近年来,随着社会的高速发展,对能源需求日益增大,但煤炭、石油等不可再生能源储量不断减少,所以开发可持续发展新能源和合理利用中低温工业余热越来越受到重视。有机朗肯循环系统(ORC)可以对低品位热能进行有效利用。ORC系统中关键部件之一是涡轮膨胀机。为了进一步提高系统效率,高性能涡轮膨胀机设计成为众多学者追求的目标。基于此,本文以采用R245fa工质功率为5MW的ORC轴流涡轮膨胀机的气动优化设计开展研究。与其他透平机械设计一样,轴流膨胀机的设计是一个从低维到高维不断修改和完善的过程。本文在已有自开发的一维气动设计程序基础上,增加了能够预测各类损失的AMDCKO模型。同时集成了真实物性模块,可以实现真实工质轴流膨胀机一维气动设计。为了使一维气动设计更简便和高效,降低对设计经验的依赖,缩短设计周期,本文选择级压比、反动度和出口角等多个参数为优化变量,以等熵效率为优化目标,约束子午流道扩张角和叶根、叶顶反动度,结合优化算法,完成了ORC轴流膨胀机的一维优化设计。高效叶型开发是设计高性能膨胀机的保证。根据一维设计结果,利用二维叶片参数化程序,与MISES求解器和优化方法相结合,实现了轴流膨胀机二维叶片优化设计。最终完成了2级R245fa轴流膨胀机通流部分的优化设计。采用2级轴流膨胀机方案会使得流场内产生高强度激波,但是二维叶片优化设计可以弱化超声速叶型的激波,降低激波损失,提高叶片性能。为了验证设计方案是否满足设计要求,本文利用NUMECA流场计算软件对设计方案进行了三维定常数值模拟验证,计算结果表明,设计点流量达到要求,等熵总静效率为91.13%,超出设计要求6.13%;输出功率也满足要求。此外,该机组在全工况内均呈现出较好的性能,验证了ORC轴流涡轮膨胀机优化设计方法的可行性。最后,针对所设计的R245fa轴流膨胀机轴向间隙取值进行研究。在第一级静叶和动叶之间,对5个不同轴向间隙进行了定常和非定常数值模拟,分析了轴向间隙对膨胀机叶片尾迹、激波强度及流场的影响。研究结果表明,第一级静叶和动叶之间存在最优的轴向间隙,使得R245fa轴流膨胀机的等熵总静效率和等熵总总效率均提高了0.2%,第一级静叶尾迹损失减小和流场中激波强度降低导致了机组性能提高。本文研究结果为高性能轴流膨胀机气动优化设计提供了技术支撑。