工业生产中存在大量未被完全利用的压力能被释放浪费。本文针对钢铁厂氧气供应存在气体余压被节流阀浪费的情况,提出透平膨胀机回收气体余压课题。基于高压氧气降压过程,设计了径向透平膨胀机。从热力学的角度对膨胀机能量回收进行机理分析,利用ANSYS Workbench对所设计的透平膨胀机进行建模和网格划分,构建了膨胀机完整物理模型及导叶和转子部分物理模型。利用ANSYS CFX模块对膨胀机内部流道进行了CFD数值模拟分析,为后续膨胀机设计优化研究提供了依据。针对变工况的情况选择相关评价指标,使用所建CFD模型模拟分析了径向透平膨胀机绝热效率等参数随入口温度、进出口压力和转速改变情况下的变化规律。研究了壅塞流动对膨胀机性能的影响,膨胀机质量流量先随工质出口压力降低而增大,在出口压力低于1000 kPa后,工质在导叶出口处速度接近音速,膨胀机发生壅塞流动现象,流量不再增加,效率有所下降。因此,为了保证膨胀机高效运行应当避免出现壅塞流动现象。此外,还分析了不同转子转速对膨胀机性能的影响,当转子转速变化范围在10%内时,膨胀机绝热效率最大效率偏差仅为2.6%,说明本文设计的膨胀机有一定的变工况稳定性。本文同时研究了导叶对膨胀机性能的影响,分析了导叶内流场分布,对导叶进行了优化设计,设计了不同叶片数的导叶。研究发现导叶叶片数过多会堵塞流道减少流量,30片导叶时转子流场中有许多小漩涡,出现明显紊流区。另外,导叶叶片数过少不利于其对流体的引流与加速作用。本研究发现在设计工况下采用16片导叶可以获得最佳的膨胀机性能。最后,本文对多种转子模型进行仿真分析,研究了不同转子叶片角、叶片倾斜角对膨胀机的影响。当转子前缘叶片角偏大或者偏小时,叶片前缘与流体来流方向差异过大,转子入口存在入射损失。转子前缘叶片角主要会影响转子与定子交会区域流体流动,不适配的叶片角度会造成膨胀机性能下降,叶片前缘安装角度大于130°时会出现明显的紊流。本文还研究了转子前后缘倾斜角对膨胀机的影响,有一定倾斜角度有利于流动优化,但倾斜角偏大或者偏小,会使叶片倾斜严重,流道变形,影响内部流动,不利于流体做功。在转子顺时针转动时,设计工况下前缘倾斜角最佳设计值10°左右,后缘倾斜角最佳设计值-10°左右。