离心压缩机叶轮出口附近的气流在离心力与科氏力的作用下呈现出明显的空间不均匀性特征,具体表现为沿圆周方向的“射流-尾迹”结构和沿叶高方向的气流角差异。为适应高压比和高效率的应用要求,越来越多的离心压缩机采用在扩压器中安装导叶的设计方案,然而,扩压器叶片的存在会产生额外的负面效应,其中以流动分离现象最为常见。考虑到离心压缩机运行过程中会受到管网环境扰动的影响,同时在动静部件相互作用的影响下其内部流动具有固有的非定常性质,流动分离将进一步发展成为失速甚至喘振现象,从而缩小离心压缩机的稳定工况范围,因此研究离心压缩机叶片扩压器失速现象的产生与发展机理意义重大。本文以沈阳鼓风机集团股份有限公司生产的LB56150 KY108型离心压缩机模型级为研究对象,在设计工况附近对其进行全流道非定常数值模拟的过程中,发现在叶片扩压器流道中靠近轮盖侧出现沿叶轮转动反方向传播的低频旋转失速现象。通过对扩压器叶片进行改型,从扩压器叶片安装角与气流角匹配的角度分析了该现象产生的原因;借鉴能量梯度理论,从叶轮流道内气流能量积聚与释放的角度对该现象的发展机理提出了一种新的理论解释。本文的主要研究工作可以总结为如下四部分内容:1.利用外特性参数实验数据和一系列无关性验证方法对计算模型可靠性进行分析。结果表明:在旋转失速现象的研究中对模型级所有通流部件采用全流道非定常计算方法是必要的,与URANS SST和DES方法相比,URANS k-ε方法能够兼顾计算过程的高效性和计算结果的可靠性。2.在设计工况下利用URANS k-ε方法对离心压缩机模型级进行全流场数值计算,并分析了旋转失速微团的周向传播特性和产生机理。结果表明:失速微团的出现是由叶轮出口气流角沿叶高方向急剧变化进而导致的扩压器入口气流角与叶片安装角不匹配造成的,与叶轮和扩压器叶排叶片数的周向不对称性无关,改变扩压器叶片安装角后,离心压缩机内部的失速微团被抑制,级性能有所提升。3.在一系列小流量工况下对离心压缩机进行数值计算,分析比较了各流量工况下离心压缩机的内部流动特性,借鉴能量梯度理论对旋转失速微团的周向发展机理展开研究。结果表明:随着流量降低,失速微团的周向传播速度增大,失速微团反向传播的驱动力源于扩压器流道中气流机械能沿垂直于流动方向的梯度,而该机械能梯度源于上游叶轮流道内的气流在下游失速微团堵塞作用下其自身能量的逐渐积聚与急剧释放。4.通过设置变流量边界条件对流量骤减瞬态工况下的离心压缩机气动稳定性进行了计算与分析。结果表明:随着流量骤减,离心压缩机内部流动逐渐失稳,在转子径向力合力骤增进而导致机械失效风险升高之前,转子径向力分量存在明显的预警特征,该特征对实际工程应用中离心压缩机的安全可靠运行具有重要的指导意义。通过综合四部分的研究结果,进一步证实了利用能量积聚与释放的观点对计算结果中失速微团沿叶轮转动反方向传播的现象进行解释的合理性。除此之外,该模型级存在扩压器叶片安装角与入口气流角不匹配的固有设计问题,在改型优化设计中应将扩压器叶片安装角作为首要改动因素。