压缩空气储能（Compressed Air Energy Storage,CAES）广泛应用于可再生能源电力系统中。透平膨胀机为C AES系统的核心部件,其将压缩空气的内能转换为机械能,从而带动发电机做功输出电能。与电厂重型燃气轮机、蒸汽轮机以及航空发动机高压/低压涡轮的工况不同,CAES系统透平具有入口温度较低、膨胀比较高以及变工况运行频率高等特点。然而目前针对储能系统透平膨胀机内部的流动特性及损失机理的深入研究十分缺乏,特别在变膨胀比、变转速等非设计工况,制约了透平的气动优化与储能系统运行效率的提升。为此,本文以某CAES系统轴流式透平和闭式向心透平为研究对象,采用数值计算对主流通道的涡系迁移规律以及二次通道的泄漏特性、掺混损失进行深入分析;在数值分析的基础上,开展闭式向心透平变工况实验,测量集气室、轮盖空腔以及叶轮出口的气动参数,探讨变工况运行的内部流场特征。上述研究进一步阐释了CAES系统透平膨胀机内部流场演化以及损失机制,提出了新的损失分析方法、结构优化以及高效运行方案。作为轴流式透平内部最主要的泄漏区域,动叶叶顶间隙对CAES透平的性能影响还缺乏深入讨论,因此首先开展轴流式透平动叶叶顶间隙流型及泄漏损失的数值研究。分离泡为典型的叶顶间隙二次流结构,其再附发生于叶顶静压增长至与端壁静压相等的位置,然而其并没有引起额外的间隙损失。间隙损失主要是由于泄漏流与主流掺混导致,采用Yaras和Sjolander以及Denton模型计算的间隙损失误差在5%以内,用于评价储能系统轴流式透平的叶顶间隙损失准确度较高。CAES系统在高膨胀比、小流量工况采用的是闭式向心透平,变工况运行时闭式叶轮内的二次流结构以及轮盖空腔泄漏损失机制仍不清楚。基于数值结果详细分析闭式向心透平内部二次涡系分布及其损失机制。闭式叶轮内的横向二次流在吸力面端壁产生了较高的耗散,由此造成的端壁损失占总损失的1/3以上。轮盖空腔泄漏涡位于闭式向心透平的出口管,除了造成较高的能量损失与熵产外,也显著降低了出口截面的流场均匀性。因此建议在数值计算中,闭式向心透平的出口管长度应大于一个动叶轴向弦长,以避免轮盖空腔泄漏影响出口流场的稳定性。为进一步认识透平内部复杂流场,提出基于基本物理量的协同分析方法,从物理量协同的角度阐明透平内部泄漏和损失机制,给出CAES系统透平的优化方案。在透平内部泄漏的速度-压力梯度协同性分析中,协同角越高,表征内部流动阻力越大。基于速度-压力梯度协同角,提出一种计算轴流式透平间隙泄漏量的方法;为了有效降低闭式向心透平轮盖空腔泄漏,建议无量纲密封齿间隙应小于1.5%。在透平内部损失的速度-速度梯度协同性分析中,较低的协同角可以表征高损失区域,并且通过定量分析进一步指出协同角与损失系数间呈显著的负相关关系,为分析透平损失提供了新思路。目前尚未有CAES系统闭式向心透平的变工况实验报导,缺乏详尽的变工况性能实验数据与分析。为获取闭式向心透平实际运行的变工况性能,并验证上述数值研究结论,设计并开展透平变工况实验,对集气室、轮盖空腔以及叶轮出口的气动参数进行详细测量,首次给出闭式向心透平变工况性能分析的实验结果。在集气室内,气动参数存在较高的周向不均匀性:沿进气口顺时针方向90°和135°间,以及225°和270°间为局部高压区,局部流速较低。轮盖空腔泄漏量的测量结果与数值模拟的结论一致,其随叶轮转速增加而下降。仅在额定工况下,出口管沿展向高度的损失和气流角不均匀度最小;轮盖空腔泄漏使展向高度上半部的总压损失显著增加,使出口气流角呈降低趋势。本文开展了详细的CAES系统透平膨胀机内部流动与损失机制的数值与实验研究,所得结论揭示透平内部二次涡系分布、间隙泄漏特性及其损失机制,从物理量协同分析的角度提出新的间隙泄漏量模型、密封结构设计、损失评价方法及变工况高效运行方案,对CAES系统透平膨胀机的优化设计具有一定参考意义。