转轮的优化设计技术一直是水轮机研究领域的核心热点，目前传统的水轮机转轮优化设计方法存在设计周期长、各学科之间信息传递滞后及难以保证获得整体性能最优解的缺点。为消除上述传统优化设计方法中的弊端，提高转轮设计技术水平，本文以建立混流式转轮多学科优化设计框架为立足点，对叶片几何形状的参数化设计、设计变量的全局灵敏度分析、转轮的多学科优化求解策略及多工况优化设计方法等转轮优化设计过程中的关键技术开展了深入研究。本文主要工作如下：　　综合全三维反问题设计方法与曲线参数化技术，形成混流式转轮叶片的参数化全三维反问题设计模型。以贝塞尔曲线参数化技术为基础，该设计模型采用一组离散参数对转轮全三维反问题设计方法的边界条件进行表达。通过控制该组离散参数的变化可以实现反问题设计边界条件的改变，进而达到控制设计所得叶片三维几何形状的目的。该设计模型不仅能有效实现设计过程中对转轮性能的控制，同时也为转轮优化设计框架的建立奠定了基础。　　对混流式水轮机转轮叶片的流固耦合求解方法开展了对比分析，并选择分离式流固耦合计算法作为混流式转轮叶片流固耦合现象的求解计算方法。在此基础上，通过对比分离式流固耦合计算法中单向耦合与双向耦合求解策略的计算差异及时间成本，选择采用单向耦合求解策略作为后续多学科优化计算中叶片固体力学性能的分析方法。　　建立了完整的混流式转轮多学科优化问题数学模型，并通过分析简化优化问题中的学科耦合系统，确立了优化设计过程中样本个体的多学科性能分析流程。为获得准确的优化设计变量全局灵敏度信息，将最优拉丁超立方抽样技术与莫里斯(Morris)提出的OAT(One-at-A-Time)法相结合，以此为基础开展各优化设计变量的全局灵敏度分析。该方法能有效改善原Morris OAT法中计算准确性低、需进行多次重复计算的缺点，使得设计变量的全局灵敏度计算更为准确、简洁。　　对转轮多学科优化问题中的强弱耦合变量概念进行阐述，引入模糊数学中隶属度函数的概念，制定了设计变量耦合强弱程度的判定准则。根据所制定的判定准则及各设计变量的隶属度函数值对优化设计变量开展了耦合强弱程度分类。分类结果表明，转轮多学科优化设计变量集中只存在一个弱耦合变量，其余为中等耦合变量。根据设计变量的耦合程度属性，最终选择采用多学科可行性优化方法为核心的优化求解策略作为混流式转轮多学科优化的求解策略。采用该优化求解策略对某混流式水轮机固定导叶开展了多学科优化，通过优化前后固定导叶性能的对比，可说明所采用的优化求解策略具有有效性。　　根据数据降维理论，引入距离空间的概念，本文提出一种嵌入设计者偏好的多工况优化设计方法。该方法首先引入泛函分析中距离空间的概念，证明目标函数空间为距离空间并在目标函数空间中定义距离的公式；其次，采用先验法在目标函数空间中嵌入设计者期望的性能参考点；最后，根据目标函数空间中距离概念的推广，将混流式转轮的最优化问题转变为寻求性能距离最小值对应解的问题。采用该方法对NACA63-815水力翼型进行了多攻角工况下的优化设计，根据优化前后翼型水力性能的对比结果，验证了所提出的多工况优化设计方法具有可靠性和有效性。　　综合混流式转轮的参数化全三维反问题设计模型、多学科性能分析过程以及多工况优化设计方法，最终建立混流式转轮多学科优化设计框架。为验证该优化设计框架的有效性，采用其对一200米水头段模型水轮机转轮进行了优化，优化目标为三个工况下转轮的水力性能和强度性能，并在优化后详细对比了优化转轮与原始转轮的性能。对比结果表明，在优化设计所针对的三个工况点下，优化后转轮叶片的水力性能和强度性能均有所提高，转轮优化后的水轮机全流道水力效率在三个工况点下相比优化前分别提高了0.2％、0.82%和1.2%，空化性能也全面提高，这表明本文所建立的混流式转轮多学科优化设计框架可靠、有效，并具有一定的工程实用价值。