超临界二氧化碳动力循环具有效率高、结构紧凑、安全环保等众多优点,被认为是未来有前景的动力循环之一。透平作为超临界二氧化碳动力循环中的核心设备,其热力设计方案和性能对于整个循环系统会产生重要影响。与传统工质相比,超临界二氧化碳具有密度大、运动粘度小等特点,在同功率等级下可以有效减少透平的通流尺寸,降低流动损失。针对超临界二氧化碳轴流式透平,在给定通流几何尺寸的条件下进行一维热力计算,与空气及蒸汽的一维热力计算结果进行比较以探讨超临界二氧化碳透平的特点,利用计算流体力学软件进行三维数值模拟分析,与一维热力计算结果进行比较分析。本文的主要工作如下:首先,基于一维流动分析法,采用正问题求解的计算方法编制了 S-CO2轴流式透平的一维热力计算程序,在通过工程实例验证程序准确性的基础上,开展了二级超临界二氧化碳轴流式透平的一维热力设计,其中s-CO2的物性参数采用NIST物性数据库,叶栅参数采用HQ系列叶栅及试验数据。给定设计工况参数为:透平进口总压为18MPa,透平进口总温为550℃,透平出口静压为9MPa,通过根径与转速及叶栅出口气流角的变化优选出一维热力设计方案,转速选为4800r/min,采用2级设计,质量流量为606kg/s,透平的总静轮周效率为90.1%,透平轮周功率为56.2MW,考虑叶轮摩擦损失与漏气损失后,透平总静相对内效率为86.9%,比总静轮周效率低3.2%。同等进出口参数和通流尺寸下,与蒸汽透平和空气透平相比,超临界二氧化碳透平具有焓降和功率小、温降小、重热系数小、质量流量大及相对漏气百分比大等特点。其次,利用CFD软件对一维确定透平进行三维数值模拟分析,采用直叶片造型及结构化网格,在稳态下求解N-S方程,得到气动参数沿径向分布及透平的性能参数。三维求解得到的质量流量为631kg/s,透平总静轮周效率为91.8%,透平功率为59.8MW,透平的效率与功率高于一维计算结果。偏高是由于三维求解中速度系数和叶栅出口气流角高于一维热力计算中的取值,将三维求解得到的速度系数及气流角值修正为一维热力计算中的输入值,重新计算后的结果与三维求解结果基本一致,相对误差小于1%。最后,分析了该超临界二氧化碳透平叶片通流部分流场和损失,叶片通流部分流速和马赫数分布合理,均处于亚音速流动,未出现局部超音速,无激波损失。四列叶栅叶展中部大部分位置极限流线分布均匀,未产生分离现象,叶栅气动性能良好。各叶栅尾缘和吸力面近尾缘处熵增明显,损失较大。