氦气与空气的物性差别决定了氦气压气机气动性能上的特殊性，采用传统空气压气机设计规律设计的氦气压气机单级压比小、级数多，增加级加功量和级压比是解决这一问题的一种先进技术趋势。本文借助计算流体力学软件NUMECA对高负荷氦气压气机叶栅以及多级性能展开了研究。首先，对0°、-2°、-4°三种不同冲角下，5种参数排列组合而成的810种方案的平面叶栅流场进行了数值模拟，对计算结果展开了关联性研究，并介绍了实效冲角与名义冲角不等这一现象。然后，利用平面叶栅数值试验结果，采用适合于氦气压气机的三维叶片造型程序进行高负荷方案的单级气动设计及数值模拟，并与常规设计方案进行对比研究。研究结果表明，平面叶栅延展到三维级是可行的，高负荷方案的级压比较常规设计方案提高了很多，同时负荷也得到了明显提高，并且效率还保持在较高水平。最后，在平面叶栅数值试验以及单级设计的基础之上进行了六级高负荷氦气压气机的设计，并分别研究了其在设计点和非设计点下的特性。数值计算结果显示，设计点总压比为1.9965，平均级压比为1.122，效率达到86.55%。另外，变工况性能研究表明所设计的六级氦气压气机具有一定的稳定运行范围。