在超燃冲压发动机膨胀循环方案中,利用再生冷却流道出口高温高压的超临界/裂解态碳氢燃料(煤油)驱动涡轮做功、带动离心泵实现燃料增压,涡轮出口碳氢燃料再导入燃烧室组织燃烧。这种方案综合了系统循环技术、热防护技术、燃烧组织技术,可有效解决发动机燃烧室性能、热防护、燃料增压等问题,具有结构简单、体积小、质量轻、能量利用率高的优势。在膨胀循环超燃冲压发动机系统中,超临界/裂解态煤油涡轮泵的做功能力和效率是制约发动机系统性能的关键因素。针对膨胀循环超燃冲压发动机系统工作特点,本文开展了超临界/裂解态碳氢燃料涡轮泵的设计与性能优化研究。论文首先建立了膨胀循环超燃冲压发动机系统中涡轮泵总体设计方法,完成了涡轮泵方案设计。根据涡轮和离心泵的工作环境和适用性,建立了超临界/裂解态碳氢燃料涡轮和离心泵数学模型和各参数的数值求解方法。开展了离心泵叶片进出口角与转速相关性研究,并完成了两种转速(25000/rpm和100000rpm/min)下的涡轮泵详细方案设计。其次,针对上述两种涡轮泵设计方案,开展了涡轮泵数值仿真研究。建立了基于多区网格策略和3D RANS的涡轮、离心泵流场数值仿真方法。通过数值仿真,获得了离心泵的进出口总压升、叶轮扭矩以及涡轮的质量流量和叶轮扭矩,从而计算得到涡轮泵效率和轴功率等性能参数。结果表明,涡轮泵设计方案能够满足设计要求。最后,通过集成涡轮泵构型参数设计、网格自动生成、流场仿真自动化、试验设计(DOE)等方法,开展了超临界/裂解态碳氢燃料涡轮泵构型优化、参数敏感性、涡轮泵工作匹配性多目标优化研究。结果表明,离心泵设计转速与叶片的进口角、出口角正相关;叶轮出口直径对离心泵效率和扬程影响最大,随着叶轮出口直径增大,泵扬程增大但效率降低。涡轮喷嘴出口宽度、叶轮平均直径对涡轮性能影响较大。本文研究成果为进一步深入研究膨胀循环超燃冲压发动机系统的工作特性奠定了良好的基础。