螺旋轴流式多相泵作为油气混输技术的关键设备,具有处理量大、适应含砂环境、抗干转能力强等优点,工程应用前景广阔。气体的可压缩性和气液两相旋转流动的复杂性使得对于多相泵内部流动规律的认识并不全面,进而制约了多相泵性能的提升。为此,本文针对多级螺旋轴流式多相泵内部气液两相流动规律进行全面深入的研究,提出多级泵叶轮结构逐级优化设计的方法和高含气率条件下叶轮结构改进的方法,以改善多级多相泵内部流动情况,提高增压性能。具体完成的工作和取得的研究成果如下:首先,为了测试多相泵在不同工况下的性能,同时为后续多相泵数值模拟方法准确性的验证提供试验数据支撑,基于三级螺旋轴流泵进行了纯水和气液两相条件下的外特性试验。试验结果表明,在低含气率（<10%）下,泵的增压随含气率的增加而缓慢下降;当含气率较高时,泵的增压显著降低。提高转速能够有效减缓增压随含气率增加而下降的趋势。随后,以试验所用的三级多相泵为模型进行数值模拟计算,综合考虑不同湍流模型、表面粗糙度、气液两相间曳力模型、气泡直径对数值模拟预测值及泵流道内压力、速度和含气率分布的影响,提出了改进的数值模拟方法。利用该方法能够捕捉到叶轮轴面流道上靠近轮缘处的速度回流现象,而且使增压和效率的预测值与外特性试验值之间的误差减小到±5%以内,表明改进的数值模拟方法具有可靠性和准确性。然后,基于改进的数值模拟方法,分析了五级多相泵各级入口体积流量、含气率、轴面速度、进口轮缘液流角等流动参数随级数的变化规律。针对多级泵各级叶轮结构与对应入口流动参数不匹配而使入口冲角增大造成水力损失的问题,依据不同入口含气率下各级流动参数的变化特点,提出了一种多级多相泵逐级结构优化设计的方法。在入口体积流量为100 m3/h,转速为4500 r/min,含气率分别为30%和50%时,基于该方法分别进行逐级设计的改进型五级泵增压比原型泵各提高了53.72 k Pa和58.57 k Pa,效率各增加了1.23%和1.53%,验证了五级泵逐级设计方法的可行性。最后,针对高含气率下多级泵各级流道中因气体聚集而导致泵性能下降的问题,提出了一种新型的带裂隙式叶片的叶轮结构。对比了改进型三级泵和原三级泵流道内含气率、速度分布以及不同含气率下的增压性能。结果表明,改进型三级泵第一级叶轮中大气团基本消失,后两级叶轮中的大气团明显减少;不同含气率下改进型泵的增压整体优于原三级泵,在含气率为60%时,两者间的增压差值达到最大为51.34 k Pa,高含气率下的多相泵性能得到有效改善。