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单螺杆膨胀机的膨胀过程在旋转复杂三维空间中进行，涉及热力学、传热学、流体力学、机械设计、材料学、摩擦学及控制等多个学科，研究难度巨大；此外，提升余热品位的热力循环模式以及工质的筛选等对效率也有显著影响。研究团队针对这些难题进行了一一突破。
研究团队利用螺槽排气余速实现了单螺杆膨胀机的准二级膨胀，研发了新型大膨胀比单螺杆膨胀机样机并进行了试验，消除了大膨胀比工况下的欠膨胀损失，拓宽了单螺杆膨胀机的高效工作范围。为了实现单螺杆膨胀机的全工况高效运行，还提出了单螺杆膨胀机的复合滑阀调节策略。