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随着低温科学与技术的发展，大型低温系统特别是液氦和超流氦温区大型氦低温制冷系统越来越受到重视，其在国家战略需求和基础前沿科学中都有广泛的应用。而低温向心涡轮，作为低温系统的关键制冷设备，其转速相对很高、尺寸很小，其内部流动性能可能与传统涡轮不同。目前关于低温，特别是液氦和超流氦温区的高速微型向心涡轮的研究相对较少，所以研究其内部流动特性，设计出高性能的低温向心涡轮显得尤为重要。本文针对某一低温液氦系统，对适用于该系统的向心涡轮进行了气动优化设计和内部流动特性研究。
本文首先根据低温液氦系统流程参数的要求，对其向心涡轮进行了气动优化设计。提出了一种向心涡轮重要参数的优化选取方法，可以在约束范围内快速确定向心涡轮的各重要参数。详细讨论了涡轮的各项损失、效率和轮径比、反动度、特性比等重要参数之间的关系。结果表明，在约束范围内，随着轮径比的增加，反动度稍有增加，特性比略有降低，但是整体变化不大，向心涡轮的轮周效率（流道效率）一直降低，而等熵效率先增加后降低，所以会存在一个最佳轮径比，使涡轮的等熵效率最高，继而得到其他各参数的最佳值。依据优化选定后的重要参数，通过编程对低温氦向心涡轮进行了一维气动热力设计，得到了向心涡轮的一维气动参数和主要几何参数。基于得到的一维几何参数，对向心涡轮的通流部分包括喷嘴和涡轮进行了三维造型设计。将数值模拟方法应用到已有的实验向心涡轮的性能预测中，并将得到数值模拟结果和实验结果进行了对比，结果表明，模拟值和实验值偏差较小，验证了数值模拟的可靠性。研究了在本文设计工况范围内两种真实气体模型和理想气体模型的偏差，结果表明理想气体模型偏差较大，不适用于本文工况，而两种真实气体模型偏差较小，可以适用本文工况。基于喷嘴和涡轮流道的三维模型，对涡轮级进行了三维数值模拟研究，并将一维计算结果和三维数值模拟结果进行了对比。结果显示，一维计算结果和三维数值模拟结果偏差较小，验证了一维气动设计的合理性。本文基于一维流动理论和相应的损失模型，建立了一维变工况性能预测模型，并与前人已有的向心涡轮实验结果进行了对比，发现偏差较小，从而验证了该变工况性能预测模型的合理性。基于上述变工况预测模型，对所设计的低温向心涡轮进行了一维变工况性能预测，并与三维数值模拟的变工况结果进行了比较，一维预测结果和三维数值模拟结果整体偏差较小，进一步验证了一维变工况模型的有效性。基于上述变工况性能分析，开展了向心涡轮的变工况调节方式研究，分别研究了向心涡轮在入口压力、质量流量和出口压力改变时各调节方式对向心涡轮性能的影响，结果表明，调节转速法有利于保持向心涡轮特性曲线的稳定性，使涡轮能维持较高的效率。
本文基于设计的氦向心涡轮，还研究了三维造型参数对该向心涡轮内部流动性能的影响。开展了TC-2P叶型喷嘴的气流角和安装角在本文设计工况下的关系研究，发现与传统气流角和安装角的关系曲线不同，虽然整体趋势一致，但是数值有一定的差距，需要对传统气流角和安装角的关系曲线进行修正才能使其更好的应用到某些特殊工况当中。研究了不同涡轮前缘和尾缘型式对涡轮前缘和尾缘流动的影响，并阐述了向心涡轮尾缘流动损失的产生机理。结果表明椭圆型的前缘和尾缘结构能改善涡轮内部流动，提高涡轮效率。开展了向心涡轮叶片安装角沿流动方向的不同分布方案的研究。分别研究了在不定包角和定包角下叶片角不同的分布方案对涡轮内部流动的影响。结果表明，不定包角和定包角下叶片角分布方案的区别很大，包角会涡轮流道的扭曲长度，对出口气流角也有很大的影响，最后得到了不定包角和定包角下两种相对较优的叶片安装角分布方案。研究了向心涡轮的入口倾角对涡轮气动性能和强度性能的影响。结果表明叶轮入口倾角对氦气涡轮气动性能有较大的影响，入口后倾角能抑制吸力面处流动分离，减小流道内的流动损失，提高涡轮效率。在考虑和不考虑气动载荷作用下，入口后倾角都能有效的减小叶片的总形变和最大等效应力，提高叶轮的强度性能。
本文还对所设计的低温向心涡轮的叶顶泄漏流动进行了研究。结果表明，膨胀比和转速对涡轮叶顶间隙泄漏流动影响较大。随着转速的增加，泄漏流动损失先增大后减小，泄漏流量先保持不变后迅速减小。随着膨胀比的增加，泄漏质量流量近似线性的增大，而泄漏损失没有产生明显的变化。随着相对轴向间隙和相对径向间隙的增加，叶顶间隙泄漏损失接近线性的增加。并且，径向间隙对泄漏损失的影响要远大于轴向间隙的影响（约为9.6倍）。通过比较原始的泄漏损失计算公式和数值模拟结果，修正得到了新的泄漏损失经验公式，使其能更适合于低温系统向心涡轮的设计计算。
最后，本文开展了旋转效果和压比对向心涡轮流动特性影响的研究，详细分析了不同转速和膨胀比下涡轮的内部流动特性，并依据计算结果对应用于向心涡轮设计的Balje图表进行修正。结果表明，转速对涡轮内部流场影响很大，当转速偏离设计转速较多时，涡轮内部会产生较多的流动分离和旋涡，增大流动损失。膨胀比对涡轮的等熵效率影响相比转速来说较小。计算得到效率和比转速、比直径之间的关系，发现与查Balje图表的值偏差较大。这说明对应用于低温系统的高速微型向心涡轮来说，由Balje图表查得的数据会存在较大的偏差，需要对Balje图表进行相应的修改，才能使其更准确的用于低温氦向心涡轮膨胀机的设计中。本文的相关研究可以为今后低温高速向心涡轮的设计与性能预测提供指导。
本文首先根据低温液氦系统流程参数的要求，对其向心涡轮进行了气动优化设计。提出了一种向心涡轮重要参数的优化选取方法，可以在约束范围内快速确定向心涡轮的各重要参数。详细讨论了涡轮的各项损失、效率和轮径比、反动度、特性比等重要参数之间的关系。结果表明，在约束范围内，随着轮径比的增加，反动度稍有增加，特性比略有降低，但是整体变化不大，向心涡轮的轮周效率（流道效率）一直降低，而等熵效率先增加后降低，所以会存在一个最佳轮径比，使涡轮的等熵效率最高，继而得到其他各参数的最佳值。依据优化选定后的重要参数，通过编程对低温氦向心涡轮进行了一维气动热力设计，得到了向心涡轮的一维气动参数和主要几何参数。基于得到的一维几何参数，对向心涡轮的通流部分包括喷嘴和涡轮进行了三维造型设计。将数值模拟方法应用到已有的实验向心涡轮的性能预测中，并将得到数值模拟结果和实验结果进行了对比，结果表明，模拟值和实验值偏差较小，验证了数值模拟的可靠性。研究了在本文设计工况范围内两种真实气体模型和理想气体模型的偏差，结果表明理想气体模型偏差较大，不适用于本文工况，而两种真实气体模型偏差较小，可以适用本文工况。基于喷嘴和涡轮流道的三维模型，对涡轮级进行了三维数值模拟研究，并将一维计算结果和三维数值模拟结果进行了对比。结果显示，一维计算结果和三维数值模拟结果偏差较小，验证了一维气动设计的合理性。本文基于一维流动理论和相应的损失模型，建立了一维变工况性能预测模型，并与前人已有的向心涡轮实验结果进行了对比，发现偏差较小，从而验证了该变工况性能预测模型的合理性。基于上述变工况预测模型，对所设计的低温向心涡轮进行了一维变工况性能预测，并与三维数值模拟的变工况结果进行了比较，一维预测结果和三维数值模拟结果整体偏差较小，进一步验证了一维变工况模型的有效性。基于上述变工况性能分析，开展了向心涡轮的变工况调节方式研究，分别研究了向心涡轮在入口压力、质量流量和出口压力改变时各调节方式对向心涡轮性能的影响，结果表明，调节转速法有利于保持向心涡轮特性曲线的稳定性，使涡轮能维持较高的效率。
本文基于设计的氦向心涡轮，还研究了三维造型参数对该向心涡轮内部流动性能的影响。开展了TC-2P叶型喷嘴的气流角和安装角在本文设计工况下的关系研究，发现与传统气流角和安装角的关系曲线不同，虽然整体趋势一致，但是数值有一定的差距，需要对传统气流角和安装角的关系曲线进行修正才能使其更好的应用到某些特殊工况当中。研究了不同涡轮前缘和尾缘型式对涡轮前缘和尾缘流动的影响，并阐述了向心涡轮尾缘流动损失的产生机理。结果表明椭圆型的前缘和尾缘结构能改善涡轮内部流动，提高涡轮效率。开展了向心涡轮叶片安装角沿流动方向的不同分布方案的研究。分别研究了在不定包角和定包角下叶片角不同的分布方案对涡轮内部流动的影响。结果表明，不定包角和定包角下叶片角分布方案的区别很大，包角会涡轮流道的扭曲长度，对出口气流角也有很大的影响，最后得到了不定包角和定包角下两种相对较优的叶片安装角分布方案。研究了向心涡轮的入口倾角对涡轮气动性能和强度性能的影响。结果表明叶轮入口倾角对氦气涡轮气动性能有较大的影响，入口后倾角能抑制吸力面处流动分离，减小流道内的流动损失，提高涡轮效率。在考虑和不考虑气动载荷作用下，入口后倾角都能有效的减小叶片的总形变和最大等效应力，提高叶轮的强度性能。
本文还对所设计的低温向心涡轮的叶顶泄漏流动进行了研究。结果表明，膨胀比和转速对涡轮叶顶间隙泄漏流动影响较大。随着转速的增加，泄漏流动损失先增大后减小，泄漏流量先保持不变后迅速减小。随着膨胀比的增加，泄漏质量流量近似线性的增大，而泄漏损失没有产生明显的变化。随着相对轴向间隙和相对径向间隙的增加，叶顶间隙泄漏损失接近线性的增加。并且，径向间隙对泄漏损失的影响要远大于轴向间隙的影响（约为9.6倍）。通过比较原始的泄漏损失计算公式和数值模拟结果，修正得到了新的泄漏损失经验公式，使其能更适合于低温系统向心涡轮的设计计算。
最后，本文开展了旋转效果和压比对向心涡轮流动特性影响的研究，详细分析了不同转速和膨胀比下涡轮的内部流动特性，并依据计算结果对应用于向心涡轮设计的Balje图表进行修正。结果表明，转速对涡轮内部流场影响很大，当转速偏离设计转速较多时，涡轮内部会产生较多的流动分离和旋涡，增大流动损失。膨胀比对涡轮的等熵效率影响相比转速来说较小。计算得到效率和比转速、比直径之间的关系，发现与查Balje图表的值偏差较大。这说明对应用于低温系统的高速微型向心涡轮来说，由Balje图表查得的数据会存在较大的偏差，需要对Balje图表进行相应的修改，才能使其更准确的用于低温氦向心涡轮膨胀机的设计中。本文的相关研究可以为今后低温高速向心涡轮的设计与性能预测提供指导。