目前超低比转速水轮机在我国工业流体余压回收利用中发挥了重要的作用,在一些工业进行余压余能回收过程中,工质的状态是气相与液相混合的两相工质,对超低比转速轴流式水轮机的工作性能要求较高。为了研究水轮机在气液两相工质下的流动特性,改善超低比转速轴流式水轮机流道内工质的流动状态,提高其在两相工质下的效率与出力,利用数值模拟的方法研究了超低比转速轴流式水轮机在两相工质下的外特性,分析了导叶、转轮内部的流动规律,阐述了在气液两相工质下水轮机效率及出力下降的原因。并利用正交试验的设计方法对超低比转速轴流式水轮机原模型在气液两相工质下进行了优化。研究发现,随着气液两相工质中含气率的增加,转轮内部的水力损失增加,水轮机的效率及出力降低;在含气率为5%时,导叶出口速度较高,含气率大于5%时,导叶内部流速会随着含气量的增加而降低;在转轮内部压力分布方面,随着含气率的增加,转轮下方压力分部越不均匀,在转轮叶片进口处会出现斑点状的高压区域。正交试验结果表明,四种因素对效率的影响排序为导叶数＞导叶出口角＞叶片数＞叶片宽度,而对水头的影响排序为叶片宽度＞导叶数＞导叶出口角＞叶片数;在含气率为20%时,小流量工况下优化模型相比于原模型效率提高了1.97%,额定工况下效率提高了2.24%、大流量工况下效率提升了1.03%;在水头方面,优化模型相较于原方案水头最高提升0.97m;在出力方面,优化模型相较于原模型出力最大提升了1.25k W。优化后的模型改善了转轮进口处液体工质的流态,减少了漩涡和脱流的产生。