为深入认识超音压气机的流动机理,降低超音压气机内的激波损失,削弱激波对附面层的干扰,本文进行了系统的超音叶栅流动机理研究。根据研究结果,本文提出一种新的超音叶型设计方法,并设计了一系列高性能超音叶栅。以此叶型设计方法为基础,按照两类流面的设计方法设计了一台超音转子。最后搭建基于遗传算法的优化平台,对转子叶片进行优化。超音叶栅的流动机理研究围绕唯一进气角、喉道与启动问题、前缘脱体激波和通道内激波结构展开。通过引入等熵马赫数,导出存在损失条件下的简单波关系,实现由进口段的总压恢复系数修正Levine唯一进气角计算方法。提出基于非对称双曲线的超音叶栅脱体激波模型,此模型可准确预测叶栅前缘的脱体激波形状和外伸段脱体激波损失。通过反射前缘脱体激波,可在通道内形成多激波组合增压。将二激波理论和三激波理论用于超音叶栅流动分析,结果表明:在高马赫数、大稠度时,超音叶栅的激波结构遵循Kurosaka的激波模型;在低稠度、小攻角流动时,超音叶栅激波结构遵循Denton的激波模型。除了此两类激波模型外,还存在七类超音叶栅激波模型。在这七类模型中,四类与马赫反射相关,两类与溢流状态相关,另一类来源于本文的叶型优化。针对超音叶栅喉道和启动问题研究表明:当轮缘速度大于自启动轮缘速度时,叶栅必定处于启动状态;当轮缘速度小于最小启动轮缘速度时,叶栅只能在溢流状态稳定工作;若轮缘速度在最小启动轮缘速度和自启动轮缘速度之间,叶栅的稳定工作状态与初始状态一致;并提出自启动轮缘速度的计算方法。以修正的Levine法和基于非对称双曲线的外伸激波损失计算为基础,提出新的超音叶型设计方法。此设计方法不仅可确保来流马赫数及唯一进气角等于给定值,还能计算出正常工作状态下的流动攻角。基于此叶型设计方法,本文设计了7个超音叶栅,并对其中的两个高马赫数超音叶栅进行优化。设计结果表明:马赫数越高,最佳稠度越大;喉道位置靠后,总压损失系数降低;喉道位置靠前,失速裕度增大;平直吸力面后段和钝尾缘有利于抑制尾缘附面层分离。优化结果表明:在来流马赫数为2.0时,优化叶栅实现静压比3.91,总压比3.35,总压损失系数0.119(折合等熵效率0.904);在来流马赫数为2.2时,优化叶栅实现静压比4.75,总压比4.07,总压损失系数0.158(折合等熵效率0.883);叶型优化可合理的分配叶栅通道内的激波强度,抑制通道内膨胀,降低叶栅损失。结合上述叶型设计方法和流线曲率法通流设计,进行S1/S2两类流面内激波式超音转子设计。设计结果显示:此转子的流量为22.3 kg/s,压比为3.03,等熵效率为0.892,失速裕度为15.6%。此转子经优化后,流量不变,压比增大了0.12,效率提高了1个百分点,失速裕度增大至26.0%。设计结果分析表明:超音转子的S2流面内存在两类扰动,一是流道扰动,使流线与壁面一同弯曲,且只向下游传播;二是损失扰动,起始于机匣处叶片后缘,并向上游传播。在进行流道设计时,机匣和轮毂的收缩角度不应过大,否则将造成流动堵塞。叶根后掠可增强叶根处的耐反压能力,提升超音转子的失速裕度;叶根负弯、叶尖正弯可增大径向压力梯度、提高叶尖处静压,最终提高转子总压比和效率。