氦气压气机是采用氦工质闭式布雷顿循环系统的关键部件之一,其性能的优劣直接影响系统的功率输出。作为循环工质及冷却介质的氦,由于比热比和定压比热均明显大于空气,因此采用常规空气压气机设计方法设计的氦气压气机具有单级压比低、级数多、叶片短的特点。众多的级数不但使得氦气压气机的转子细长、共振频率较低,诱发转子失稳,而且降低了系统的功率密度。鉴于此,本文对物性对压气机气动性能的影响进行了系统的理论分析,探索了基于氦物性特点的氦气压气机高负荷设计方法并且讨论了高负荷设计方法对氦气压气机气动性能的影响,最后通过叶栅实验开展了高负荷叶栅损失特点研究,为解决氦气的压缩问题和氦气压气机的高负荷设计问题奠定了基础。物性差异是导致氦气压气机与空气压气机性能差异的根本原因。从相似准则中可以看到比热比是一个单独的相似准则数,其对压气机的性能具有很大影响。当前关于物性对压气机性能的影响研究主要是通过实验建立数学关系式,从理论上说明压气机采用不同工质时其性能之间的关系的研究较少。因此,本文从相似理论出发对物性对亚音速和超、跨音速压气机转子的主要性能参数(绝热压缩效率、总压比、堵塞流量、喘振流量)的影响进行了理论分析,获得了其性能参数之间的数学关系式,并采用亚音速和超、跨音速压气机转子分别进行了数值验证。在详细了解氦物性对氦气压气机性能的影响的基础上,探索了氦气压气机的高负荷设计方法;通过对原有空气压气机损失模型进行基于物性和设计方法的修正,获得了适用于高负荷氦气压气机设计的损失模型;讨论了氦气压气机采用高负荷设计方法时的设计参数的选取准则,构建了适用于氦气压气机高负荷设计方法的史密斯图;进行了四级高负荷氦气压气机的气动设计并采用数值模拟的方法对该设计进行了数值验证。分析认为,在绝热压缩效率与原型机相比基本不变的情况下,高负荷设计方法能够将氦气压气机的单级压比提高到亚音速空气压气机水平。由于氦气压气机的叶片特征尺度小以及闭式布雷顿循环变工况过程中工质密度发生的大范围变化,使得转捩等流态变化过程的作用显著,因此讨论雷诺数对高负荷氦压气机的性能的影响十分必要。通过数值模拟的方法对不同条件下(载荷、厚度分布、叶顶间隙尺度和比热比),雷诺数对氦气压气机的性能的影响进行了系统的研究。研究结果显示氦气工质较空气工质而言,其多变压缩效率对雷诺数的变化更为敏感,主要表现在随着雷诺数的降低多变效率降低的速率更快。氦气压气机的高负荷设计方法有效的解决了闭式布雷顿循环中氦难压缩的问题。然而氦气压气机的高负荷设计方法使得叶片高度进一步减小,周向逆压力梯度进一步增加,这导致高负荷氦压气机的叶顶泄漏问题更加严重。因此深入了解高负荷氦气压气机叶顶泄漏现象及其损失机理对于更好的控制压气机的叶顶泄漏十分必要。采用数值模拟的方法研究了载荷和间隙尺度对氦压气机叶顶间隙泄漏的影响,并基于此开发了适用于高负荷氦压气机转子叶顶泄漏损失评估的损失模型。为了获得高负荷氦气压气机叶栅的损失特点以及叶片载荷随攻角的变化情况,采用暂冲开式风洞测量了叶栅表面的静压分布和尾迹分布。氦气是价格较为昂贵的稀有气体,采用氦气进行大规模的开式风洞叶栅测量是十分不经济的。为了进一步详细分析高负荷氦气压气机的损失和变工况特点,又进行了连续式空气工质补充实验。空气工质实验中主要测量了氦气压气机叶栅表面的静压分布情况、叶栅出口的总压损失分布情况以及叶片表面和端壁的极限流线分布情况。通过叶栅的实验研究从一定程度上证明了氦气压气机高负荷设计方法的可行性。