涡轮冷却器是航空飞行器环境控制系统的关键部件,其结构多为采用动压气浮轴承的微型动压气浮透平膨胀机。微型动压气浮透平膨胀机具有高压比、高转速的特点,现有文献关于高压比透平的设计和仿真,仅仅分析了叶轮的流动性能,缺乏关于高压比透平整机的仿真研究。透平压比较高时,需要采用跨音速喷管设计,跨音速导叶的设计中喉部位置的选取非常重要,但并没有文献得出定量结论。本文便针对这些问题展开了研究。本文介绍了国内外有关动压箔片轴承技术、离心压气机设计、向心涡轮设计、微型超音速喷管设计和透平膨胀机匹配研究的相关情况,通过文献调研,验证了本文数值模拟方法的准确性。通过开展微型动压气浮透平膨胀机设计与匹配研究,本文主要得出以下结论:(1)在进行CFD计算时,要进行网格无关性验证。对于本文中的压气机叶轮、涡轮叶轮和涡轮整机来说,要保证由网格数量变化引起的效率变化小于1%,其网格数分别要达到42万、63万和280万。(2)针对本文的压比为8的向心涡轮最终选用反动度为0.41,特性比为0.66的设计方案。对动压气浮轴承进行了设计选型,所选轴承的脱离转速为20165rpm,承载力为6.5N,承载力满足要求。(3)通过CFD方法辅助完成了微型跨音速喷管设计,确定最佳喷嘴叶片角为17度。为了探究喉部圆柱段长度对喷管流动的影响,设计了8组不同的喷管,其中最佳喷管喉部圆柱段长度与喉部直径比值为3.45。(4)对比单独叶轮与透平膨胀机整机的气动仿真,在相同进出口条件下,单独叶轮的效率为92.96%,透平膨胀机整机的效率为87.46%,但整机中的流动更加均匀。(5)在设计点,本文的动压气浮透平膨胀机涡轮输出的功率为43027W,压气机耗功38158W,二者流量及转速相等,满足匹配要求。在变工况时,压气机具有较大的喘振裕度。