涡旋式膨胀机以效率高、噪声低、运转平稳、结构紧凑、可靠性好等突出优点和小流量、高膨胀比的特性,成为目前小微型有机朗肯循环余热回收系统中较好的做功部件。本文以应用于车用发动机有机朗肯循环余热回收系统的某型涡旋膨胀机为研究对象,采用多场耦合数值模拟方法针对涡旋盘变形特性和影响因素开展研究,探讨了膨胀机非稳态流动对涡旋盘变形的影响规律。本文主要的研究内容和成果如下:通过分析有机工质涡旋膨胀机涡旋盘产生应力变形的流热固耦合过程,建立了涡旋膨胀机流热固多场耦合的数值模型,包括描述涡旋膨胀机内部非稳态流动与共轭传热的流体力学模型和描述涡旋盘应力变形的结构力学模型。采用有限体积法离散求解涡旋膨胀机的流动与传热控制方程,再利用单向耦合法将获得涡旋盘面压力和体温度作为边界条件加载到有限元模型,以实现涡旋盘应力应变场的求解,并获得涡旋盘的位移数据。分析了给定工况下膨胀机流场分布对涡旋盘温度载荷和内压载荷的影响,对比了各载荷对动、静涡旋齿变形的影响程度。结果表明,在工质与涡旋齿壁面间的对流换热和涡旋齿自身热传导的作用下,动、静涡旋齿温度沿涡旋型线由齿头向齿尾方向先降低再升高最后降低。作用于动、静涡旋齿上的内压载荷的大小和方向随工作腔流动形态的变化而变化,其中动涡旋齿齿尾末端的变形受内压载荷变化的影响最大。温度载荷对动、静涡旋盘变形分布的趋势和大小影响最大;内压载荷仅仅改变了涡旋盘变形量,对变形分布趋势的影响较小;惯性载荷仅增加了动涡旋齿齿尾的变形量。研究了吸气温度对膨胀机工作腔流场分布和涡旋盘变形特性的影响。结果表明,吸气温度升高,间隙流动损失增加,相邻工作腔的压差增大;吸气温度升高,背压腔压力减小,排气阻力减小,两侧排气腔和背压腔压力和温度分布更均匀。不同吸气温度下涡旋齿的变形规律基本相同,吸气温度升高,动、静涡旋盘的热变形量增加,而压力变形量基本不变。研究了吸气压力对膨胀机工作腔流场分布和涡旋盘变形特性的影响。结果表明,吸气压力增加,背压腔内二次流旋涡的强度和尺度增大,排气阻力增加,气流微团间的摩擦增大,气体和涡旋齿的换热增强,涡旋齿温度分布的不均匀性增加。不同吸气压力下动、静涡旋齿的变形规律基本一致,热变形量和压力变形量都随吸气压力的增加而增大,变形值与吸气压力呈现出明显的正相关关系。针对原型机工作腔流场结构和温度分布对涡旋齿变形的影响特点,提出了采用与原型机基本几何结构参数相同的变径基圆涡旋型线的设计方案,对比分析了改型前后的涡旋膨胀机排气腔和背压腔流场以及温度场分布的差异,研究了两个膨胀机变形特性的差异。结果显示,改型后的膨胀机削减了两侧背压腔内部气流微团的摩擦和旋涡二次流的机械能损耗,排气腔与背压腔压力及温度分布更均匀;改型后的涡旋膨胀机拥有与原型机相似的工作能力,更小的工作腔空间、更高的等熵效率和更小的变形量。