效率、空化和运行稳定性是水轮机的三大性能评价指标，而水轮机转轮叶片设计的优劣与水轮机的上述性能有很大的关系。为了有效提高水轮机的总体性能，选取何种方法完成水轮机转轮优化设计成为水力机械设计和研究过程中需要解决的重要问题。　　 本文以混流式转轮叶片为优化设计对象，以NURBS曲线参数化技术为基础，采用叶片头部压力面侧控制点沿叶片法向量变化的参数化技术，实现对混流式水轮机转轮叶片的参数化表达；在此基础上，基于响应面法(RSM)安排BBD试验，完成设计空间采样，有效降低了试验样本数量，大大减少了优化设计中的计算成本；接下来，使用CFD数值模拟方法对样本点进行全流道定常计算试验；最后，以混流式水轮机能量性能参数作为评价指标，即以水轮机效率作为目标函数，构造了二阶响应面近似模型，通过梯度法对响应面的二阶多项式函数进行寻优操作。　　 采用论文提出的优化设计方法对某电站水轮机叶片进行了水力性能优化设计，优化后转轮的不仅能量性能相比初始转轮有所提高，而且最低压力也有所提高，从而使叶片具有了更好的空化性能。计算结果表明，本文提出的水力优化设计方法能够以较少的设计变量控制叶片几何形状，且能有效分析各设计变量对目标函数的影响程度和范围，显著缩小了优化问题的规模，得到比较满意的优化结果，也验证了该优化方法的有效性。