离心压缩机是在石油化工、冶金、航空航天等领域应用广泛的一种旋转机械。随着对离心压缩机的性能要求提升,为了获得更高的压比,离心压缩机的工作点越来越接近小流量工况。小流量工况下的旋转失速等流动不稳定现象成为限制离心压缩机性能提高的一个重要因素。研究离心压缩机中旋转失速现象的发生机理,确定失速发生时对叶片造成的气动载荷特性,对扩宽压缩机的稳定运行范围,提高压缩机的性能具有重要意义。本文离心压缩机为研究对象,借助CFD数值模拟方法对叶轮及扩压器流场进行了小流量工况下的非定常计算。通过DMD模态分解算法对失速流场进行了分解和重构,提取出了旋转失速对应的频率及流场结构。在数值模拟的基础上,结合压缩机试验台现有条件,进行了小流量工况下的气动载荷特性试验和动应力测试试验的方案设计,并验证了试验测试系统的准确性。本文主要研究内容如下:(1)采用CFD数值模拟方法,对小流量工况下的离心压缩机流场进行了分析,确定了小流量工况下离心压缩机叶轮及叶片扩压器流场中会发生旋转失速现象。通过分析压缩机流场内的流动特征,研究了叶轮及叶片扩压器中的流场失速成因。叶轮中的旋转失速现象主要由盖盘侧的流动失稳引起,吸力面流动分离产生的沿径向流动的低能流体与叶顶间隙流混合,形成的低能流体团在叶片前缘附近与主流掺混,导致叶轮入口处出现涡团并阻塞流动。叶片扩压器中的旋转失速现象主要由盘侧的流动失稳引起,气流冲击进入扩压器导致扩压器叶片吸力面产生角涡分离现象,并在盘侧形成回流区,回流区逐渐向扩压器出口处移动,在扩压器与叶轮之间区域形成涡团,涡团的积累阻塞了扩压器内流动,最终导致叶片扩压器中发生旋转失速。(2)基于非定常数值模拟获得的流场数据,采用DMD方法对叶轮叶片表面的压力场进行了分解与重构,获得了旋转失速在叶轮叶片表面造成的气动载荷频率,并通过压力场重构,直观地表现出了旋转失速在叶轮叶片表面造成的压力载荷分布情况。采用DMD方法对叶轮及扩压器流场进行了模态分解与重构。识别出了叶轮和叶片扩压器中的失速频率,通过对旋转失速对应的模态流场进行重构,直观地呈现出了叶轮及叶片扩压器流场中的不稳定流动结构,并清晰地呈现出了旋转失速现象在叶轮和叶片扩压器中的周向传播过程。(3)基于离心压缩机小流量工况下的流动特性分析结果,结合试验台现有条件,制定了气动载荷特性试验方案和动应力测试试验方案。定制了无线应变采集设备,并通过测试梁结构的应变验证了其可靠性。