少、可靠性高、輸出范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，在ORC系統(tǒng)中有很好的應(yīng)用前景。由于渦旋膨脹機(jī)容量較小且需要潤(rùn)滑，因此不適用于大型的余熱回收系統(tǒng)［10］，也不適合所需壓比較大的場(chǎng)景［15］。

如圖4所示，對(duì)于ORC發(fā)電系統(tǒng)，可以將渦旋膨脹機(jī)設(shè)計(jì)為膨脹機(jī)[CD*2]發(fā)電機(jī)組，將2臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的渦旋膨脹機(jī)和1臺(tái)發(fā)電機(jī)進(jìn)行組合，2臺(tái)膨脹機(jī)對(duì)稱安裝在發(fā)電機(jī)的兩側(cè)，發(fā)電機(jī)與膨脹機(jī)共用一個(gè)主軸。氣體被吸入膨脹機(jī)后，分兩路同時(shí)推動(dòng)兩側(cè)的膨脹機(jī)以及中間的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)由氣體的壓力能向電能的轉(zhuǎn)化。膨脹后的低壓氣體經(jīng)機(jī)殼上的通道匯集于發(fā)電機(jī)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的冷卻，再經(jīng)排氣孔排出。由于渦旋膨脹機(jī)的對(duì)稱安裝，兩側(cè)動(dòng)渦盤及平衡塊慣性力產(chǎn)生的力矩得到平衡，因此，不需要添加二次平衡塊來實(shí)現(xiàn)慣性力矩平衡。

1.3.2 跨臨界CO2循環(huán)系統(tǒng)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(nèi)的氫氟烴類以及其混合物的制冷劑。CO2作為一種安全、穩(wěn)定、單位制冷量高、運(yùn)動(dòng)黏度低并且循環(huán)壓比相較于傳統(tǒng)工質(zhì)制冷循環(huán)更低［16］的制冷劑由此便廣受關(guān)注。然而，跨臨界CO2循環(huán)在發(fā)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(duì)系統(tǒng)設(shè)備的密封性提出了更高的要求；另一方面則是其循環(huán)過程中的不可逆損失相比傳統(tǒng)制冷循環(huán)更大［17］，跨臨界CO2循環(huán)的制冷性能系數(shù)常比常規(guī)循環(huán)低20%左右［18］。為了降低節(jié)流過程中的能量損失，可以利用膨脹機(jī)和噴射機(jī)代替節(jié)流閥。馬一太等［19］的研究結(jié)果表明，在相似的條件下，帶膨脹機(jī)的循環(huán)性能高于帶噴射器的循環(huán)。圖5為典型的帶膨脹機(jī)的跨臨界CO2循環(huán)系統(tǒng)原理圖。

跨臨界CO2制冷循環(huán)的膨脹比一般在2～4之間，僅為常規(guī)工質(zhì)的1/10 ，其可供回收的膨脹功的比例也更大［17］。魏東［20］詳細(xì)研究了跨臨界CO2的膨脹過程，發(fā)現(xiàn)CO2系統(tǒng)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(fā)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(xiàn)氣液相變，但體積變化不大，主要靠壓力勢(shì)能和氣液相變提供輸出功。馬一太等［18］對(duì)比挪威、德國(guó)以及美國(guó)等西方國(guó)家有關(guān)CO2跨臨界循環(huán)的部分研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同研究者得出的CO2跨臨界制冷循環(huán)與傳統(tǒng)制冷循環(huán)制冷性能系數(shù)之比很不一致，由此提出了當(dāng)量溫度法，解決了CO2跨臨界循環(huán)與常規(guī)循環(huán)對(duì)比分析的基準(zhǔn)問題，并組建滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式膨脹機(jī)樣機(jī)以及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，針對(duì)帶膨脹機(jī)的跨臨界CO2循環(huán)對(duì)其熱力學(xué)模型和工作過程進(jìn)行了計(jì)算和實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證了回收跨臨界CO2膨脹功的可行性［20-21］。在文獻(xiàn)［19］所比較計(jì)算的工況下，跨臨界CO2循環(huán)帶膨脹機(jī)相比帶噴射器，前者在回收膨脹功方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，其制冷性能系數(shù)提升30%以上，而膨脹[CD*2]壓縮機(jī)機(jī)組的總效率為57%。上述研究表明，利用膨脹機(jī)可以有效回收跨臨界CO2循環(huán)中的膨脹功，從而提高系統(tǒng)的工作效率。Huff等［22］將用于汽車空調(diào)的渦旋壓縮機(jī)改裝成為膨脹機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)跨臨界CO2循環(huán)膨脹功的回收。同時(shí)，膨脹[CD*2]壓縮一體機(jī)也是CO2制冷系統(tǒng)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)［23］。Kim等［24］開發(fā)了一種由渦旋膨脹機(jī)和渦旋壓縮機(jī)組成的一體機(jī)機(jī)組。圖6為渦旋式壓縮[CD*2]膨脹一體機(jī)的側(cè)面剖視圖。該結(jié)構(gòu)型式可實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)對(duì)膨脹機(jī)回收攻的直接利用，結(jié)構(gòu)緊湊，非常適用于新能源車用CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)。

2 渦旋膨脹機(jī)的理論研究

渦旋膨脹機(jī)構(gòu)與渦旋壓縮機(jī)構(gòu)只是運(yùn)行的方式相反，其主要工作原理與機(jī)構(gòu)部件是一致的，因此，對(duì)渦旋膨脹機(jī)的研究可以建立在渦旋壓縮機(jī)的基礎(chǔ)上。本節(jié)將結(jié)合渦旋壓縮機(jī)的現(xiàn)有研究成果，從型線理論研究、熱動(dòng)力研究以及計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）仿真3個(gè)方面，對(duì)渦旋膨脹機(jī)的理論研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)。[HJ2mm]

2.1 渦旋膨脹機(jī)型線理論研究

由于渦旋膨脹機(jī)與渦旋壓縮機(jī)在結(jié)構(gòu)上具有相似性，膨脹與壓縮互為逆向過程，因此渦旋壓縮機(jī)的型線理論研究是渦旋膨脹機(jī)型線選型與優(yōu)化的基礎(chǔ)。樊靈等［26］指出，常見的渦旋壓縮機(jī)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(shù)螺旋線、變基圓漸開線、包絡(luò)型線以及通用型線等，并從壓縮機(jī)的小型化、輕量化、容積效率、運(yùn)行平穩(wěn)性、加工精度以及提高效率等方面，提出了對(duì)渦旋壓縮機(jī)型線優(yōu)劣的判別準(zhǔn)則。彭斌等［27］也對(duì)渦旋壓縮機(jī)型線的研究進(jìn)行了系統(tǒng)性的總結(jié)，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(fā)和研究新型組合型線和渦旋齒齒頭修正型線的方向進(jìn)行。馮詩(shī)愚等［28］研究了對(duì)稱圓弧修正、不對(duì)稱圓弧修正、對(duì)稱圓弧加直線修正和不對(duì)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(jì)算方法。

近年來，為了提升渦旋膨脹機(jī)的性能，研究人員針對(duì)渦旋膨脹機(jī)的工作特點(diǎn)，對(duì)其型線理論和幾何模型進(jìn)行了深入的研究。2016年，朱兵國(guó)［29］分別利用法向等距法和積分法模擬了渦旋膨脹機(jī)工作腔容積隨主軸轉(zhuǎn)角的變化，對(duì)比發(fā)現(xiàn)法向等距法與實(shí)際模型的最大相對(duì)誤差為8.76%，而積分法的最大相對(duì)誤差為15.95%。同時(shí)，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(jī)工作腔壓力隨主軸轉(zhuǎn)角的變化曲線。彭斌等［30］在現(xiàn)有渦旋型線幾何理論的基礎(chǔ)上，對(duì)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(jìn)行了詳細(xì)的探討，采用控制變量的方法，對(duì)比分析了不同渦旋型線幾何參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的相互關(guān)系。2017年，張朋成［31］根據(jù)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(gòu)建方法，推導(dǎo)出了變截面渦旋膨脹機(jī)的型線方程，并構(gòu)建了詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型。同年，彭斌等［32］以圓漸開線型線對(duì)渦旋膨脹機(jī)的幾何模型展開研究，并以雙圓弧修正為基礎(chǔ)，得出了雙圓弧加直線修正后膨脹機(jī)的吸氣容積，并利用積分法對(duì)雙圓弧加直線修正型線進(jìn)行分析，使用Matlab編程得出容積變化和變化率曲線，發(fā)現(xiàn)該修正方法對(duì)膨脹機(jī)容積的變化影響較小，且通過增大修正角可以增大膨脹機(jī)的吸氣容積。2018年，彭斌等［33］基于能量守恒與質(zhì)量守恒構(gòu)建了渦旋膨脹機(jī)的整體模型，得到了膨脹機(jī)工作腔的壓力、溫度等隨主軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律，并利用歐拉法和Newton-Raphson法對(duì)不同幾何參數(shù)的定量分析，揭示了等截面與變截面渦旋膨脹機(jī)幾何參數(shù)對(duì)膨脹機(jī)性能的影響。2018年，Emhardt等［15］指出，渦旋膨脹機(jī)的內(nèi)容積比越大，其工作壓力越大，從而可以提升軸功率，但對(duì)于固定壁厚的渦旋膨脹機(jī)，內(nèi)容積比的增加會(huì)使渦齒的長(zhǎng)度大幅增加，從而引起泄漏量增加和潤(rùn)滑困難的問題。同時(shí)指出，利用可變壁厚的渦旋膨脹機(jī)，可以在不增加渦齒長(zhǎng)度的情況下增加內(nèi)容積比。2022年，彭斌等［34］根據(jù)嚙合型線的嚙合原理，對(duì)變徑基圓渦旋膨脹機(jī)的型線公式進(jìn)行了推導(dǎo)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)隨著基圓變化控制系數(shù)（k）的增加，各個(gè)工作腔的容積減小，因此，對(duì)于變基圓渦旋膨脹機(jī)，k的值應(yīng)小于0。

渦旋膨脹機(jī)的型線理論研究主要涉及不同型線參數(shù)和幾何模型對(duì)于性能的影響，近年來研究人員進(jìn)行了大量的研究?？偟膩碚f，對(duì)于變截面渦旋膨脹機(jī)，尤其是變基圓型線的研究，將成為未來渦旋膨脹機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要研究方向。

2.2 渦旋膨脹機(jī)熱動(dòng)力研究

一直以來，研究人員都試圖建立一個(gè)完整的數(shù)學(xué)模型，對(duì)渦旋膨脹機(jī)的熱力學(xué)過程進(jìn)行描述，以預(yù)測(cè)渦旋膨脹機(jī)的熱力性能。Lemort等［3］指出，影響膨脹機(jī)熱力性能的主要損失是內(nèi)部泄漏，其次是供給壓降和機(jī)械損失。馬一太等［35］指出，無論開發(fā)研制哪種膨脹機(jī)面臨的主要困難都是密封與壽命問題。由于工質(zhì)在渦旋膨脹機(jī)間隙處的流動(dòng)方式和泄漏途徑與渦旋壓縮機(jī)的完全一致，因此在描述渦旋膨脹機(jī)的泄漏模型時(shí)，渦旋壓縮機(jī)的泄漏研究成果是重要依據(jù)。

1998年，江波等［36］對(duì)泄漏工質(zhì)的流態(tài)做了進(jìn)一步的研究，認(rèn)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(jì)算公式，根據(jù)膨脹機(jī)或壓縮機(jī)的具體幾何參數(shù)，采用壓比的線性函數(shù)表示。2016年，Peng等［38］在文獻(xiàn)［37］的基礎(chǔ)上對(duì)渦旋膨脹機(jī)在不同轉(zhuǎn)角下泄漏間隙進(jìn)行分析，對(duì)膨脹腔室的個(gè)數(shù)（Nc）進(jìn)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(duì)渦旋膨脹機(jī)的泄漏損失分別做了數(shù)值計(jì)算和分析。2013年，Liu等［40］建立了詳細(xì)的描述渦旋膨脹機(jī)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)過程的數(shù)學(xué)模型，并建立了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)渦旋膨脹機(jī)的性能進(jìn)行了測(cè)試，表明渦旋式膨脹機(jī)的容積效率隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，在試驗(yàn)條件下，其最大值為63%；等熵效率在低轉(zhuǎn)速下先增大后減小，最大值為36.4%；膨脹機(jī)的總效率和系統(tǒng)效率隨轉(zhuǎn)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%?；厥哲囕v的發(fā)動(dòng)機(jī)余熱也是渦旋膨脹機(jī)的重要應(yīng)用場(chǎng)景，因其發(fā)熱量可能會(huì)根據(jù)運(yùn)行條件而變化，因此膨脹機(jī)的工作有時(shí)會(huì)處于非設(shè)計(jì)工況條件下運(yùn)行。Kim等［13］基于渦旋膨脹機(jī)在非設(shè)計(jì)工況下的效率特性，提出了一種優(yōu)化雙回路模式發(fā)動(dòng)機(jī)余熱回收系統(tǒng)中正排量膨脹機(jī)設(shè)計(jì)壓力比的分析方法。2015年，Morini等［41］采用集成逆向工程-計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法，獲取了渦旋壓縮機(jī)的真實(shí)幾何形狀，通過簡(jiǎn)化的二維模型進(jìn)行數(shù)值模擬得出了由渦旋壓縮機(jī)改裝為膨脹機(jī)后的間隙泄漏特性影響因素。2016年，Garg等［42］通過估計(jì)渦旋膨脹機(jī)的泄漏損失、入口壓降損失、機(jī)械損失等，開發(fā)出了一個(gè)針對(duì)不同規(guī)格的ORC系統(tǒng)，得到最高效的膨脹機(jī)幾何模型的通用框架，并且發(fā)現(xiàn)在某一固定的操作工況下，渦旋膨脹機(jī)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(jī)泄漏線長(zhǎng)度和泄漏面積的計(jì)算方法，并作出了徑向泄漏線長(zhǎng)度隨轉(zhuǎn)角的變化曲線，發(fā)現(xiàn)徑向泄漏線的長(zhǎng)度隨著主軸轉(zhuǎn)角的增大而增大。Yang等［11］的研究表明，不同的制冷劑對(duì)于帶膨脹機(jī)的ORC循環(huán)的性能會(huì)產(chǎn)生很大的影響，并對(duì)R1233zx（E）與R245fa進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比，利用遺傳算法對(duì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠?jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。2020年，王建吉等［43］通過建立數(shù)學(xué)計(jì)算模型并對(duì)模型運(yùn)算求解，采用有限元分析軟件對(duì)渦旋壓縮機(jī)的工作過程進(jìn)行仿真模擬，對(duì)比了兩種方法得到的結(jié)果，對(duì)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(jì)算模型，定量計(jì)算不同軸向間隙時(shí)的徑向泄漏量，得出軸向間隙控制在0.025 mm以下較為恰當(dāng)。2022年，彭斌等［34］在對(duì)變基圓渦旋膨脹機(jī)的研究中發(fā)現(xiàn)，在渦盤直徑（D）一定的條件下，切向泄漏線長(zhǎng)度（h）與基圓半徑變化率（k）成正比，徑向泄漏線長(zhǎng)度（Lr）與k成反比，對(duì)于變基圓渦旋膨脹機(jī)，應(yīng)選擇klt;0來減小泄漏。

綜上所述，建立一個(gè)完整描述渦旋膨脹機(jī)工作過程的數(shù)學(xué)模型的難點(diǎn)在于對(duì)泄漏過程的研究，控制泄漏是渦旋膨脹機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方向。前文中提到的有關(guān)渦旋膨脹機(jī)型線的研究表明，采用變基圓型線的渦旋膨脹機(jī)可以有效減小泄漏線的長(zhǎng)度，從而提高整體性能。除此之外，優(yōu)化密封系統(tǒng)、加強(qiáng)部件設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量控制，也是減小渦旋膨脹機(jī)泄漏的關(guān)鍵措施。

2.3 渦旋膨脹機(jī)CFD仿真研究

CFD仿真是一種模擬仿真技術(shù)，其基本原理是數(shù)值求解控制流體流動(dòng)的微分方程，得出流體流動(dòng)的流場(chǎng)在連續(xù)區(qū)域上的離散分布，從而近似模擬流體流動(dòng)情況。由于渦旋膨脹機(jī)獨(dú)特的工作原理，利用傳統(tǒng)方法很難對(duì)其工作腔內(nèi)部的流動(dòng)情況進(jìn)行研究，因此CFD仿真是研究渦旋膨脹機(jī)的重要工具。特別是近五年針對(duì)渦旋機(jī)械的研究，大多都集中于CFD仿真模擬領(lǐng)域。

2015年，Morini等［41］利用CFD方法，對(duì)實(shí)際渦旋膨脹機(jī)和渦旋壓縮機(jī)的性能和流動(dòng)特性進(jìn)行了綜合分析，發(fā)現(xiàn)渦旋膨脹機(jī)工作腔內(nèi)部的非對(duì)稱現(xiàn)象、壓縮機(jī)吸氣腔處的回流現(xiàn)象以及泄漏速度會(huì)受到間隙尺寸的影響。2015年，Song等［44］基于CFD對(duì)不同吸入口位置的渦旋膨脹機(jī)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，分析了渦旋膨脹機(jī)吸入口脈動(dòng)質(zhì)量流量、內(nèi)部流動(dòng)的非對(duì)稱分布、渦旋所受氣體力和力矩等氣動(dòng)參數(shù)的瞬態(tài)特征。2015年，Wei等［45］基于動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，采用三維瞬態(tài)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值研究方法，對(duì)R123渦旋膨脹機(jī)吸力過程中的非定常流動(dòng)進(jìn)行了研究，深入了解渦旋式膨脹機(jī)的吸氣過程，對(duì)渦旋式膨脹機(jī)吸氣口和渦旋頂部型線的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。2017年，Song等［46］提出了一種基于動(dòng)網(wǎng)格和局部網(wǎng)格細(xì)化技術(shù)的三維數(shù)值模擬方法，研究了兩個(gè)軸向間隙的徑向泄漏的流場(chǎng)，并分析了上下軸向間隙的泄漏流量差異以及對(duì)工作腔的影響。2017年，吳竺等［47］從徑向間隙對(duì)渦旋膨脹機(jī)的影響角度，以某渦旋壓縮機(jī)改造而成的渦旋膨脹機(jī)作為研究對(duì)象，在建立其三維模型的基礎(chǔ)上，利用Pumplinx流體計(jì)算軟件，從輸出性能、受力情況等方面對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬和研究分析。2018年，Yang等［11］將渦旋膨脹機(jī)的建模和優(yōu)化準(zhǔn)則集成到ORC循環(huán)中，用以研究制冷劑R1233zd（E）作為R245fa替代方案的可行性。結(jié)果表明，兩種制冷劑的系統(tǒng)性能幾乎相同，而R245fa的等熵效率略高、內(nèi)泄漏損失較小。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，提高渦旋膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速可以減小其內(nèi)部的泄漏損失。2018年，Song等［48］提出了一種新型的渦旋擴(kuò)張器雙向?qū)ΨQ排氣結(jié)構(gòu)，并與采用CFD方法的單邊排氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較，表明對(duì)稱排氣結(jié)構(gòu)可以平衡排氣間的壓力脈動(dòng)水平，使驅(qū)動(dòng)力矩提高6.38%。2018年，Peng等［49］基于CFD對(duì)渦旋膨脹機(jī)進(jìn)行了三維非定常流場(chǎng)數(shù)值模擬，詳細(xì)分析了渦旋式膨脹機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的流動(dòng)特性、機(jī)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(jī)的CFD模型，并利用R123作為工作流體，研究了幾何形狀對(duì)變壁厚渦旋膨脹機(jī)內(nèi)部流動(dòng)特性的影響。研究結(jié)果表明，渦旋膨脹機(jī)在低壓比為2.5時(shí)出現(xiàn)過膨脹現(xiàn)象，而高壓比為5.5時(shí)出現(xiàn)欠膨脹現(xiàn)象；可變壁厚的渦旋膨脹機(jī)與定壁厚的渦旋膨脹機(jī)相比，在不增加渦旋圈數(shù)和膨脹機(jī)尺寸的情況下，可以增加內(nèi)容積比，但定壁厚渦旋膨脹機(jī)具有更高的等熵效率。

CFD技術(shù)是研究渦旋膨脹機(jī)工作腔內(nèi)部非定常流動(dòng)的重要手段，也是近年來的研究熱點(diǎn)。以上研究為渦旋膨脹機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了重要的理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)，為進(jìn)一步提高渦旋膨脹機(jī)的性能和效率提供了有益的參考和借鑒。

3 渦旋膨脹機(jī)在ORC系統(tǒng)中的應(yīng)用

膨脹機(jī)作為ORC循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能和效率，因此開發(fā)一款高效率的膨脹機(jī)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義［1］。近年來，研究人員開發(fā)了用于各種ORC系統(tǒng)的渦旋膨脹機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的性能測(cè)試，結(jié)果見表1所示。[HJ0][FL）]

對(duì)渦旋膨脹機(jī)在ORC系統(tǒng)中的應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)，潤(rùn)滑油和工作壓力是影響渦旋膨脹機(jī)性能的關(guān)鍵因素，潤(rùn)滑油黏度高有利于效率提升，而過膨脹、欠膨脹現(xiàn)象和過量潤(rùn)滑油都會(huì)使得性能降低。Kane等［52］將兩個(gè)不同工作容積的渦旋膨脹機(jī)集成到一個(gè)由兩個(gè)ORC系統(tǒng)組成的小型太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)過膨脹、欠膨脹以及過量的潤(rùn)滑油都會(huì)使膨脹機(jī)系統(tǒng)的性能降低。Peterson等［7］將渦旋空氣壓縮機(jī)改裝成膨脹機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高黏度的潤(rùn)滑油有利于效率的提升。Mathias等［55］通過對(duì)制冷渦旋壓縮機(jī)的改裝，將其作為ORC系統(tǒng)的膨脹機(jī)，最大輸出功率為2.96kW，最大等熵效率達(dá)到83%；結(jié)果還表明，欠膨脹會(huì)降低膨脹機(jī)的效率。Lemort等［3］研究了開啟式無油R123渦旋膨脹機(jī)的性能特點(diǎn)，結(jié)果表明，其最大輸出功率為1.8kW，最大等熵效率可達(dá)68%，且過度膨脹可能會(huì)對(duì)膨脹機(jī)的效率產(chǎn)生很大的影響。Woodland等［59］的研究也表明，渦旋膨脹機(jī)的過膨脹與欠膨脹都會(huì)降低其工作效率，這與前人的研究結(jié)果一致。Bracco等［63］對(duì)由全封閉渦旋壓縮機(jī)改裝而成的渦旋膨脹機(jī)進(jìn)行了性能測(cè)試，其最大輸出功率為1.5kW，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在欠膨脹狀態(tài)下等熵效率由75%下降至60%。Zhou等［65］對(duì)煙氣余熱回收的ORC系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，同樣發(fā)現(xiàn)由于過度膨脹的影響，使膨脹機(jī)的最大輸出功率低于設(shè)計(jì)值。

除此之外，研究人員對(duì)用于ORC系統(tǒng)的渦旋膨脹機(jī)也進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。Saitoh等［53］將開啟式車用渦旋壓縮機(jī)改裝為膨脹機(jī)，并應(yīng)用在小型太陽(yáng)能ORC系統(tǒng)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)速為1800r/min的條件下，膨脹機(jī)最大輸出功率可達(dá)0.45kW。Manolakos等［54］則將渦旋膨脹機(jī)應(yīng)用于反滲透海水淡化太陽(yáng)能ORC系統(tǒng)中，結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)速1000～3000r/min的范圍內(nèi)，膨脹機(jī)的效率在60%左右。Wang等［56］將小型渦旋壓縮機(jī)改裝成膨脹機(jī)，經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，膨脹機(jī)的性能會(huì)受轉(zhuǎn)速、膨脹比和工作壓力的影響。Hoque［57］將一臺(tái)半封閉的車用空調(diào)渦旋壓縮機(jī)改裝成以R134a為工質(zhì)的ORC系統(tǒng)的膨脹機(jī)，其最大等熵效率可達(dá)80%。Bell［58］的實(shí)驗(yàn)表明，在膨脹機(jī)的壓力比略高于其內(nèi)置體積比時(shí)，等熵效率達(dá)到最大值。Lemort等［9］研究了油質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)熱泵用的壓縮機(jī)改裝的全封閉渦旋膨脹機(jī)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(jī)改裝成膨脹機(jī)，實(shí)驗(yàn)得到的最大效率為59%。嚴(yán)雨林［61］針對(duì)渦旋膨脹機(jī)的內(nèi)泄漏這一最重要的不可逆損失中最重要的因素進(jìn)行了分析和探討，結(jié)合實(shí)驗(yàn)得到了泄漏系數(shù)的平均值。韋偉等［62］搭建了采用渦旋式膨脹機(jī)的小型ORC系統(tǒng)，并使用R134a、R245fa、R22和R32這4種不同的工質(zhì)，測(cè)試了ORC系統(tǒng)的整體性能以及渦旋式膨脹機(jī)的工作特性。Liu等［40］設(shè)計(jì)了一種半封閉的渦旋膨脹機(jī)，測(cè)試了其轉(zhuǎn)速對(duì)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(jī)改裝成膨脹機(jī)，其最大等熵效率可達(dá)75.5%，最大功率為2.1kW。Jradi等［66］將半封閉式汽車空調(diào)渦旋壓縮機(jī)改裝為膨脹機(jī)，并以HFE-7100作為工質(zhì)，在系統(tǒng)壓比為4.6、熱源為9.6kW的情況下，膨脹機(jī)輸出功率為0.5kW，等熵效率為75%。潘登等［67］搭建以R123為工質(zhì)，設(shè)計(jì)輸出功率為3kW的ORC渦旋膨脹機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)其在不同工況下的性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，驗(yàn)證得到渦旋膨脹機(jī)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(tǒng)中開啟式渦旋膨脹機(jī)的實(shí)驗(yàn)性能，結(jié)果表明，膨脹機(jī)的最大功率并不對(duì)應(yīng)于實(shí)際循環(huán)的最大循環(huán)效率，且膨脹機(jī)的工作壓差和轉(zhuǎn)速是影響其性能的主要因素。Miao等［69］對(duì)內(nèi)置容積比為2.27的渦旋膨脹機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，其最大功率可達(dá)2.65kW。Feng等［70］則研究了膨脹機(jī)、泵、蒸發(fā)器、冷凝器這4大部件對(duì)ORC循環(huán)性能的影響，隨著質(zhì)量流量的增加，膨脹機(jī)的等熵效率大幅提高，最高可達(dá)85.17%。Yang等［71］的研究結(jié)果表明，增加膨脹機(jī)的壓降可以改善ORC系統(tǒng)的性能，而質(zhì)量流量的增加也可以提升膨脹機(jī)的軸功率和等熵效率。孫?。?3］搭建了以壓縮空氣為驅(qū)動(dòng)工質(zhì)的渦旋膨脹機(jī)性能測(cè)試平臺(tái)，借助測(cè)試平臺(tái)對(duì)所建立的熱力學(xué)模型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。曹鑫鑫等［74］[JP+1]對(duì)比了膨脹機(jī)在有無潤(rùn)滑條件下的性能，并對(duì)膨脹機(jī)的性能進(jìn)行了全面測(cè)試。此外，還進(jìn)行了針對(duì)ORC系統(tǒng)的渦旋膨脹機(jī)的全工況下熱力輸出特性實(shí)驗(yàn)研究，為渦旋膨脹機(jī)的全工況輸出特性規(guī)律提供了更全面的指導(dǎo)［75］。劉海倫等［78］對(duì)渦旋膨脹機(jī)進(jìn)行了變工況分析，得到了不同工況下渦旋膨脹機(jī)的性能變化規(guī)律。劉帥［5］、彭斌等［76］以及石磊等［77］都通過實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了所建立數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確度，可以為渦旋膨脹機(jī)性能分析提供一定的借鑒意義。

4 渦旋膨脹機(jī)在跨臨界CO2循環(huán)系統(tǒng)中的應(yīng)用

利用渦旋膨脹機(jī)可以有效回收跨臨界CO2制冷循環(huán)的膨脹功，研究人員對(duì)此進(jìn)行了大量的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。針對(duì)CO2渦旋膨脹機(jī)的性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。隨著天然工質(zhì)CO2在各領(lǐng)域的應(yīng)用推廣，引入膨脹機(jī)提升跨臨界CO2系統(tǒng)性能，是目前最為有效的手段之一。然而，近年來相關(guān)新的研究成果較少，也意味著此領(lǐng)域仍需進(jìn)一步的研究和探索。

針對(duì)跨臨界CO2循環(huán)的渦旋膨脹機(jī)最早由Huff等［22］于2003年將R134a汽車空調(diào)渦旋壓縮機(jī)渦盤高度減小，改裝成為膨脹機(jī)，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(duì)在高溫環(huán)境下運(yùn)行的跨臨界CO2空調(diào)系統(tǒng)研制了一種渦旋膨脹機(jī)樣機(jī)。發(fā)現(xiàn)預(yù)估的膨脹機(jī)總效率為72%；對(duì)于功率為10.5kW的膨脹機(jī)，泄漏損失估計(jì)約為20%，摩擦損失占15%左右，將減少系統(tǒng)1.5～2kW的輸入功率，節(jié)能將近20%。2006年，F(xiàn)ukuta等［80］討論了CO2渦旋膨脹機(jī)中泄漏量的計(jì)算方法并進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明當(dāng)泄漏間隙為0.01mm、轉(zhuǎn)速3600r/min時(shí)，膨脹機(jī)的總效率約為60%。此外，利用一個(gè)渦旋壓縮機(jī)的機(jī)械元件研制了渦旋膨脹機(jī)樣機(jī)，在沒有對(duì)元件進(jìn)行任何重大改進(jìn)的情況下，實(shí)驗(yàn)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(jī)組，該機(jī)組采用了渦旋式膨脹機(jī)和滾動(dòng)轉(zhuǎn)子副壓縮機(jī)，并將兩者用一根傳動(dòng)軸相連。作者將此膨脹壓縮機(jī)組用于兩級(jí)壓縮的跨臨界CO2循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，結(jié)果表明循環(huán)的制冷性能系數(shù)提升了30%以上，同時(shí)膨脹壓縮機(jī)組的總效率為57%。2008年，Kim等［24］開發(fā)了一種由渦旋膨脹機(jī)和渦旋副壓縮機(jī)組成的膨脹壓縮機(jī)組，利用傳動(dòng)軸將膨脹機(jī)回收的膨脹功直接傳輸給副壓縮機(jī)，利用數(shù)值模擬的方法給出了在壓縮機(jī)吸氣壓力為3.5MPa、排氣壓力為10MPa，膨脹機(jī)吸氣溫度為35℃時(shí)，主壓縮機(jī)減少功耗12.1%，系統(tǒng)制冷性能系數(shù)提升23.5%。此外，討論了膨脹機(jī)參數(shù)的變化對(duì)其性能的影響，結(jié)果表明制冷性能系數(shù)的改善會(huì)隨著膨脹機(jī)入口溫度的降低而增加，同時(shí)也會(huì)隨吸入壓力的的增加而降低。Hiwata等［81］則對(duì)其原型機(jī)進(jìn)行了力學(xué)分析，重新設(shè)計(jì)開發(fā)了渦圈型線，使得渦旋膨脹機(jī)的工作過程過度膨脹，從而避免動(dòng)渦盤與靜渦盤在軸向上的分離，樣機(jī)的容積效率為92%，膨脹機(jī)的工作效率可達(dá)62%。Kakuda等［82］和Nagata等［83］設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試了一種由渦旋膨脹機(jī)和渦旋副壓縮機(jī)組成的膨脹壓縮機(jī)組，用于帶中間冷卻的兩級(jí)壓縮跨臨界CO2循環(huán)中，發(fā)現(xiàn)通過中間冷卻，制冷性能系數(shù)提升了10%；在中冷器和膨脹機(jī)組合的條件下，制冷性能系數(shù)提升了30%左右；對(duì)于主壓縮機(jī)，膨脹機(jī)的存在使其功耗下降約25%；系統(tǒng)的容積效率為104%。

渦旋膨脹機(jī)在跨臨界CO2循環(huán)中的應(yīng)用研究結(jié)果表明，渦旋膨脹機(jī)可以有效回收跨臨界CO2制冷循環(huán)中的膨脹功；利用膨脹機(jī)與副壓縮機(jī)組合形成的一體機(jī)可提升制冷性能系數(shù)和循環(huán)效率，并降低功耗，該技術(shù)是能源車用CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)能效提升的有效手段。同時(shí)，過膨脹和泄漏對(duì)膨脹機(jī)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(jī)優(yōu)化的重要方向。[HJ0][FL）]

5 總結(jié)與展望

隨著全球環(huán)保意識(shí)的不斷提高，渦旋膨脹機(jī)作為一種高效、節(jié)能、環(huán)保的新型能源裝備，受到了越來越多的關(guān)注和重視。在“雙碳”目標(biāo)的引領(lǐng)下，節(jié)能減排已經(jīng)成為了社會(huì)的新共識(shí)，在這樣的時(shí)代背景下渦旋膨脹機(jī)有著良好的發(fā)展前景和廣闊的應(yīng)用空間。本文從理論研究與應(yīng)用研究?jī)蓚€(gè)方面入手，對(duì)近年來國(guó)內(nèi)外的針對(duì)渦旋膨脹機(jī)的研究成果進(jìn)行了總結(jié)。國(guó)外在渦旋膨脹機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域的研究相對(duì)比較充分，在制冷和余熱回收領(lǐng)域都取得了一定的研究成果。相比之下，國(guó)內(nèi)的研究進(jìn)展較慢，特別是針對(duì)CO2渦旋膨脹機(jī)的研究較少，因此國(guó)內(nèi)在渦旋膨脹機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試等方面的技術(shù)還需要進(jìn)一步提升。本文認(rèn)為，為了提升渦旋膨脹機(jī)的性能，拓寬應(yīng)用范圍，未來的研究重點(diǎn)將集中在以下幾個(gè)方向。

（1）渦旋膨脹機(jī)的內(nèi)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(tǒng)定壁厚型線的渦旋膨脹機(jī)在增加內(nèi)容積比的同時(shí)勢(shì)必會(huì)使渦圈長(zhǎng)度增加，其泄漏線的長(zhǎng)度也會(huì)增加，這對(duì)密封和潤(rùn)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(zhǎng)度的條件下增加渦旋膨脹機(jī)的內(nèi)置容積比，因此可以有效提升膨脹機(jī)的性能。現(xiàn)階段對(duì)于變壁厚型線的研究還不夠充分，未來應(yīng)加強(qiáng)型線研究。

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

（3）由于渦旋機(jī)械的特殊結(jié)構(gòu)，利用傳統(tǒng)方法很難對(duì)其工作腔內(nèi)部的工作狀態(tài)進(jìn)行研究，在未來的研究與發(fā)展中，CFD仿真技術(shù)仍是研究渦旋膨脹機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的有效工具。

（4）渦旋膨脹壓縮一體機(jī)集成了膨脹機(jī)和壓縮機(jī)兩個(gè)功能單元，其突出優(yōu)點(diǎn)在于將兩者放置于一個(gè)機(jī)殼中，實(shí)現(xiàn)高度集成與輕量化，同時(shí)提高了能量回收效率，是目前新能源車用CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)能效提升的有效手段。對(duì)膨脹[CD*2]壓縮一體機(jī)的開發(fā)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(huán)的性能潛力。

致謝 感謝廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研究計(jì)劃項(xiàng)目（2023B0909050005）對(duì)本研究的支持。

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