随着离心压缩机在国防工业以及能源动力等领域的广泛应用,离心压缩机逐渐向高压比、大流量的方向发展,其性能的好坏受到越来越多的关注。离心压缩机高压比的要求,使得压缩机的负荷增加,导致叶轮进口相对马赫数较高,容易在叶顶吸力面处产生激波,而由激波以及激波与附面层相互干扰产生的损失会大大降低离心压缩机的效率,对压缩机的高效运行产生不利影响,因此减弱激波强度、控制激波影响范围是设计高效率、宽工况范围高压比离心叶轮的关键因素。本文首先以设计压比为4.7的半开式离心叶轮(Krain)为研究对象,采用NUMECA软件对其进行数值模拟计算。通过试验与数值模拟结果的对比分析发现,本文数值模拟可以准确预测流道内气体流动情况及角区涡流,验证了数值模拟精度。通过对内部流场的分析发现叶轮入口处存在较强的激波。其次对Krain叶轮进行初步模拟设计,并根据初步设计叶轮研究不同轴向长度、不同前缘掠角以及不同前缘形状对高压比离心叶轮内部流场、整体性能的影响,重点分析了其对入口激波的影响。结果表明,轴向长度L与叶轮直径D2的比值L/D2>0.3、叶片前掠7.5°有利于提高叶轮的整体性能,增大叶轮阻塞裕度;椭圆形叶片前缘可以有效控制激波强度,且随着长短轴比的增加激波强度越来越弱,但长短轴比增加到3以后,性能提高越来越不明显。最后对Krain离心叶轮进行改进设计及强度校核,通过与原始Krain叶轮流场的对比发现,设计叶轮入口激波强度以及激波影响范围均得到有效控制。设计工况下叶轮出口多变效率提高0.3%,无叶扩压器出口多变效率提高1%。