随着技术的发展，更小单机质量、更高性能的向心透平成为国内外设计者追求的目标。由于向心透平内部流动结构非常复杂，要想设计出高性能的向心透平，就必须对其内部流场进行深入研究。同时，为了降低单机质量，缩减透平级数、增大向心透平单级膨胀比成为设计者们关注的重点问题之一。　　本文以四级向心透平为原型，为了减小轴向尺寸，降低向心透平整体质量，将级数减少一级，在保证功率和效率的前提下，完成了三级向心透平的气动设计。级数减少后，向心透平单级膨胀比增大，常规静叶无法满足设计要求，所以在第一级采用缩放喷管来获得超音速气流。以一维预期结果为依据，通过数值计算评估了向心透平的三维气动性能，结果显示，缩放喷管出口马赫数接近一维预期值，所设计的向心透平轴端功率达到589kW，相对内效率达到63%以上，基本满足设计要求，验证了设计方法的合理性。　　本文通过数值模拟的手段，研究了不同顶部间隙产生的泄漏流对向心透平的影响规律。计算结果显示，叶顶间隙的存在使流体从叶片压力侧泄漏向吸力侧，并在吸力侧产生泄漏涡，对流动造成影响，使距离顶部10%叶高范围内的气流出现偏转不足的现象，并且随着顶部间隙增大而表现的更加强烈。同时，顶部间隙高度增加时，泄漏流量逐渐增加，导致叶片负荷降低，尤其是对叶展中部以上范围内的叶片负荷影响较大。从损失的角度来看，叶顶间隙存在时，50%叶高以上范围内的总压损失系数有所增加，且由于泄漏流与主流的相互掺混，流动损失增大。此外，研究还发现，对向心透平而言，径向间隙对性能的影响程度大于轴向间隙的影响程度。在保证安全的前提下，设置了变高度分布的顶部间隙，结果指出，变高度分布的顶部间隙有助于降低泄漏损失。　　通过对齿形汽封内部流场的数值模拟，分析了汽封腔室内的涡系结构，并且研究了泄漏流量及摩擦损失随着转速的变化规律。计算结果表明，气流在汽封结构内流动是由若干个节流过程组成的，压力呈现阶梯式下降的趋势，而速度则逐渐升高。各个汽封腔室内产生的旋涡结构，对气流产生了耗散作用，有助于阻止泄漏。随着向心透平转速的增加，间隙泄漏流量增大，在一定范围内，当转速从5000r/min增加到15000r/min时，泄漏流量增加了80kg/h，总体来看，增加幅度较小。而摩擦损失随着转速增加呈现出近乎线性增大的趋势。