随着世界经济的快速发展，动力需求不断上涨，为此在设法提高能源利用率，减少能源浪费的同时，还要大力发展可在生能源利用。向心涡轮是涡轮增压器、微型涡轮发动机、涡轮泵，ORC发电等系统的核心部件，是系统安全、高效运行的基础。因此提高膨胀机的效率对系统总效率的提升来说投资小，效益

一、膨胀机分类

1）容积式膨胀机

通称容积型，其特点是适宜于小流量、高压力、大膨胀比工况；缺点是复杂、体积大、易损件多、操作维护复杂。

2）透平式膨胀机

通称速度型，其特点是转速高、体积小、重量轻、结构简单、易损件少、因而制造维修工作量小，适宜于大流量、中高压力场景。

对于透平式膨胀机，按照气流的工作原理可分为：

1） 工作原理划分：冲动式和反动式

a.冲动式：膨胀过程几乎完全在静止的喷嘴中进行；

b.反作用式：膨胀过程不仅在静止的喷嘴中进行， 还在叶轮中进一步膨胀。

2） 气流方向划分：

   a.向心式：气体在垂直于旋转轴的平面内沿半径方向流动；

   b.轴流式：气体沿着平行于工作轮旋转轴方向流动；

   c.混流式：气体由径向流入工作轮而由轴向流出。

二、单级径向心涡轮相比单极轴流涡轮优缺点

优点：

1、当设计得当时，由于向心叶轮流动损失和余速损失都较小，向心涡轮的总静效率比较高。在容积流量较小的情况下这点表现得更为明显。

2、对于向心涡轮，由于叶轮流动损失对级效率的影响较小，使通流部分的几何偏差对效率的影响不敏感。这样就可能采用比较简单的、高效率的叶轮制造工艺。

3、向心涡轮重量较轻，结构简单可靠，叶片较少。特别是当无导流喷嘴叶片时，整个向心涡轮的结构就变得非常简单，大大降低了制造成本。

4、可以利用可调的导流叶片实现流量调节和涡轮的反向运行。使向心涡轮具有较宽的运行范围。

5、叶片及整个叶轮都有良好的刚度，可以使周向速度达450~550m/s，并且由于气流作向心流动，涡轮能获得大的比功和效率。

缺点：

1、外壳径向尺寸较大，工作转速很高；

2、转速大，在流量小的情况下，将降低轴承的可靠性，同时多级向心涡轮难以实现；

3、受热面积大，转子内温度梯度大，热应力大。

4、向心涡轮的功率在一定程度上受到一些结构因素限制，主要在功率较小的范围内使用，超过一定范围后，则使用单级或者多级轴流涡轮。

三、向心涡轮叶轮典型结构

纯径向式向心透平

径向-轴流式透平

Ø 纯径向式向心透平：卡皮查式向心透平（悬臂式透平），通常速比系数小于0.2的情况下才会使用。通常采用闭式叶轮，同是线速度限制在250~300m/s以下，进口可不等于90°。

Ø 径向-轴流式透平：除了在工质压比比较高或者叶轮周速度受限的情况之外，一般都采用径向-轴流透平（通常称的向心透平），线速度可达450~550m/s。

气流在向心涡轮叶轮流道中从径向转到轴向，三维特征十分显著，流道内的二次流和涡系十分复杂。同时由于叶轮转速一般都较高，离心力和哥氏力的影响较大，从而增加了叶轮内部流动的复杂性，给向心涡轮的设计和实验研究带来了很大的困难。近年来，随着计算技术的快速发展，数值模拟日益成为研究叶轮机械内部流动的有力工具。

设计先进、高效、经济、紧凑的叶轮机械，同时降低设计成本和缩短设计周期，已经成为现代叶轮机械设计的一个重要目标。TurboTides作为聚焦于透平机械设计的一体化CAE研发平台，其包括总体设计、一维设计、几何造型和二维通流分析、三维CFD仿真及FEA转子动力学分析，将各个模块高度集成，数据无损传输。同时结合强大的知识库功能，可将用户的所有设计数字化、标准化。借助Turbotides平台，可实现透平机械的快速、高效一站式设计，必将助力国内透平机械技术的快速发展。