透平膨胀机是冶炼、石化和火电等重要行业必不可少的空分设备，并且伴随着这些行业的集约化发展，透平膨胀机正朝着超大型化和低能耗化的方向发展，对我国在膨胀机设计制造、可靠性分析、故障诊断以及非线性动力学等方面提出了更高的技术要求，其中叶轮流热固耦合问题是实现透平膨胀机技术突破的综合性难题，对该领域的深入研究将有效地提高我国大型透平膨胀机自主设计制造的能力。本文以透平膨胀机稳态工况为计算条件，采用数值模拟手段，从转子系统及零部件静力学性能和动力学性能的角度对叶轮流热固耦合问题进行研究。首先利用计算流体力学方法对叶轮内部流场进行分析，获得流场状态参数分布情况，为后续的耦合分析提供边界条件和载荷。其次根据转子系统实际工况条件，分析各场之间相互作用关系，提出稳态工况下流热固三场单向耦合计算方法，完成转子系统在耦合应力下的强度分析，验证转子结构满足静力学设计要求。最后分析叶轮和转子系统的振动特性，结果表明两者皆避开共振区域，满足动力学设计要求。此外，提出基于稳态温度场的流固双向耦合计算方法对叶片气动弹性问题进行研究，证明叶片不会发生颤振。本文关于流热固三场耦合分析的思路和方法为包含多物理场耦合作用的综合性工程问题提供了有意义的参考和借鉴。