叶轮机械一直是能源转化领域的最主要设备之一,其以各种流体介质为工质,通过工质储存的能量做功达到能量转化的目的。伴随着日益严重的能源短缺问题和环保新能源的提出,当前社会对高性能动力循环的关注越来越多。以二氧化碳为循环工质的闭式布雷顿循环动力系统获得了越来越多的关注。本文设计并改进了一个70MW级超临界二氧化碳向心透平,借助数值模拟计算研究了向心透平叶轮叶片数、叶顶间隙、叶根倒角半径及叶片进出口角度对气动性能的影响。首先,对叶轮叶型进行设计与改进,结果表明,叶片最佳叶片进口角需满足零攻角或者较小的负攻角,叶片最佳出口角应在满足几何限制的情况下取最大值,为向心涡轮叶型设计提供依据。同时,为对比空气与二氧化碳作为向心透平工质的区别,本文根据相同的设计参数设计了同功率等级的空气透平与超临界二氧化碳向心透平并进行对比分析,得到主要区别如下:几何参数对比,二氧化碳透平叶片短而高,空气涡轮叶片长而窄,且空气透平的体积约为二氧化碳透平的1.4倍;流量对比,空气透平的质量流量约为超临界二氧化碳透平的2/3;性能对比,空气透平的效率比超临界二氧化碳透平低了0.42%。工作在二氧化碳临界点附近的压气机使用超临界二氧化碳为工质可以极大地减小压缩功,此时需要二氧化碳透平与之配合形成闭式循环。与空气透平相比,二氧化碳透平效率略高且体积略小,是更优的工质选择。其次,通过调整叶顶间隙来研究间隙的大小对透平气动性能的影响,发现叶顶间隙的存在产生泄露流动。泄露流量越大,泄漏流与横向流动的流体相互作用产生旋涡尺寸越大,对主流的卷吸作用愈加明显,流动损失增加。故超临界二氧化碳向心透平的叶顶间隙应取加工精度允许情况下的最小值。再者,通过研究具有不同叶片数的透平内部流场状况发现,叶片数过少无法有效地控制流体完成叶轮内的流向转变,会导致主流区流动损失增加,效率降低。非设计工况下,五种叶片数向心透平在90%、100%、110%、120%转速下均存在最高效率点,同时发现,向心透平的落压比会随着转速的提高而增大。最后,对比研究了不同叶根倒角条件下向心透平的流动特性。结果表明,当叶根倒角半径过小时,由于角区效应会在叶根附近截面流道中后部形成占据截面80%的大面积低速区,流动损失较大。当倒角半径过大时,通流面积较小倒角时有所减小,且在尾缘叶根截面会有旋涡产生,同时低速区面积逐渐扩大,流动损失再次增加。故叶根倒角半径存在最佳数值。工程应用中,叶根倒角半径的选取需同时满足强度限制条件和气动限制条件,通过综合考虑变工况运行稳定性及向心透平的经济性能得出定论。