HTGR-10(模块式高温气冷堆)作为第四代先进的反应堆型具有系统简单、安全可靠和经济性能优越等特点。HTGR-10采用Brayton直接循环系统进行能量转换,它的特点是透平压气机与系统的其他设备密封于同一单元内,保证了良好的安全性。它由两部分系统组成即:反应堆单元(RU)和能量转换单元(PCU)。氦气轴流式压气机作为高温气冷堆能量转换单元的关键部件之一,其性能直接影响系统的发电性能。准确地估算氦压气机气动性能对于系统整体设计及运行是很重要的。此外在氦气轴流压气机研制过程中的试验环节涉及氦气消耗、闭式循环密封系统建造和较大的功率供给,试验总成本代价较大,而做空气试验就相对容易得多,这时必须考虑氦气和空气之间的相似模化问题。本文以氦气压气机高压段第一级为模拟级,对其进行了相似模化分析与试验研究。其参数为:氦气轴流压气机的轴向速度≤200m/s,氦气流量4.72kWs,进口压力1.0253×10~6pa,入口温度35.5℃。在氦气压气机采用空气模化过程中的关键是正确确立相似准则,为此本文在相似理论分析的基础上,基于确定物理量方法、微分方程法和量纲分析法分别推导出此相似过程的相似准则,并加以分析筛选,确定出空气模化该氦气压气机的相似准则为Sr、Re、Eu。在模化方法确立上,本文以理论分析所建立的相似准则确立模化方法,并将它和传统的模化方法、ASME PTC-10压缩机和排气机动力试验规程规定模化方法进行了比对。分别对前两种方法制定出模拟方案,对第三种模拟方法分析的结论是ASME PTC-10压缩机和排气机动力试验规程不适用于氦气压气机的空气模化问题,同时也对单级模拟向多级模拟进行了相应的理论论证。采用NUMECA数值模拟软件分别对本文建立的氦气压气机空气传统模拟方案、新模拟方案进行验证,分析了氦气压气试验机的气动性能及其气流在叶栅中的流动机理,为氦气轴流压气机设计和氦气封闭循环试验工作提供参考依据。对其气动性能分析的结论是:采用空气工质模拟氦气,马赫数小于0.37,马赫数对压气机的通流流动影响很小,采用大于0.5的反动度,增加正预旋可以使效率维持较高的水平,CFD计算对比分析以上模拟方案表明本文提出的以Sr、Re、Eu为相似准则的新模拟方案效果良好。最后针对HTGR-10氦气轴流压气机高压段第一级的设计方案,进行了完整的氦气压气机试验和空气模拟试验,并且在不同工质、不同操作压力、转速下分别测定了氦气和空气作为工质时压气机试验数据。首次采用数值模拟获得氦气轴流压气机的特性曲线,并通过封闭循环试验台对其进行验证,绘制出氦气和空气工质的特性曲线,对比分析不同的模拟方案的数值及试验结果,通过模拟方案和设计方案总体计算结果及流场对比、分析,证明利用本文推导出的相似准则建立的模拟方案优于其他方案,而且模化参数的计算简单、物理意义明确、易于实际应用。该研究解决了氦气压气机空气模化的难题,也为后续的空气模拟整机氦气压气机试验提供了理论依据。