离心压气机是航空涡轴发动机的核心部件。高压比离心压气机能进一步提升发动机的功重比、经济性和可靠性,是下一代中小功率级涡轴发动机的关键技术。研制高压比离心压气机,对发展国民经济、保障国防安全具有重要意义。本文结合理论、仿真和试验方法,对高压比离心压气机的气动设计与增效扩稳流动控制进行了研究。完成了单级压比8.0的高性能离心压气机气动设计。本文建立了一套高压比离心压气机的气动设计方法,针对某型航空涡轴发动机的需求,完成了单级高压比离心压气机的气动设计。三维数值仿真结果表明,所设计的离心压气机在设计工况下总压比达到8.0,等熵效率达到79.9%,且结构强度满足可靠性要求。完成了高压比离心压气机的增效流动控制。本文搭建了耦合遗传算法、人工神经网络与三维流动仿真的优化平台,探索了复杂三维叶片造型技术对高压比离心压气机的增效潜力。单独优化叶片中弧线、掠特征和倾特征时,其最优几何分别提升了1.0%、0.5%和0.2%的等熵效率。叶片前缘靠近端壁的几何参数对等熵效率影响最为敏感。叶片中弧线的增效机理主要是削弱进口激波强度,掠特征的增效机理主要是抑制出口尾迹强度。由于两者的增效机理不同,其增效效应可进行叠加。对叶片中弧线和掠特征进行耦合优化设计,其最优压气机几何提升了2.2%的等熵效率与8.1%的堵塞流量,并呈现出叶根端弯与前缘S型前掠的特征。完成了高压比离心压气机的扩稳流动控制。本文通过试验方法,揭示了高压比离心压气机中跨尺度的流动失稳演化机理,包括小尺度的旋转扰动、中尺度的失速和大尺度的深度与轻度喘振。探明了自循环机匣处理对不同尺度流动失稳现象的抑制机理:自循环机匣处理上游槽道的射流效应和下游槽道的抽吸效应抑制了叶轮进口通道内径向涡系的形成,从而消除了中低转速下叶轮前缘的小尺度旋转扰动和中尺度失速;自循环机匣处理的回流过程改变了叶轮与压气机级的压比特性线斜率,从而使压缩系统趋于稳定,抑制了高转速下压缩系统的大尺度深度和轻度喘振。