氦气工质的闭式布雷登循环热机，在新的能源与环境形势下，具有很大的应用潜力。其用于高安全性的高温气冷堆，可显著提高燃料热效率并大幅简化系统。氦气轮机是高温气冷堆的关键设备，而氦气压气机的气动设计是难点之一。按照空气工质传统设计准则进行氦气压气机设计，级压比小、级数多的问题突出，有望得到本质改观的技术途径是采用突破空气常规的、符合氦气物性条件的所谓“高负荷”氦气压气机级的设计概念及方法。本文提出了一种能够发挥氦气音速高的特点的新型基元级速度三角形来进行氦气压气机设计。采用商业软件NUMECA对294种新型大转折角平面叶栅进行数值模拟，利用三次样条插值函数对结果数据中的叶栅总压损失系数和落后角与其他变量之间的函数关系进行研究。研究结果表明：高负荷氦气叶栅在出气角为负值时不能再用扩压因子来关联损失，在计算高负荷氦气压气机叶栅总压损失系数和落后角时需要使用平面叶栅数值模拟结果整理得到的函数关系式。为了进一步提高新型叶栅的性能，对总压损失系数较大的平面叶栅进行了优化设计。利用人工神经网络构建基于数据库样本空间的近似函数，采用遗传算法来寻找新的设计，并对新的设计进行气动性能预测。首先对中弧线进行优化，得到优化叶栅后再对厚度分布进行优化，优化后总压损失系数共降低了14.48%。应用氦气叶栅总压损失系数和落后角的计算方法进行新型基元级的性能计算，并挑选性能优良的基元级进行了三维级气动设计和数值模拟研究，同时也对传统设计的三维级进行了对比研究。研究结果表明：高负荷基元级沿径积叠成三维级是可行的；相同条件下，高负荷设计三维级方案设计点的级压比是常规设计的2倍多，且效率还能维持较高的水平。针对一种跳出常规空气工质设计规律范围的、旨在显著提高氦气压气机的级负荷能力的设计思路，利用前期设计的该种类型高负荷氦气平面叶栅数值试验数据及其整理结果的关联公式与软件，采用了气动设计与数值模拟耦合迭代的设计方法进行了高负荷氦气压气机的多级设计。三级氦气压气机的数值模拟结果显示：在指标参数方面，三级总压比设计点达到1.467，平均级压比为1.136，其级压升达到常规设计的两倍以上（常规设计级压比只有1.05至1.06）；三级压气机效率达到88.4%，与常规设计相当。第一级三维流场与前期研究完成的单级三维流场很相似，局部背弧尾缘有小的分离旋涡，流动应属稳定；第二级和第三级三维流场表现很好，基本没有分离旋涡，即使在背弧极限流线图上也看不到迹象，远好于第一级的结果，这有利于多级设计。在运行裕度相关方面，进行了90%设计点流量工况的三级流场数值模拟，压比微升，效率微降，第一级分离旋涡加大，第二、三级稳定如常，总体表现正常，潜质应有足够的压气机喘振裕度——稳定运行范围。