随着中国经济的高速发展,我国以化石能源为主的能源结构显露出越来越严重的弊端,能源转型成为了急需解决的问题之一。清洁能源以及工业余热等,由于其来源广泛、污染极小的特点,受到了越来越多的关注。然而这些能源往往温度较低,热流密度小,采用传统的蒸汽朗肯循环进行利用的效率较低,对于这一类低温热源,使用有机工质朗肯循环是提高转换效率的措施之一。本文以有机朗肯循环中的小型轴流透平为对象,开展了通流优化设计及性能分析。本文首先以传统汽轮机一维设计流程为基础,结合有机工质实际物性参数与AMDCKO损失模型,整理了有机工质轴流透平的一维设计流程,并在此基础之上,通过Matlab软件编写了一维设计程序。随后结合遗传算法,以效率为目标对透平进行了一维结构参数的设计优化,优化所得透平效率为85.96%。根据一维优化设计所得的设计参数,对透平静叶与动叶流道进行了建模及网格划分,并对单级透平进行了CFD模拟计算。通过模拟所得结果显示,透平内流道流动均匀,整体表现良好,但在动叶流道内有一定的压力分布不均。将模拟结果与一维设计结果进行对比,所选参数的相对误差均在可接受范围内,证明了设计结果的合理性。在原始叶型的基础上,针对存在一定优化空间的动叶部分,采用响应面法进行了叶型优化研究。通过单参数敏感性分析,选取了叶型贝塞尔曲线参数化模型的8个控制参数中对效率影响较大的4个作为优化自变量,利用Box-Behnken方法设计了29组方案并进行了CFD模拟计算。通过Design Expert对结果进行分析之后,确定了效率最大时的动叶型线方案,优化叶型相较原始叶型而言,效率提高了1.68%,此外,透平内部的流场也更加的均匀。最后,对优化设计所得的透平进行了工况变化时的性能分析研究,利用CFD软件分别计算了转速变化与质量流量变化时流场的状态以及透平等熵效率的变化。通过分析得到,透平对于转速降低的变化最为敏感。整体而言,转速变化会造成漩涡的增加,质量流量的变化则会影响到透平出力、排气参数以及流道内压力分布。