随着全球经济的快速发展,各行各业对能源的需求不断扩大,尽管各国都在力求开发新型能源,但地层油气藏资源仍是当代社会最主要的能源需求。在常规勘探开发区域油气资源产量难以大幅增加、油气消费量迅猛增长的严峻形势下,油气资源开采的主战场逐渐转向深井、超深井领域,在高温、高压复杂地层,实现高效、可靠地钻进面临着严峻的挑战。涡轮钻具作为一种不含橡胶元件、耐高温的井下动力钻具,自应用之初就备受重视。涡轮钻具配合高效钻头可实现防斜快打和轻压吊打,现已在多趟深井、超深井的钻进过程中取得了良好的应用效果。作为涡轮钻具核心部件的涡轮对涡轮钻具性能有着决定性的影响,涡轮由定子和转子构成,定子和转子叶片形状复杂,叶片型线结构多样,不同型线的涡轮叶片决定着涡轮钻具的不同性能。因此,叶片型线设计与优化对提高涡轮钻具的性能有着不可估量的作用。然而,影响涡轮叶片设计的叶片结构参数多达十几个,它们对涡轮性能的影响程度也不同,且很多参数间还存在相互制约的关系,这无疑给叶片的设计带来了很大的挑战。本课题就是针对涡轮叶片设计的复杂性,通过调研大量国内外文献,在叶片型线设计理论、计算流体力学、试验设计方法和优化算法的基础上,通过理论分析、仿真模拟和试验设计分析首次系统研究了涡轮叶片的设计、仿真分析和优化过程,形成了一套较为系统的从叶片型线设计、性能预测到优化的方法。具体的分析过程和研究方法如下：(1)基于贝塞尔曲线理论和叶轮机械理论,建立了涡轮叶片的型线设计方法,并以Φ127涡轮钻具叶片型线设计为例,通过叶片型线曲率检验和流道检验验证了该方法的适用性;(2)基于贝塞尔曲线理论、三维建模软件和CFD技术,建立了涡轮叶片从型线设计、三维建模到流场仿真的分析方法。首次系统研究了三次、四次和五次贝塞尔曲线拟合叶型下涡轮性能的变化规律,通过分析和计算选取五次贝塞尔叶型作为后文涡轮叶片的研究基础；(3)采用正交试验设计研究了涡轮叶片参数对效率和扭矩的影响,结合对涡轮效率和扭矩的极差分析及关系趋势图分析,获得了影响涡轮性能的叶片参数的主次关系和敏感性。确定了后文优化设计的设计变量,并给出了其参数范围；(4)以优选的叶片结构参数为设计变量,以涡轮扭矩和效率为优化目标,通过Box-Behnken的响应设计方法建立优化目标与设计参数的响应面模型,并根据变异系数、复相关系数和修正复相关系数、预测-模拟分布以及残差正态概率分布对响应面模型进行了评估,验证了该模型的可行性；(5)运用罚函数法对模型进行了寻优处理,获得了最优的叶片参数组合。对径向叶高进行了单独优化,最终确定优化后的涡轮叶片,并对优化前后的叶片流场及其水力性能进行了对比分析。结果表明,优化后的的叶片速度场分布得到改善,有效地改善了涡轮的工作状态。且相比优化前,优化后的涡轮水力性能得到了大幅提升,效率从0.563613增加到0.57559,提高了2.13%,扭矩从4.95248N·m增加到8.44266N·m,提高了3.4902N·m。