水力发电在我国现有能源结构占比约20%,中小型水电站约占我国水电总装机容量的三分之一。在早期建设的一部分中小型水电站机组存在转轮设计不合理、制造质量较差、过流部件受到空化和泥沙磨损严重等导致机组性能明显变差和运行不稳定等问题,严重威胁机组的正常运行及电站的安全生产。因此对老旧电站水轮机进行技术改造已成为一项十分迫切的任务,研究如何利用数字化设计方法与数值模拟相结合的方式提高改造设计的准确性和可靠性、降低改造成本、缩短改造周期是水电行业亟待解决的技术问题之一。本课题结合企业委托的“大桥电站水轮机转轮水力特性优化研究”项目,针对大桥电站空蚀破坏严重的水轮机改造工程要求,研究采用基于性能预测的转轮改造优化设计技术,探索以提升水轮机的空化性能和改善运行稳定性为目标的优化设计方法和技术,并用于大桥电站水轮机转轮改造设计。本文主要研究内容及结论如下:（1）对需要进行改造电站的运行资料和水轮机转轮空蚀破坏情况进行深入调查分析,初步寻找原设计和运行中存在的问题及原因。根据转轮改造优化设计的目标,在其他过流部件不改变、电站运行的水头变幅大等多约束条件下,研究如何达到改造目标的改造设计方案、优化设计方法和技术路线。经分析大桥电站空蚀破坏严重主要原因是原转轮水力设计不合理,加之电站运行的水头变幅大等原因造成。探索在多约束条件下基于“数值试验”的水轮机转轮改造优化设计方法,通过多方案优化设计出满足大桥电站改造工程要求的新转轮。（2）针对原转轮水力设计不合理导致叶片吸力面压力梯度变化大、低压区面积大,及叶片进水边不适应运行水头变幅大,产生叶道涡工况较多等造成叶片吸力面空蚀破坏严重等问题,研究通过增加叶片沿流线方向长度以优化叶片沿流线方向的负荷分布,优化叶片进口安放角、叶片轴面流道形状等思路来进行改造转轮的初步设计,并通过全流道数值模拟和性能预测分析来优化叶片型面设计。（3）针对较为准确预测性能和评估设计方案的要求,基于全流道三维流场数值模拟计算分析,研究分析改造转轮与其他过流部件的匹配优化、空化预测计算、叶道涡、及压力脉动等预测计算分析方法。（4）针对大桥电站实际运行情况和水轮机可能运行工况,对改造转轮优化设计方案的效率、出力、空化系数、压力脉动、叶片背面低压区域等进行预测分析,并与原水轮机进行比较,叶片吸力面低压区域减小,空化系数明显降低,水轮机效率、出力均提高,压力脉动幅值明显降低、大水头变幅引起叶道涡区域变小,在多约束条件优化设计的转轮水力性能满足改造目标要求。本文结合大桥电站的水轮机转轮改造优化设计要求,探索出了基于性能预测的转轮改造优化设计方法和技术路线,已用于四川凉山州大桥电站的水轮机改造工程。证明文中的方法和技术路线能够快速、可靠、低成本地解决水轮机技术改造中水力优化设计关键问题,为类似的中小电站水轮机改造优化设计提供技术参考,具有较好的工程应用推广价值。