氢燃料涡轮增程器由压缩机、燃烧室、透平膨胀机构成。其使用氢气为能源,并可以有效提高能源利用率。而透平膨胀机作为氢燃料涡轮增程器中的重要部件,其效率的高低直接影响着整体的效率,因此对其开展设计研究与性能分析十分必要。本文主要研究内容如下:介绍透平膨胀机的一维设计理论,对关键设计参数进行选择,通过关键参数对向心透平进行热力计算,确定蜗壳、静叶、叶轮的气动性参数。利用ANSYS对其进行几何结构处理并进行数值模拟,分析透平膨胀机内部流动特性。数值模拟结果表明:该向心透平的热力计算结果与仿真结果基本吻合,验证了该一维设计方法的可行性,且该向心透平的等熵效率可以达到92.56%。该向心透平的整体性能较好,压降分布、流线分布较为合理,在流道区域没有出现明显的二次流与回流区域。研究向心透平蜗壳部分设计工况下的流动特性、非设计工况下的流动特性。结果表明:蜗壳内部流线分布平滑,压降均匀;蜗壳内部流体存在流量与流速差,所以流线呈螺旋运动;蜗壳内部损失主要集中在蜗壳内壁面与喉部区域;该蜗壳在非设计工况下适用性良好。研究不同转速对叶轮构型以及内部流动特性的影响。结果表明:同一初始参数下,转速越低叶轮叶片弯曲程度越大,叶轮整体呈扁平状且涡轮的效率越低;同一涡轮在不同转速下,转速越低,叶轮进口处漩涡回流越明显,同时产生更大的逆压区域,造成损失越大。针对此现象,使用圆形进口的叶轮叶片,会减小漩涡回流区域使涡轮效率提高。研究流体在导叶区域的损失。结果表明:流体在导叶流道区域基本平滑,没有出现通道漩涡。主要损失是流体在叶片出口区域形成尾迹流,尾迹流的产生是因为叶片两端不同流速与方向的流体交汇。探究叶轮区域的叶顶间隙对主流的影响。结果表明:叶顶间隙对涡轮内部流体的影响主要集中在叶轮后半区域,该部位的叶顶间隙越大造成的泄漏越明显,泄漏会在此处形成泄漏漩涡。通过减少该部位的间隙,可以有效抑制泄漏,提高涡轮的效率。