超临界CO2（SCO2）动力循环因其高低品位热源耦合能力强与小型化优势,成为移动装置内燃机余热回收极具潜力的技术方案。作为SCO2动力循环的关键部件,SCO2膨胀机是当前的研究难点与热点。用于移动装置内燃机余热回收涡轮膨胀机的功率量级主要在5～30k W,现有的关于SCO2涡轮膨胀机的研究主要集中兆瓦量级的多级轴流式、千瓦量级的单级径流式涡轮膨胀机,若采用径流式,则会导致涡轮膨胀机比转速过低、轴向推力过大等问题。而采用部分进气的SCO2轴流式膨胀机的技术路径,可以实现较高的比转速、降低轴向推力,是小型SCO2涡轮膨胀机的有效方案。本论文以一台实验室已有的k W级SCO2部分进气轴流式涡轮膨胀机作为对象,进行数值模拟分析与优化研究,其已有叶型称为初始叶型。采用CFX商用软件、结合k-ωSST湍流模型、以ARK真实气体状态方程考虑SCO2的真实气体效应,通过均匀进气的单通道模型重点关注叶片通流部分性能,通过部分进气下的全通道模型获得膨胀机整机性能,从而实现对膨胀机的数值模拟分析。首先,对采用初始叶型的膨胀机进行模拟,结果显示,设计工况下初始叶型通流部分的动叶前缘存在冲击损失、动叶前缘压力面存在流动分离、上下端壁存在二次流等不可逆损失。通过变工况模拟,在任一入口压力下,随着转速增大,输出功率、相对内效率均先升高后降低,存在最佳功率点和最佳效率点;随着入口压力增大,最佳功率点、最佳效率点都逐渐向高转速部分推移,最佳功率点对应的功率逐渐升高,但最佳效率点对应的效率逐渐降低。整机模拟结果显示,膨胀机在设计工况下输出功率为2.21k W,与实际测试结果相近。进一步地,通过变工况模拟,发现膨胀机最佳功率点、最佳效率点又向低转速区域推移,由部分进气导致的损失随转速升高而升高,对高转速工况的适应性较差。对此,本文对静叶和动叶叶型进行优化,采用正交优化的方法,并以输出功率和相对内效率为评价指标。结果表明优化后涡轮膨胀机的总体性能有明显提升。优化后涡轮膨胀机整机的输出功率为2.90k W、相对提升了31.2%。工质在静叶出口处的静压下降得更快,动叶前缘的逆压梯度区域消失,动叶压力面的损失转移到了动叶吸力面,有效降低了通流部分的损失。在任一非设计工况点,优化后的涡轮膨胀机都具有更高的相对内效率和输出功率,最佳功率点和最佳效率点都向更高的转速部分推移,对高转速高压力工况具有更好的适应性,高效能运行范围进一步扩大。以初始叶型设计点的输出功率为基准,改进叶型输出功率高于基准点的工况点增加了7.20%。