氦氙径流涡轮气动设计及性能预测方法研究
摘要
氦氙径流涡轮是叶轮机械领域的一大热点。氦氙混合气作为一种新型混合工质，在
氦氙径流涡轮发展方面起着重要的作用。近年来，研究人员通过数值模拟、实验分析等
手段，不断研究氦氙混合气对径流涡轮性能的影响机理，旨在提高它的效率和可靠性，
从而促进涡轮技术的进步。现阶段以氦氙混合气为工质的径流涡轮的设计方法以及性能
预测等方面的研究较少，因此本文对氦氙径流涡轮开展了相关研究。
首先本文对氦氙混合气开展了深入的研究，基于Chapman-Enskog理论和对应态定
律编写出氦氙混合气的物性计算程序，将物性计算程序计算结果与相关实验数据进行对
比研究，结果表明两者之间的相对误差满足设计要求，物性计算程序能够实现对氦氙混
合气物性的准确预估。基于此物性计算程序，研究了40g/mol的氦氙混合气在径流涡轮
中的流动特性及其对径流涡轮性能的影响。根据径流涡轮的设计方法和选取参数原则，
开展氦氙径流涡轮的气动设计，确定了氦氙径流涡轮的初始设计参数，得到涡轮设计方
案。对氦氙径流涡轮进行数值模拟研究，分析了氦氙径流涡轮在设计工况和变工况下的
涡轮性能，了解到氦氙径流涡轮的效率在不同温度、转速和质量流量条件下的变化情况
以及压力、温度、速度、马赫数在不同叶高处的分布情况。
其次，根据工质替代理论，在相同径流涡轮中完成了空气代替氦氙混合气的特性计
算，对比分析了空气径流涡轮和氦氙径流涡轮在相似条件下的特性曲线和分布规律，结
果表明在马赫数相似、雷诺数相似、等相似条件下，空气径流涡轮的计算结果与氦氙径
流涡轮的计算结果基本相同。
最后，基于一维特性计算方法，编写了考虑氦氙混合气特性的径流涡轮一维特性预
估程序。由于没有针对氦氙混合气的损失模型，预估程序采用损失模型均为适用空气的
损失模型，故采用工质替代理论对损失模型进行修正。采用修正损失模型后的一维特性
预估程序对氦氙径流涡轮进行特性预估，在设计工况下，修正后程序计算结果与三维计
算结果的总-总温比相对误差为0.82%，总-总膨胀比相对误差为4.29%，效率相对误差
为1.94%，修正后的程序预估与三维计算之间的效率的相对误差相较于修正前的误差均
有所降低，进一步提高了一维特性计算程序的准确性。
关键词：氦氙混合气；氦氙径流涡轮；工质替代；性能预估
氦氙径流涡轮气动设计及性能预测方法研究
Abstract
Heliumxenonradialturbineisahottopicinthefieldofturbomachinery.Heliumxenon
mixture,asanewtypeofmixedworkingfluid,playsanimportantroleinthedevelopmentof
heliumxenonradialturbines.Inrecentyears,researchershavecontinuouslystudiedthe
mechanismoftheinfluenceofheliumxenonmixtureontheperformanceofradialflow
turbinesthroughnumericalsimulation,experimentalanalysis,andothermeans,aimingto
improveitsefficiencyandreliability,therebypromotingtheprogressofturbinetechnology.At
present,thereisrelativelylittleresearchonthedesignmethodandperformancepredictionof
aheliumxenonmixturebasedradialturbine.Therefore,thisartic