在煤化工行业中，合成气离心压缩机组是大型合成氨、甲醇等装置中的关键设备，其运行状态直接影响着整个企业的安全生产和经济效益。由于合成工艺的要求，合成气压缩机组的工作压力往往在几十至几百个大气压力下，为了提高合成效果，广泛采用高压下再循环的工艺过程，高压段末级叶轮出口新鲜气和循环补气段在混合腔中混合后进入下游的循环级叶轮。由于高压段双层结构不易布置测点，工程上难以得到循环段内部的流动参数。循环段流量很大，一般是新鲜气的2至5倍，一个关键问题是，循环级的进口来流，是在很小的空间尺度与时间尺度下，由高压段末级与循环补气的两股气体混合而成，具有强烈的非均匀特征，远非常规设计中采用的均匀来流条件，这可能会带来很大的设计偏差，使整机性能达不到运行要求。另外，由于高压段双层结构不易布置测点，工程上难以得到循环段内部的流动参数并为设计进行修正。有鉴于此，本课题采用数值模拟、模型分析和实验研究等综合手段，对带有双进气混合来流的合成气压缩机的循环级流动特性及其流动扩稳问题进行了深入的探索和研究，取得了一系列的实验数据和重要结论。针对高压环境下采用实际气体介质的小流量离心压缩机级的设计与性能分析的难度问题，本文首先选取了由课题组设计的某实际运行的合成气压缩机的高压段第一级为研究对象，在约7MPa(A)的压力入口条件下，根据实际混合气体物性，使用CFD的方法对比研究了压缩机设计校核时的单叶轮和整级计算两种模式在性能预测上的区别。计算结果表明单叶轮模式的失速裕度和堵塞裕度更宽，其最优效率点对应的流量高于整级模式。考虑到叶轮与下游回流器等部件的匹配问题，为了对最优工况点以及工况范围进行较准确的预测，对高压合成气压缩机进行CFD校核时应采用整级模型。针对空气介质模型级如何通过相似设计应用于其它介质压缩机的难点问题，选取了同一高压级，比较了其在空气和合成气两种工质下流场的区别。7MPa(A)的压力下空气比重约为合成气的3.4倍，两者的流场特性完全不同：合成气工质时的失速裕度和堵塞裕度更宽，其最优效率点对应的流量低于空气。在相同的进口体积流量下，两种气体在级内部的流场与性能有较大差异，无明显的规律。对于该合成气压缩机而言，空气工质的模型级须经过改型或重新设计，才能用于该合成气压缩机设计中。针对合成气压缩机循环段的流动特点，建立了包含高压段末级、双进气混合腔和循环级的流动计算模型，计算结果表明：由于弯道以及两股来流的温度、压力不同，混合腔前部呈现出明显的二次流动，流场速度和压力由轮盖侧向盘侧逐渐增加，呈明显的梯度分布，并随着流动向下游发展，两股气流的掺混逐渐均匀化，但在目前的混合腔长度下叶轮进口仍存在包含径向和周向的不均匀流动分布特性，造成了下游叶轮的不均匀进口来流。相比于均匀进气的循环级叶轮，带有双进口混合腔时的叶轮压比平均下降0.005，效率平均降低7个百分点，且其工况范围更窄。在新鲜气进口与循环补气口两个入口的总压总温不变的情况下，单独调节出口背压时，两入口的流量比近似保持为常数，这个值主要与交汇处的面积比有关。进一步使用参数化方法研究了混合腔长度分别为25mm，55mm和85mm，以及该两入口流量比为0.5至7范围内的混合腔与循环级的流动特性。在高压环境下，混合腔长度的变化对来流损失和循环级叶轮的静压升影响不大，不同混合腔长度造成的叶轮效率差异不高于1%。来流压力损失与总来流流量近似呈二次曲线关系。与之不同的是，流量比对流场的影响较大，随着流量比的增加，存在某个临界流量比使得循环级叶轮效率最高，此时对应着交汇处的两股流体速度比近似为1。随着流量比的进一步增加，叶轮效率变化不大。基于流体运动方程和能量守恒方程，推导了双进气交汇处的压力、速度与补气段曲率半径等物理量间的关系式，提出了关联混合腔几何特征的预测混合腔出口(循环级叶轮进口)静压和总压的计算方法，并将该方法的结果与CFD计算得到的相对比，两者符合的很好，亦即这种方法可有效的用于快速评估混合腔的设计。在相同的侧向补气段来流动压情况下，补气段的曲率半径越大，则补气段的出口压力也越高。在设计流量处，选取压缩机中常用的损失模型评估了高压段末级、混合腔以及循环级内损失，结果发现：混合腔损失、无叶扩压器损失和二次流损失是主要的损失源。由于直接在高压环境下测试混合腔内部流动比较困难，设计搭建了常压下带有双进气的通风机试验台，并同时进行了全周向的风机数值模拟，利用实验和数值方法讨论了均匀和混合来流进口，入口流量比(入口2处流量/入口1处流量)从1到10，以及三种混合腔长度(100mm，200mm，300mm)对离心风机性能的影响。结果表明：在混合来流的影响下效率和压升平均下降6.5%和203Pa。非轴对称的混合来流形成了周向和径向联合作用的入口畸变效应，在叶轮流道内形成完全不对称的流场分布，各叶轮流道内的流量分布不同，最大和最小的叶轮流道内流量分别是0.1997kg/s和0.0272kg/s，均靠近涡舌附近位置。相比较而言，均匀入口时的最大和最小的叶轮流道内流量分别是0.086kg/s和0.068kg/s。随着混合腔长度的增加，在设计流量点附近，每增加100mm的混合腔长度，风机的压升和效率平均下降70Pa和2%。在固定流量下，风机性能随流量比的增加先变大，在流量比是5的时候达到最大，此时对应着两股来流交汇处的速度基本相同。随着流量比的进一步增加，风机的性能基本保持不变。最后与高压合成气环境下的结论进行了类比，进一步验证了混合腔内发生的混合流动现象。为了保证压缩机组安全、可靠地运行，离心压缩机的失速先兆与喘振研究一直是本领域的研究重点。本文研究了带有被动控制手段—孔式机匣处理的离心压缩机的失速和喘振不稳定流动以及扩稳效果。由于合成气压缩机的循环段是单级结构，当循环段叶轮采用半开式叶轮，那么就可以用该孔式机匣处理技术来扩大该循环段的稳定工况范围。另外，在多级压缩机的第一级，为满足大流量高负荷的要求经常采用半开式叶轮结构，也可以采用该技术。为了深入研究机匣处理的动态变化过程，在机匣处理孔的两端位置，叶顶37%弦长位置和无叶扩压器内布置了动态压力传感器，在压缩机的稳定和喘振工况点进行了动态压力测试。实验结果发现，相比于实壁机匣，采用机匣处理方式后，压缩机的喘振裕度增加了约10%且整机效率基本无下降，最优效率点对应的流量大约向小流量侧偏移6.8%Qdesgin。以机匣孔两端脉动压力的变化量作为指标，用于判定机匣孔内的流动方向。在近喘振点，脉动压力突然增加，此时发生的是抽吸流动。在近堵塞点，脉动压力的突变意味着旁通流动的发生。对动压信号进行信号分析发现，该实壁机匣和处理机匣压缩机在喘振前发生的都是模态失速而非脉冲失速。相比于实壁机匣，引入处理机匣后模态先兆波由于叶顶和机匣孔的相互作用得到了延迟，其失速团传播速度略高于实壁机匣的传播速度。扩压器附近的模态波强度强于叶轮流道内模态波强度，喘振诱发点更接近扩压器。