以超临界二氧化碳为工质的布雷顿循环具有高效率、循环结构紧凑、环保等优点。而向心透平作为该动力循环的关键零部件,对循环效率有重要的影响。所以对超临界二氧化碳（S-CO2）向心透平设计机理及相关的研究有重要意义。本文对以超临界二氧化碳为工质的向心透平展开研究。主要研究内容包括:气动分析、一维优化设计、变工况性能分析、子午流道进一步设计和叶顶间隙的研究。对向心透平进行气动分析,并自主开发S-CO2向心透平一维优化设计程序,对向心透平进行一维优化设计。程序中以总-静效率最大为优化目标,以七个重要参数为优化参数,进行优化设计。以一维优化设计结果为基础,进一步进行三维造型,并利用NUMECA软件进行设计工况、变工况三维流场分析及性能分析。结果表明:该向心透平在设计膨胀比下具有良好的性能,且具有良好的变工况性能。利用贝塞尔曲线法和直线圆弧法,设计S-CO2向心透平的子午流道,并进行数值模拟,以探究不同设计方法对以二氧化碳为工质的向心透平性能的影响。结果表明:贝塞尔曲线法略优于直线圆弧法,其设计的子午流道更加平滑,曲率变化更加平缓,流场更加通畅。为探究叶顶间隙对于S-CO2向心透平机性能的影响,以本文设计的向心透平为例,设置不同的间隙类型和间隙尺寸,进行数值模拟。结果显示:间隙尺寸在0.1～0.5 mm范围内,间隙/出口叶高每增大1%,总-静效率约下降1.07%。当径向间隙不等于轴向间隙时,轴向间隙每增大1%,总-静效率降低0.146%左右,径向间隙每增大1%,总-静效率大约降低0.362%。相比于径向间隙对于性能的影响远大于轴向间隙的影响,前者对透平总-静效率的影响,约为后者的2倍。