微型蒸汽轮机具有体积小、重量适中、功率密度高等特点,可用于舰船、鱼雷、潜航器等特殊领域,具有重要的研究意义。本文针对微型蒸汽轮机的结构特点和技术要求,对高功率密度微型蒸汽轮机进行了气动设计,采用复速级结构,建立三维模型,并运用数值模拟方法对蒸汽轮机的叶栅流动性能和参数变化规律进行了详细研究。对全周进气下复速级单流道进行仿真分析,研究了各级叶栅的气动性能,叶片进出口截面的参数分布,发现喷嘴承担了整个复速级的绝大部分焓降,并重点分析了缩放型喷嘴的超音速流动对各级叶栅流动的影响。结合采用的气动设计方案,分析了影响蒸汽轮机流动性能的因素,研究了叶片顶部的间隙流动,通过三维数值计算方法揭示了叶顶间隙内部流场、压力的分布特性,观察到顶部间隙涡的流动规律。在此基础上,采用机壳注气的主动控制方式改变间隙内部流动结构,减少间隙流动损失。研究表明,减小叶顶间隙高度、合理选择机壳注气速度均可减弱间隙损失,改善蒸汽轮机的整体性能。对微型蒸汽轮机复速级在部分进气条件下的流场进行数值模拟,研究了部分进气时各叶栅的流动特性,进出口截面的参数分布以及气流沿周向的不均匀性,并对部分进气透平的功率和效率进行了分析,得出该微型蒸汽轮机在部分进气条件下依旧具有良好的性能。