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太阳能热气流发电系统(SCPP)的提出为大规模利用太阳能发电提供了一个新的选择。然而，由于SCPP的能量转换效率偏低，至今仍未建成大型商业SCPP。透平作为该系统的能量转换设备，可将受热空气获得的能量转换为电能。但目前关于三维透平的设计及基于三维透平的优化研究工作还较少。本文将围绕透平的设计、建模、计算、优化进行，主要的研究工作和结论如下：
以轴流式透平的设计理论为基础，利用孤立翼型设计方法，选用CLARK-Y翼型，对西班牙SCPP原型的透平结构进行了设计，得到叶片截面的弦长和安装角。然后根据坐标变换原理，求解各叶片截面的三维空间坐标，并将其导入SOLIDWORKS得到叶片截面，再通过放样、填充、缝合等操作命令，得到叶片三维模型。
建立了温室-透平-烟囱的三维计算模型，采用DO辐射模型、太阳加载模型和MRF模型对该SCPP进行数值模拟，得到系统的流场分布，并分析系统在不同太阳辐射下的性能：在一定太阳辐射下，透平输出功率总是先增大后减小。结果表明，透平效率存在一个峰值，且最大值都约等于66%；随着太阳辐射的增强，透平达到最佳效率对应的转速在向右移；集热棚效率随太阳辐射的增强而增大，但随着透平转速的增大而减小，考虑到系统功率的输出以及夜间的稳定连续运行，透平转速应该取大一点且位于最优值附近。
对具有不同叶片数和叶片安装角的透平进行了优化研究，从发电量和成本效益的角度来看，4叶片或5叶片透平更适合商业应用，且叶片安装角的最优值在14°附近。
之后，以西班牙SCPP为研究对象，通过改变烟囱出口半径，设计了6种不同扩散角的烟囱。考虑系统在真实三维透平运行下的情况，研究渐扩式SCPP的性能及最佳扩散角。结果表明：系统正常运行的最佳扩散角为2°，此时透平发电量最大为64.15kW，系统效率最大为0.167%，是烟囱扩散角为0°时的1.4倍；当烟囱扩散角为2.5°时，烟囱内的流线发生紊乱，出现了边界层分离及回流现象；同一透平转速下，随着烟囱扩散角增大，透平处压降也增大，但继续增大烟囱扩散角透平处压降的增长趋势减弱，且在烟囱扩散角为2.5°时，透平压降反而低于烟囱扩散角为2°时的透平压降。
以轴流式透平的设计理论为基础，利用孤立翼型设计方法，选用CLARK-Y翼型，对西班牙SCPP原型的透平结构进行了设计，得到叶片截面的弦长和安装角。然后根据坐标变换原理，求解各叶片截面的三维空间坐标，并将其导入SOLIDWORKS得到叶片截面，再通过放样、填充、缝合等操作命令，得到叶片三维模型。
建立了温室-透平-烟囱的三维计算模型，采用DO辐射模型、太阳加载模型和MRF模型对该SCPP进行数值模拟，得到系统的流场分布，并分析系统在不同太阳辐射下的性能：在一定太阳辐射下，透平输出功率总是先增大后减小。结果表明，透平效率存在一个峰值，且最大值都约等于66%；随着太阳辐射的增强，透平达到最佳效率对应的转速在向右移；集热棚效率随太阳辐射的增强而增大，但随着透平转速的增大而减小，考虑到系统功率的输出以及夜间的稳定连续运行，透平转速应该取大一点且位于最优值附近。
对具有不同叶片数和叶片安装角的透平进行了优化研究，从发电量和成本效益的角度来看，4叶片或5叶片透平更适合商业应用，且叶片安装角的最优值在14°附近。
之后，以西班牙SCPP为研究对象，通过改变烟囱出口半径，设计了6种不同扩散角的烟囱。考虑系统在真实三维透平运行下的情况，研究渐扩式SCPP的性能及最佳扩散角。结果表明：系统正常运行的最佳扩散角为2°，此时透平发电量最大为64.15kW，系统效率最大为0.167%，是烟囱扩散角为0°时的1.4倍；当烟囱扩散角为2.5°时，烟囱内的流线发生紊乱，出现了边界层分离及回流现象；同一透平转速下，随着烟囱扩散角增大，透平处压降也增大，但继续增大烟囱扩散角透平处压降的增长趋势减弱，且在烟囱扩散角为2.5°时，透平压降反而低于烟囱扩散角为2°时的透平压降。