离心压缩机广泛应用于石油化工、能源、航空、交通等领域。“设计-修改”的传统离心压缩机设计方法比较耗时,而且很难得到全局最优解,已经难以满足离心压缩机设计周期和气动性能要求,因此,需要借助优化手段解决这一问题。离心压缩机模型级主要由叶轮、扩压器及回流器组成,其中叶轮是最主要的部件,叶轮的性能直接影响了模型级的效率、压比以及气流均匀性。回流器同样也是多级离心压缩机中的重要部件,它对多级离心压缩机气动性能有着重要影响。回流器本身的损失影响着第一级的气动性能,回流器出口的气流均匀性均影响着下一级压缩机的入口条件,进而影响下一级压缩机的效率以及气流均匀性。因此优化离心压缩机模型级,需要优化叶轮及回流器,以获得单级效率更高,出口气流均匀性更优的设计方案。根据以往研究,数值优化方法已经广泛应用于叶轮机械设计中,但应用于多级离心压缩机的案例较少。因此本文设计了叶轮及回流器参数化模型,随后对该参数化模型进行了变工况优化设计。以某第一级0.2大流量系数的两极离心压缩机为研究对象,通过参数化造型,CFD计算和优化方法对叶轮和静子部件进行优化,得到了优化方案。通过对比原始方案和优化方案的流场,优化方案的气动性能优于原始方案。设计工况下,0.2模型机和后面流量系数0.14模型机组成的两级压缩机的整机多变效率提升了0.98%,且变工况条件下整机多变效率均有提升。随后依据0.2流量系数离心压缩机优化设计得到的结论对某0.22流量系数离心压缩机进行了改进设计。最终得到的改进设计方案其气动性能明显优于原始设计方案。研究结果表明,所建立的离心压缩机模型级优化方法具有一定的可行性和可靠性。通过进一步深入分析原始设计方案及优化设计方案,发现了回流器出口弯道合理的几何变化规律能够改善级出口流场均匀性,为后续大流量系数离心压缩机和回流器设计提供了技术参考和理论指导。