与轴流式相比，由于向心式汽轮机利用了哥氏力无损失做功，所以具有较大的单级做功能力，设计先进的向心涡轮也可以具有很高的效率，而且具有结构紧凑、制造工艺简单，以及在流量较小的设计条件下仍有较高效率等优点。本文主要通过一维设计与三维数值模拟相结合的方法，对一300kW跨音速单级向心式汽轮机进行气动设计分析。汽轮机单级膨胀比为4.17，级支配焓降达到248.5kJ，为保证较高的效率，导叶栅出口绝对马赫数设计值达到1.35。本文导叶栅采用的是渐缩型叶栅。研究发现，利用渐缩型导叶栅斜切部的膨胀能力获得超音速流是一种行之有效的方法。但是斜切部的膨胀能力是有限的，当导叶栅出口马赫数值达到一定值以后，斜切部的膨胀能力已经被充分用，若继续增大压降，会带来较大的损失，此时需考虑使用缩放型叶栅。本文对叶轮叶型中弧线曲率、叶轮叶片数对整级气动性能的影响进行了深入分析。数值分析表明：叶轮叶型中弧线曲率、叶轮叶片数各自均有一最佳值。除此之外，还通过数值模拟的方法对长短叶片结构叶轮整级气动性能的影响进行了探讨，并对短叶片的长度及放置位置进行了深入分析。结果表明：对于高膨胀比、大焓降的向心汽轮机而言，采用长短叶片结构叶轮可以有效地避免叶片数目过多带来的叶轮出口排挤问题和叶片数目过少带来的流道扩散问题，改善流动效果，提高做功能力；当短叶片长度约为长叶片长度的0.6-0.65时，整级具有最高的流动效率；当短叶片偏置的位置稍微靠近压力面时比其置于两长叶片正中时流场均匀。