離心式空壓機壓縮氣體的主要工作部件是高速旋轉的葉輪和流動面積逐漸增大的擴壓器。簡而言之，離心式空壓機的工作原理是通過葉輪對氣體做功。在葉輪和擴壓器的流道中，機械能通過離心增壓和減速擴散轉化為氣壓能。更一般地說，當氣體流過離心式壓縮機的葉輪時，高速旋轉的葉輪一方面使氣體的壓力增加，另一方面使速度大大增加，即離心式壓縮機先通過葉輪將原動機的機械能轉化為氣體的靜壓能和動能。
之后，氣體流經擴散器的通道時，通道的截面逐漸增大，前面的氣體分子流速減小，后面的氣體分子不斷向前流動，使氣體的大部分動能轉化為靜壓能，進一步起到增壓的作用。離心式空壓機之所以要有高轉速是因為：對于一定尺寸的葉輪，轉速越高，氣體得到的能量越多，壓力增加越大；對于相同的圓周速度，轉速n越高，葉輪直徑越小，因而壓縮機的體積和重量越小；由于離心式空壓機通過葉輪可以增加的壓力有限，單級壓力比(出口壓力與入口壓力之比)一般只有1.32.0。如果生產過程所需的氣體壓力較高，例如全低壓空分設備中的離心式空氣壓縮機需要將空氣壓力從0.1兆帕提高到0.60.7兆帕，需要多級壓縮。
然后在確定葉輪尺寸后，離心式空壓機轉速越高，每級的壓比越大，這樣對于一定的總壓比可以減少壓縮機級數。因此，在離心式空壓機的設計中，經常使用較高的轉速。然而，隨著轉速的提高，葉輪的強度成為一個突出的矛盾。目前，一般合金鋼制造的閉式葉輪的周向速度大多在300米/秒以下.另外，對于容量較小的離心式空壓機，由于風量較小，葉輪直徑較小，可以采用較高的轉速；對于容量較大的壓縮機，由于葉輪直徑較大，轉速應相應降低。
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