对于压气机而言,更高的单级压比可以有效减小发动机的尺寸,减轻发动机重量,从而提高推重比。级负荷的提升必然将使压气机转子进口速度在整个叶高范围内超音。本文对超音压气机转子的气动设计方法展开了研究,并对叶片通道内流动的三维性给设计带来的影响进行了分析。通过分析通流设计参数对设计结果的影响,比较不同类型超音叶栅通道内流场结构得出了S2流面通流设计和S1流面叶型设计的参数选取原则。在此基础上,利用实验室已有的设计平台,采用准三维方法针对一台流量22.5kg/s,压比3.2的超音转子进行设计。用S2通流设计得到的转子进出口气流参数作为S1流面叶型设计的目标,提取首次设计的转子三维损失分布反馈到S2通流设计中,以提高通流设计的精度。S1流面叶型的设计中采用优化的方法,在初始叶型的基础上通过数值寻优得到满足通流设计要求的叶型。通过数值模拟证明叶型优化得到的转子在设计点流量22.4kg/s,压比3.2效率0.852;说明采用准三维设计方法可以得到合理的超音压气机转子叶片。为了提高转子的效率,进一步对叶型优化得到的转子进行三维优化,通过数值模拟证明优化得到的转子在设计点流量22.3kg/s,压比3.2效率0.858;从数值模拟角度验证了优化设计方法的可靠性。最后,作为超音平面叶栅实验的准备,本文设计了一组拉瓦尔喷管的型面,经数值模拟验证出口气流品质达到了国军标的合格指标。此外,通过对由有限个数的叶型构成的实验叶栅和平面叶栅进行数值模拟证明了实验叶栅能够有效地模拟平面叶栅。