超临界二氧化碳(SCO2)被认为是能量转换系统中极具潜力的工作介质。超临界状态下的二氧化碳(TC=304K，PC=7.38MPa)，粘度接近气体，密度接近液体，流动密度高，传热性能好。因此，超临界二氧化碳布雷顿循环系统具有设备尺寸小、发电效率高、成本低等优点，轴流透平技术成熟，适合大流量工质，便于多级化处理，可满足高膨胀比大功率高效运行的要求。本文以SCO2布雷顿循环轴流透平为研究对象，对其进行设计、建模、模拟计算以及流动分析，主要研究了以下几个方面：
　　完成以SCO2为工质的10MW轴流透平的热力设计，通过一维设计导出的叶轮启动参数和尺寸参数，运用BladeGen进行建模，并运用CFX对其进行数值模拟，其中考虑到物性方程无法准确表示超临界物性状态，采用了NIST真实物性数据，分析模拟数据后，验证出所做的一维热力设计结果准确，误差小于预期值达到了设计标准，能较好反映透平性能。
　　同时还对透平的变工况性能进行分析，取偏离设计工况±20%的入口压力、出口压力、入口温度及转速等数据，对叶轮进行模拟分析，并给出了各个非设计工况的流量、效率、发电功率等参数，分析其在不同工况中损失发生的位置。当各参数变化在10%内时，入口压力变化的对透平效率的影响最大达到2.5%，出口压力变化对透平效率影响达到1.6%，入口温度及转速变化对效率影响较小分别为0.17%和0.77%。
　　对工质流动中所产生的压力温度低于临界点情况，构建了喷管模型，在模型中采用缩放喷管模拟在叶轮内的膨胀过程，并发现在喷管喉部有跨临界区域产生，并在此区域发现密度等物性参数的突变现象。在对流道的模拟中在温度下降接近400K时，也产生了物性参数突变的现象，并伴随有流动分离及回流状况，透平效率下降至0.74左右。在压力转速的变化中，伴随有跨临界区域产生，虽引发一定程度的流动分离，但并未发生物性参数的突变，密度的变化梯度维持在与设计工况相持平数值。对于流动中的跨临界区给出了详细的发生原因，并给出了改型措施针对其易发生压降的点，比如加宽喷嘴尾缘，改变动叶翼型等方法，使效率回升0.6%左右。整体而言，设计透平负荷设计要求，并对变工况环境具有一定适应性，而通过调整出入口参数或改变翼型，可以一定程度减下跨临界现象对效率的影响。