当前我国能源供给形势严峻、环保压力增大，深入开展节能减排工作显得尤为迫切。工业余热利用是推进节能减排的重要环节，其中250℃以下低温余热的回收利用率亟待提高。有机朗肯循环（ORC）技术作为低温余热发电利用的有效途径之一，经济效益逐渐凸显，但其应用因国内有机工质膨胀机技术尚未发展成熟而受到限制。鉴于有机朗肯循环系统的应用价值和透平技术的重要性，本文进行低温有机朗肯循环及其透平的研究，并结合企业试验验证和推广ORC技术的需求，开展500kW级ORC试验系统及其有机工质向心透平样机的设计与研究。本文建立有机朗肯循环设计与分析系统，研究热力循环参数对有机朗肯循环系统性能的影响；研究不同温度等级低温余热的ORC系统适宜工质，以及工质热物性对循环热力性能、经济性、环境友好性、透平设计的影响。针对某炼化企业120万吨/年重整抽提装置98~215℃的5股温度不等余热热源，按照梯级利用余热温度等级和综合配置能量的方法，提出单工质R141b分流30.3%高温蒸发、60.9%低温蒸发的双参数ORC余热发电系统方案，在保证系统输出功率与分别利用5股余热方案相当的条件下，实现发电系统的简单紧凑化，并有效降低成本。根据有机工质透平膨胀比高、总焓降小，而有机工质分子量小、声速低的特点，本文研究有机工质向心透平的气动设计方法，建立了向心透平的一维气动设计与性能三维数值分析系统。针对500kW级ORC试验系统的热力循环，进行以R123为工质的向心透平的气动布局设计优化，结合预测的透平变工况性能，综合评估和优选气动设计；采用三维数值模拟方法验证透平气动设计，分析透平运行性能和内部三维流动特性，数值模拟结果与气动设计基本一致。针对向心透平内强激波和局部分离流动，本文采用NURBS技术参数化控制型线、利用三维数值计算方法分析透平气动性能、结合遗传算法和序列二次规划算法对向心透平喷嘴和叶轮进行气动优化研究。结果表明优化的喷嘴二维叶型和积叠线使透平效率有所提高，优化的子午流道消除了叶轮吸力面的分离流动，数值模拟的透平效率累计提高约1.05个百分点，采用后弯式叶轮亦进一步改善了透平内部的局部流动。结合向心透平的性能曲线，研究500kW级ORC试验系统的变工况热力性能，为试验台的运行控制和试验提供数据。目前向心透平已制造完毕，蒸汽冲转测试表明向心透平振动约20μm。试验台正在建设中，预计2014年初进行运行试验，试验结果可为ORC系统及有机工质向心透平技术的应用提供重要数据支撑。