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转轮与尾水管的性能对机组影响很大，特别是对低水头、高比转速的轴流式水轮机来说，其能量性能和稳定性指标是重点考核项目之一。转轮出口水流对尾水管的水力性能影响很大，此外，尾水管自身的几何形状也起着决定性的作用。通过修改转轮出口水流流态、或者修改尾水管的几何形状，寻求转轮与尾水管最优匹配以获得最优的水力性能是水轮机改型优化中十分重要的核心内容之一。因此，本文开展了轴流叶片改型优化以及转轮与尾水管最优匹配两个方面的研究，本文的主要内容如下: (1)模型水轮机初步分析。本文对该模型水轮机进行了三维建模和网格划分，并进行了整机全流道的CFD计算，分析了其内部流场。分析发现，该模型机转轮效率较低，尾水管内部脱流严重，转轮与尾水管不匹配。 (2)转轮叶片型线优化。本文首先阐述了一种已经在工程上投入使用的轴流式叶片三维改型方法，然后，结合这种方法，在CFD分析的基础上，对转轮叶片三维几何形状进行了改型优化。改型结果表明，采用这种改型方法优化轴流式水轮机叶片几何形状是有效的。 (3)尾水管形状优化。本文首先分析了尾水管各主要尺寸对其内部水力损失的影响，确定了改型方向，然后在尾水管形状优化的基础上寻找转轮与尾水管的最优匹配。优化后的尾水管的水力性能较之前有十分明显的改善，说明本文中的改型方向是正确有效的。 (4)在前面以优化的尾水管的基础上，结合一种基于优化算法的CAD-CFD联合优化方法对尾水管肘管部分进行了进一步优化。方法利用Bézier曲线为尾水管肘管进行了参数化，结合NSGA-II算法和CFD计算结果进行了优化计算。结果表明，这种方法进一步提高了尾水管的性能，能得到性能较优的尾水管，同时也说明这种方法同样适用于尾水管改型优化，并且相比于之前，这种方法优化周期短，效率更高。