日前,能源与环境问题已成为制约人类社会长期发展的瓶颈,回收利用低品位余热能够有效提高能源利用率,缓解当前能源短缺与环境污染问题。有机朗肯循环（ORC）以低沸点有机物代替常规朗肯循环中的水作为循环工质,具有系统结构简单、余热回收效率高、投资成本低和运行可靠等优点,在低品位余热回收利用方面具有良好的应用前景。鉴于ORC技术的重要应用价值,本文对ORC系统及其关键部件向心透平进行了性能优化研究,并搭建了可并网发电的小型ORC实验系统,实验研究了自主设计的向心透平及ORC系统的变工况运行特性。以低温烟气为热源,搭建了内回热ORC系统,研究了蒸发温度和过热度对系统热经济性能的影响,综合考虑系统热力性能和经济性能以及透平膨胀比的限制作用,采用模糊多准则评价法确定了适合该内回热ORC系统的最优工质和最佳运行参数。结果表明,随着蒸发温度的增加,系统净输出功与系统总投资成本先增大后减小,而单位净输出功投资成本则先减小后增大;在所研究的6种工质中,丁烷为适合该内回热ORC系统的最优工质,最佳蒸发温度及最佳过热度分别为373.15 K和5 K;适度过热有利于减缓透平膨胀比随蒸发温度的变化趋势,减小实际运行过程中透平效率在不同工况间的波动,提高系统综合性能。将向心透平效率计算模型与ORC系统相耦合,采用动态透平效率替代定值透平效率对ORC系统进行分析,比较了采用不同透平效率模型的ORC系统热力性能与经济性能的差异,研究了采用动态透平效率对工质筛选及参数优化结果的影响,并对热源进口温度进行了敏感性分析。结果表明,透平效率随蒸发温度的减小或冷凝温度的增加而升高,不同工质在不同蒸发温度或冷凝温度下透平效率差异较大,最大可达0.151;采用动态透平效率替代定值透平效率后,ORC系统的最优工质及各工质的最佳蒸发温度和最佳冷凝温度均有所改变,在工质筛选及参数优化过程中采用定值透平效率会对分析结果造成一定误差;随着热源温度的增加,动态透平效率ORC系统与定值透平效率ORC系统优化结果之间的差异逐渐增大,热源温度越高,采用定值透平效率所造成的误差越大。为扩大向心透平设计参数的优化范围,提出了综合向心透平热力性能、几何性能以及有机朗肯循环系统热力性能的向心透平多目标优化设计方法,并采用该方法对某一给定热源条件下6种不同工质的向心透平进行了优化设计,确定了适合该热源的最佳工质及其向心透平的结构参数,采用数值模拟方法分析了向心透平的内流特性和变工况性能。研究结果表明,通过多目标优化可以合理地协调透平性能与ORC系统热力性能之间的关系;数值模拟结果与向心透平一维气动设计结果具有较好的一致性,验证了本文所提出的向心透平多目标优化设计方法的准确性;在设计工况附近,该向心透平具有较好的变工况性能,对转速、进口温度和出口压力的变化具有较好的适应性,能够在一定的变化范围内维持较高的透平效率。自主设计了20 kW级向心透平及ORC实验系统,并搭建了可并网发电的小型ORC实验系统,实验研究了所设计向心透平及ORC系统的变工况运行特性,分析了不同工质吸热量下向心透平及系统性能的变化。结果表明,该实验系统在稳定运行时,除工质泵出口及透平进口压力有一定的波动外,其余热力参数及并网电压基本保持不变;向心透平的等熵效率和输出功随工质吸热量的增加而增大,采用动态透平效率计算的透平输出功与实验值相差较小,验证了本文所提出的采用动态透平效率对ORC系统进行分析的准确性;随着工质吸热量的增加,工质泵做功及工质泵等熵效率增加,系统净输出功和热效率也逐渐增加,工质泵做功相对于透平输出功较小,可忽略其对系统净输出功的影响。