水轮机转轮是水电机组实现能量转换的核心部件，其性能的优劣对水电机组的运行乃至整个电力系统的生产和安全具有非常重要的意义。因此提高水轮机效率、空蚀性能和稳定性是水轮机研究和设计者的追求目标。在此背景下，本文以水轮机转轮为研究对象，引入计算机辅助几何设计方法和现代优化算法并结合数值模拟进行水轮机转轮的优化设计，同时开展水轮机运行可靠性问题的研究，主要研究内容如下： 1．建立了叶片型面的NURBS参数化表示方法，在此基础上推导出由型值点反求控制点的矩阵形式线性方程组，采用张量积曲面方程将叶片型面转化为空间点阵格式保证了与现行的软件有良好的接口性。基于最小二乘准则延展自由曲面对混流式叶片不完整信息进行了补充，避免叶片实体造型过程中发生畸变。 2．建立了一种叶片制造质量的评价方法。首先通过递归中值滤波器和移动平均法消除由被测表面光洁度、边界完整性等因素引起的测量误差，提高了数据的可靠性。之后采用改进的多步拟和算法对离散曲面测量数据进行了重构，通过与被测曲面的已知数据点进行对比以实现曲面制造质量的评价。 3．针对标准遗传算法的易早熟、收敛速度慢等不足提出了改进方法，并通过测试函数对改进算法的性能进行了评估，将标准遗传算法发展为自适应遗传算法。之后将自适应遗传算法应用于叶栅的多目标优化设计，同时降低了优化对象的水力损失系数和空蚀系数，证明了优化算法的可行性。 4．采用基于CFD的分析技术，对某水电厂水轮机转轮进行了改型设计。并通过模型实验比较改型前后水轮机转轮的各项技术参数指标，结果表明改型后的转轮提高了最优效率，且使高效率区变宽。同时降低了运行区内空蚀系数和压力脉动幅值，达到了预期目标。 5．分析和总结了水电机组振动的故障机理和振动频率特征，探讨了应用小波分析工具对机组振动信号进行消噪处理和故障特征提取的方法，结合国内某电站机组实测振动数据，采用基于D-S证据理论的信息融合方法进行了融合诊断，并根据诊断结果提出了建议措施。