本发明公开了一种基于ORC余热回收用的透平膨胀发电系统及优化方法，包括安装底座、供油系统以及从左至右安装在安装底座上的透平膨胀机组件、齿轮箱和永磁同步发电机，供油系统与齿轮箱连通，透平膨胀机组件与齿轮箱的输入端传动连接，齿轮箱的输出轴经柔性膜片联轴器与高效永磁同步发电机轴连接，在永磁同步发电机的输出端连接有接线盒。优化过程为将余热能量转化为有机工质的内能及势能，确定膨胀涡轮的参数并建立透平膨胀机组件的三维模型；对膨胀涡轮的气动特性进行计算；确定的透平膨胀机组件的输出模型，使得永磁同步发电机的发电效率与涡轮的气动效率和齿轮箱的传动效率达到最佳匹配。本发明能满足透平膨胀发电的高效、可靠性、长寿命的使用要求。