多级轴流压气机作为现代燃气轮机的核心部件,对整机性能有着决定性的影响。高级负荷带来的高逆压梯度流动导致其级间匹配及全工况下气动性能优化均非常困难。基于以上背景,本文围绕高负荷轴流压气机气动分析与优化工作,开展有关研究。开发并完善了一套包含一维平均流线方法和二维通流方法的基于性能预测模型的压气机气动分析方法,建立了适用于高负荷压气机气动分析与优化的综合体系,并将其分别应用到多级轴流压气机可调叶片联调优化与半封闭式布雷顿循环中压气机工质变组分气动分析之中。本文针对高负荷轴流压气机气动分析的需要,首先建立了一套一维平均流线气动分析方法。选取了不同性能预测模型进行组合,搭建了其核心组成部分—性能预测模型库。通过对若干典型机组进行试算,从多个层面综合考量计算方法,特别是模型库对于多级轴流压气机总体性能与气动布局特性的预测能力。经验证后的方法被成功应用到某五级轴流压气机气动性能分析的有关研究中,根据实验结果校验了该机部分性能参数;并与CFD方法相结合,分析了该机在部分转速下效率降低较明显的原因。基于开发的一维平均流线计算方法,结合神经网络与遗传算法,建立了一套针对压气机可调叶片多排联调优化的压气机气动优化体系。采用多层前馈神经网络作为优化过程中压气机气动性能复现的代理模型。采用遗传算法作为优化算法,针对传统遗传算法的不足,采取了精英选择,非均匀混合交叉,非均匀变异和动态自适应控制参数等若干改进策略,以提升优化效率。将该体系应用于某五级轴流压气机气动性能优化,结果表明该压气机中的级间匹配不良问题能够被有效定位与改善,验证了体系的有效性。其次,针对先进半封闭式布雷顿循环中压气机的设计问题,利用为平均流线方法所搭建的经过验证的性能预测模型库更新了一套已有通流方法的相应部分。以某五级轴流压气机为对象,对其采用通流方法进行了不同工质情况下的气动分析。对半封闭循环中高负荷压气机的气动设计与改进思路提出了建议。