涡轮作为燃气轮机的三大核心部件之一,其性能的改善是提高燃气轮机整机性能的有效途径。提高涡轮性能除了不断提高其进口总温之外,开发新颖结构涡轮也是一种行之有效的方法。好的结构方案不仅能够为涡轮气动性能的改进和提高建立基础,还可以降低燃气轮机的整体重量,提高功重比。超声速膨胀器是融合了二元超声速喷管和轴流及向心式涡轮设计技术的一种新颖的涡轮结构,其结构上的显著特点是以隔板替代涡轮叶片,并利用传统意义S2流面沿流向的扩张来实现气流的膨胀做功。与常规涡轮相比,超声速膨胀器能够减少气流在膨胀系统中的流动损失,并具有结构简单紧凑,重量轻、成本低、维修方便等优点,在小型船舶动力、小型发电燃气轮机、涡轮泵和分布式供能用微小型燃气轮机中有着令人期待的应用前景,对其开展全面、深入的研究具有重要的理论意义和实用价值。本文首先对超声速膨胀器的总体方案进行了研究,提出了一种辐条式轮盘结构的超声速膨胀器,给出了其总体结构参数,以此为基础,数值分析了超声速膨胀器的三维流场,并根据超声速膨胀器的结构特点和三维流道内部的流动特性,就几何结构对超声速膨胀器流场和性能的影响进行了数值研究,在研究中着重考虑关键几何参数、膨胀型面造型和隔板结构。三维流场数值研究结果表明,超声速膨胀器主要靠下端壁向外的扩张实现气流的减压增速,膨胀流道入口膨胀波的出现导致了压力沿节距方向的非均匀分布,进而影响三维流道内的流场：膨胀流道出口附面层分离、回流、低能流体与主流掺混、斜激波以及斜激波与附面层的相互作用是三维流道内能量损失的主要来源。3种隔板安装角和5种出进口面积比超声速膨胀器设计工况下数值研究结果表明,随隔板安装角增加,超声速膨胀器的膨胀比降低,效率有所提高；随出进口面积比增加,超声速膨胀器的膨胀比增大,效率降低；为获得综合性能较优的超声速膨胀器结构,需在较小出进口面积比和较大隔板安装角之间做折衷选择。不同膨胀型面超声速膨胀器设计工况下数值研究结果表明,膨胀型面显著影响三维流道的局部流场和性能,沿节距方向直线型膨胀型面的膨胀器速度分布在3种膨胀型面结构中最为均匀,出口平均绝对马赫数最大,膨胀比最大,说明S2流面沿流向逐步缓慢扩张有利于气流的膨胀加速。不同隔板截面形状超声速膨胀器设计工况下数值研究结果表明,矩形截面形状的超声速膨胀器近吸力面区域气流速度大,斜激波之后流动损失低,效率较高；正梯形截面形状的超声速膨胀器出口平均绝对马赫数、静压比以及膨胀比大,综合性能相对最优。论文进一步研究了间隙高度、隔板与机匣相对运动以及来流攻角对超声速膨胀器间隙流动的影响情况。结果表明,超声速膨胀器隔板顶部间隙内不存在复杂的三维流动,在压差和剪切应力作用下,隔板顶部前缘附近气流经间隙流到吸力面侧和尾缘附近泄漏流体越过间隙重新流回压力面侧是间隙内气流的主要运动形式。随间隙增加,气流最高相对马赫数降低,高速区范围逐步缩小,泄漏涡增强,尺度变大,横向和径向运动明显,泄漏损失增加,本文研究范围内,超声速膨胀器的间隙宜在0.9%～1.5%喉部高度之间选取。机匣与隔板相对静止降低了黏性剪切力的作用,但端壁的壁面效应对间隙流动却存在影响,端壁相对运动削弱了泄漏涡的横向运动,分离线向吸力面靠近,与常规涡轮不同的是,泄漏流量却是增加的,且泄漏涡增强,由此导致的流动损失上升。压力面静压几乎不随攻角变化,而吸力面静压对来流攻角则较为敏感,特别是隔板前缘,随攻角增加,吸力面静压明显降低,最终导致隔板载荷的增加;攻角对尾迹的影响不大,小攻角增加了吸力面与下端壁相接角区的损失,而大攻角会导致泄漏损失的增加。论文最后对超声速膨胀器的变工况特性进行了研究,结果表明,进口绝对总压的增加,降低了泄漏流量,泄漏涡强度减弱,尺度变小,但横向运动增强,沿流向吸力面流动损失明显降低,下端壁低能流体所导致的损失也有所下降,较小进口绝对总压将造成三维流道内的流动损失巨大。转速的上升降低了三维流道内气流的速度,节距方向速度梯度减小,下端壁附近高速区向出口迁移,上端壁附近由泄漏流体导致的低速区影响范围缩小,出口近压力面和吸力面高速区范围明显缩减,斜激波向出口迁移,同时也降低了泄漏和近壁面低能流体所导致的损失。