涡轮气动优化设计的最终过程是多级涡轮全三维气动优化设计,但三维计算在空间和时间上的复杂度都比较高,且设计过程需要考虑的问题非常之多。如果没有一套很好的准三维计算结果作为全三维设计的初始值,很难在短时间内得出非常好的结果。所以将传统设计流程和现代设计概念相结合,形成一套完善的分层次优化设计系统是非常有必要的。本文首先阐述了涡轮气动设计体系与气动优化设计的发展历史,主要内容包括:一维气动设计体系,准三维气动设计体系,三维气动设计体系;一维气动优化设计,准三维气动优化设计,三维气动优化设计。详述了S2流面正问题气动优化设计(下文简称为S2优化设计)的发展历史及国内外研究状况,损失模型的发展历史及其现状。系统介绍了本文所采用的S2优化设计系统,包括叶片造型、S2流面计算、损失模型、优化方法及优化软件。本文应用S2流面正问题计算程序,在考虑设计变量、目标函数、约束条件的情况下,考查不同损失模型对于优化结果的影响。结果显示,不同损失模型对于S2优化设计结果影响差异较大,但通过改变设计变量的组合,优化后总体损失都有所降低,等熵效率都有不同程度的提高。结果表明采用准确的损失模型是S2优化设计的关键。针对ЦИАМ模型,本文将此损失模型所预测的结果与10组叶型的损失实验数据进行了对比,找出其缺点,然后对原ЦИАМ模型进行了修正,使预测与实验数据的叶型损失误差由原来的37.56%降低到22.59%,总损失误差由原来的38.31%降低到30.95%。应用本文所介绍的S2优化设计系统,对某两台低压涡轮进行了S2优化设计。其中四级低压涡轮应用原始的ЦИАМ模型优化后的等熵效率由90.40%提高到91.25%,应用修正后的ЦИАМ模型的等熵效率由90.81%提高到91.59%。三级低压涡轮的等熵效率由89.50%提高到91.22%。