气动设计作为轴流涡轮叶片设计的核心内容,直接关系到涡轮的效率、功率乃至运行的可靠性。随着轴流涡轮向着高效率、大功率以及经济紧凑的方向发展,对其气动性能也提出了更高的要求。近年来,基于CFD定常数值计算的叶片气动优化技术得到了广泛发展,但轴流涡轮内部流动本质上是非定常的,因此有必要开展基于非定常计算的轴流涡轮叶片气动优化设计。针对涡轮级非定常气动优化设计计算成本过高的问题,本文提出了一种适用于单排叶片非定常计算的“时间相关边界条件”方法,并通过LISA 1.5级涡轮验证了该方法的可行性,其主要思想为:通过在单排叶片进出口边界处施加随时间变化的非定常流场参数来模拟单排叶片上下游的非定常效应,从而合理地对单排叶片进行非定常数值计算。本文首先对LISA 1.5级涡轮进行了非定常数值计算,并与实验结果进行比较,发现非定常数值计算能够准确地模拟出涡轮内部真实的流动情况。随着上游叶片排尾迹向下游叶片排扩散,并与主流掺混,加上动静叶片排相对运动的影响,使得各叶片排沿轴向的非定常现象逐渐增强。随后开发了叶片积叠线参数化程序,并将其与单排叶片三维非定常数值计算进行集成,采用拉丁超立方试验设计方法和多目标遗传算法,搭建了基于非定常计算的气动优化设计平台。基于搭建成功的气动优化平台,对LISA 1.5级涡轮第二级静叶的周向积叠线进行了气动优化设计,优化目标为在约束流量和压比的条件下,总压损失系数最小,经优化得到一正弯叶片。将最优叶片与原涡轮的第一级组成新的1.5级涡轮,并对其进行非定常数值计算,结果表明:优化后1.5级涡轮的等熵效率提高了0.629%,同时第二级静叶总压损失系数减少了12.095%,叶片通道内部负荷上移,叶根处损失显著减少,涡轮高效工作范围有所拓宽。本文搭建的非定常气动优化平台旨在降低涡轮叶片非定常数值模拟及非定常气动优化的计算成本。