基于伴随优化方法的精细化设计是叶轮机气动设计技术发展趋势,因此,开发伴随优化系统、探索精细化设计、掌握应用规范是叶轮机气动热力学领域的重点研究方向之一。课题组前期开发出了叶轮机伴随优化系统,但面向工程应用却遇到了解的局域性、叶片参数化、反问题与优化策略等现实问题。围绕解决这些问题,并基于伴随优化方法探索叶轮机新技术,本文开展了相关理论与数值研究。首先,本文分析了叶轮机气动设计过程中具体应用伴随方法寻优存在的局域性问题,总结出伴随方法寻优局域性问题的三类表现,即不同参数化选择(参数化问题)、多极值情况下寻优路径的方向选择性问题和工况漂移问题,其中工况漂移问题对工程应用危害最大、最急需解决。以此为突破口,提出了排间界面处施加静压、气流角约束的解决措施,从继承传统叶轮机设计系统角度,使伴随优化具备了一定的全局性。相关案例应用研究结果表明:实施排间静压约束后,整个优化循环中,排间界面处静压偏离初始设计较小,避免了随优化循环数增加而尖部静压大幅增长的问题,有效地避免了工况漂移。其次,分析指明了叶身融合一体化是叶轮机三维复杂叶片通道的发展趋势。基于目前现实基础,除叶表参数化外,提出了添加叶片厚度、子午流路几何参数化的新方案,进一步拓展了叶轮机优化参数空间。添加叶片厚度参数后的优化结果表明:尽管后续仍需要考虑强度影响,但叶片厚度确实对气动性能影响显著,其通过削弱激波强度、合理负荷分布,实现了绝热效率提升1.0个百分点,且压比、流量变化很小,裕度至少维持不降。以平直机匣Rotor67转子为案例的子午流路参数化研究表明:机匣下压存在最佳角度,大约在11度左右,其提升气动性能效果明显——绝热效率最大提升1.5个百分点,同时压比和质量流量变化很小。再次,分析指出叶轮机三维反问题的根本限制和伴随方法应用于叶片反问题设计的基本方式。采用VB语言编写了多排、多截面叶表目标静压调整工具,与原有伴随优化系统共同构成了基于伴随方法的叶片反问题设计系统,实现了基于伴随方法的叶片反问题设计。在此基础上,对比研究了基于伴随方法的正-反问题联合优化设计策略,表明:相对于单独正问题、反问题优化设计,正-反问题联合优化具有进一步提升性能的潜力,但由于目前反问题中目标静压分布调整的些许盲目性,正→反问题优化策略很难见效;而反→正问题优化策略则能够进一步提升气动性能,提升量比单独正问题优化略大。最后,提出使用伴随优化方法实现全三维离心叶轮技术,推导了离心叶轮伴随场求解的出口边界条件,采用多截面参数化解除了直母线约束,并以Krain离心叶轮为案例,结果表明:在保持压比、质量流量和出口气流角不变条件下,获得了全三维离心叶轮,整体绝热效率提升约0.4个百分点。分析指出超/跨音涡轮弱化激波必须依赖计算机优化手段,而伴随方法是最佳选择。以俄罗斯三个典型超/跨音涡轮叶栅为案例,在不同背压下进行了伴随优化,计算获得的全工况特性表明:基于伴随方法的弱化激波技术几乎在全工况范围内大幅度提升了叶栅性能水平。TTM超/跨音涡轮级案例结果表明:所获弱化激波叶片在喉道之后吸力面表面曲率快速增长,出现后加载特征,有效减弱了激波强度,几乎整个工况内均有显著的性能提升。基于伴随方法的全三维离心叶轮、超/跨音涡轮弱化激波等叶轮机新技术,解除了直母线叶轮约束,克服了弱化激波涡轮造型只有定性规律而难以量化的困难,使全三维离心叶轮和涡轮弱化激波造型技术得以具体化、工程化,能够进一步提升离心压气机和超/跨音涡轮的气动性能。