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氦氙稀有气体离心压气机相似模化研究

摘要

在深空和深海环境下，闭式布雷顿循环空间动力系统为适应空间限制的要求，通

常采用特殊气体作为循环工质，如氦气、氩气、氦氙混合气、超临界二氧化碳等。而

离心压气机是闭式布雷顿循环的重要装置之一，为了配合稀有气体离心压气机设计方

法的完善，开拓设计思路，本文将相似模化思想引入离心压气机设计验证中，开展基

于氦氙离心压气机的相似模化研究。根据上述背景，本文主要研究内容如下：

首先，对欧拉数、雷诺数、速度三角形相似准则中三种相似变量敏感性展开研究。

研究了欧拉数、雷诺数及速度三角形三种相似变量对于氦氙离心压气机相似模化的影

响。分析各参数变化对压气机内流场的影响，验证了各相似变量对于压气机精准相似

模化的必要性。分别使用氩气、空气、二氧化碳对氦氙离心压气机叶轮进行了三种相

似变量全控制的精准相似模化应用，对比分析了四种工质叶轮的流场相似性与性能准

确性。其中，在设计工况下，氩气压气机对于氦氙压气机的效率相对误差为0.68%，压

比相对误差为0.46%。并且针对特性之间的差异，通过折合公式分别完成氩气的效率优

化及空气、二氧化碳的压比优化，减少了相似准则的模化误差。

其次，深入研究了包含欧拉数、雷诺数、速度三角形相似准则在内的五种相似模

化准则之间的模化效果，对比分析了各种相似模化准则的约束参数。并且，以二氧化

碳为工质基于各个相似模化准则完成对氦氙原始叶轮的相似模化验证，并对五种模化

叶轮进行了流场效果对比及性能对比。同时基于对材料强度限制及相似准则马赫数控

制要求提出了各个相似准则对叶轮入口温度限制要求，明确了在相似模化应用时叶轮

温度的合理选取范围。

最后，进行了基于缩放模型的离心压气机相似模化研究。对原始叶轮分别进行了

0.8、1.2倍比例的尺寸放缩，并对三种不同尺寸叶轮基于欧拉数、雷诺数、速度三角形

相似准则进行相似模化研究。以氦氙混合气完成了不同尺寸、同种工质叶轮的相似模

化，并对比分析了流场差异及性能差异。其中，两种模型中的效率最大误差为1.50%，

压比最大误差为1.31%。以空气作为模化工质完成了不同尺寸、不同工质叶轮的相似模

化。其中，“0.8-Air”工况的效率相对误差为0.54%，压比相对误差为3.00%。分析验

证了在同时存在尺寸差异及工质差异时该模化准则的实用性。

关键词：氦氙混合气体；离心压气机；相似模化；流动特性；尺寸放缩

氦氙稀有气体离心压气机相似模化研究

Abstract

Indeepspaceanddeepseaenvironment,specialgasessuchashelium,argon,helium-

xenonmixtureandsupercriticalcarbondioxideareusuallyusedascycleworkingmediumfor

closedBraytoncyclespacepowersystemtomeettherequirementsofspacelimitation.The

centrifugalcompressorisoneoftheimportantdevicesoftheclosedBraytoncycle.Inorderto

improvethedesignmethodofnoblegascentrifugalcompressorandexpandthedesignidea,the

similarmodelingideaisintroducedintothedesignverificationofcentrifugalcompressor,and

thesimilarmodelingresearchbasedonhelium-xenoncentrifugalcompressoriscarriedout.

Accordingtotheabovebackground,themainresearchcontentsofthispaperar