废气涡轮增压技术作为强化内燃机功率的有效措施在大中型内燃机中得到了广泛应用。废气涡轮增压器在大功率内燃机车柴油机中主要采用轴流式涡轮机。我国虽然是铁路大国,但是针对铁路内燃机车涡轮增压器的研究相对较少,而且对于涡轮内部流场与其结构参数关系的研究也比较缺乏。因此,本文针对大功率内燃机增压轴流涡轮的高效设计方法和性能开展研究。首先,本文根据轴流涡轮的热力工作过程建立了合理的数学模型,以最小出口绝对马赫数为目标,对该数学模型进行了约束控制;基于以上工作,结合Soderberg损失模型开发了轴流涡轮的Matlab一维设计优化程序,通过计算得到涡轮机的几何参数,再应用专业软件CFturbo建立三维几何模型,整个过程极大地简化了轴流涡轮的设计建模流程,实现了单级增压轴流涡轮的高效设计。在此基础上,通过与两个实际算例作对比验证了本文的设计程序和建模方法,验证时发现,设计点工况下的流量、总总效率误差最小;在非设计工况下,算例1中流量最大误差在±6.6%以内,总总效率误差大约为1.8%,而算例2中流量最大误差约为2.5%,总总效率误差约为2.1%。其次,本文通过16V265H型增压柴油机轴流涡轮的设计建模验证了程序的适用性,从数值模拟结果可以看出,设计工况下,模拟出的质量流量高于设计要求0.22%,而总静效率约高于设计要求2.4%,并且该涡轮具有良好的变工况性能,基础叶轮流场也基本合理。这说明本文开发的程序具有一定的通用性,且可以在保证较高的计算精度的同时,完成增压轴流涡轮一维设计,可用于大功率内燃机车增压轴流涡轮的设计。最后,本文在以上研究的基础上研究了不同叶片厚度分布和前缘半径对涡轮性能的影响,结果表明,在保证设计工况的前提下,叶片厚度和前缘半径对涡轮性能影响较小;随着叶片轴向前30%弦长处的厚度增大,涡轮流量、总压比基本不变,比功增大,总静效率呈下降趋势,这说明在保证设计要求的前提下,增大叶片厚度可以降低叶型曲率,使叶片表面的静压下降;对于该轴流涡轮的设计工况,随着前缘半径的增大,涡轮比功呈增大趋势,总压比呈减小趋势,但是,前缘半径的变化对于该涡轮流量、比功、总静效率的影响与叶型厚度对它们的影响趋势相反。总体而言,在保证涡轮机的设计工况前提下,只通过改变叶片厚度分布和前缘半径很难大幅度提升涡轮性能。